Землеройно-транспортные машины

Землеройно-транспортными машинами называют такие машины, которые одновременно с послойным резанием грунта осуществляют его перемещение и разгрузку. Эти машины обладают высокими транспортирующими возможностями и могут перемещать грунт на расстояние нескольких сот метров и даже нескольких километров.

Таким образом, в землеройно-транспортных машинах в одном агрегате совмещены функции землеройного и транспортного оборудования. Движение рабочего органа машины производится перемещением всей машины под действием тягача или собственного двигателя.

По типу рабочего органа и технологическому назначению землеройно-транспортные машины разделяют на ковшовые и ножевые.

К ковшовым машинам относятся скреперы, к ножевым – бульдозеры, грейдеры, грейдер-элеваторы.

Скреперы. Скрепером (рис. 7.3) называется землеройно-транспортная машина, приводимая в движение тягачом или собственным двигателем и предназначенная для послойного срезания грунта, транспортирования и разгрузки его, производимой в большинстве случаев (кроме моделей с разгрузкой назад) с последующими разравниванием и предварительным уплотнением.

Рис. 7.3. Общий вид скрепера:

а – самоходный; б – прицепной;

1, 6, 9 И 12 – гидроцилиндры; 2 – сменные двухлезвийные ножи;

3 – П-образная рама; 4 – шарниры; 5 – ковш; 7, 18 – колеса; 8 ‑ буферное устройство;

10 – задняя стенка; 11 – заслонка; 13 – хобот; 14 – седельно-сцепное устройство;

15 – одноосный тягач; 16 – тяговый шкворень; 17 – передняя (поворотная) ось

Самоходный скрепер (рис. 7.3, а) представляет собой двухосную пневмоколесную машину, состоящую из одноосного тягача 15 и полуприцепного одноосного скреперного оборудования, соединенных между собой универсальным седельно-сцепным устройством 14. На тягаче смонтированы два гидроцилиндра 1 для его поворота относительно рабочего органа в плане. Седельно-сцепное устройство обеспечивает возможность относительного поворота тягача и скрепера в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Для толкания скрепера бульдозером-толкачом в процессе набора грунта имеется буферное устройство 8. Основным узлом скрепера является ковш 5 с двумя боковыми стенками и днищем, опирающийся на колеса 7. К подножевой плите ковша крепят сменные двухлезвийные ножи 2 ‑ два боковых и средние. Ковш снабжен выдвижной задней стенкой 10 для принудительной разгрузки, а в передней части ‑ заслонкой 11, поднимающейся при наборе и выгрузке грунта. Заслонка служит для регулирования щели при загрузке ковша и закрывает ковш при транспортировании грунта. Ковш двумя шарнирами 4 соединен с тягой П-образной рамой 3, жестко соединенной с хоботом 13. Гидравлическая система управления рабочим оборудованием обеспечивает подъем-опускание ковша 5, заслонки 11, выдвижение задней стенки 10 и возврат ее в исходное положение с помощью трех пар гидроцилиндров 6, 9 и 12. Насосы гидросистемы рабочего оборудования приводятся в действие от коробки отбора мощности базового тягача. Раздельное управление гидроцилиндрами осуществляется золотниковым распределителем, установленным в кабине машиниста. Рабочее оборудование самоходных и прицепных скреперов одинаково по конструкции и максимально унифицировано.

Прицепной скрепер (рис. 7.3, б) отличается от самоходного наличием передней (поворотной) оси 17 с колесами 18, которая передает силу тяги трактора тяговой раме скрепера. Передняя ось шарнирно соединяется с трактором посредством тягового шкворня 16. Гидрооборудование прицепных скреперов работает от гидросистемы трактора и управляется из кабины машиниста с помощью золотниковых распределителей.

Классификация скреперов:

– по способу передвижения: прицепные к гусеничным или колесным тракторам и тягачам; полуприцепные одноосные, передающие часть нагрузки двухосному колесному тягачу, колесному или гусеничному трактору; самоходные пневмоколесные или гусеничные, у которых тягач и скрепер представляют собой единую машину и использование тягача без скрепера невозможно; самоходные скреперные поезда, состоящие из двух или более скреперных агрегатов;

– по емкости ковша: малой емкости (до 3 м³); средней емкости (свыше 3…10 м³); большой емкости (свыше 10 м³);

– по способу загрузки ковша: загружающиеся под воздействием, силы тяги при движении машины; с механизированной (элеваторной) загрузкой;

– по способу разгрузки ковша: со свободной (самосвальной) разгрузкой вперед или назад; с полупринудительной разгрузкой; с принудительной разгрузкой;

– по системе управления: канатным, гидравлическим и комбинированным управлением;

– по типу трансмиссии: механические, гидромеханические, электромеханические.

Скреперы применяют при разработке грунтов до IV категории включительно. Для облегчения процесса копания скрепером грунты выше II-й категории предварительно разрыхляют рыхлителями.

Дальность транспортирования грунта прицепными скреперами экономически эффективна на расстояние до 300 м и самоходными до 5000 м.

Рабочий процесс скрепера состоит из следующих операций: набора грунта, транспортирования груженого скрепера, разгрузки, транспортирования пустого скрепера к забою. При выполнении рабочего процесса сила тяги тягача через арку-хобот передаётся раме скрепера и ковшу.

С помощью скреперов можно возводить насыпь земляного полотна из боковых резервов или грунтовых карьеров, устраивать выемки с отвозкой грунта в насыпи или кавальеры, планировать строительные площадки, срезать растительный слой грунта в полосе отвода дороги.

Эксплуатационная производительность скрепера, м³/ч, определяется по формуле

,

(7.1)

где n – число циклов в час;

q – геометрическая вместимость ковша, м³;

К_н – коэффициент наполнения ковша грунтом,

К_н = 0,6... 1,2;

К_в – коэффициент использования машины по рабочему времени,

К_в = 0,8...0,9;

К_р – коэффициент разрыхления грунта,

К_р = 1,1...1,3.

Число циклов в час определяется по формуле

,

(7.2)

где Т_ц ‑ продолжительность одного рабочего цикла скрепера, мин.

При определении Т_ц в с, используется формула

,

(7.3)

где l_з, l_т, l_рз, l_п.х. – длины участков соответственно набора грунта (заполнения ковша) (12...30 м), транспортировки грунта, разгрузки ковша (5...15 м), порожнего хода скрепера, м;

v_з, v_т, v_рз, v_п.х. – скорости скрепера соответственно при заполнении ковша, транспортировке грунта, разгрузке и порожнем ходе, м/с;

t_п – время на переключение передач тягача;

t_пов – время на один поворот,

t_пов = 15...20 с.

Длина участка набора грунта, м, определяется по формуле

,

(7.4)

где b – ширина срезаемой полосы, м;

h – толщина срезаемого слоя грунта, м.

Бульдозеры. Бульдозер (рис. 7.4) – землеройно-транспортная машина циклического действия, предназначенная для планировки разрабатываемой поверхности, ее очистки от мелкой растительности, пней, валунов, мусора.

Рис. 7.4. Общий вид и основные узлы бульдозера:

1 – базовая машина; 2 – толкающие брусья; 3 – кронштейны;

4 – раскосы; 5 – гидроцилиндры; 6 – отвал

Толкающая рама бульдозера состоит из двух продольных толкающих брусьев 2, которые передними концами шарнирно связаны с нижней частью отвала 6, а задними ‑ с базовой машиной 1. Требуемое положение отвала в вертикальной плоскости фиксируется раскосами 4, задние концы которых штырями крепятся к кронштейнам 3 брусьев. Наличие в этих кронштейнах нескольких отверстий для штырей позволяет изменять в заданных пределах угол резания ножей отвала. Устойчивость всей системы в плане обеспечивается раскосами, связывающими отвал с толкающими брусьями в горизонтальной плоскости. Подъем и опускание отвала, как и в универсальном бульдозере, осуществляют при помощи гидроцилиндров 5.

Классификация бульдозеров:

– по назначению: общего назначения (используемые для выполнения основных видов землеройно-транспортных и вспомогательных работ в различных грунтовых и климатических условиях) и специальные (применяемые для выполнения целевых работ в специфических грунтовых или технологических условиях (бульдозеры-толкачи, подземные и подводные бульдозеры));

– в зависимости от тягового класса (номинальному тяговому усилию) базовых машин: малогабаритные (класс до 0,9), легкие (классов 1,4…4), средние (классов 6…15), тяжелые (классов 25…35) и сверхтяжелые (класса свыше 35);

– по типу ходового устройства: гусеничные (при перемещении грунта на расстояние до 80…100 м) и пневмоколесные (на расстояние до 120…150 м);

– по конструкции рабочего органа: с неповоротным в плане отвалом (постоянно расположенным перпендикулярно продольной оси базовой машины) и с поворотным отвалом (который может быть установлен в плане под углом до 27°, а в вертикальной плоскости перекошен до 10°);

– по типу системы управления отвалом: с гидравлическим и механическим (канатно-блочным) управлением.

Бульдозеры могут оснащаться дополнительным быстросъемным оборудованием (рис. 7.5), значительно расширяющим их технологические возможности: неподвижными или гидроуправляемыми уширителями отвала (используют при работе на легких песчаных грунтах для увеличения призмы перемещаемого грунта) (рис. 7.5, а…в), передними и задними рыхлительными зубьями (рис. 7.5, г), киркой для взламывания асфальтовых покрытий (рис. 7.5, д), ножами для разработки мерзлых грунтов (рис. 7.5, е), кусторезным ножом (рис. 7.5, ж), надставкой для рытья канав (рис. 7.5, з), откосником с жестким креплением и гидроуправляемым откосником-планировщиком (рис. 7.5, и), передними и задними лыжами (применяют для облегчения работы по планировке поверхности, когда необходимо ограничить возможность заглубления отвала) (рис. 7.5, к), отвальной приставкой для работы от стенки (рис. 7.5, л), грузовыми вилами (рис. 7.5, м), подъемным крюком (рис. 7.5, н).

Рис. 7.5. Дополнительное быстросъемное оборудование:

а, б, в – уширители отвала; г – рыхлительные зубья; д – кирка;

е – нож для разработки мерзлых грунтов; ж – кусторезный нож;

з – надставка для рытья канав; и – откосник-планировщик; к – лыжи;

л – отвальная приставка; м – грузовые вилы; н – подъемный крюк

Техническая производительность бульдозера, м³/ч, определяется по формуле

,

(7.5)

где V_п – объем призмы волочения, м³,

Т_ц – продолжительность цикла работы бульдозера, мин;

К_н – коэффициент наполнения призмы волочения;

К_р – коэффициент разрыхления грунта.

Объем призмы волочения находится по формуле

,

(7.6)

где В₀ – ширина отвала, м;

H₀ – высота отвала, м;

ε – угол естественного откоса грунта.

Продолжительность одного цикла определяется по формуле

,

(7.7)

где t_н, t_г.х., t_х.х., t_п, t_п.п., t_о – продолжительность резания (набора) грунта, груженного хода, холостого хода, одного поворота на 180° (10…20 с), одного переключения скорости (5 с), опускания отвала в рабочее положение (1…2 с);

m – число переключений скоростей трактора в течение одного цикла;

l_н, l_г.х. – длина путей резания грунта и перемещения к месту укладки, м;

v_н, v_г.х., v_x.x. – скорости движения бульдозера при резании, перемещении грунта и обратном ходе, м/с;

К_v – коэффициент учитывающий снижение скоростей по сравнению с расчетной конструктивной скоростью трактора,

К_v = 0,7…0,75 (при резании и перемещении грунта); 0,85…0,9 (при обратном холостом ходе).

Автогрейдеры. Автогрейдер (рис. 7.6) – самоходная землеройно-транспортная машина, предназначенная главным образом для профилирования и отделки земляного полотна, а также возведения насыпей, устройства и содержания кюветов, перемешивания грунта или гравия с вяжущими материалами, очистки дорог и прочих сооружений от снега и льда и других работ.

Рис. 7.6. Общий вид и устройство автогрейдера:

1 – установка силовая; 2 – система охлаждения и разогрева двигателя; 3 – система смазки;

4 – капот; 5 – установка крыльев; 6 – мост задний ведущий; 7 – подвеска задних мостов;

8 – вал карданный заднего моста; 9 – передача карданная; 10 – рама тяговая с отвалом;

11 – колесо; 12 – мост передний; 13 – управление рулевое;

14 – оборудование дополнительное сменное; 15 – гидросистема; 16 – рама основная;

17 – подвеска тяговой рамы; 18 – кабина управления

В зависимости от массы различают три типа автогрейдеров: легкие – массой 7…9 т (используются для содержания и ремонта дорог, для обустройства придомовых территорий, при небольших объёмах работ и в стеснённых условиях, лёгкие автогрейдеры часто выполняют двухосными), средние – массой 10…15 т (машины такого класса самые распространённые и применяются для всего спектра предусмотренных работ) и тяжелые – массой 16…23 т (в основном полноприводные автогрейдеры, используются при больших объёмах работ, когда необходимо подготовить поверхность под аэропорт или многополосную автодорогу, а также при работе в тяжелых грунтах до III категории включительно).

В связи с быстрым развитием, в классификацию грейдеров по весу можно включить ещё два класса: минигрейдеры – машины, которые используются для планирования маленьких территорий, например тротуаров, а также внутри зданий и сверхтяжёлые автогрейдеры – применяются в основном для горнодобывающей отрасли и выпускаются очень мелкими партиями или под заказ.

Классификация по весу – классическое деление, однако оно довольно условное (например, большинство производителей выпускающих автогрейдеры массой 14…19 т, позиционируют их как полутяжёлые, но всего 10…15 лет назад машины такого веса безоговорочно признавались тяжёлыми).

Гидросистема рабочего оборудования предназначена для обеспечения работы гидроцилиндров управления отвалом и рыхлителем и гидродвигателя механизма поворота отвала. Механизм поворота отвала состоит из гидродвигателя и червячного редуктора. Основным рабочим органом автогрейдера является отвал, который с помощью тяговой рамы и поворотного круга на гидроцилиндрах подвешен к основной раме посередине машины. Трансмиссия включает в себя двигатель, повышающий редуктор с гидротрансформатором, карданный вал, коробку передач, стояночный тормоз, главную передачу, полуось, цепную передачу балансира, колесный тормоз и колесный движитель.

Управление колесным движением автогрейдера осуществляется из кабины рулевого колеса с валом и гидроусилителя. Рабочий процесс автогрейдера состоит из операций копания, перемещения и разравнивания грунта. Отвал автогрейдера может занимать различные положения (поворот в плане на 360°, подъём и опускание, наклон в обе стороны в вертикальных плоскостях, вынос в обе стороны с наклоном к горизонту от 0…90°).

При профилировании дороги автогрейдер последовательно вырезает грунт из кювета, перемещает его к оси дороги проходами, параллельными оси дороги, планирует и отделывает. Зарезание грунта производят на скорости 3…4 км/ч.

Колесная схема автогрейдеров обозначается формулой

,

(7.8)

где А – число осей (мостов) с управляемыми колесами;

Б – число ведущих осей;

В – общее число осей.

Наиболее распространённой является схема 123, которая при достаточно простом устройстве управляемой оси обеспечивает хорошие тягово-сцепные и планирующие свойства.

Производительность автогрейдера при планировании земляного полотна, м³/ч, определяется по формуле

,

(7.9)

где V – скорость движения машины, м/с;

F – площадь вырезаемой стружки, м².

Некоторые схемы и рабочие операции производства земляных работ автогрейдерами приведены на рис. 7.7 и 7.8.

Рис. 7.7. Рабочие операции:

а – зарезание грунта; б – перемещение; в – разравнивание

Рис. 7.8. Планировка и отделка корыта

(схема движения автогрейдера и порядок проходов)

Грейдер-элеваторы. Грейдер-элеватор – землеройно-транспортная машина непрерывного действия, послойно вырезающая и транспортирующая грунт на расстояние до 10…15 м непосредственно к месту укладки или в транспортные средства.

Принципиальной особенностью этой машины является то, что грунт, отделяемый от массива, попадает на транспортирующее устройство – конвейер, при помощи которого он подаётся в транспортные средства или в отвал. Рабочий орган грейдер-элеватора – дисковый нож, совок, струг, только вырезает грунт, а перемещается грунт ленточным конвейером, который подхватывает его с ножа.

Грейдер-элеваторы предназначены для возведения насыпей за счёт грунта, вырезаемого из боковых резервов. Более эффективно они разрабатывают грунт до III категории.

Общий вид грейдер-элеватора представлен на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Общий вид самоходного грейдер-элеватора:

1 – тягач; 2 – нож дисковый; 3 – рама плужная; 4 – рама несущая; 5 – трансмиссия; 6 – транспортер

Тяговое усилие, создаваемое тягачом 1, способствует вырезанию грунта рабочим органом – дисковым ножом 2, закреплённым на плужной раме 3. Несущая рама 4 является основной металлоконструкцией, служащей для установки и крепления плужной балки, трансмиссии 5 и ленточного транспортёра 6.

Грейдер-элеватор выгодно отличается от других землеройно-транспортных машин, так как расход энергии на транспортирование грунта конвейером значительно меньше, чем на заполнение, например, грунтом ковша, где в процессе перемещения грунта значительное количество энергии расходуется на трение грунта о грунт.

По расположению конвейера грейдер-элеваторы делят на машины с поперечными, диагональными и поворотными конвейерами, с грунтометателями.

В зависимости от ходового оборудования и тягового средства грейдер-элеваторы могут быть прицепные (на пневматическом ходу ), полуприцепные к гусеничным или колесным тракторам, навесные в виде сменного оборудования к автогрейдерам и самоходные (с собственной ходовой частью с использованием одноосных тягачей ).

Грейдер-элеваторы применяют при строительстве дорог, постройке оросительных каналов, возведении дамб, валов, земляных плотин, разработке карьеров в равнинной местности и грунтов без значительных каменистых включений. Наиболее эффективно используют грейдер-элеваторы при разработке связных грунтов. На сыпучих (с влажностью более 25%) грунтах производительность их невысокая.

Рабочий процесс грейдер-элеватора (вырезание борозды и перемещение грунта) осуществляется последовательными проходами машины по обрабатываемому участку с поворотом в конце участка.

На рис. 7.10 приведена схема возведения насыпи из бокового резерва грейдер-элеватором.

Рис. 7.10. Схема возведения насыпи грейдер-элеватором

Производительность грейдер-элеватора зависит от площади вырезаемой стружки и скорости движения машины при условии соглашения вырезаемого объёма грунта с производительностью конвейера машины.

Формула для определения эксплуатационной производительности грейдер-элеватора, м³/смену, имеет следующий вид

,

(7.10)

где Т – продолжительность смены, ч;

L – длина захвата, м;

F – поперечное сечение вырезаемой стружки грунта, м²;

μ_с – коэффициент, учитывающий потери грунта на транспортере;

к_с – коэффициент, учитывающий форму поперечного сечения стружки;

к_в – коэффициент использования рабочего времени,

к_в = 0,8;

V – рабочая скорость, км/час;

t_пов – время, необходимое на поворот,

t_пов = 0,6…1,2 мин.