Автор: Хархута Н.Я.
Теги: автомобильные дороги в целом внегородские дороги городские дороги машиностроение дорожные машины
Год: 1968
Текст
144
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Усилия в канатах будут максимальными в положении IV, когда
нагруженный ковш находится в самом верхнем положении, а рукоять
выдвинута до отказа. Подъемное усилие для этого положения Sn можно
найти тем же методом. ^Максимальные усилия можно получить, учитывая
динамический характер нагрузки. При одномоторном приводе
S„max = l,5Sra. (III. 15)
При многомоторном приводе этот коэффициент может быть снижен до 1,3.
Максимальное усилие в канате механизма подъема найдем по формуле
с _______________________________ Sn max
max Ki ,
тЧп
где т — кратность полиспаста;
т|(1 — к. п. д. полиспаста.
Скорость подъема ковша vn при независимом напорном механизме
выбирается по опытным данным для следующих моделей машин (м/сек):
малых 0,40—0,50; средних 0,50—0,90; тяжелых 0,90—1,60.
При зависимом напорном механизме скорости подъема ковша должны
быть увеличены на 10—15%.
Мощность, необходимая для работы механизма подъема, опреде-
ляется по формуле
Активное напорное усилие, т. е. усилие, которое необходимо для
работы напорного механизма, определяется при трех расчетных положе-
ниях. Первое расчетное положение / соответствует началу копания. Угол
наклона стрелы равен 60°, рукоять опущена, ковш пустой. Активное
напорное усилие должно преодолеть реакцию грунта Ро, и составляю-
щую той силы SK, которая действует в полиспасте подъема ковша. Заглуб-
лению ковша способствует его вес и вес рукояти. Сила SK определяется
из уравнения моментов относительно оси напорного вала. Активное напор-
ное усилие S° может быть найдено аналитическим путем или графически —
построением многоугольника тех сил, которые действуют на ковш с руко-
ятью.
При расчетном положении III (рис. 90) угол наклона стрелы для
малых моделей экскаваторов принимается равным 60°, а для больших
моделей — 45°. Предполагается, что рукоять полностью выдвинута и нахо-
дится в горизонтальном положении. Активное напорное усилие должно
преодолеть силы Ро., и составляющую силы натяжения полиспаста подъема
S“ = Ро2 + S„ tg ф. (Ш.16)
Ввиду того, что в этом положении напорный механизм работает мало,
принимается, что
Pos^O,2P01.
Пассивное напорное усилие определяется в целях расчета тормозных
устройств. Предполагается, что рукоять полностью выдвинута, а ковш
поднят на максимальную высоту (положение IV). Это усилие находится
из уравнения равновесия, которое составляется из проекций веса ковша
и рукояти и силы натяжения подъемного полиспаста на направление
рукояти.
При расчетном положении IV рукоять выдвинута, стрела под углом
60°, ковш находится в наивысшем положении. В этом случае Р01 и Ро,
ЭКСКАВАТОРЫ
145
равны нулю. Усилие подъемного полиспаста Sn находится из уравнения
моментов всех сил относительно оси напорного вала. Для расчета меха-
низма напора берется наибольшее значение S°, полученное из расчета
в указанных трех положениях. Скорость усилия напора vaH выбирается
такой, чтобы обеспечить полное выдвижение рукояти за время копания,
т. е.
иа < м/сек,
н ‘к
где 1Х. р — наибольший ход рукояти в м\
tK — продолжительность копания в сек.
> Скорость возвратного хода рукояти принимается в полтора-два
' раза большей. Мощность напорного механизма
где г]к — к. п. д. механизма напора.
Расчетным положением для определения необходимого тягового усилия
при обратной лопате является положение III (рис. 90, б). Здесь груженый
ковш находится у бровки забоя. На ковш действует максимальное зна-
чение реакции грунта Р01. Тяговое усилие определяется из уравнения
моментов всех сил относительно шарнира крепления рукояти к стреле
(точка О)
$т max ~ ~Z~ (P01r 1 ёк+ггк 4“ gffр "Ь $пгп)> (Ш-17)
'Г
где rT, rlt гп — плечи действующих сил относительно точки О. Усилие
подъема стрелы Sn может быть найдено при том же расчетном положении
из уравнения моментов всех сил, действующих на рабочее оборудование
относительно шарнира пяты стрелы (точки OJ,
Sntп 4 Sr?т = Лип 4- 4~ gpfр 4~ ёсСс (III. 18)
Производится проверка Sn еще для двух расчетных положений:
II и IV (рис. 90, б). В положении II ковш предполагается полностью
загруженным, а в положении IV — порожним. В обоих случаях считается,
что на подъем расходуется 60% мощности двигателя, а остальная мощность
затрачивается на поворот. Время подъема рабочего оборудования из по-
ложения //в положение, соответствующее выгрузке грунта, не должно
превышать времени, необходимого для поворота платформы на угол 70°.
Обычно скорость подъема выбирается в пределах 0,25—0,35 м/сек.
При оборудовании драглайном усилие в тяговом канате опреде-
ляется по формуле
Зт = Р01 + ёк+г sin а кГ, (III. 19)
где а — угол откоса, предельное значение которого находится в пределах
30—50°, причем меньшие значения соответствуют тяжелым
грунтам.
Подъемное усилие принимается равным 70—80% от силы тяги.
Скорости тяги принимаются равными (.«/сек): для малых моделей
0,7—0,9; для средних моделей 0,9—1,3; для тяжелых моделей 1,3—2,3.
Скорость подъемного каната выбирается приблизительно в 1,5 раза
больше. Скорость подъема должна обеспечивать возможность полного
подъема ковша за время, в течение которого поворотная платформа
146 МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
поворачивается на угол в 60—70°. При многомоторном приводе минималь-
ное усилие подъема принимается в зависимости от веса груженого ковша
Sn^ (1,5- 1,7) кГ. (111.20)
Механизм поворота. Производительность экскаватора в значительной
степени зависит от скорости поворота, так как время поворота доходит
до 70%, а у мощных драглайнов и до 80% от общего времени цикла.
Поэтому для увеличения производительности необходимо стремиться
к сокращению времени поворота. Верхний предел скорости поворота
у малых машин ограничен мощностью двигателя и возможностями опера-,
тора, а у мощных экскаваторов — сцеплением опорной поверхности экска-'
ватора с грунтом. Важнейшими характеристиками поворотного меха-
низма являются: моменты инерции всей вращающейся части экскаватора
при груженом ковше Jг и порожнем ковше ]п, угловая скорость вра-
щения <в, угловое ускорение е, угол поворота 0, к. п. д. механизма г\мех,
время поворота tn, а также мощность, затрачиваемая на вращение.
Моменты инерции вращающейся части экскаватора зависят от вида и поло-
жения рабочего оборудования. При определении моментов инерции при-
нимается, что ковш груженый, а стрела наклонена под обычным для
данного вида оборудования углом. Для прямой лопаты предполагается,
что рукоять горизонтальна и выдвинута на 2/3 своего хода для машин
малой и средней мощности и на 3/4 хода для машин большой мощности.
При обратной лопате угол наклона стрелы принимается равным 60°.
Приведенный к оси вращения общий момент поворотной платформы может
быть выражен как
Мтв = Мст Мз + Мд, (III.21)
где Мст — момент от преодоления сил трения в опорно-поворотном
устройстве, а также от ветровой нагрузки и случайного
наклона поворотной платформы;
Мд — момент, расходуемый на преодоление сил инерции вращаю-
щихся частей двигателя и механизма поворота;
Мд — динамический момент, расходуемый на преодоление сил
инерции всей поворотной платформы вместе с механизмами
и рабочим оборудованием.
Последняя составляющая является основной, так как равна 80—85%
от общего момента. Удельные значения момента от сил трения и момента
от преодоления сил инерции вращающихся частей двигателя и механизма
составляют соответственно 10—15 и 2—3%. Поэтому общий момент пово-
ротной платформы может быть выражен в виде
М = 1,2/Иб кГ-м. (III.22)
Величина динамического момента в общем виде определяется по формуле
Мд = Цг = Je кГ'м’ (Ш.23)
где tn — время разгона или торможения механизма вращения в сек;
— момент инерции в кГ-м-сек2;
ютах — максимальная угловая скорость, при определении которой
предполагается, что поворот состоит из разгона и торможения.
Момент инерции поворотной платформы при груженом ковше най-
дется по формуле
7г = «Г-л<-сек2, (III.24)
ЭКСКАВАТОРЫ
147
где G — вес расположенных на поворотной платформе отдельных узлов
экскаватора;
г — расстояние от центра тяжести этих узлов до оси вращения пово-
ротной платформы.
'Тогда мощность, расходуемая на поворот платформы, найдется по формуле
1.2<comax
Nnoe ~~ 75т],„„
Выбор мощности двигателя экскаватора должен производиться в пред-
положении совмещения отдельных операций рабочего цикла. Так, при
оборудовании.прямой лопаты совмещается работа подъемного и напорного
механизмов или работа подъем-
ного и поворотного механизмов.
Поэтому общая мощность двига-
теля должна выбираться по наи-
большему значению следующих
двух формул:
W = .Vn + AfH; (III.25)
Рис. 91. Распределение давления гусениц
на грунт
N --=Nn + Nnoe, (Ш.26)
где N п, Nн и Nnog — мощности, рас-
ходуемые на подъем, напор и по-
ворот. При оборудовании обратной
лопаты и драглайна аналогично
должны сравниваться мощности,
расходуемые на подъем и пово-
рот, с тем значением, которое соответствует работе тягового механизма.
। Ходовой механизм. Удельное давление на грунт определяет возмож-
’ ность работы экскаватора на слабых грунтах. Поэтому при проектирова-
нии экскаваторов необходимо это давление свести к минимуму. В случае
, гусеничного хода среднее удельное давление на грунт может быть найдено
по формуле
= кГ/г>м2’
где G — равнодействующая всех сил давления на грунт в кГ;
L — длина опорной части гусеницы в см;
b — ширина гусеничной ленты в см.
Ввиду того, что в процессе работы экскаватора загрузка гусениц
весьма неравномерна, максимальное удельное давление отличается от
среднего. Рассмотрим в качестве примера жесткую рамную гусеничную
тележку и предположим, что по длине опорной поверхности гусеницы
давление распределяется по линейному закону. Распределение давления
будет зависеть от положения равнодействующей. Если последняя про-
ходит через точку О, (рис. 91), то нагрузка на гусеницу 1 будет больше,
чем на гусеницу II. Она может быть определена по формулам
G, = 4 (i . (Ш.27)
G„ =4-(’ (Ш.28)
148
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Если равнодействующая переместится в точку 02, то нагрузка на
гусеницы определится по формулам
Gn = -f- ( 1 + ; (111.29)
Gf = -J- (i — - Sg a* ). (Ш.30)
Анализ работы экскаватора показывает, что удельные давления на
грунт принимают максимальные значения в том случае, если равнодей-
ствующая находится на оси симметрии экскаватора (точка О3). Макси-
мальное удельное давление для этого случая может быть рассчитано по
приведенной выше формуле (1.46). Это значение и должно быть сопостав-
лено с тем давлением, которое допускается для данного вида грунта.
Сопротивление передвижению колесных и гусеничных экскаваторов
может быть определено по методам, приведенным в § 5. Мощность дви-
гателей экскаваторов выбирается исходя из потребностей, связанных
с выполнением рабочих операций. Поэтому тяговый расчет делается в целях
определения тех скоростей передвижения, которые можно получить при
выбранной таким образом мощности двигателя.
Определение производительности экскаватора. Теоретическая про-
изводительность экскаватора может быть определена по формуле
QT = QOqn = q м31ч, (Ш.31)
где q — емкость ковша в м3;
п — число рабочих циклов за 1 ч;
Т — продолжительность одного цикла в сек.
Продолжительность одного цикла определяется по формуле
Т ~ 1к Ф" tn Ф~ t-пов Ф* tpaa Ф t-nog ф" tDni
где tK — время копания в сек;
tn — время подъема ковша в сек;
tnoe — время поворота груженого ковша в сек;
— время разгрузки в сек;
tnoe — время поворота порожнего ковша в сек;
ton — время опускания ковша в забой в сек.
Время подъема и поворота груженого ковша, а также время поворота
и опускания порожнего ковша могут быть полностью или частично сов-
мещены.
Техническая производительность экскаватора определяется по следу-
ющей формуле:
QT = 60<7nfeK -±~ kT м31ч. (Ш.32)
Яр
Здесь kH — коэффициент наполнения ковша;
kp — коэффициент разрыхления грунта;
kT — коэффициент влияния трудности разработки.
Эксплуатационная производительность может быть определена по
формуле
Qa = QTke = 60qnkH-^- kTke м31ч, (Ш.ЗЗ)
ЭКСКАВАТОРЫ
149
где k„— коэффициент использования экскаватора по времени. Коэф-
фициенты feH, kp и kT зависят от категории грунта и приблизительно могут
быть определены по данным табл. 18.
Таблица 18
Ориентировочное значение коэффициентов kH, ftp и kT
Категория грунта Значения коэффициентов
кР kep - kHkr
I 1,05 1,10 1,0 1,0
II 1 — 1,05 1,20 0,95 0,90
III 0,90 1,25 0.80 0,70
IV 0,85 1,3—1,35 0,70 0,50
При работе в забое для прямых лопат вводится еще коэффициент
забоя ka. Его значение определяется в зависимости от категории грунта
и высоты забоя. Для грунта IV категории и при высоте забоя больше
высоты напорного вала ka = 1.
§ 21. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОДНОКОВШОВЫХ ЭКСКАВАТОРОВ
Целью статического расчета экскаватора является определение усло-
вий уравновешивания поворотной платформы, проверка устойчивости
экскаватора и определение реакций опорных катков, катков-захватов
и центрирующей цапфы.
Для уравновешивания поворотной платформы служит противо-
вес, который выбирают из условия, согласно которому равнодейству-
ющая всех сил, действующих со стороны поворотной платформы, не должна
выходить за пределы опорно-поворотного круга. Однако полностью урав-
новесить поворотную платформу нельзя. Поэтому предполагается, что
неуравновешенная часть нагрузки будет восприниматься катками-захва-
тами. Руководствуясь этим соображением, вес противовеса выбирают по
условным расчетным схемам. Противовес рассчитывается для прямой
лопаты и проверяется для других видов рабочего оборудования. Следует
стремиться к тому, чтобы выбранный противовес удовлетворял по возмож-
ности большему числу сменного рабочего оборудования. Если это Не
удается, то выбирают противовесы для отдельных групп оборудования.
При расчете определяются два значения силы тяжести противовеса. Одно
значение соответствует возможности опрокидывания поворотной плат-
формы «вперед», т. е. в сторону рабочего оборудования, а другое значение
определяется исходя из возможности опрокидывания платформы «назад»,
т. е. в сторону противовеса. Выбранная сила тяжести противовеса не
должна быть меньше того значения, которое соответствует опрокидыванию
платформы вперед, и вместе с тем не должна превышать того значения,
которое соответствует опрокидыванию платформы назад. При несоблюде-
нии этого условия надлежит пересмотреть компоновку оборудования на
поворотной платформе.
При оборудовании прямой лопаты сила тяжести противовеса при опро-
кидывании поворотной платформы «вперед» определяется при наклоне
стрелы, равном 35—40”. Предполагается, что ковш груженый, рукоять
горизонтальна и выдвинута на а/8 своего хода в случае малых и средних
150
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
машин и Полностью выдвинута в случае машин большой мощности. Сопро-
тивление грунта копанию не учитывается, так как предполагается, что
оно воспринимается роликами-захватами. Вес противовеса gnl в этом
случае найдется из уравнения равновесия относительного переднего катка
(точка В) нагруженного экскаватора (рис. 92, а).
„ вл+г (гк+г ~ а) + gp (гр ~ а) + gc (ге — а) — ga (га — а) „
gnl — r Т' , (.111.04)
где gc — вес стрелы; gp — вес рукояти; gK+s — вес ковша с грун-
том;
ga — вес всех агрегатов, находящихся на поворотной плат- >
форме;
С> гп< га — расстояния до оси вращения центров тяжести стрелы,
противовеса и агрегатов.
Рис. 92. Расчетная схема для определения противовеса при оборудовании прямой лопаты:
а — при опрокидывании поворотной платформы вперед; б — при опрокидывании поворот-,
ной платформы назад
Расчетная схема для определения силы тяжести противовеса при
опрокидывании поворотной платформы назад дана на рис. 92, б. Здесь
стрела расположена под углом к горизонту 55—60°, ковш разгружен,
оперт на грунт и находится у пяты стрелы. Сила тяжести противовеса нахо-
дится из уравнения моментов всех сил относительно заднего опорного
катка (точка А)
ёс (гс + °) - ga (га ~ а)
(111.35),
Если в результате окажется, что gn2 Z>gnl, то силу тяжести про-
тивовеса следует выбирать между этими значениями — ближе к gnl.
Когда gnl > gn2, то произойдет опрокидывание платформы назад. Это
указывает на то, что агрегаты и механизмы на поворотной платформе
слишком выдвинуты вперед. Пользуясь методом веревочного многоуголь-
ника, противовес можно определить графически.
При оборудовании обратной лопаты сила тяжести противовеса, пре-
пятствующего опрокидыванию поворотной платформы вперед, выби-
рается согласно расчетной схеме (рис. 93, а). Здесь предполагается, что
груженый ковш вышел из забоя, и экскаватор начинает поворот на выгрузку.
Определение силы тяжести противовеса производится из уравнения момен-
ЭКСКАВАТОРЫ
151
тов всех сил относительно переднего опорного катка (точка В). При опре-
делении силы тяжести противовеса, способной опрокинуть платформу
назад, предполагается, что ковш при максимальном вылете опущен на
землю. Для определения противовеса следует составить уравнение равно-
весия относительно заднего опорного катка (точка А на рис. 93, б). При
этом предполагается, что вес ковша полностью воспринимается грунтом
и в опрокидывании платформы участвует половина веса рукояти и стрелы.
По найденным таким образом значениям сил тяжести противовеса окон-
чательный его выбор производится так же, как и в случае прямой лопаты.
Рис. 93. Расчетная схема для определения противовеса
при оборудовании обратной лопаты: а — при опрокиды-
вании поворотной платформы вперед; б — при опрокиды-
вании поворотной платформы назад
В случае оборудования драглайном при рассмотрении возможности
опрокидывания платформы вперед предполагается, что производится
подъем груженого ковша, а стрела по отношению к горизонту наклонена
под углом 30°.
Сила тяжести противовеса при опрокидывании назад определяется
при опущенном на грунт ковше и при угле наклона стрелы 45—50°.
! Устойчивость экскаватора характеризуется коэффи-
циентом устойчивости ky, который определяется
(Ш-36)
где — момент сил, удерживающих экскаватор от опрокидывания;
Мо — момент сил, способствующих опрокидыванию экскаватора.
При нормальной устойчивости ky = 1,1ч-1,2. Меньшее значение этого
коэффициента указывает на возможность опрокидывания экскаватора,
а большие значения — на имеющие место недоиспользуемые резервы
устойчивости при проектировании рабочего оборудования. Следует
различать так называемую рабочую устойчивость экскаватора., т. е.
устойчивость в направлении рабочего оборудования и собственную
152
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
устойчивость, или устойчивость в направлении противовеса. Обычно устой-
чивость в рабочем положении определяется для случая, когда рабочее
оборудование располагается поперек к гусеничному ходу. Устойчивость
в транспортном состоянии проверяется на максимальном уклоне и подъеме,
которые определяются тяговым расчетом.
Устойчивость прямой лопаты проверяется в двух рабочих положе-
ниях. Первое положение соответствует концу копания, когда рукоять
горизонтальна и выдвинута до конца, а угол наклона стрелы а = 35 ч-40°.
Опрокидывание машины возможно относительно края гусеничного хода
(точка А) на рис. 94.
В этом положении на ковш действует сила Р01, которая опреде-
ляется из уравнения равновесия относительно оси напорного вала всех
Рис. 94. Расчетная схема к проверке устойчивости экскаватора
при оборудовании прямой лопаты
сил, действующих на-ковш и рукоять. При этом сила подъема Sn опреде-
ляется по мощности двигателя. При многомоторном приводе при рассмо-
трении устойчивости следует учесть также напорное усилие, развиваю-
щееся при взятии рукояти «на себя» и способствующее опрокидыванию
машины. Однако это усилие учитывают только при расчете машин боль-
шой мощности, для которых проверка на устойчивость особенно важна.
Проверку устойчивости следует провести также в транспортном
положении. При этом рассматриваются случаи движения экскаватора
на подъем и под уклон. В обоих случаях рабочее оборудование повернуто
в сторону движения, а рукоять вертикальна. При движении на подъем
угол наклона стрелы принимается равным а = 50 ч-60°, а при движении
под уклон а = 35 ч-40°. В обоих случаях учитывается давление ветра,
которое способствует опрокидыванию. Удельная ветровая нагрузка при-
нимается равной q = 25 кГ'м2, а общая сила от действия ветра
We=qF кГ, (III.37)
где F — наветренная поверхность экскаватора в mF.
Устойчивость обратной лопаты проверяется по двум расчетным
схемам. В первом случае (рис. 95, а) предполагается, что происходит
отрыв ковша у бровки забоя. Тяговый барабан при этом заторможен,
и вся мощность двигателя расходуется на подъем. В случае одномоторного
привода при определении по мощности двигателя максимального усилия
подъема принимается в расчет коэффициент динамичности, равный 1,3.
Из уравнения моментов всех сил относительно оси шарнира пяты
стрелы определяют реакцию грунта Р01, которую полагают направлен-
ЭКСКАВАТОРЫ
153
ной перпендикулярно прямой, соединяющей ось шарнира пяты стрелы
с зубом ковша,
D $п maxrs giSc ёргР ёкгк
^01 —
г»
(111.38)
Опрокидывание машины происходит относительно точки А. Опро-
кидывающий момент Мт определяется по формуле
= gP (г5 — а2) + gc (г3 — а2) + gK (г4 — а2) + Poi4 (111.39)
Рис. 95. Схема для проверки устойчивости экскаватора при
оборудовании обратной лопатой: а — при отрыве препятствия;
б — при разгрузке липкого грунта
Удерживающий момент
= ёп(г1 + а2> + ga(r2 + а2) + ёта2- (Ш.40)
Второе расчетное положение соответствует разгрузке липкого грунта
на максимальном вылете ковша (рис. 95, б).
Устойчивость драглайна проверяется в положении, соответствую-
щем повороту на выгрузку (рис. 96). Угол наклона стрелы принимается
минимальным (amln = 25ч-30°). Предполагается, что ковш подтянут
к голове стрелы, и экскаватор работает на уклоне с углом у = 10-5-12°.
В случае машин большой мощности у принимается не более 7°. Опрокиды-
вающий момент находится с учетом центробежных сил, вызванных пово-
ротом
Мо = Мс + Ми,
гДе Мс — момент сил относительно точки А от весов рабочего оборудова-
ния, грунта и ветровой нагрузки;
Л1„ — момент от сил инерции;
М,= IgK+£,(rK + AKtgy) + ge(rc + Mgy)lcosу кГ-м. (111.41)
154
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Силы инерции (центробежные силы) рассчитываются с учетом всех
вращающихся масс. При этом узлы, расположенные на платформе, рас-
сматриваются как отдельные сосредоточенные массы. Предполагается
также, что масса стрелы распределена равномерно по ее длине. Инерцион-
ная нагрузка от веса ковша с грунтом
Рик = ^гк
Рис. 96. Схема к расчету устойчивости при оборудовании драг-
лайна
а инерционный момент от этой нагрузки
MK+e = -^«>2rKhK. (Ш.42)
Элементарная сила инерции стрелы определяется по формуле
_ 8с dx (oi -р х) to2
glc cos a
Рис. 97. Схема для определения реакции опорных катков,
катков-захватов и центрирующей цапфы
и, следовательно, момент от силы инерции выразится в виде
lc cos а
Me - f (ai +x)(h + xtga)dx кГ-м.
Clio U J
0
При приближенных расчетах сила инерции стрелы может быть учтена
путем введения коэффициента динамичности в статический момент опро-
кидывания
Мо = kMc кГ-м, (III.43)
где k = 1,3-н-1,4 — коэффициент динамичности.
ЭКСКАВАТОРЫ
155
Наибольшие значения нагрузки на опорно-поворотное устройство
имеет место при оборудовании крана, драглайна и грейфера. Тем не менее
эти определения следует проводить для всех видов рабочего оборудова-
ния. На рис. 97 представлена расчетная схема, составленная примени-
тельно к оборудованию прямой лопаты. Предполагается, что стрела
расположена под углом а = 25ч-30° и сила Р01 определяется в пред-
положении, что мощность двигателя расходуется только на подъем
ковша.
Реакция передних катков находится в предположе-
нии отсутствия катков-захватов и центрирующей цапфы из уравнения
моментов всех сил относительно оси вращения платформы.
Реакция центрирующей цапфы гаах находится
из уравнения суммы проекций всех сил на вертикальную ось. Усилия,
действующие на катки-захваты, можно найти из условия равновесия всех
действующих сил относительно переднего катка.
§ 22. РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ И ОСНОВНЫХ УЗЛОВ
Расчет ковшей. Ковши представляют собой коробчатую конструкцию
переменной жесткости и поэтому расчет их точными методами теории упру-
гости представляется весьма сложным. Наиболее надежным способом
оценки прочности является метод экспериментального исследования
напряжений в отдельных элемен-
тах ковша в лабораторных и на-
туральных условиях.
Приближенная расчетная схе-
ма представлена на рис. 98. От-
дельные элементы ковшей пред-
ставлены в виде плоских рамных
систем. При этом схема на рис. 98, а
относится к цельнолитому ковшу.
Если предположить, что жесткость
задней стенки значительно больше
жесткости передней и боковых
стенок, то расчетную схему мож-
но представить в виде трижды
статически неопределимой рамы.
Для ковша, у которого передняя
и боковые стенки изготовлены из
одного листа, расчетной схемой
будет двухшарнирная арка. У тех
ковшей, у которых передняя и
Рис. 98. Расчетные схемы ковшей: а — цель-
нолитых; б — с. жесткой задней стенкой;
я — с передней и боковой стенками из одного
листа; г — с соединением передней и задней
стенок посередине боковой стенки
задняя стенки соединены посере-
дине боковой стенки, каждый ковш может рассчитываться как арка со
свободным перемещением одной из ее опор. Определение нагрузок произ-
водится в двух расчетных положениях. Первое положение соответствует
началу копания. Здесь на среднюю часть режущей кромки действуют
максимальные напорное и подъемное усилия (рис. 99, а).
Второе расчетное положение соответствует концу копания. Здесь
ковш максимально выдвинут и перпендикулярно к его режущей кромке
Действует сила Ро, представляющая собой реакцию при отрыве грунта
(рис. 99, б). Эта сила может быть определена графически (рис. 99, в).
Однако до этого необходимо найти реакцию седлового подшипника N,
156
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
что может быть определено из уравнения
д/ _ £кгк ~4~ gprp -р тахгн $п п
(Ш.44)
Определение усилий в тяге S, и давления в шарнире Sul может быть
Рис. 99. Расчетные положения ковшей: а — первое расчетное положение; б — вто-
рое расчетное положение; в — определение усилий графическим методом
произведено из уравнения суммы моментов всех сил относительно шарнира
или графическим методом.
Расчет рукоятей. Рукоять подвержена изгибу в вертикальной и гори-
зонтальной плоскостях, кручению, сжатию и растяжению. Наиболее
Гр
Рис. 100. Расчетная схема рукояти прямой лопаты
характерным является копание на уровне напорного вала (рис. 100, а).
Здесь предполагается, что рукоять выдвинута так, что канаты подъема
расположены вертикально, и усилие копания приложено к крайнему зубу
ковша. Учитывается возможность случайного включения поворотного
ЭКСКАВАТОРЫ
157
механизма, в результате которого появляется горизонтальная сила К
(рис. 100, г). Сила Р01 определяется по мощности двигателя. При этом,
в случае многомоторного привода, учитывается коэффициент динамич-
ности. Учитывается также возможность одновременного действия напор-
ного усилия S“. Горизонтальная сила К определяется исходя из пред-
положения уравновешивания ее тормозом поворотного механизма
k = кГ, (111.45)
'|Л1
где Мт — приведенный к оси вращения платформы тормозной момент
в кГ-м;
R — расстояние от конца зуба до оси вращения платформы в м;
— к. п.'д. механизма от тормоза до оси вращения поворотной
платформы.
Реакция седлового подшипника находится из уравнения суммы
моментов всех сил относительно зуба ковша (точка О на рис. 100, б)
дг _ $п тахгп ёкгк Hprp Serg
Внешнюю рукоять можно рассматривать как балку, заделанную
в ковше и нагруженную силой N.
Силы Р01 и К приложены эксцентрично и потому вызывают не только
изгиб в вертикальной и горизонтальной плоскостях, но и скручивание
рукояти. Крутящий момент, действующий на рукоять от этих сил, может
быть заменен эквивалентной парой сил, которая вызовет дополнительный
изгиб рукояти в вертикальной плоскости. При этом значение силы R будет
равно
гэ _ । kd
* ~ 2b о '
Сила S„, вызванная усилиями напора и подъема, приложена по отно-
шению к рукояти с эксцентриситетом, равным h/2, что необходимо учи-
тывать. Надо также учесть возможность неравномерной передачи на каж-
дую балку усилия Se. Поэтому предполагается, что на наиболее нагружен-
ную ветвь действует сила не 1l2Se, a 2/3Se.
Максимальное напряжение в опасном сечении определится по фор-
муле
= + (1IL47>
где F — площадь поперечного сечения одной балки рукояти.
Изгибающий момент в сечении т—т от вертикальной нагрузки опре-
деляется по формуле
а изгибающий момент от горизонтальной нагрузки
,, k
!•
Поскольку здесь рассмотрен наиболее тяжелый случай, то при выборе
Допускаемого напряжения коэффициент запаса принимается минималь-
ным.
Расчет внутренней рукояти производится аналогичным путем. Здесь
напряжения в балке обычно в несколько раз превышают те значения.
158
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
которые соответствуют внешней рукояти, в связи с чем внутренняя
рукоять применяется только при малых моделях.
Вторым расчетным случаем для рукояти прямой лопаты может слу-
жить период разгона или торможения механизма вращения с груженым
ковшом при полном вылете рукояти. Здесь в горизонтальной плоскости
действуют инерционные нагрузки, которые определяются по массам
ковша с грунтом и рукояти. В результате в седловом подшипнике возни-
кает реакция, по которой рукоять рассчитывается как консольная балка,
заделанная одним концом.
Рукояти экскаваторов испытывают в процессе работы переменные по
величине и направлению нагрузки, поэтому расчет на статическую проч-
ность должен сопровождаться проверкой на выносливость. Здесь должно
соблюдаться условие
о < [<тгк] < кПсм\ (III.48)
где а — действующее в рассматриваемом сечении напряжение в кГ1смг\
агк — предел выносливости в кГ/слг;
п — запас прочности, который ориентировочно может быть принят
1,2—1,5.
Предел выносливости огк при г < 1 может быть приближенно опрег
делен по следующей зависимости:
2а_,
°"' - (1 _ г) * + п (1 _|_ г) ’
где а_х — предел выносливости при симметричном цикле;
f “ qmin .
tfmax ’
ц — коэффициент чувствительности металла к асимметрии цикла
(для стали марки Ст. 3 и низколегированной ц >=» 0,2).
Для симметричного цикла, т. е. когда г = —1,
' 4-1
Пгк - —,
где k — коэффициент концентрации напряжений.
Для пульсирующего цикла, когда г = О,
Значение предела усталости при симметричном цикле для листовой
стали с прокатной коркой = 0,33ов, где ов — предел прочности стали.
Эффективные коэффициенты концентрации напряжений зависят от формы,
состояния поверхности и многих других факторов. Например, для основ-
ного металла в зоне перехода сварных швов эффективные коэффициенты
концентрации напряжений приобретают следующие значения: у стыко-
вого шва k = 1,4; у лобового — k =~ 2,4ч-3,0; у продольного флангового
шва k = 3,0ч-3,5.
В том случае, если [огк] > [о], то расчет на выносливость не про-
изводится.
Расчет рукояти обратной лопаты производится в основном по тому же
методу. Опасными будут сечения п—п и т—т, т. е. места крепления ковша
к рукояти и рукояти к стреле (рис. 101). Сечение п—п следует проверять
на действие максимального тягового усилия ST max, которое соответствует
тому моменту, когда тяговые канаты направлены по отношению к оси
рукояти под углом у = 90°. Предполагается, что происходит отрыв
ЭКСКАВАТОРЫ
159
Рис. 101. Расчетная схема рукояти обратной
лопаты
препятствия при заторможенном барабане подъема. Усилия Ро и f( при-
ложены эксцентрично к средней кромке крайнего зуба и вызывают допол-
нительные напряжения от кручения. Для сечения т—т опасным будет
случай отрыва препятствия в момент, когда стрела и усилие в полиспасте
направлены перпендикулярно к рукояти (« = р « 90°). Отрыв препят-
ствия производится под действием максимального усилия в полиспасте
подъема S„max и заторможенном тяговом канате. Учитывается также экс-
центричное приложение сил Рй и К. Кроме того, сечение т—т должно
быть проверено на действие максимальных динамических нагрузок, воз-
никающих при торможении поворотной платформы. При этом предпола-
гается, что полностью нагру-
женный ковш находится в верх-
нем положении и угол между
стрелой и рукоятью минимален.
Усилия в тяговом и подъемном
канатах определяются с учетом
веса грунта и рабочего оборудо-
вания.
Расчет стрел. Стрелы уни-
версальных и карьерных экска-
ваторов изготовляются преиму-
щественно сварными из листовой
стали; они могут быть цельно-
стержневыми и шарнирносочле-
ненными. Стрелы подвержены
сжатию, изгибу и кручению. В
вертикальной плоскости расчет-
ная схема цельностержневой
стрелы может быть представле-
на в виде двухопорной шарнирно закрепленной балки. Опорами служат
нижний шарнир стрелы и крепление стрелового полиспаста.
Первым расчетным положением стрелы является случай отрыва
препятствия при самом тяжелом сочетании действующих на стрелу нагру-
зок. Стрела расположена под минимальным рабочим углом к горизонту,
а рукоять перпендикулярна к стреле и полностью выдвинута (рис. 102, а).
При наличии раздельного привода механизмов подъема и напора на стрелу
действует максимальное усилие подъема S„raax и напора SH max. При общем
приводе усилие напора предполагается максимальным SH max, а усилие
подъема — равным рабочему значению Sn. На стрелу еще действуют,
нагрузки от ее веса, веса рукояти и ковша, реакция грунта Р01 и боковое
усилие 7<, приложенные к ковшу. Опасное сечение т—т расположено
под напорным валом. Суммарные напряжения в этом сечении определяются
по приведенному напряжению осум
асуи = V"°2 + Зт2 < [о] кПсм2. . (Ш.49)
Нормальные напряжения о находятся по формуле
(III. 50)
где Мизг — изгибающий момент в сечении т—т;
Мизг = Ryry ±
где е — возможный эксцентриситет осевой силы относительно центр?
тяжести сечения т—т.
= Мшг Rx
W - F ’
160
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Напряжения от кручения т определяются по формуле
т = кГ/см2,
Ир
(III.51)
где Угк — крутящий момент, создаваемый боковой силой.
Второе расчетное положение соответствует копанию грунта на уровне
напорного вала (рис. 102, б).. При этом предполагается, что рукоять за-
нимает горизонтальное положение и полностью выдвинута, а канаты
подъема перпендикулярны к оси стрелы. Стрела установлена под мини-
мальным углом, а напорный механизм заторможен. Принимается, что
действует максимальное усилие подъема 5„шах, а усилие реакции грунта Ро
и боковое усилие К приложены к крайнему зубу ковша, т. е. эксцентрично.
При этих условиях из уравнения моментов всех сил относительно режу-
щей кромки зубьев (точка О) определяется действующая на стрелу сила N.
Усилие подъема стрелы Sn_ с определяется из уравнения суммы моментов
всех сил относительно шарнира пяты (точка О,).
ЭКСКАВАТОРЫ
161
Реактивные силы Rx и Ru стрелы определяются из уравнения суммы
проекций всех сил, действующих на стрелу по направлениям осей X и Y.
Опасным сечением является сечение т—т.
В горизонтальной плоскости на стрелу действуют инерционные силы,
возникающие при разгоне и торможении механизма поворота, а также
ветровая нагрузка. Опасным сечением в этой плоскости является сечение
у пяты стрелы.
Инерционные нагрузки определяются по массам ковша с грунтом,
рукояти и самой стрелы, расстояниям центров тяжестей этих рабочих
органов от оси вращения поворотной платформы и по величине углового
ускорения.
При расчете на прочность стрелы обратной лопаты первым расчетным
положением будет отрыв препятствия при копании в момент, когда
рукоять перпендикулярна стреле. Второе расчетное положение соответ-
ствует моменту отрыва препятствия у бровки забоя. В горизонтальной
плоскости стрела рассчитывается в предположении разгона и торможения
механизма поворота платформы с полностью нагруженным или разгру-'
женным ковшом, но при максимальном вылете рукояти.
Стрелы экскаваторов, так же как и рукояти, должны проверяться
на выносливость. Такая проверка проводится для тех же опасных сечений,
которые рассчитывались на прочность с учетом максимального значения
коэффициента концентрации напряжений и коэффициентов асимметрии
цикла. Коэффициент запаса в формуле. (III.48) принимается таким же,
как и в случае рукоятей. Стрелы драглайнов могут быть решетчатыми,
состоящими из трех или четырех плоских ферм, и вантовыми — с одним
жестким центральным поясом. При расчете могут быть рассмотрены сле-
дующие расчетные положения:
1. Производится отрыв груженого ковша с подхватом, при этом стрела
наклонена под минимальным углом к горизонту, а ковш расположен на
расстоянии, равном 3/4 от его возможного (максимального) вылета; коэф-
фициент динамичности, развивающийся за счет несколько ослабленных
канатов, принимается равным 1,3; в горизонтальной плоскости действуют
инерционные силы от разгона поворотной платформы.
2. Ковш подтянут к голове стрелы и начинается торможение поворот-
ной платформы.
В обоих случаях на стрелу действуют следующие нагрузки: собствен-
ный вес стрелы gc, который принимается сосредоточенным или распре-
деленным по длине стрелы, вес ковша с грунтом, усилия в канатах подъема
стрелы, а также инерционные силы, вызванные началом поворота или тор-
можения поворотной платформы. Учитывается также и ветровая нагрузка.
При расчетах стрел на прочность следует учесть еще так называемые
случайные и аварийные нагрузки. К случайной нагрузке может быть
отнесено внезапное натяжение подъемного каната, вызванное падением
груженого ковша с бровки забоя. Аварийные нагрузки возникают при
«переподъеме» ковша из-за несвоевременного выключения подъемного
Механизма.
После проверки или выбора необходимых размеров отдельных сече-
ний стрелы производится проверка ее общей устойчивости при действии
сжимающих сил. В вертикальной плоскости стрела при этом рассматри-
вается как шарнирно закрепленный стержень, а в горизонтальной — как
Консольный стержень с одним заделанным, а другим свободным концом.
При расчете устойчивости стрела рассматривается как составной стер-
жень. Расчет производится по приведенной гибкости с учетом изменения
сечения по длине стрелы.
6 Н. Я. Хархута идр.
162
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Расчет двуногой стойки производится при положении рабочего обору- I
дования, соответствующего максимальному усилию в полиспасте подъема 1
стрелы. При оборудовании прямой лопатой расчетным является случай,.!
представленный на рис. 103, в. При этом учитывается динамический харак- 1
тер нагрузки. Усилия, действующие в стойках двуноги, можно определить I
графически. При проектировании определяется оптимальная высота i
двуногой стойки. При увеличении ее высоты усилие в полиспасте подъема I
стрелы уменьшается, но вместе с тем возрастают габариты высоты машины, |
что ухудшает ее транспортабельность. Смещение головы стойки вперед 1
уменьшает угол между осью стрелы и подвеской, а следовательно, увели-..|
чивает нагрузки на стрелу и двуногую стойку. Эти положения следует |
Рис. 103. Расчет двуногой стойки и поворотной платформы
учитывать при проектировании. Для того чтобы увеличить высоту двуноги 1
и вписаться в железнодорожный габарит высоты, применяют составные
или складные стойки. j
Расчет поворотной платформы. На поворотной платформе смонтиро- я
вано силовое оборудование и все основные механизмы экскаватора. Кроме |
того, на ней закреплена пята стрелы и размещен противовес. Платформа 1
может быть изготовлена литой, сварной или комбинированной. На экска- з
ваторах малой мощности часто применяются поворотные платформы балоч- J
ной конструкции. Они состоят из двух основных продольных балок, 1
связанных поперечными балками. На экскаваторах малой и средней мощ- <
ности применяются цельносварные или цельнолитые поворотные плат- j
формы, а на экскаваторах большой мощности поворотные платформы •
делаются комбинированными, состоящими из литой или сварной средней
части и сварных боковых балок, присоединенных к ней с помощью сварки
или болтов. Поворотная платформа относится к наиболее нагруженным
элементам экскаватора. На нее кроме собственного веса действуют усилия ;
в канатах подъема и тяги, реактивные силы в пяте стрелы, инерционные :
силы, возникающие при вращении платформы, и ветровая нагрузка.
Действующие на платформу нагрузки являются динамическими, поэтому
при расчете вводится коэффициент динамичности. Поворотная платформа ;
должна быть не только прочной, но и жесткой. \
На рис. 103, а, б показана схема сил, действующих на поворотную 1
платформу. Здесь Rc — реакция в пяте стрелы; gn — вес противовеса; ]
ga, gi’ gi и т. д. — собственные веса агрегатов и механизмов; So и ]
ЭКСКАВАТОРЫ
163
усилия от канатов подъемного механизма и механизма подъема стрелы,
которые передаются на поворотную платформу через двуногую стойку;
5 и S„,r — усилия в канатах механизма подъема и подъема стрелы; Ре —
усилие от ветровой нагрузки. Необходимо учесть также те инерционные
усилия, которые возникают при разгоне и торможении платформы.
Реактивные силы в центральной цапфе Н„ и на катках Rn к и Rs к
должны определяться в зависимости от конструкции опорно-поворотного
устройства. В конструкциях с центральной цапфой горизонтальные
силы воспринимаются последней и находятся из уравнения суммы
проекций всех сил на горизонтальную ось.
В конструкциях без центральной цапфы горизонтальные силы создают
дополнительный опрокидывающий момент и увеличивают реактивные
силы на опорах Rn. к и R3.K. Точный расчет поворотной платформы весьма
сложен, поэтому обычно ее рассчитывают как систему перекрестных балок,
т. е. предполагают, что она состоит из ряда продольных и поперечных балок,
шарнирно уложенных Друг на друга (рис. 103, г). Расчет производится
по методу сил в предположении равенства перемещений в точке пересе-
чения продольных и поперечных балок в направлении, перпендикулярном
плоскости рамы. При ориентировочном определении размеров поворотной
платформы ее можно рассматривать как балку, работающую на изгиб под
действием вертикальной нагрузки с опасным сечением под передними
или задними катками. Для платформы балочной конструкции в расчетное
сечение вводят только продольные балки. При этом запасы прочности
должны быть увеличены.
Расчет нижней рамы. Нижняя рама служит опорой для поворотной
платформы и потому воспринимает от нее нагрузки. Для экскаваторов
малой и средней мощности нижние рамы изготовляются чаще всего ли-
тыми.
В случае экскаваторов большой мощности нижние рамы изготовляются
сварными. Монтажные соединения выполнены с применением высокопроч-
ных болтов. Рамы изготовляются из радиальных и кольцевых балок
коробчатого сечения и обладают большой жесткостью. Расчет их произ-
водится методами строительной механики. При этом они рассматриваются
как пространственные внутренне статически неопределимые системы.
Приближенный расчет нижних рам экскаваторов малой и средней
мощности производится на изгиб без учета кручения путем расчленения
рамы на отдельные свободно опертые двухопорные балки, без учета про-
межуточных поперечных связей между ними.
§ 23. ЭКСКАВАТОРЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Экскаваторы непрерывного действия могут классифицироваться по
типу рабочего оборудования, по направлению движения рабочего органа
и емкости ковшей. По типу рабочего оборудования эти экскаваторы раз-
деляются на роторные и цепные и машины с рабочим органом специального
типа (например фрезерные).
По характеру движения рабочего органа экскаваторы разделяются
на машины поперечного копания и продольного копания. Движение
машин поперечного копания производится в направлении, перпендикуляр-
ном направлению движения ковшей. У экскаваторов продольного копа-
ния направление движения рабочего органа (ротора или цепи) совпадает
с направлением перемещения самого экскаватора. Многоковшовые экска-
ваторы некоторых типов устраиваются поворотными. У них рабочий орган
(ротор или цепь) может поворачиваться относительно базы машины.
164
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Цепные экскаваторы поперечного копания могут быть малой, средней
и большой мощности. Емкости ковшей равны: 15—150; 200—450; 500—
3000 л. Экскаваторы строятся на железнодорожном или гусеничном ходу
и применяются для разработки полезных ископаемых, на крупных гидро-
технических стройках, а также для рытья и очистки каналов. Они могут
Рис. 104. Схемы экскаваторов непрерывного действия
быть с верхним и нижним копанием, т. е. разрабатывать грунты ниже
(рис. 104, а) и выше (рис. 104, б) своей стоянки. Нижняя ветвь цепи (рабо-
чая) движется по жестким направляющим или свободно провисает. Экска-
ваторы, у которых рабочая ветвь цепи движется по жестким направляю-
щим, позволяет получать при разработке грунта точно спланированные
откосы. Поэтому эти экскаваторы могут применяться для работы в одно-
родных грунтах и при планировке откосов. Экскаваторы со свободно про-
висающей цепью могут применяться для разработки неоднородных грун-
тов, имеющих твердые включения. В этом случае свободно провисающая,
ЭКСКАВАТОРЫ
165
цепь позволяет ковшам обходить препятствия и тем самым предохраняет
от разрушения ковши и цепь.
Рабочее оборудование экскаваторов поперечного копания в горизон-
тальной плоскости может быть поворотным и неповоротным. Поворотные
экскаваторы являются более универсальными (они могут разрабатывать
породу в углах забоя), но они более сложны по конструкции и значительно
тяжелее по весу.
Цепные экскаваторы продольного копания (траншейные экскаваторы)
обычно изготовляются на гусеничном или пневмоколесном ходу
(рис. 104, в). Они предназначаются для рытья траншей и каналов шири-
ной 0,15—2 м и глубиной 1,2—8 м. Мощность двигателя находится в пре-
делах 16—300 л. с.
Рабочее оборудование цепных экскаваторов выполняется или в виде
закрепленных на цепи ковшей (многоковшовые), или в виде закрепленных
ножей и скребков (скребковое оборудование). Более распространенным
является многоковшовое рабочее оборудование, но в ряде случаев, напри-
мер при работе в липких грунтах и узких траншеях, ковши разгружаются
плохо, в этом случае предпочтительнее применять скребковое рабочее
оборудование. Скребковые рабочие органы находят применение также
при разработке мерзлого грунта.
Рабочий орган экскаватора располагается либо по центральной оси,
либо сбоку машины. У некоторых машин он может перемещаться поперек
траншеи. Рабочее оборудование может быть выполнено в виде навесного
или полуприцепного. В первом случае оно жестко связано с базовой маши-
ной, а во втором — верхний конец соединяется с базовой машиной шар-
нирно, а нижний свободно опирается на дно траншеи. В последнем случае
дно траншеи получается более ровным, так как поверхностные неровно-
сти, по которым движется машина, не оказывают на ровность существен-
ного влияния. Когда необходимо отрыть траншею с ровным дном и с точно
заданным уклоном, применяют специальные автоматизирующие устрой-
ства.
Роторные траншейные экскаваторы (рис. 104, г). При прокладке
магистральных трубопроводов и кабелей широкое распространение полу-
чили роторные траншейные экскаваторы. Рабочим органом является ротор,
к наружным граням которого жестко прикреплены ковши с зубьями.
По сравнению с цепными траншейными экскаваторами они имеют более
высокий к. п. д. и большую производительность. По мере увеличения
глубины траншеи сильно возрастают габариты ротора, поэтому эти экска-
ваторы предназначены для рытья сравнительно неглубоких траншей.
Отрываемые траншеи могут быть прямоугольного и трапециевидного про-
филя с минимальной шириной траншеи 0,2 м. Ходовая часть может быть
пневмоколесной или гусеничной. Рабочее оборудование устраивается
навесным или полуприцепным. Отечественные роторные экскаваторы
выполняются с полуприцепным рабочим органом.
Роторные карьерные (роторные поворотные) экскаваторы (рис. 104, д).
За последние годы как за рубежом, так и в СССР эти экскаваторы полу-
чают все большее распространение. Особенно это относится к поворотным
роторным экскаваторам как к наиболее производительным машинам.
Роторные экскаваторы при равной производительности имеют значительно
меньший собственный вес по сравнению со всеми другими типами экска-
ваторов. Удельный расход энергии составляет приблизительно 60% от
энергии, расходуемой многоковшовыми цепными экскаваторами. Особенно
эффективно их применение при разработке грунтов II и III категорий.
Суточная производительность в этих условиях достигает 80—100 тыс. м3.
166
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Они имеют еще и то преимущество, что позволяют в случае необходимости I
производить выборочную выемку пород и полезных ископаемых. 1
Рабочим органом является ротор, устанавливаемый на стреле. В совре- 1
менных экскаваторах роторы имеют диаметры 1,6—16 м. По окружности
ротора, на определенном расстоянии друг от друга укрепляются ковши.
Роторы могут быть ячейковыми, когда к ковшам примыкают специальные i
разгрузочные поверхности (ячейки), по которым грунт перемещается вниз J
к приемной части ленточного транспортера (рис. 105, а). В последние 1
годы стали применять так называемые безъячейковые роторы, в которых ;
отсутствуют примыкающие к ковшам камеры, в результате чего угол сек- (
тора разгрузки ковшей значительно увеличивается (рис. 105, б). Это позво-, j
лило увеличить скорости вращения роторного колеса, а следовательно, |
и производительность экскаватора. Кроме того, увеличение угла разгрузки |
улучшило работу экскава- 1
торов в условиях вязких 1
грунтов. I
Современные ротор- 1
ные экскаваторы, как пра- |
вило, изготовляются с не- 1
выдвигающейся стрелой, 1
при этом упрощается и 1
примерно на 20% облег- 1
чается конструкция ма- 1
шины. Опыт работы пока- |
зывает, что при выборе ]
рациональной схемы pa- I
боты такой экскаватор может обеспечивать такую же производительность, ;]
что и машина с телескопической стрелой. Поворотные роторные экскава- i
торы разрабатывают грунт как выше, так и ниже уровня стоянки маши-
ны. Высота верхнего копания современных роторных экскаваторов дости- (
гает 50 м и более, а наибольшая глубина нижнего копания составляет j
0,4—0,5 от высоты верхнего копания. По существу глубина нижнего 1
копания определяется возможностью ленточного транспортера подавать >
породу вверх под большим углом его наклона. Современные ленточные 1
транспортеры специальной конструкции позволяют поднимать породу j
под углом наклона к горизонту до 40°. ' j
Рис. 105. Схемы ротора: а — с
ячейками; б — без
ячеек
§ 24. ОБЩИЙ РАСЧЕТ МНОГОКОВШОВЫХ ЭКСКАВАТОРОВ J
Определение производительности. Теоретическая производительность 1
выражается в объеме рыхлого грунта, выработанного за 1 ч непрерывной 1
работы и зависит только от параметров экскаватора 1
QT = 0,06^z ж3/ч, (III.52) j
где q — емкость ковша вл; 1
z — число разгружений ковша в 1 мин. ]
Число разгружений ковша в 1 мин может быть определено в зави- 4
симости от скорости движения ковшей vK и шага ковшей Т 1
60щ-
Т ‘
Техническая производительность Q'T определяется за 1 ч непрерывной I
работы экскаватора в грунте определенной категории. Особенности раз- 1
ЭКСКАВАТОРЫ
167
рабатываемого грунта определяются коэффициентом влияния грунта k2
Qr := 0,Q6zqke, (III.54)
где k2 kHk.. ~k~,
kH — коэффициент наполнения ковшей;
kT — коэффициент трудности разработки;
kp — коэффициент разрыхления грунта при его разработке.
Значения кг в зависимости от категории грунта могут быть следующие:
Грунт 1 категории.......................... 0,90
» II » 0,80
» Ш » 0,60
. » IV » 0,45
Эффективная или эксплуатационная производительность определяется
объемом выработанного грунта определенной категории за 1 ч работы
с учетом использования экскаватора по времени
Q:, = Qrke = 0fif5qzk2ke мЧч, (III.55)
где k„ — коэффициент использования рабочего времени, который учи-
тывает все простои и перерывы в работе экскаватора.
Выбор параметров экскаваторов. Для экскаваторов поперечного копа-
ния теоретическая производительность <?r определяется по заданной
эксплуатационной производительности. По значению теоретической произ-
водительности определяется емкость ковша q
(II1.S6)
где 2 — число ссыпок в минуту; оно может быть принято в зависимости
от глубины забоя и категории грунта по табл. 19.
Найденная емкость ковша ок-
ругляется до ближайшей стан-
дартной емкости. По выбранной
стандартной емкости ковша мо-
жет быть уточнено и действитель-
ное число ссыпок z. Шаг ковшо-
вой цепи t и шаг ковшей Тк опре-
деляются ориентировочно. Абсо-
лютная скорость движения ковша
и определяется геометрической
суммой скорости движения ковше-
вой цепи vK и скорости движения
экскаватора v3. Эти скорости взаи-
Т а б л иц а 19
Число ссыпок
Глубина забоя в м Число ссыпок в минуту 2 грунтов
рыхлого МЯГКОГО средней плотности
До 10 м. 34 28 22
10—20 м 30 24 20
Свыше 20 м 26 20 18
мосвязаны и должны выбираться
с учетом основных параметров, исходя из того, чтобы возможно было осу-
ществить перекрытие срезаемого грунта движущимися ковшами (рис. 106).
Скорость ковшевой цепи может быть выбрана в пределах vx = (0,4-=-
-н 1,1) м/сек. Сечение стружки f определяется по формуле
Ст sin а
60г//
/ = 66 =
(III.57)
где а — угол наклона ковшовой рамы к горизонту;
И — высота забоя в м.
Для машин продольного копания число ссыпок г выбирается ана-
логично. Скорость движения ковша vK выбирается обычно в пределах
168
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Рис. 106. Схема движения ковшей экскаваторов поперечного
копания
Рис. 107. Схемы к расчету устойчивости многоков-
шового экскаватора поперечного копания
ЭКСКАВАТОРЫ
169
v = (0,7т-0,8) м/сек для тяжелых грунтов и vK = (1,0ч-1,2) м/сек для
легких грунтов. Скорость движения экскаватора V, определяется по
формуле
1'3 = '606// ’ (Ш.58)
где b и Н соответственно ширина и глубина траншеи.
Поскольку глубина траншеи Н может изменяться, то для сохранения
постоянной производительности необходимо на экскаваторе иметь
несколько значений скоростей v3. Максимальное ее значение оэпих опре-
деляется при минимальной глубине траншеи ffmln и наклоне ковшовой цепи
под углом а 15ч-20°, а минимальное значение — при Нтах и угле
наклона ковшовой цепи а = 50ч-55°. Сечение стружки определяется по
формуле
, о, QT sin а
; = б6 = -Ж7Г--
Для роторных экскаваторов толщина стружки в процессе копания
изменяется, поэтому при расчетах принимают усредненное ее значение.
Окружная скорость ковша vK выбирается в пределах vK = (0,9ч-2,0) м/сек.
Скорость передвижения экскаватора v3 может быть определена по фор-
муле
(111.59)
где b и Н ширина и глубина траншеи. Скорость иэ здесь должна быть
тоже различной. При Н = ^-|- : Dp v3 имеет минимальное значение,
а при И «а 0,2ОЛ v3 принимает максимальное значение. Здесь Dp —
диаметр ротора. Сечение стружки определяется по той же формуле
/=^=^7-. (III.60)
' оОгл
Расчет устойчивости. Многоковшовые экскаваторы поперечного копа-
ния рассчитывают на устойчивость в направлении, перпендикулярном
движению машин, для трех случаев (рис. 107, а, б, в): 1) в рабочем поло-
жении опрокидывание возможно в сторону ковшовой рамы; кроме соб-
ственного веса всех элементов при расчете устойчивости учитывается
ветер, при этом принимается Р„ = 25ч-40 кГ/м2. учитывается также усилие
резания Рр и дополнительные усилия от веса грунта в ковшах; 2) в трап--
спортном положении расчет устойчивости производится для положения
с поднятой ковшовой рамой при действии ветра; принимается Рв =
= ЮОч-200 кГ/м2 в случае действия его в направлении ковшовой рамы
или в сторону противовеса; 3) рассматривается также монтажное поло-
жение; при снятом рабочем органе опрокидывание возможно в сторону
противовеса. Кроме собственных весов учитывается ветер при Р'в =
— 100д-200 кГ/м2, направленный в сторону противовеса. Коэффициент
запаса устойчивости определяется как отношение удерживающего момента
к моменту опрокидывающему. Он принимается равным ф = 1,3ч-1,4.
Для машин продольного копания расчет устойчивости проводится
в двух положениях — рабочем и транспортном. При расчете устойчивости
роторного экскаватора проверяются три положения: 1) рабочее, при
котором учитывается помимо основных нагрузок сила резания ротора
и ветер при Р„ = 25 :- 40 кГ/м2\ 2) нерабочее или транспортное, при
котором учитывается ветер при Р' = 100 д-200 кГ/м1, оказывающий
170
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
давление в сторону роторной стрелы или противовеса; 3) монтажное,
которое соответствует снятой роторной стреле и ветровой нагрузке,
действующей в сторону противовеса.
Вес противовеса для многоковшовых экскаваторов определяется, так
же, как и для одноковшовых, исходя из того, чтобы равнодействующая
всех весов и сил на поворотной платформе не выходила за пределы
опорно-поворотного круга.
Литература
1. Домбровский Н. Г., Панкратов С. А. Землеройные машины. М.,
Госстройиздат, 1961.
2. Гарбузов 3. Е., Ильгисонис В. К., Мутушев Г. А. и др.
Землеройные машины непрерывного действия. Л., изд. «Машиностроение», 1965.
3. Крутиков И. П. Экскаваторы. М., изд. «Машиностроение», 1964.
4. К о х П. И. Одноковшовые экскаваторы. М., изд. «Машиностроение», 1963.
5. Станковский А. П. Строительные машины и оборудование. М., Госстрой-
издат, 1964.
6. Г а р б у з о в 3. Е. Универсальные одноковшовые экскаваторы. М.—Л., Маш-
гиз, 1952.
7. Справочник по кранам под ред. А. И. Дукельского. Т. 1. М.—Л., Машгиз, 1961.
8. Винокурский X. А. Стальные конструкции в тяжелом машиностроении.
Свердловск, Машгиз, 1960.
9. Г о х б е р г М. М. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин.
М.—Л., изд. «Машиностроение», 1964.
10. П е т е р с Е. Р. Основы теории одноковшовых экскаваторов, М., Машгиз, 1955.
11. Панкратов С. А. Конструкция и основы расчета главных узлов экскава-
торов и кранов. М., изд. «Машиностроение», 1962.
Глава IV. МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ
§ 25. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА
УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ МАШИНАМИ
Уплотнение грунтов относится к числу наиболее важнб!х
элементов технологического процесса возведения земляного полотна
автомобильных и железных дорог, плотин и т. п. От качества выполнения
этого процесса зависит дальнейшая их служба. Для получения достаточной
устойчивости, для каждого из этих сооружений установлены требования
к плотностям их грунтов. При этом в основу оценки степени уплотнения
положен метод стандартного уплотнения и потому требования к плотно-
стям грунтов обычно выражены в виде коэффициента уплотнения, т. е.
в долях от максимальной стандартной плотности. (6тах). Для верхних
слоев грунтов земляного полотна автомобильных дорог требования к плот-
ностям высоки — здесь плотность грунта должна быть не ниже (0,98ч-
1,0) 6тах. Для нижних слоев насыпей она может быть снижена до 0,95dmax.
Плотности грунтов насыпей железных дорог в зависимости от расположе-
ния рассматриваемого слоя в насыпях должны находиться в пределах
(0,90~-0,98) бтах, а плотности грунтов плотин устанавливаются в каждом
конкретном случае. Следует заметить, что достижение такой высокой
плотности как (0,98 ч-1,0)бгаах связано со значительными трудностями
и может быть осуществлено лишь при правильном выборе как параметров
применяемых машин, так и режима их работы. Уплотнение грунтов должно
производиться только специальными предназначенными для этой цели
машинами. Попытка использовать для этого землеройно-транспортные
машины и совместить этот процесс с выведением насыпей показала, что
плотности грунтов получаются недостаточными и уплотнение неравномер-
ным и потому этот способ может служить только для предварительного
уплотнения грунтов, что, конечно, облегчает работу основных машин.
Огромное значение при уплотнении имеет влажность грунтов. Каж-
дой действующей на грунт нагрузке соответствует своя оптимальная влаж-
ность, при которой требуемая плотность может быть достигнута при наи-
меньшей затрате механической работы. При недостаточной влажности для
достижения требуемой плотности необходимо применять ряд мер, к числу
которых относится, например, снижение толщины уплотняемого слоя.
Надо заметить, что очень сухие грунты вообще не могут быть доведены до
требуемой плотности. Та оптимальная влажность грунта Ц70, которая
определяется методом стандартного уплотнения, соответствует работе
средних машин. Оптимальная влажность, соответствующая работе тяжелых
машин, обычно равна (0,8—0,9) 1У0.
Грунты уплотняются укаткой, трамбованием, вибрацией и вибро-
трамбованием.
172
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
При укатке по грунту перекатывается валец или колесо, на поверх-
ности контакта которых с грунтом имеет место какое-то удельное давление
(напряжение), за счет которого и развивается необратимая деформация
грунта. На этом принципе основана работа всех катков. При трамбовании
грунт уплотняется падающей массой, которая была перед тем поднята
на какую-то высоту и в момент встречи с грунтовой поверхностью обладает
определенной скоростью. Таким образом, трамбование связано с ударом
рабочего органа машины о грунт. При вибрировании уплотняющая масса
находится либо на поверхности уплотняемого слоя (поверхностные вибра-
торы), либо внутри его (глубинные вибраторы). В результате специаль-
ного механизма она приводится в состояние колебательного движения.
Часть кинетической энергии этой массы расходуется на колебание грунта,
которое вызывают относительные смещения его частиц, чем достигается
их более плотная упаковка. При вибрировании не происходит отрыва
массы от уплотняемой поверхности или он весьма незначителен. Если воз-
мущения массы превзойдут определенный предел, то будет иметь место
ее отрыв от поверхности грунта, что приведет к частым ударам массы
о грунт. В этом случае вибрирование перейдет в вибротрамбование. От
трамбования этот процесс отличается высокой частотой ударов. Несмотря
на малую высоту падения массы, ввиду развивающихся высоких скоростей
движения, энергия удара может быть значительной.
Во всех случаях воздействие на грунт рабочих органов машины свя-
зано с приложением к нему циклической нагрузки. Приблизительные зна-
чения параметров этой нагрузки при различных методах уплотнения даны
в табл. 20. Предполагается, что грунты имеют оптимальные влажности.
Таблица 20
Параметры циклической нагрузки при различных методах уплотнения
Метод уплотнения Параметры циклической нагрузки
Максимальное напряжение в кГ/см- Скорость изме- нения напря- женного состояния в кГ/смг -сек Общее время напряженного состояния грун- та за один цикл в сек
Укатка катками на пневматиче- ских шипах 6—10 5—60 0,10—0,40
Трамбование 5—18 450—2000 0,016—0,030
Вибрирование 0,3—0,9 10—90 0,01—0,30
Вибротрамбование 0,5—0,9 45—450 0,008—0,011
Из таблицы видно, что, по сравнению с укаткой, трамбование при мало
отличающихся максимальных напряжениях характеризуется большей
быстротой процессов. Вибротрамбование отличается от трамбования
меньшими напряжениями, однако эффект воздействия повышается вслед-
ствие тиксотропных свойств грунтов.
Деформация, а следовательно, и эффект уплотнения, зависит как от
скорости изменения напряженного состояния, так и от продолжительности
действия нагрузки, а следовательно, и от числа повторностей ее прило-
жения.
Характер взаимодействия рабочих органов машин с грунтом гаков,
что он может быть сведен к схеме нагрузки полупространства грунта
жестким круглым штампом. Поэтому в этом случае применимы те
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ
173
основные положения, которые получены в результате анализа такого
деформирования.
Удельные давления на поверхности контактов рабочих органов машин
с уплотняемыми грунтами не должны быть выше их пределов прочностей,
но вместе с тем они не должны быть и низкими, так как в противном случае
снижается эффект уплотнения. Лучший эффект получится в тех случаях,
когда удельные давления на поверхности контакта с рабочими органами
уплотняющих машин равны (0,9-4-1,0) ор (ор — предел прочности). Исклю-
чением из этого правила являются машины, действие рабочих органов
которых основано на глубоком проникании их в уплотняемый слой грунта
(кулачковые и решетчатые катки). Значения пределов прочности для грун-
тов оптимальной влажности приведены в табл. 21.
Таблица 21
Пределы прочности грунтов в кГ/см'1 в конце процесса уплотнения
Грунты При укатке катками на пневмомашинах При трамбовании штампом диаметром 70—100 см
Малосвязные (песчаные, супесчаные, пыле- ватые) 3—4 3—7
Средней связности (суглинистые) 4—6 7—12
Высокой степени связности (тяжелосугли- нистые) 6—8 12—20
Весьма связные (глинистые) 8—10 20—23
Эффект от работы машин для уплотнения грунтов зависит от того,
насколько правильно выбрана толщина уплотняемого слоя. При излишне
больших толщинах слоев требуемые плотности грунтов не достигаются.
При слишком малых толщинах слоев снижается производительность
машин и возрастает стоимость работ.
Профессором Н. Н. Ивановым теоретическим путем установлено, что
предельная глубина, на которую еще распространяется действие нагрузки,
составляет 3,5dM (dtu—диаметр штампа). Позднее этот вывод получил
экспериментальное подтверждение. В пределах этой зоны, на которую
еще распространяется действие нагрузки, следует различать еще такую
зону, где в процессе уплотнения грунтов деформация по глубине распре-
деляется еще более или менее равномерно. Эту зону можно назвать
активной, а ее глубину — глубиной активной зоны.
Созданию такой зоны способствуют массовые пластические сдвиги грунто-
вых частиц и агрегатов, которые развиваются по объему грунта, а также
то, что уплотняемый слой расположен на более жестком основании, кото-
рым служит ранее уплотненный грунт. Наличие жесткого основания при-
водит к концентрации сжимающих напряжений по оси сосредоточенной
нагрузки, а также к меньшему перепаду напряжений по глубине, т. е.
к их выравниванию.
Глубина активной зоны /г0 зависит от поперечных размеров штампа
в плане, величины напряжения, скорости изменения напряженного состоя-
ния, а также от вида и влажности грунта. Эта зависимость при IV7 < IV0
и о -д' Ор может быть выражена в виде
U7 ( —'l
hn == aBtnin 2L (1 - е °? см, (IV. 1)
W о
174
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
где 8т1п — минимальный поперечный размер поверхности контакта
рабочего органа машины с уплотняемым грунтом в см.\
W и Wo — влажность и оптимальная влажность грунта в %;
е — основание натуральных логарифмов;
аир — постоянные; коэффициент ос зависит от скорости изме-
нения напряженного состояния: при укатке а = 2,0, при
трамбовании и вибрировании а = 1,1; для связных грун-
тов р = 3,65.
В случае несвязных грунтов глубина активной зоны в 1,2—1,5 раза
выше.
В пределах активной зоны реализуется около 80% всей деформации
грунта и только 20% ее приходится на объем грунта, расположенный вне
этой зоны. Поэтому толщина уплотняемого слоя грунта не может быть
больше глубины активной зоны, так как в противном случае не будет
достигнута требуемая плотность грунта.
Оптимальная толщина уплотняемого слоя грунта Шп) находится
в тесной связи с глубиной активной зоны. Под оптимальной понимается
такая толщина, при которой требуемая степень уплотнения достигается
с наименьшей затратой механической работы и наибольшей производи-
тельностью машины. Глубина активной зоны определяет собой верхний
предел оптимальных толщин слоев уплотняемого грунта. В тех случаях,
когда при уплотнении грунтов необходимая плотность не превышает
0,95бтах, оптимальная толщина слоя может быть принята равной глубине
активной зоны (7/0 = й0). При этом такая плотность достигается относи-
тельно легко и не требует большого количества проходов машин.
Минимальный размер рабочего органа машины в плане определяет
собой максимальное значение оптимальной толщины слоя грунта, т. е.
как бы потенциальные возможности уплотнения, которые, однако, могут
быть реализованы лишь в том случае, если напряжение на поверхности
грунта будет близким к пределу прочности. При меньших значениях
напряжений оптимальная толщина слоя снизится.
Если требуемая плотность грунта велика и составляет (0,98-ь1,0) бтах,
то оптимальная толщина слоя равна половине глубины активной зоны
(Г/о = 0,5ftfl). Эта плотность может быть достигнута и при толщине слоя,
равной глубине активной зоны, но при этом число проходов должно быть
увеличено в 3 раза по сравнению с тем случаем, когда требуемая плотность
равна 0,956шах. Поэтому уплотнение грунтов при таких, больших толщи-
нах слоев становится экономически невыгодным.
Снижение толщины уплотняемого слоя грунта, по сравнению с опти-
мальной величиной, при сохранении тех же размеров рабочего органа
и той же величины развивающегося на поверхности грунта напряжения,
как правило, влечет за собой излишнюю затрату удельной работы, т. е.
работы, необходимой для уплотнения единицы объема грунта.
Анализ формулы (IV. 1) показывает, что снижение напряжений до
(0,5н-0,6) Ор практически не отражается на глубине активной зоны, а
следовательно, и на оптимальной толщине уплотняемого слоя. Вместе с тем
надо заметить, что всякое снижение напряжений приводит к увеличению
необходимого числа повторностей приложения нагрузки.
В результате уплотнения должна быть получена не только требуемая
плотность грунта, но и прочная его структура. Это может быть достигнуто
лишь при соблюдении определенного режима работы. В первую очередь
это относится к удельному давлению, которое должно быть близким к пре-
дел у прочности грунта, но не превышать последний не только в конце
уплотнения, по и в течение всего процесса. Если нарушить это правило
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ 375
и сразу выбрать то давление, которое должно иметь место лишь в конце
процесса уплотнения, когда грунт уже плотен и прочен, то при первых
проходах будет происходить разрушение структуры, и особенно вблизи
поверхности. Это затруднит дальнейшее формирование плотной и прочной
структуры, и достигнутые в конечном итоге плотность и прочность будут
ниже тех, которые получаются при постепенном возрастании удельного
давления. О разрушении структуры, например, свидетельствует сильное
волнообразование перед вальцами или колесами катков, а также выпира-
ние грунта со стороны.
Таким образом, можно сказать, что удельное давление
рабочего органа машины должно постепенно
повышать с я от прохода к проходу в случае
катков или от удара к удару при трамбующих
машинах. Такой процесс повышения удельного давления до некоторой
степени производится автоматически за счет постепенного снижения глу-
бины колеи при укатке и времени удара — при трамбовании. При этом
удельные давления возрастают в 1,5—2 раза, а необходимо, чтобы они
стали выше в 3—4 раза. Поэтому уплотнять грунты нужно двумя маши-
нами — легкой и тяжелой. Легкая машина должна служить для предва-
рительного уплотнения, а тяжелая — для окончательного доведения
грунта до требуемой плотности. Применение предварительного уплотне-
ния снижает примерно на 25% общее потребное число проходов или ударов
по одному месту. Если еще учесть, что в начале процесса применяются более
легкие средства, то все это дает экономию до 30% от общей стоимости работ
по уплотнению.
Переход на уплотнение более тяжелой машиной не должен вызывать
резкого повышения напряжения на поверхности грунта. Поэтому лучший
эффект достигается в том случае, когда напряжение на поверхности при
первом воздействии более тяжелой машины будет равно напряжению,
соответствующему последнему воздействию более легкой машины. При
укатке катками на пневмошинах это требование удовлетворяется в случае,
когда предварительное уплотнение производится катком, нагрузки на
каждое колесо которого в 2 раза меньше, чем при основном уплотнении,
и давление в шинах снижено в 1,5—2 раза. При трамбующих машинах
предварительное уплотнение можно производить машиной, вес рабочего
органа которой в два раза меньше, или той же машиной, которой произ-
водится и основное уплотнение, но при снижении в 4 раза высоты падения
рабочего органа. Во время предварительного уплотнения надо совершить
30—40% общего необходимого числа проходов.
Предварительного уплотнения можно не применять, если грунт в про-
цессе возведения насыпи был уплотнен землеройными или землеройно-
транспортными машинами до плотности не ниже 0,908roax, что имеет место,
например, при скреперных работах.
При укатке определенное влияние оказывает скорость движения
катков. При разных скоростях движения оптимальная плотность грунта
практически достигается за одно и то же количество проходов. Этот вывод
подтвержден непосредственными испытаниями и следует из реологических
свойств грунтов. Так, в п. 2 было показано, что скорость изменения напря-
женного состояния практически влияет на величину необратимой деформа-
ции лишь до определенных значений. Те скорости, которые имеют место
при укатке, уже находятся вне сферы их влияния.
Вместе с тем обнаружено, что при больших скоростях движения
формируется менее прочная структура грунта, что объясняется несколько
большими действующими на грунт сдвигающими усилиями. Проведенные
176
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
исследования позволили разработать рациональный скоростной режим
укатки, при котором качество уплотнения не только не снижается, но и
несколько повышается. При таком режиме первый проход и два последних
прохода должны совершаться на малой скорости (1,5—2,5 км/ч), а все
промежуточные проходы — на большой скорости (8 — 10 км/ч). При таком
режиме производительность повышается примерно в 2 раза. Конструкции
катков должны позволять производить уплотнение грунтом на рациональ-
ном скоростном режиме.
§ 26. ПРИЦЕПНЫЕ КАТКИ
Катки могут быть прицепными, полуприцепными и самоходными.
Для уплотнения грунтов практически применяются только прицепные и
полуприцепные катки. Самоходные катки служат для уплотнения дорож-
ных оснований и покрытий.
Рабочими органами катков являются вальцы или колеса. В зависимо-
сти от конструкции вальцов катки разделяются на катки с гладкими валь-
цами, кулачковые, решетчатые и сегментные. Катки могут быть снабжены
также колесами на пневматических шинах. Наибольшее распространение
получили кулачковые катки и катки на пневматических шинах.
По сравнению с другими машинами, служащими для уплотнения
грунтов, катки являются наиболее простыми, но вместе с тем производи-
тельными и экономичными. Поэтому они получили весьма широкое распро-
странение. Вместе с тем максимальные толщины слоев грунта, которые
могут быть уплотнены, при работе катками ниже, чем при трамбовании
и вибрировании. Кроме того, для успешной работы катков и особенно
прицепных необходим широкий фронт работ.
Катки с гладкими вальцами и на пневматических шинах пригодны
для уплотнения как связных, так и несвязных грунтов. Кулачковые и
сегментные катки могут уплотнять только связные грунты. Решетчатые
катки пригодны для уплотнения гравелистых, обломочных и мерзлых
грунтов. Параметры катков должны быть подобраны применительно к свой-
ствам тех грунтов, для уплотнения которых они предназначаются. Выбор
параметров может быть произведен на основе результатов анализа взаимо-
действия рабочих органов катков с уплотняемым грунтом.
Катки с гладкими вальцами. Катками с гладкими вальцами можно
уплотнять грунты при толщинах слоев в плотном теле не более 15—20 см.
Поэтому они в настоящее время практически вытеснены более совершен-
ными катками на пневматических шинах. Вместе с тем получили большое
распространение вибрационные катки с гладками вальцами. Поэтому сле-
дует рассмотреть некоторые элементы взаимодействия гладкого вальца
с грунтом.
Максимальные напряжения, развивающиеся на поверхности кон-
такта вальца с грунтом, могут быть найдены по формуле (1.33).
При укатке, так же как и при других методах уплотнения, должно
соблюдаться общее правило, согласно которому напряжение на поверх-
ности при перекатывании по ней вальца катка не должно превышать пре-
дела прочности грунта. Это условие может быть написано в виде
(IV.2)
Здесь — предел прочности, значения которого для различных грунтов
приведены в табл. 21. В конце уплотнения связные грунты при опти-
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ
177
мальной влажности имеют модуль деформации £0 = 150ч-200 кГ'см2,
а несвязные Е 0 = 100150 кПсм?. Лучший эффект уплотнения имеет
место в случае, когда отах (0,8-е-О,9) ор. Для расширения области
применения обычно предусматривается возможность изменения веса
катка путем догрузки его балластом.
Глубина активной зоны при укатке равна примерно двум диаметрам
штампа (2,0dM) или, что то же, удвоенному минимальному поперечному
размеру поверхности контакта катка с грунтом, т. е. длине хорды, стя-
гивающей погруженную в грунт часть окружности вальца. Из этих сообра-
жений, с учетом значения модулей деформации, для определения глубины
активной зоны можно получить сле-
дующие простые, формулы:
в случае связных грунтов
/г,,-0,3(j|r| см, (IV.3)
для несвязных грунтов
h(> = 0,35,”' см, (IV.4)
где R — радиус вальца катка
в см;
q — линейное удельное
давление в кПсм;
W и Wo — влажность и опти-
мальная влажность грунта в %.
Из формул видно, что глубина
активной зоны, а следовательно,
Рис. 108. Кулачковый каток:
/ — рама; 2 — залец; 3 — бандаж; 4 — ку-
лачки; 5 — люк для загрузки балласта: 6 —
скребки для очистки кулачкое
и оптимальная толщина уплотняе-
мого слоя грунта в равной сте-
пени зависят как от удельного ли-
нейного давления, так и от радиуса
вальца катков. Поэтому последние
следует выбирать возможно большими. Однако по технологическим
соображениям вряд ли возможно иметь R > 80—90 см. Ширина вальца
в существующих конструкциях прицепных катков обычно выбирается по
формуле
b (0.7-4-0,8) D см, (IV.5)-
где D = 2R — диаметр катка в см.
Однако при этих условиях катки недостаточно устойчивы и поэтому
ширину вальцов лучше выбирать, руководствуясь условием
b >(1,0-г-1,2) D см. (IV.6)
Вместе с тем, при излишне большом значении b ухудшаются условия дви-
жения на поворотах и значительно возрастает вес катка.
Необходимое число проходов катка должно устанавливаться в резуль-
тате пробной укатки. Обычно при уплотнении несвязных грунтов оно
равно 4—6, а в случае связных грунтов достигает 10—12.
Кулачковые катки. Кулачковые катки отличаются от гладких тем, что
на своей поверхности несут кулачки (шипы) (рис. 108). Напряжения на
поверхности контакта кулачков с грунтом в несколько раз больше, чем
напряжения под катком с гладкими вальцами. Поэтому кулачковые катки
эффективны только при уплотнении связных грунтов преимущественно
178
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
комковатых и не дают никакого эффекта при работе на несвяз-
ных грунтах, где вследствие высоких напряжений имеет место интен-
сивное перемещение грунта из-под кулачков в стороны и вверх. При работе
кулачки врезаются в грунт на значительную глубину. Поэтому уплот-
няются только те объемы грунта, которые расположены ниже плоскости
погружения кулачков, а верхняя часть грунта при этом разрыхляется.
Эта верхняя часть слоя может быть уплотнена лишь после отсыпки поверх
нее нового слоя грунта. Ввиду интенсивного уплотнения нижней части
слоя, заглубление кулачков по мере увеличения числа проходов посте-
пенно уменьшается. Поэтому при легких и средних типах кулачковых
катков толщина верхней неуплотненной части слоя сравнительно неве-
лика и составляет 4—6 см.
По оказываемому на грунт удельному давлению кулачковые катки
разделяются на легкие р = 4-1-20 кПсм2-, средние р = 20-1-40 кГ/см*-,
тяжелые р = 40-1-100 кГ/см2.
Опыт эксплуатации катков показал, что при излишне высоком удель-
ном давлении эффект уплотнения снижается. Он недостаточен также
и при малых давлениях. Поэтому удельные давления должны быть опти-
мальными. На основе практики строительства и эксплуатации кулачко-
вых катков можно рекомендовать следующие значения удельных давле-
ний для грунтов оптимальной влажности (кГ/см2):
Легкие и средние суглинки (в том числе пылеватые) . . 7—15
Средние и тяжелые » » » » » . . 15—40
Тяжелые суглинки и глинистые грунты (в том числе пы-
леватые) ..........................................40—60
Удельное давление рассчитывается в предположении передачи веса
катка на один ряд кулачков, расположенных по образующей вальца.
На самом деле в работе участвуют также и кулачки соседних рядов,
поэтому фактическое удельное давление, как правило, будет ниже рас-
четного не менее чем в 1,5—2 раза. Что касается общего веса катков,
то он может выбираться до 10—18 т и даже более. Однако следует ука-
зать, что на производстве хорошо себя зарекомендовали катки весом 5—6 tn.
Сухие связные грунты могут уплотняться катками, имеющими
несколько большие удельные давления и общий вес.
Большое значение имеют также размеры опорных поверхностей
кулачков. За однократное действие кулачка уплотнение распространяется
на глубину 2,5 Ь (Ь — минимальный размер опорной поверхности кулачка).
Таким образом, размеры активной зоны увеличены по сравнению с обыч-
ными ее значениями (-~2&). Это объясняется тем, что в этом случае ввиду
больших удельных давлений образуется весьма плотное грунтовое «ядро»,
которое как бы удлиняет кулачок. При последующих проходах этот
уплотненный слой как бы наращивается, что происходит за счет сдавли-
вания с ним рыхлого грунта, расположенного выше. Такое «наращива-
ние» плотного слоя может идти до величины, примерно равной 4Ь. Поэтому
для выбора минимального поперечного размера опорной поверхности
кулачка можно рекомендовать следующую формулу:
b > 0,25Я„ см, (IV.7)
где Нп — толщина уплотняемого слоя грунта в плотном теле в см.
Длина кулачков определяет собой ту глубину, на которую они могут
погрузиться в грунт при укатке. Поэтому при уплотнении рыхлых грун-
тов длина кулачков автоматически ограничивает верхний предел удель-
ного давления. После превышения этого предела каток начинает опи-
раться на грунт не только кулачками, но и поверхностью вальца. Оче-
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ
179
видно, что этот верхний предел зависит не только от длины кулачка, но
и от свойств грунта.
В случае излишне большой длины кулачков при первых проходах
катка, когда грунт находится еще в рыхлом состоянии, будут развиваться
избыточные напряжения, которые повлекут за собой выдавливание грунта
в стороны, что снизит эффект уплотнения и повысит необходимое тяговое
усилие. Это затруднит также «наращивание» слоя при последующих
проходах катка. Вместе с тем при недостаточной длине кулачки не смогут
погружаться в грунт на необходимую глубину, и потому нижняя часть
уплотняемого слоя останется непроработанной.
Длины кулачков L следует назначать такими, чтобы после полного
погружения в грунт расстояние от опорной плоскости этих кулачков
до поверхности ранее уже уплотненного грунта превышало 2,56. Это
расстояние и определяет собой ту толщину слоя грунта, которая без
«наращивания» может быть доведена до требуемой плотности.
Если через Нр обозначить оптимальную толщину слоя грунта в рых-
лом состоянии, а через hp — ту глубину, на которую нижний уже ранее
уплотненный слой остался разрыхленным, то имеет место следующее
соотношение:
L = (Нр + hp) — 2,5b см. (IV.8)
Для катков среднего веса можно принять hp = 5 см. Толщину слоя
удобнее измерять в плотном теле. Если оптимальную толщину слоя в плот-
ном теле обозначить Но, то
До = Нр (1 — е) см,
где е — относительная необратимая деформация грунта, необходимая для
доведения его от рыхлого состояния до требуемой плотности.
Опыты показывают, что часть слоя грунта, определяемая величи-
ной hp, обычно находится в совершенно рыхлом состоянии. На такой
грунт и должно быть рассчитано погружение кулачков. Поэтому можно
принять е = 0,35.
Тогда на основании (IV.8) для расчета оптимальной толщины слоя
может быть предложена следующая формула:
Но - 0,65 (L 4- 2,56 — hp) см. (IV.9)
При чрезмерно высоких удельных давлениях возрастет величина 6„, что
снизит толщину уплотняемого слоя грунта.
Из анализа работы кулачковых катков следует, что уплотнение
будет эффективным в том случае, когда грунты вначале достаточно рыхлы.
Это условие обеспечивает глубокое проникание кулачков и постепенное
наращивание плотного грунта. Кулачковые катки являются мало пригод-
ными для уплотнения уже сравнительно плотных грунтов, так как в этом
случае имеет место неполное проникание кулачков и, следовательно, не
обеспечивается проработка слоя на всю его толщину.
Формы кулачков существующих типов катков весьма разнообразны.
Однако, как это следует из принципа работы, эта форма на получаемую
плотность грунта влияния не оказывает. Вместе с тем должны быть выдви-
нуты определенные требования к форме опорной поверхности кулачков.
Она должна быть выбрана такой, чтобы при перекатывании обеспечива-
лись одинаковые максимальные напряжения во всех точках поверхности
контакта, что обеспечивает равномерное уплотнение грунтов. Этому
требованию отвечают реверсивные (т. е. симметричные) кулачки
180
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
и преимущественно те их виды, опорная поверхность которых очерчена
из центра катка по дуге окружности. Налипание на кулачки грунта
должно быть сведено к минимуму. Поэтому кулачки не должны иметь
ребер, впадин, резких выступов и т. п.
Число кулачков на вальце катка должно быть возможно большим,
что снизит необходимое число проходов. Однако наличие большого коли-
чества кулачков повлечет за собой повышение общего веса катка и уси-
лит склонность грунта к налипанию. Сравнительные испытания катков
с различным количеством кулачков показали, что удовлетворительная
работа имеет место в том случае, когда число кулачков, приходящихся
на 1 м2 поверхности вальца, составляет 20—25. Эти данные относятся
к легким и средним каткам, опорные поверхности кулачков которых
имеют площади от 20 до 40 см2. Расположение кулачков на поверхности
вальца должно быть шахматное.
Длина кулачков L и диаметры вальцов D должны находиться в пре-
делах оптимальных соотношений. Может быть рекомендован следующий
предел этого отношения:
-2-= 5,5-^7. (IV. 10)
Эта формула может служить для выбора диаметра вальца. Ширина вальца
может быть выбрана по формулам (IV.5) и (IV.6).
Необходимый общий вес катка может быть определен в предположе-
нии, что грунт нагружается только через один ряд кулачков. Тогда
Q = pFz кГ, (IV. 11)
где Q — общий вес катка в кГ;
F — опорная поверхность кулачка в см2;
р — выбранное удельное давление на опорной поверхности кулачка
в кГ/см2;
г — число кулачков в ряду, расположенном по образующей вальца.
Кулачковые катки целесообразно изготовлять с расчетом возможности
изменения их веса балластировкой. Это позволит один и тот же каток
использовать при уплотнении легких и тяжелых суглинков, а также
грунтов разной влажности.
Вследствие значительного пластического течения грунта из-под опор-
ных поверхностей кулачков уплотняется не только тот грунт, который
непосредственно расположен под этой опорной поверхностью, но также
и объемы, расположенные вблизи, что расширяет активную зону. Это
позволяет сократить необходимое число проходов. Испытания катков пока-
зали, что для достижения грунтом уплотняемого слоя плотности, рав-
ной 0,95бтах, достаточно однократного перекрытия всей поверхности слоя
кулачками. Это условие выполняется при числе проходов
« = (IV.12)
где S — поверхность вальца катка в см2;
F — опорная поверхность кулачка в см2;
т — общее число кулачков;
k — коэффициент, учитывающий неравномерность перекрытия поверх-
ности кулачками; в среднем k = 1,3.
В тех случаях, когда требуемая плотность грунта составляет (0,98:-
-н1,0) 6тах, число проходов по сравнению с формулой (IV. 12), должно
быть увеличено в 2—3 раза.
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ 181
Кулачковые катки, как правило, работают в сцепке из нескольких
штук. Формула (IV. 12) выведена в предположении работы одного катка,
поэтому при работе в сцепке в зависимости от взаимного расположения
в ней катков в эту формулу должны быть внесены соответствующие кор-
рективы.
Необходимое для работы кулачковых катков тяговое усилие най-
дется по формуле
Т = Qn (f -j- i) кГ, (IV. 13)
где Q — вес катка с балластом в кГ\
п — число катков в сцепке;
f— коэффициент сопротивления перекатыванию; f = 0,15-;-0,25 —
при первых проходах и f = 0,10н-0,15 — при последних про-
ходах;
г — уклон местности.
Производительность катка может быть определена по формуле
П= м3/ч, (IV. 14)
4+^ .
где. Li — длина укатываемого участка в м\
Но — толщина уплотняемого слоя в плотном теле в м\
b — ширина вальца в м;
i]e = 0,85 — коэффициент использования катка по времени;
0,2 — величина перекрытия катком следа предыдущего прохода в м;
v — рабочая скорость в л/ч;
ttl — время, затрачиваемое на поворот, в ч.
Рама и дышло катка рассчитываются на растяжение от максималь-
ного тягового усилия того трактора или тягача, на работу с которым
рассчитан каток. Коэффициент динамичности при этом принимается рав-
ным 1,5.
Катки на пневматических шинах. В настоящее время пневматические
катки применяются для уплотнения не только грунтов, но и гравийных
и щебеночных оснований, а также черных смесей и асфальтового бетона.
При этом, в отличие от катков, имеющих жесткие гладкие вальцы, катки
на пневматических шинах не подвергают дроблению щебень и гравий,
что и является большим преимуществом этих катков. Типы и размеры
этих катков весьма разнообразны. Так, вес тех прицепных катков, кото-
рые предназначены для уплотнения грунтов аэродромов, достигает 100,
120, а в отдельных случаях и 200 m. Наибольшее распространение полу-
чили катки весом 20—25 и 40—50 т.
Катки на пневматических шинах при условии правильного выбора
их параметров пригодны для уплотнения как связных, так и несвязных
грунтов. Оптимальные толщины уплотняемых слоев здесь больше, чем
при уплотнении гладкими и кулачковыми катками. Кроме того, для
Доведения грунтов до одной и той же плотности требуется меньшее число
проходов, что повышает производительность катков.
Общий вид прицепного катка на пневматических шинах представлен
на рис. 109.
Наибольшее распространение получили катки с независимой
подвеской отдельных колес, что обеспечивает равномерное уплотнение
грунта, а при неровной поверхности предохраняет шины от перегрузки.
Ось каждого колеса жестко связана с балластным контейнером, передняя
часть которого шарнирно подвешена к траверсе рамы машины.
182
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Расчет давления на поверхности контакта пневматического колеса
с грунтовой поверхностью может производиться по формуле (1-34), а также
по более точной формуле (1.35).
При первых проходах, когда грунт еще находится в рыхлом состоя-
нии, деформация пневматической шины по сравнению с деформацией
грунта весьма мала, ввиду чего его работа подобна работе жесткого колеса.
По мере уплотнения грунта удельное значение деформации шины все
более возрастает и при плотных грунтовых поверхностях имеет место
обратная картина, т. е. здесь в основном деформируется уже шина.
Рис. 109. Каток на пневматических шинах
Под пневматической шиной грунт находится в напряженном состоя-
нии более продолжительное время, чем под жестким колесом. При рав-
ных диаметрах жесткого колеса и пневматика последний ввиду эластич-
ности имеет большую площадь контакта с поверхностью грунта и эта
площадь загружена значительно равномернее. Все это способствует повы-
шению эффекта уплотнения грунтов.
Для определения глубины активной зоны надо найти минимальный
поперечный размер поверхности контакта шины с грунтом. Таким разме-
ром является малая ось эллипса, которую можно определить, предполо-
жив, что в конце процесса уплотнения перекатывание пневматика произ-
водится по абсолютно жесткой поверхности, т. е. что деформируется
только шина.
Если Р — общая нагрузка на пневматическое колесо, включая его
вес в кГ, а а и b — большая и малая оси эллипса отпечатка шины в см,
то будет иметь место следующее равенство:
Р^^-осркГ. (IV. 15)
Здесь оср — среднее напряжение на поверхности контакта. Распределе-
ние напряжений по поверхности контакта может быть принято происхо-
дящим по закону эллипсоида. Поэтому соотношение между максималь-
ным атах и средним напряжениями определяется по формуле:
<hp = 4 кГ 1сМ^ (IV. 16)
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ
183
Полагая соотношение между осями эллипса равным 1 : 3, на основа-
нии формулы (IV. 15) с учетом зависимости (IV. 16) можно получить
Тогда, учитывая формулу (IV. 1), можно найти глубину активной зоны
7 _2.5-^И /—р~
йв = 1,6-j—И — е °" J V см. (IV.18)
Из формулы (IV. 18) видно, что снижение давления в шине понижает
напряжение на .поверхности грунта, что уменьшает глубину активной
зоны. С другой стороны, при постоянной нагрузке на колесо это сниже-
ние влечет за собой увеличение площади контакта шины с грунтом и, сле-
довательно, повышение глубины активной зоны. Жесткость самой шины
всегда несколько снижает эффект от понижения давления. Так, при сни-
жении давления в шине от 6 до 2 атм, т. е. в 3 раза, напряжение на поверх-
ности грунта понижается с 7 до 4 кПсм2, т. е. уже не в 3, а в 1,8 раза.
При той же нагрузке на колесо поперечные размеры площади контакта
с грунтом увеличиваются примерно в 1,7 раза, что во столько же раз
повышает глубину активной зоны.
Формулу для определения глубины активной зоны можно также полу-
чить, пользуясь результатами испытаний какой-либо модели катка. Так,
сопоставление результатов испытаний катка Д-263 с имеющими место при
деформировании грунта общими закономерностями позволило для расчета
глубины активной зоны получить следующую формулу:
h0 = 0,18^ с-, (IV. 19)
где Р — нагрузка на колесо в кГ\
pw — давление в шинах в кПсм%‘,
С — коэффициент жесткости шины, значения которого приведены
на стр. 38.
Постоянный коэффициент перед знаком радикала имеет размер-
ность смЧкГ. Формула может служить для расчета глубины активной
зоны при уплотнении связных грунтов, оптимальной и менее, чем опти-
мальная, влажности. При этом предполагается, что пневматические колеса
сдвоены и общая нагрузка на них равна 2Р.
Таким образом, глубину активной зоны можно рассчитывать по фор-
мулам (IV. 18) и (IV. 19). Обе формулы дают вполне приемлемую для прак-
тических расчетов точность. Тем не менее надо отметить, что форму-
лой (IV. 18) в большей степени учитывается действительная картина
работы пневматической шины, и поэтому ее надо рекомендовать в пер-
вую очередь.
Для повышения проходимости и эффекта работы пневматические
шины выгодно иметь возможно большего диаметра. Большой диаметр
колеса позволит увеличить площадь контакта с грунтом, а тем самым
и глубину активной зоны.
Следовательно, как правило, должны применяться шины больших
размеров. Нагрузку на колесо также желательно иметь возможно большей.
С ростом нагрузки увеличивается обжатие пневматической шины, а следо-
вательно, и глубина активной зоны. Нагрузка ограничивается прочностью
шины, а также теми тяговыми средствами, для работы с которыми
предназначен каток.
184
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Вследствие относительно малой скорости движения катков и значи- I
тельного снижения в связи с этим динамических нагрузок, допустимые |
пределы давлений на колеса возможно принимать несколько большими 1
по сравнению с теми их значениями, которые обычно лимитируются пае- 1
портными данными. Верхний предел нагрузки должен быть ограничен 1
такими их значениями, при которых смятие шины не превышает 15%. <
Под смятием здесь понимается отношение абсолютной величины дефор- !
мации шины к диаметру ее сечения (к высоте профиля), выраженное#**
в процентах. / ?
Здесь также следует считать, что лучший эффект уплотнения соот- |
ветствует такому случаю, где максимальное напряжение на поверхности ।
близко к пределу прочности грунта. -1
Давление воздуха в шинах автомобилей и дорожностроительных 1
машин, как правило, не более 6 кГ/см2. Поэтому при уплотнении |
связных грунтов, предел прочности которых превышает 12 кГ/см\ еле- I
дует рекомендовать катки, снабженные авиационными шинами, кото- 1
рые допускают повышение давления воздуха до 12 и даже 14 атм.. 1
Конструкция катка должна позволять регулировать давление в шинах, |
а в случае самоходных катков необходимо обеспечить, чтобы эта операция j
могла совершаться на ходу. |
При уплотнении песков и малосвязных грунтов ввиду относительно 1
более низких пределов прочностей этих грунтов давление в шинах не J
должно превышать в первом случае 2 кПсм*, а во втором случае — 3— I
4 кГ/см2. Во избежание большого износа шин должны быть также сни- I
жены и нагрузки на колеса катков. <
Спаренные колеса по сравнению с одиночными дают большую пло-
щадь следа и поэтому способны уплотнять слои грунта больших толщин. J
Поэтому прицепные катки должны быть одноосными. Ввиду особенностей ]
конструкции стандартных колес и их дисков все колеса ряда не могут быть
вплотную поставлены друг к другу. Между ними всегда будут иметь место
какие-то зазоры. Для повышения эффекта уплотнения последние должны !
быть сведены к минимуму. j
Зазор желательно иметь не выше 0,4В (В — ширина колеса) и никак )
не больше (0,5ч-0,7) В. При зазоре менее 0,4В он на эффекте уплотнения
практически не отражается.
Необходимое число проходов при уплотнении связных грунтов обычно \
составляет 6—8. При несвязных грунтах оно в 2 раза меньше.
При тяговых расчетах коэффициент сопротивления перекатыванию
следует выбирать равным / 0,2 — при первых проходах и f 0,08-е-
-н-0,1 — при последних проходах. Время разгона катка можно полагать
равным 2—3 сек.
Выбор тягача надо производить с расчетом возможности преодоления
возникающих при работе катков максимальных сопротивлений. Коэффи-
циент использования силы тяги тягача
„ GK(J+0
•Ir - т
(IV. 20)
должен быть возможно более близким к рг =- 0,8-4-0,9,
где ТТ — сила тяги на крюке тягача при выбранной скорости его движе-
ния в кГ;
Gx — сила тяжести катка в кГ.
В случае самоходного катка должны быть увязаны между собой тяго-
вое усилие, возникающие сопротивления и сцепной вес. Такую увязку
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ
185
можно произвести, пользуясь тем же методом, что и в случае самоходных
скреперов.
Расчет на прочность отдельных узлов катка производится в предпо-
ложении реализации полной силы тяги тягача с учетом коэффициента
динамичности ka = 1,5.
Катки решетчатые и сегментные. Решетчатые катки появились
сравнительно недавно и сразу хорошо зарекомендовали себя как эффек-
тивное средство для работы в зимнее время, а также для уплотнения гра-
велистых и глинистых комковатых грунтов. Катки изготовляются при-
цепными. По конструкции они сходны с гладкими или кулачковыми кат-
ками и отличаются от них тем, что их вальцы выполнены из решетки.
Последняя сварена из прутков низколегированной стали. Решетка может
быть также выполнена литой. В этом случае валец собирается из отдель-
ных звеньев. Решетка имеет квадратные отверстия со стороны квадрата 15
или 20 см. Балласт обычно размещается на раме катка и выполняется
в виде бетонных кубов. Общий вес катка с балластом составляет 25—30 т.
Каток может уплотнять грунт слоями толщиной до 40 см.
Вальцы секторного катка имеют вырезы, вследствие чего окружность
их прерывается впадинами. Их собирают из звеньев, сдвинутых таким
образом, чтобы впадины располагались в шахматном порядке. Такой
каток работает подобно кулачковому и по сравнению с последним имеет
значительно большие опорные поверхности. Поэтому при достаточном
общем весе он может прорабатывать слои грунта значительно большей
толщины. Эти катки могут быть также самоходными.
§ 27. ТРАМБУЮЩИЕ МАШИНЫ
При трамбовании грунт уплотняется за счет энергии падающей массы.
В момент соприкасания ее с грунтом начинается удар. Здесь за очень
короткий промежуток времени движение трамбовки получает конечное, а не
малое изменение, вследствие чего должны развиваться очень большие
напряжения на поверхности контакта трамбовки с грунтом.
Можно написать уравнение
j Pdt — М (Oj — и2), (IV.21)
о
где . М — масса трамбовки;
ог и v2 — скорости трамбовки до и после удара;
Р — развивающееся в процессе удара усилие;
t — текущее время;
т — время удара.
Из этого уравнения видно, что если знать время удара и закономер-
ность изменения напряжения во времени, то может быть определена
развивающаяся при ударе сила, а следовательно, и возникающее на
поверхности контакта напряжение. По напряжению можно найти необра-
тимую деформацию и, следовательно, оценить эффект уплотнения. Соот-
ветствующая началу удара скорость может быть определена по формуле
Uj = У2gH м/сек, (IV.22)
где Н — высота падения трамбовки, в м.
Скорость v2 = 0, так как удар трамбовки о грунт может быть принят
абсолютно неупругим.
В отличие от вполне упругих тел развитие деформации грунта все
время отстает от соответствующего изменения напряжения. Поэтому
186
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
деформация достигает максимума тогда, когда напряжение уже значи-
тельно снизилось. В некоторых случаях максимум деформации соответ-
ствует полному спаду напряжений. Удар начинается с момента начала
контакта трамбовки с грунтом. За конец удара логично принять момент
достижения деформацией своего максимального значения. Этот отрезок
времени и есть время удара, за которое происходит превращение кинети-
ческой энергии трамбовки в другие виды энергии. Кинетическая энергия
трамбовки в начале удара определяется ее массой и скоростью, а в конце
удара она равна нулю. По окончании удара начинается процесс восста-
новления обратимой деформации, т. е. процесс обратного упругого после-
действия, который уже ничего общего с явлением удара не имеет.
Во время удара вблизи поверхности грунта напряжение возрастает
за весьма короткое время, измеряемое несколькими миллисекундами. Ско-
рость роста напряжений достигает при этом нескольких тысяч кГ/смг-сек..
По мере удаления от поверхности процесс растягивается во времени,
а максимальное напряжение непрерывно снижается. Вслед за волной
напряжения по объему грунта начинает распространяться волна дефор-
мации.
Установлено, что скорости распространения волн напряжений и дефор-
маций зависят от состояния грунта, т. е. от его плотности и влажности,
и не зависят ни от удельного импульса, ни от скорости трамбовки в момент
удара. Отдельные точки фронта этих волн движутся с различными ско-
ростями. Наибольшие значения скоростей соответствуют началам этих
процессов, а наименьшие — движению гребней этих волн. При плотных
грунтах возникновение напряженного состояния распространяется по
объему грунта в пределах активной зоны со средней скоростью 400—
600 м/сек, а гребни волн напряжений и деформаций — со скоростью
80—150 м/сек. В случае рыхлых грунтов эти скорости в 2—3 раза
меньше.
Время удара тесно связано с продолжительностью деформации грунта
и потому зависит от тех же факторов, которые влияют на эту продолжи-
тельность. Сюда надо отнести величину самой деформации и скорость ее
течения. Та деформация, которая успевает развиться за время удара,
определяется степенью податливости грунта внешним нагрузкам и потому
зависит от вида и состояния грунта и в первую очередь от его плотности
и влажности. Величина деформации зависит также от интенсивности воз-
действия на грунт внешней нагрузки. Поэтому деформация и время удара
растут по мере увеличения веса трамбовки и высоты ее падения. Для дан-
ного вида и состояния грунта время удара можно принимать зависящим
только от величины удельного импульса. Под удельным импульсом пони-
мается отношение полного импульса удара к площади трамбовки. По мере
увеличения удельного импульса время удара повышается.
Влажность грунта оказывает влияние на время удара лишь когда
она выше оптимальной величины. Значения времени удара для грунтов
разных видов и плотностей, полученные в результате испытаний трамбую-
щих машин, представлены в табл. 22.
Время удара для плотных грунтов в 2 раза меньше тех его значений,
которые соответствуют рыхлым грунтам. Отсюда можно сделать тот прак-
тически важный вывод, что в процессе уплотнения грунта трамбованием
напряжение на их поверхностях увеличивается примерно в 2 раза.
Имея значения удельного импульса удара i и времени удара т, можно
найти максимальную величину напряжения, развивающегося во время
удара. Предполагая, что в процессе удара рост и спад напряжения проис-
ходят по линейному закону и что деформация достигает максимума уже
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ
187
Таблица 22
Значения времени удара в сек
Состояние грунта Несвязные грунты Связные грунты
Вес трамбовки в к Г
500 500 950 1200 1500
Рыхлое 0,024 0,035 0,065 0,076 0,110
Плотное 0,012 0,017 — — —
тогда, когда напряжение снизилось на какую-то величину, можно найти,
что
СТтах — ~~ К-Г/СМ?.
max т
(IV.23)
Удельный импульс i может быть найден из выражения
i == к Г -сек/см2, (IV. 24)
где А4 — масса трамбовки в кГ-сек21с м\
— скорость трамбовки в момент удара в см-сек',
F — площадь основания трамбовки (площадь контакта с грунтом)
В СМ2',
k — коэффициент, учитывающий запаздывание развития деформа-
ции по отношению к развитию напряжения, а также нелиней-
ность изменения последнего.
Коэффициент k зависит от скорости трамбовки в момент удара и величины
удельного импульса. Для средних условий k = 1,7-1-2.
В случае свободного падения трамбовки максимальное напряжение
в процессе удара определится по формуле
= (IV.25)
где Q — вес трамбовки в кГ;
Н — высота ее падения в см\
g — ускорение силы тяжести в см!сек2.
Эффект уплотнения грунтов при их трамбовании логично полагать
зависящим от величины удельного импульса. Это положение и следует
положить в основу практических расчетов. При трамбовании, так же как
при укатке и других видах уплотнения, развивающиеся на поверхности
грунта напряжения не должны превышать пределов прочности. В против-
ном случае верхняя часть слоев будет разрыхляться, а активная зона
переместится в глубину, что с точки зрения рационального использования
механической работы оказывается негодным. Здесь предел прочности
лучше всего задавать не предельными напряжениями, а предельными
Удельными импульсами. Опытным путем получены следующие значения
предельных удельных импульсов (кГ-сек/см2) применительно к грунтам
оптимальной влажности:
Малосвязные (песчаные, супесчаные пылеватые) .... 0,05—0,07
Средней связности (суглинистые) ...................... 0,07—0,12
Высокой связности (тяжелосуглинистые)................. 0,12—0,20
Весьма связные (глинистые) ........................... 0,20—0,27
188
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Трамбованием можно уплотнять как связные, так и несвязные грунты.
Преимуществом этого способа по сравнению с укаткой является возмож-
ность уплотнения грунтов слоями большой толщины, в силу чего этот
способ уплотнения является наиболее целесообразным при работе в зим-
них условиях.
Для определения глубины активной зоны при уплотнении связных
грунтов может быть использована формула (IV. 1), в которой отношение
напряжений можно заменить отношением удельных импульсов. При этом
надо учесть и влияние влажности грунта. Тогда глубина активной зоны ha
определится по формуле:
[17 / —3,7 —— |
/г» = — е р J см, (IV.26)
где i и ip — удельный импульс трамбовки и предельный импульс
в кГ -сек/см2;
fimln — минимальный размер трамбовки в плане в см.
Формула может служить и для выбора оптимальной толщины уплот-
няемого слоя грунта, однако в том случае, если требуемая его плотность
не превышает 0,956гаах. При уплотне-
нии несвязных грунтов оптимальная
толщина слоя может быть принята
большей в 1,5 раза при сравнительно
небольших толщинах слоев (0,4—0,8 .и)
и в 1,2 раза — при слоях большой тол-
щины (0,8—1,2 м). Для достижения
более высокой плотности грунта (0,98—
1,0) бтах оптимальную толщину уплот-
няемого слоя следует принимать рав-
ной половине глубины активной зоны.
Сопоставление расчетных величин с
опытными показывает, что формула
Таблица 23
Значения коэффициента k
Требуемая плотность грунта 6/6max Связный грунт Несвяз- ный грунт
0,95 4 2
0,98 7 4
1,00 14 10
позволяет получить вполне приемлемую для практических целей точность.
При проектировании трамбующих машин оптимальную толщину слоя
не следует выбирать излишне большой. По мере увеличения толщины
уплотняемого слоя вес трамбовки прогрессивно возрастает, что ведет
к повышению веса самой машины. Наиболее целесообразной толщиной
слоя при уплотнении связного грунта трамбующими машинами можно
считать слой в 0,6—0,8 м.
Для определения необходимого числа ударов трамбовок можно поль-
зоваться приближенной формулой:
khip
ihQ ’
(IV.27)
где п — необходимое число ударов;
h. — толщина уплотняемого слоя грунта в см;
h0 — оптимальная толщина слоя в см;
k — коэффициент, зависящий от оптимальной плотности и вида
грунта. Значения этого коэффициента приведены в табл. 23.
Рабочие органы трамбующих машин — плиты или молоты — могут
как сменное оборудование устанавливаться на экскаваторах или на спе-
циально приспособленных для этого машинах. Использование экскава-
торов для уплотнения грунта является экономически невыгодным, так
как обходится весьма дорого и ведет к сильному износу7 этих машин.
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ
[89
На рис. 110 представлена трамбующая машина, выполненная на базе
гусеничного трактора. Ее рабочими органами являются две плиты, пооче-
редно поднимаемые и свободно сбрасываемые специальным механизмом.
Движение плит осуществляется по направляющим. Трактор снабжен
ходоуменьшителем, подобранным таким образом, чтобы на каждую точку
поверхности грунта приходилось 4—6 ударов плиты. При весе каждой
плиты в 1300 кГ и высоте падения 1,3 м машина может уплотнять связ-
ные грунты толщиной до 0,6 кг.
Разработана конструкция трамбующей машины, рабочим органом
которой являются пять дизель-молотов, навешиваемых сзади на трак-
тор. За границей получили некоторое распространение взрывные трам-
Рис. ПО. Трамбуюш.ая машина
бовки, работающие по циклу Ленуара, т. е. без предварительного сжатия
рабочей смеси, что обусловливает возможность работы этих трамбовок
только на легких дорогих сортах топлива. При вспышке топлива трам-
бовка ввиду того, что ее ось наклонена, подпрыгивая вверх, одновре-
менно продвигается также и вперед.
Машины с дизель-молотами и взрывные трамбовки могут работать
только на предварительно уплотненных грунтах. На рыхлых грунтах,
ввиду большой их податливости, в дизель-молотах не достигается необ-
ходимая для вспышки топлива степень сжатия, а недостаточная высота
прыжков, при взрывных трамбовках делает невозможным их продвиже-
ние вперед.
При расчете машин по заданной толщине уплотняемого слоя основ-
ные параметры, т. е. массу плиты или молота, высоту, его падения и раз-
меры в плане, выбирают по приведенным выше формулам. Минимальный
размер рабочего органа в плане не должен быть менее 0,9/i (h — толщина
уплотняемого слоя). Его не рекомендуется выбирать также и излишне
большим, так как в противном случае уплотнение будет энергетически
невыгодным. Верхним пределом этого размера следует полагать \,2h.
Масса рабочего органа и высота его падения подбираются по выбранному
по условиям уплотнения значению удельного импульса. По энергетиче-
ским соображениям выгодно увеличивать массу трамбовки, а не высоту
его падения. Однако последняя не должна быть ниже 0,3—0,4 м —
У машин, где падению рабочего органа ничто не препятствует,
190
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
и 0,6—0,8 м — у машин, где падение рабочего органа тормозится нали-
чием каната, раскручиванием лебедки и т. п.
Производительность трамбующих машин может быть найдена по
формуле
П = м9/ч, (IV.28)
где Вп — ширина уплотняемой полосы в м;
v — скорость движения машины в м!ч\
h — толщина уплотняемого слоя в плотном теле в л;
п — определяемое по формуле (IV.27) необходимое число проходов;
т]а 0,85 — коэффициент использования машины по времени;
— коэффициент, учитывающий потери времени на повороты, ревер-
сирование машины и т. п.; обычно % = 0,80-Ю,90.
Пример. Требуется подобрать параметры трамбующей плиты, при-
годной для уплотнения грунтов высокой степени связности и оптимальной
влажности. Толщина слоя составляет 0,6 м.
Согласно приведенным выше рекомендациям можно полагать Bmln =
— h — бОсек. Для такого грунта ip 0,15 кГ-сек/см?, а удельный импульс
можно выбрать равным i — 0,12 кГ-сек/см2. Глубина активной зоны опре-
делится по формуле (IV.26)
( -3 7-С\ / г?0'12 \
Ло= l,15mln-^ 1 — е ' 1р )= 1,1-60 1 —е °’!5 ) 62 см,
т. е. выбранные параметры обеспечивают уплотнение грунта в слое задан-
ной толщины.
Плиту в плане можно полагать квадратной, поэтому общий потреб-
ный импульс удара найдется по формуле:
/ = Pi = 602 • 0,12 = 430 кГ-сек.
Вес плиты найдется по формуле:
1 = М и — — 1/ 2g Н, откуда G — - .
Полагая, что Н = 80 см.
§ 28. ВИБРОТРАМБУЮЩИЕ МАШИНЫ
Вибрационные машины применяются для уплотнения не только грун-
тов, но и других строительных материалов, к числу которых в первую
очередь относится бетонная смесь. Однако этот способ уплотнения не
является универсальным, т. е. его применение для уплотнения некото-
рых материалов может не дать должного эффекта. Уплотнение вибрацион-
ными машинами достигает цели лишь тогда, когда уплотняемые мате-
риалы имеют определенные свойства.
При уплотнении материала вибрированием масса вибратора при-
водится в состояние колебательных движений. Вслед за вибратором
за счет его кинетической энергии вводятся в состояние колебатель-
ных движений и расположенные в зоне его действия частицы уплотняе-
мого материала. Поэтому они оказываются под воздействием инерцион-
ных сил. Величина этих сил пропорциональна массам частиц. Так как
последние не одинаковы, то за счет разности в силах инерции, в местах
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ
191
контактов частиц возникают напряжения. До известных пределов эти
напряжения будут уравновешиваться силами сцепления и внутреннего
трения материала, а в грунтах — и прочностью связующих пленок.
После превышения этих пределов возникнут взаимоперемещения частиц.
Те силы, с которыми частицы отрываются друг от друга, пропорцио-
нальны инерционным силам, поэтому они определяются не только раз-
ностью масс соседних частиц, но также и теми ускорениями, которые раз-
виваются при колебательных движениях. Таким образом, относительное
перемещение частиц наступит тем скорее, чем больше будет разница
в массах отдельных частиц, составляющих материал, и чем слабее будут
силы связей между частицами. Поэтому вибрирование применимо к уплот-
нению материалов, состоящих из частиц разных размеров со слабыми
связями между ними. К таким материалам относятся несвязные и мало-
связные грунты и бетонные смеси. Последние особенно хорошо уплот-
няются вибрированием, так как обладают ярко выраженными тиксотроп-
ными свойствами, в результате чего при встряхивании они приобретают
свойства жидкости.
Связные грунты, между частицами которых имеют место значитель-
ные силы связей, могут быть уплотнены вибрированием лишь после раз-
рушения этих связей, что при обычном оборудовании практически невоз-
можно.
Итак, в процессе колебательных движений происходит отрыв отдель-
ных частиц грунта от общей массы колеблющегося слоя. Оторвавшиеся
частицы, находясь под воздействием сил тяжести, будут стремиться занять
положение, соответствующее их наименьшему потенциалу, т. е. переме-
щаться вниз. Неоторвавшиеся частицы образуют общую массу, совер-
шающую вынужденные колебания, но, ввиду действующих сил инерции
и продолжающегося отрыва отдельных частиц, сплошность этой массы
все более нарушается и тем самым понижается прочность связей частиц,
оставшихся в сцеплении. В результате этого при интенсивном вибриро-
вании оказывается, что большая часть частиц находится в состоянии
относительных перемещений. При этом чем крупнее частицы, тем на боль-
шие расстояния они перемещаются, что в результате и приводит к полу-
чению более плотной их упаковки.
Колебательные движения могут характеризоваться несколькими пара-
метрами: амплитудами, скоростями, ускорениями и частотами. Уплот-
нение грунта, как и других материалов, зависит главным образом от вели-
чины ускорения его частиц. Влияние на эффект уплотнения грунтов ока-
зывает также частота колебаний. Оказалось, что в известном интервале
частот (175—300 гц) происходят интенсивные тиксотропные превращения
как в супесчаных, так и в суглинистых грунтах, благодаря которым резко
снижаются связи между отдельными частицами и их агрегатами, что ведет
к значительному повышению эффекта приложенных к грунтам внешних
сил. Поэтому грунты целесообразно было бы уплотнять вибрационными
машинами, работающими в этом интервале частот. Однако в настоящее
время достижение этого интервала еще связано с большими трудностями.
По характеру силового воздействия на грунт вибрационный метод
уплотнения является «пассивным». Здесь частицы вводятся в состояние
колебательных движений и затем предоставляются самим себе, так как их
взаимосдвиги происходят в основном под действием переменных по вели-
чине и направлению инерционных сил и сил тяжести, а постороннее
силовое воздействие относительно незначительно. Поэтому этот метод не
эффективен по отношению к связным грунтам, так как уплотнение послед-
них может быть осуществлено только при наличии значительной активной
192
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
силы, действующей извне в одном направлении и в течение более или
менее длительного времени.
На эффект уплотнения грунтов вибрированием существенно влияет
их влажность. При вибрировании происходит миграция влаги снизу
вверх. Опыты позволили установить, что в среднем при вибрировании
оптимальная влажность равна (1,1 —1,2) 1Е0 (U'z0— оптимальная влаж-
ность, определенная методом стандартного уплотнения). В случае возмож-
ности удаления поднявшейся на поверхность воды метод также эффекти-
вен при уплотнении переувлажненных несвязных грунтов. При влаж-
ностях менее оптимальных значений эффект уплотнения сильно снижается
и тем больше, чем ниже влажность грунта. Если влажность грунта менее
(0,7-=-0,8) Wo, то возможность доведения грунта до плотности 0,95бгаах
становится сомнительной даже в случае продолжительного вибрирования
и применения тяжелых вибраторов.
Если увеличивать возмущающую силу, то будут возрастать ампли-
туды колебаний как вибратора, так и грунта. До определенных значений
возмущающей силы колебания вибратора будут носить гармонический
или же близкий к нему характер. Затем они приобретут беспорядочный
характер, т. е. здесь будут иметь место уже периодические удары пло-
щадки машины о грунт.
Амплитуда и характер колебаний вибраторов зависит от отношения
возмущающей силы Р к их весу Q. Под возмущающей силой понимается
та сила, которая отрывает вибратор от поверхности уплотняемого мате-
риала. Эта сила развивается соответствующим механизмом и, изменяясь
по периодическому закону, переменна во времени. В данном случае
имеется в виду амплитудное (максимальное) значение этой силы, соответ-
ствующее какому-то определенному моменту времени периода колебаний.
Р
Таким образом, при каком-то отношении -п- k„, которое можно
назвать критическим, колебания претерпевают качественные изме-
нения. При k > kQ происходят отрыв плиты от поверхности грунта и затем
удары ее о поверхность грунта. Следует заметить, что ввиду отставания
в развитии деформации грунта отрыв имеет место и при k <Z k0, однако
он незначителен и потому не оказывает влияния на характер движения
вибратора.
Машины, у которых k <Z kB относятся к вибрационным,
а при k\>k0 к вибротрамбующим. При вибротрамбующих
машинах уплотнение грунта происходит как ввиду развивающихся при
ударе напряжений, так и за счет колебательных движений частиц грунта.
От трамбовок эти машины отличаются малыми импульсами ударов
и высокими частотами их.
Для уплотнения грунтов, как правило, применяются вибротрамбую-
щие машины. Они так же, как и вибрационные, применимы для уплот-
нения только несвязных и малосвязных грунтов. Вибрационные машины
не получили распространения из-за трудности их передвижения. Однако
они широко применяются при уплотнении таких материалов как бетон-
ные смеси.
Рабочим органом вибротрамбующей машины является плита, на кото-
рой монтируются агрегаты возбудителя колебаний, а иногда и двигатель.
Последний часто укрепляется на подмоторной плите, которая располо-
жена над основной плитой и опирается на нее через амортизаторы.
Разновидностью вибротрамбующих машин являются вибрационные
катки. Здесь рабочим органом служит жесткий валец, который также
специальным механизмом вводится в состояние колебательных движений.
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ 193
При работе вибротрамбующих машин напряжение на поверхности
грунта обычно не превышает 0,5—0,8 кГ/см2, но ввиду тиксотропных пре-
вращений грунтов даже такие незначительные нагрузки при благоприят-
ных условиях приводят к получению высокого эффекта.
К основным параметрам вибротрамбующих машин относятся их вес,
возмущающая сила, частота колебаний и поперечные размеры рабочего
органа — плиты, а в случае вибрационного катка — диаметр и ширина
вальца.
Получаемые плотности грунтов находятся в зависимости от массы
вибратора. По мере роста последней плотность грунта увеличивается.
При недостаточной массе требуемая плотность грунта не может быть достиг-
нута ни снижением толщины уплотняемого слоя, ни увеличением продол-
жительности вибрирования. Чем выше масса, тем быстрее достигается
соответствующая ей предельная плотность грунта, а также тем с большей
скоростью идет процесс распространения уплотнения в глубину.
С достаточной для практических целей точностью можно полагать,
что предельная глубина действия вибротрамбующей машины, на которой
еще может быть достигнута максимальная стандартная плотность грунта,
равна минимальному поперечному размеру площади контакта его рабо-
чего органа с грунтом. Если требуемая плотность равна 0.956тах, то эта
глубина примерно в 1,5 раза больше. С учетом этих соображений и следует
выбирать размеры плит вибрационных катков. Однако размерами поверх-
ности контакта определяются потенциальные возможности уплотне-
ния, которые, однако, могут быть реализованы лишь в случае, когда
масса вибратора не ниже определенной величины, зависящей от вида
и состояния грунта. В противном случае глубина эффективного действия
вибратора снижается примерно прямо пропорционально уменьшению его
массы.
Массу, т. е. вес вибротрамбующей машины, целесообразно выбирать
по удельному статическому давлению
р = кГ/м2, (IV.29)
где Q — вес машины в кГ\
F — опорная площадь плиты в м2.
Для достижения предельных глубин уплотнения удельные статиче-
ские давления не должны быть ниже следующих значений (в кГ/м2):
В случае переувлажненных песков......................... 300—400
При песках оптимальной влажности ....................... 600—1000
В случае супесчаных грунтов оптимальной влажности....... 1000—2000
Вес вибратора может быть сосредоточен на площадке либо частично
размещен выше ее и амортизирован от колебаний площадки упругими
(обычно пружинными) элементами. В первом случае в колебаниях уча-
ствует вся масса вибратора, а во втором колеблется • лишь часть этой
массы, что снижает инерционные потери.
Критические отношения возмущающей силы Р к силе тяжести вибра-
тора Q зависят от частоты и имеют следующие значения:
Частоты колебаний в 1/мин 750—1500 1500—3000 3000—5000
Критические отношения . . . 0,9—1,0 1,0—1,4 1,4—2,3
В случае несвязных грунтов этим отношениям соответствует амплитуда
колебаний, равная 0,3—0,4 мм.
При проектировании вибротрамбующих машин отношение возмущаю-
щей силы к весу выбирают в зависимости от удельного статического
]94
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
давления с учетом частоты колебаний. При этом можно пользоваться |
следующими данными: I
Удельное статическое давле- ' 1
ние в кГ/м2 ........ 2500—3500 1500—2500 500—1500 " 1
Отношение . возмущающей си- - 1
лы к весу (А) ....... 3,0—2,5 6,0—3,0 12—6 1
Чем выше частота колебаний, тем большим должно быть это отноше- |
ние. Однако здесь влияние частоты учитывается автоматически ввиду 1
того, что, как это будет показано ниже, частоту выбирают в зависимости |
от удельного статического давления. |
Если вибрационная машина снабжена таким ходовым устройством, I
при котором ее перемещение производится наклоном виброэлементов, т. е, |
за счет горизонтальной составляющей возмущающей силы, то при чрез? |
мерно больших отношениях возмущающей силы к весу может иметь место, ]
потеря управления. I
При некоторых частотах затухание колебаний снижается до мини- i
мума, а амплитуды достигают максимального значения. Эти частоты знд- |
чительно меньше тех, при которых происходят интенсивные тиксотропные 1
превращения грунтов. При этом имеет место как бы резонанс колебаний 1
вибратора со значительной массой грунта, тогда как при частотах, coot- I
ветствующих интенсивным тиксотропным превращениям, колебания лока- i
лизируются в значительно меньших объемах грунта.
При таких квазирезонансных частотах возрастают амплитуды, а еле-
довательно, и ускорения, что повышает эффект уплотнения. Поэтому надо' J
стремиться к работе на этих частотах, которые невелики и потому легко
достижимы. Чем больше масса вибратора, тем ниже квазирезонансные <
частоты колебаний системы вибратор—грунт и тем, следовательно, мень- ;
ших значений должны выбираться частоты вынужденных колебаний. Из i
этих соображений могут быть рекомендованы следующие значения частот
колебаний вибрационных машин:
Удельные статические давления в кГ/м2 . . . 500—1000 1000—2000
Частота колебаний в \!мин .......... 2000—1200 1200—900
Необходимое время вибрирования, т. е. то время, в течение которого
грунт в нижней части уплотненного слоя заданной толщины может быть
доведен до требуемой плотности, зависит от вида грунта и его состояния, !
а также от веса вибратора, возмущающей силы и частоты колебаний.
Наименьшая продолжительность вибрирования соответствует влаж-
ности грунта (1,1—-lt2) IE0. При повышении Или снижении влажности тре-
буемая продолжительность вибрирования возрастает, что в первом случае
происходит из-за необходимости удаления избытков воды.
Чем выше вес машины, тем предельная плотность грунта, соответ-
ствующая его параметрам, достигается за более короткое время. При про-
чих равных условиях время вибрирования будет меньше, когда параметры
вибраторов (возмущающая сила, вес и частота колебаний) соответствуют
их оптимальным значениям.
Необходимую продолжительность вибрирования можно найти, поль-
зуясь формулой:
t^-^мин, (IV .30)
где п — частота колебаний вибратора в минуту;
с — необходимое для доведения грунта до требуемой плотности число
повторностей приложения нагрузки; для несвязных грунтов с =
=- 1,5 • 103ч-5 • 103.
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ
195
Нижний предел с относится к наиболее благоприятным условиям
уплотнений. Верхний предел относится к грунтам, имеющим пониженную
влажность, а также к вибраторам, имеющим малую массу, которая тем
не менее еще достаточна для доведения грунта до требуемой плотности.
Общий вид вибротрамбующей машины представлен на рис. 111. На
опорной плите установлены вибраторы (виброэлементы), которые приво-
дятся во вращение от двигателя через клиноременную передачу. Для
амортизации двигателя служат пру-
жины.
Виброэлементы могут быть нена-
Рис. 111. Самоходная вибрационная машина:
/ — опорная плита; 2 — амортизационные пружины; 3 — маховичок; 4 — кли-
ноременная передача; 5 — двигатель; 6 — виброэлементы
ствия (рис. 112). В последнем случае виброэлемент состоит из двух вра-
щающихся в разные стороны с одинаковой угловой скоростью эксцентрик
ков, расположенных таким образом, что в каждый момент времени гори-
зонтальные составляющие центробежных сил уравновешены, а верти-
кальные составляющие суммируются. При ненаправленных колебаниях
опорная плита совершает круговые колебательные движения, а в случае
вибратора направленного действия колебания происходят только в на-
правлении оси вибратора 00 (рис. 112, а). Центробежная сила эксцентрика
(дебаланса) определится по формуле:
Ро --- mv*r = кГ> (IV .31)
где т и G — масса (в кПсекЧсм и вес эксцентрика (дебаланса) в кГ;
г — радиус вращения его центра тяжести в см\
со и /г — угловая скорость вращения эксцентрика в Мсек и его число
оборотов В 0б1лЧ1Н.
Возмущающая сила соответствует проекции центробежной силы
В случае вибратора ненаправленного действия:
Рх = Pocos со/ кГ;}
о • \ г (IV.32)
Ру = Posm со/ кГ, j
*
196
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
т. е. возмущающая сила переменна по величине, а ее амплитудное значе-
ние равно центробежной силе.
В случае вибратора направленного действия:
Рх = 0; 1
Р,, 2P0sin<o^ кГ, ) (IV.33)
т. е. здесь амплитудное значение возмущающей силы равно удвоенной
центробежной силе.
Если корпус вибратора направленного действия повернуть относи-
тельно шарнирной оси его крепления (рис. 112, а), то его вертикальная
ось 00 наклонится и перейдет в по-
ложение OjO,. При этом изменится
направление суммарной возмущаю-
щей силы. Если угол наклона виб-
роэлемента а, то горизонтальная и
вертикальная составляющие колеба-
ний будут соответственно равны:
Рх = 2P0sin co^sina кГ; 1
D OD • / г (IV.34)
Ру- 2P0sin<o/cosa кГ. J
За счет горизонтальной соста-
вляющей Рх может происходить пе-
ремещение вибратора. На этом прин-
ципе и основано передвижение само-
ходных площадочных вибрационных
машин (рис. 111). Те виброэлементы,
корпуса которых могут наклоняться
для получения поступательного дви-
жения машины, называются маятни-
ковыми.
поверхностного вибратора может быть
определено по формуле
7\ - ^G кГ, (IV.35)
где G — вес вибратора в кГ;
— коэффициент сопротивления его перемещению.
Когда вибратор не работает, то коэффициент является коэффициен-
том трения плиты по грунту. При стальных или чугунных плитах без
учета сопротивления от перемещения образовавшейся призмы грунта
можно полагать, что = 0,6-ьО,7.
Когда вибратор перемещается в рабочем состоянии, т. е. плита совер-
шает колебательные движения, то коэффициент сопротивления перемеще-
нию /, несколько изменяется. Опытным путем установлено, что при прочих
равных условиях коэффициент сопротивления зависит от скорости пере-
мещения вибратора, амплитуды его колебаний, а в случае эксцентрико-
вого возбудителя колебаний при скоростях менее 2 м!мин — еще от
направления вращения эксцентриков.
Коэффициент сопротивления растет по мере увеличения скорости.
При скоростях движения более 4—5 м/мин можно полагать, что коэффи-
циент сопротивления стабилизируется. Стабильное значение коэффи-
циента /д 0,5 и следует принять за расчетное.
Расчет силы тяги, необходимой для преодоления уклонов и пере-
мещения, образовавшейся перед машиной призмы грунта, производится
общепринятыми методами.
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ
197
Мощность двигателя расходуется еще на колебательные движения
машины и грунта, а также на преодоление трения в подшипниках вибро-
элементов. Ввиду того, что сопротивления колебательным движениям
изучены еще недостаточно, мощность двигателя целесообразно назначать
на основе результатов испытаний существующих конструкций машин.
Можно считать, что при оптимальных параметрах машины необходима
мощность в 5—7 л. с. на 1 т веса колеблющихся частей вибратора.
Производительность вибрационной машины может быть определена
по формуле
П (IV .36)
Рис. ИЗ. Прицепной вибрационный каток
где (В — 0,2) — ширина вибрационной плиты с учетом необходимого пере-
крытия следа предыдущего прохода в л/ч;
v — скорость движения машины в м/ч;
h. — толщина уплотняемого слоя в плотном теле в м;
п — необходимое число проходов; обычно п = 2;
т]в = 0,7-н0,8 — коэффициент использования машины по вре-
мени с учетом поворотов.
На рис. 113 представлен вибрационный прицепной каток. Каток
эффективен при уплотнении несвязных и, в частности, гравелистых грун-
тов. При статическом линейном удельном давлении q О 40—50 кПсм он
может быть применен и для уплотнения связных грунтов. По сравнению
с аналогичным катком, работающим без вибрации, здесь толщина уплот-
няемого слоя может быть увеличена на 40—50% при уплотнении несвяз-
ных грунтов и на 20—30% — при уплотнении связных грунтов. Такое
повышение толщины слоя обусловливается вибрационными воздействиями
и более глубоким погружением катка в грунт, что увеличивает попереч-
ные размеры поверхности контакта его с грунтом.
В заключение следует отметить, что наиболее производительными
машинами являются катки и особенно с гладкими вальцами и кулачковые
среднего типа. При их применении стоимость работ — наименьшая.
Однако при необходимости доведения грунта до требуемой плотности
(0,98—1,0) 6тах более экономичными являются катки на пневматических
шинах. Наибольшая производительность и наименьшая стоимость работ
служат основными причинами того, что из всех средств для уплотнения
грунтов катки получили наибольшее распространение. К.их положитель-
ным качествам следует отнести простоту устройства и ухода за ними
198
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
в процессе эксплуатации. Однако этими катками можно уплотнять грунты]
при сравнительно малых толщинах слоев и, кроме того, для рентабельной]
их работы требуется наличие определенного фронта работ. > j
Трамбование является универсальным способом уплотнения грунтов, '
но и наиболее дорогим. Этот недостаток может быть устранен путем созда-
ния производительных и простых по конструкции трамбующих машин.
Вибротрамбующие машины по своим показателям занимают проме-
жуточное положение между катками и трамбующими механизмами.
Наблюдается рост производительности и геометрических размеров
кузовов и ковшей транспортных и землеройно-транспортных машин.
Поэтому экономически выгодным становится повышение толщины уплот- .
няемых слоев. Очевидно, что перспективными могут быть признаны такие :
виды машин для уплотнения грунтов, которые при проектировании новых
моделей путем подбора соответствующих параметров позволят повысить
толщину уплотняемого слоя грунта без повышения стоимости работы. 3
Рост толщин слоев уплотняемого грунта неизбежно связан с повыше- ’
нием веса машин, при этом вес катков гладких и кулачковых, а также/
вибротрамбующих и вибрационных машин увеличивается примерно прямо
пропорционально квадрату толщины уплотняемого слоя. В такой же зави-
симости находится и вес рабочих органов трамбующих машин, но вес
самих машин повышается в меньшей степени. Вес катков на пневмати-
ческих шинах тоже увеличивается. Так, при повышении толщины уплот-
няемого слоя в 3 раза вес пневмокатка увеличивается примерно в 6 раз.
Соответствующий анализ показывает, что даже пр:: значительном
увеличении веса глубина активной зоны, а следовательно, и толщина слоя
связного грунта в плотном теле при уплотнении его катками с гладкими
и кулачковыми вальцами практически не может быть более 30 см.
Вместе с тем при использовании па ппевмокатках шин больших раз-
меров глубина активной зоны может быть увеличена до 75—85 см. Стои-
мость уплотнения единицы объема грунта при этом не повышается, а может
быть даже несколько снижена. То же относится к трамбующим и вибра-
ционным машинам. В случае трамбующих машин имеет место определен-
ная тенденция к снижению стоимости единицы работы по мере повышения
толщины уплотняемого слоя. Поэтому эти машины и следует считать
перспективными, причем основное внимание надо уделить пневмокаткам
и трамбующим машинам, которые, кроме того, еще и универсальны.
Литература
1. Хархута Н. Я. Машины для уплотнения грунтов. М.—Л., Машгиз, 1953.
2. Хархута Н. Я. и Васильев Ю. М. Устойчивость и уплотнение грун-
тов дорожных насыпей. М., Автотрансиздат, 1964.
ЧАСТЬ II
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Глава V. МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ
КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Дорожные покрытия подразделяются на усовершенство-
ванные и покрытия простейших технических типов. По работоспособности
усовершенствованные покрытия разделяются на капитальные и облегчен-
ные. Выбор того или иного вида покрытия производится в зависимости от
состава и интенсивности автомобильного движения. Капитальные покры-
тия могут быть асфальтобетонными и цементобетонными. Облегченные
покрытия строятся из приготовленных в установках или непосредственно
на дорогах черных гравийно-песчаных смесей.
Асфальтобетоны, цементобетоны и черные смеси приготавливаются
на заводах, снабженных для этой цели специальным оборудованием. По-
этому работы, связанные со строительством этих покрытий, разделяются
на заводские, или базовые, и линейные. К линейным относятся работы
по укладке и уплотнению бетонов и черных смесей непосредственно в до-
рожное покрытие.
Покрытия простейших технических типов разделяются на переходные
и покрытия низших типов. Последние обычно не допускают круглогодич-
ной эксплуатации.
По прошествии определенных сроков эксплуатации дорожные покры-
тия подвергаются ремонту. Ремонтные работы относятся к специальной
службе, задачей которой является организация не только ремонта, но
и содержания дорог.
Таким образом, работы по постройке дорожных покрытий связаны
с применением специальных машин и с использованием материалов, при-
готавливаемых на подсобных предприятиях, оснащенных соответствующим
оборудованием.
§ 29. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Строительство дорожных оснований и покрытий связано с расходом
большого количества различных каменных материалов, главным образом
щебня и гравия. Добыча и переработка этих материалов производится
на специализированных предприятиях, оснащенных предназначенным для
этой цели оборудованием.
Такие производственные процессы, как бурение и дробление камен-
ных материалов, связаны с их разрушением. Эти процессы необходимо
проводить при минимальной затрате механической работы, что возможно
лишь при учете физико-механических свойств каменных материалов.
По геологическому происхождению каменные породы разделяются
на изверженные (магматические) осадочные (пластовые) и метаморфиче-
МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 201
ские (видоизмененные). К изверженным породам относятся граниты, дио-
риты, базальт, диабаз и др., а к осадочным породам относятся известняки,
песчаники и ракушечник. Мрамор, гнейс и глинистые сланцы являются
метаморфическими породами.
Геологическое происхождение в общем определяет физико-механиче-
ские свойства каменных пород, однако они зависят еще также от степени
выветривания пород. Поэтому, например, прочность для одного и того же
вида породы может колебаться в очень широких пределах. Из всех свойств
пород наиболее важными для проектирования машин являются прочность
на сжатие и модуль упругости. Ввиду того, что разрушение горных пород
может производиться различными методами, важно иметь сведения об
их прочностных.свойствах также и при других видах деформирования,
например при изгибе и растяжении. Значения этих параметров, характери-
зующих сопротивляемость горных пород деформированию, даны в табл. 24.
Таблица 24
Прочность на сжатие и модуль упругости горных пород
Горные породы Временное сопротивле- ние при сжатии, кГ/см2 Модуль упруго- сти при сжатии, кГ /см2 Предел прочности (в долях от времен- ного сопротивления при сжатии)
при растяжении при изгибе при сдвиге
Гранит 600—3700 (500 6 600) 103 0,02—0,04 0,08 0,09
Диабаз 800—4500 (600 : 800) 10’ 0,07 — —
Известняк 200—2000 (300-6400) 103 0,04—0,10 0,08—0,10 0,20
Песчаник 250—2200 (300-6500) 103 — — —
Для характеристики прочности горных пород при их разрушении
широкое распространение получила шкала М. М. Протодьяконова. Со-
гласно этой шкале породы делятся на 10 категорий (в высшей степени
крепкие, очень крепкие, крепкие, довольно крепкие, средние и т. д.).
Основанием для отнесения данной породы к той или иной категории
служит коэффициент относительной крепости /, который представляет
собой отношение временного сопротивления при сжатии данной породы
к сопротивлению условной породы, принятой за эталон. Б качестве послед-
него принята порода, разрушающаяся при действии статической нагрузки
в 100 кГ/см2. Таким образом, если какая-либо порода по этой шкале харак-
теризуется коэффициентом относительной крепости f = 6, это значит,
что она разрушается при напряжении в 600 кГ/см1.
§ 30. МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ БУРО-ВЗРЫВНЫХ РАБОТ В КАРЬЕРАХ
Буро-взрывной способ добычи каменных материалов в карьерах от-
носится к числу наиболее дешевых, а потому и распространенных. При
этом способе в горной породе пробуриваются цилиндрические углубления
Диаметром до 75 мм — шпуры или более 75 мм — скважины, которые и
служат для размещения взрывчатых веществ (ВВ) в той горной породе,
которая подлежит разрыхлению или выбросу. Шпуры имеют глубину
менее 5 .я, а скважины могут иметь глубину более 5 м.
202 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИИ
Взаимодействие
Рис. 114.
бурового инструмента с гор-
ной породой: а — ударное
бурение; б — вращательное
бурение
При взрыве происходит чрезвычайно быстрое химическое превраще-
ние взрывчатого вещества, сопровождающееся выделением энергии и обра-
зованием сжатых газов, за счет расширения которых и производится меха-
ническая работа разрушения горной породы. При взрыве стенки камеры
испытывают динамическое давление — удар, в результате которого обра-
зуется ударная волна, распространяющаяся во все стороны и оказываю-
щая на горную породу дробящее действие. По воздействию на среду ВВ
разделяются на метательные и бризантные. Превращение метательных ВВ.
происходит в форме взрывного горения со ско-
ростью в несколько сотен метров в секунду,
а бризантных — в форме детонации. В по- ,
следнем случае по взрывчатому веществу со •
сверхзвуковой скоростью проходит ударная
волна.
При буро-взрывных работах главным обра-
зом механизируют бурение шпуров и сква-
жин. Машины для бурения подразделяются
на ударные и вращательные.
К ударным относятся пневматические и элек-'
трические буровые молоты, а к вращательным—'
электрические и пневматические сверла. Кроме'
того, различают еще ударно-вращательный
способ бурения, характеризующийся одновре-
менным вращением и ударным действием буро-
вого инструмента.
При ударном бурении рабочий инструмент:
(долото) под действием развивающейся при'
ударе силы Р внедряется в породу на глу-
бину Д/й (рис. 114, а). Внедрению инструмента'
противодействует реакция породы Р1 и равно-
действующая сил трения бурового инструмента
о породу lFr, т. е.
р = + wr кГ. (V.1)
Последующий удар ввиду особенностей
устройства инструмента производится при не-
котором повороте долота на угол р, и потому,
кроме внедрения инструмента в каменную по-'
роду, происходит также скалывание заштрихованного на чертеже объема.
При вращательном бурении (рис. 114,6) имеет место сначала упругая
деформация (в области 7), затем образуется ядро разрушения 2, и, наконец,
происходит скалывание объема 3. Приложенное к буру осевое усилие Рас
противодействует его выскальзыванию по плоскости скалывания и обеспе-
чивает определенную толщину срезаемого слоя. При вращательном буре-”
нии разрушение породы происходит главным образом за счет скалывания,
что по сравнению с ударным способом уменьшает энергоемкость процесса.
Процесс разрушения породы здесь непрерывен, и пылеобразование сни-
жено. Вместе с тем для эффективной работы на лезвии инструмента необ-
ходимо создать достаточные для разрушения породы усилия, что возможно
только в случае некрепких горных пород.
Самым распространенным является ударно-вращательный способ бу-
рения. Инструментами, основанными на таком принципе действия, яв-
ляются пневматические бурильные молотки (перфо-
раторы), которые могут быть ручными и колонковыми. Ручные перфора-
МАШИНЫ для ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 203
торы, т. е. перфораторы, предназначенные для работы с руки, в зависи-
мости от веса разделяются на легкие (до 20 кг), средние (20—25 кг) и тя-
желые (25—30 кг). Колонковые буровые молотки укрепляются на специаль-
ных колонках или буровых тележках и имеют вес от 50 до 100 кг. Легкие
и средние перфораторы предназначены для бурения пород с коэффициен-
том относительной крепости соответственно / = 10 и / = 15. Для бурения
пород с / )> 20 применяются тяжелые ручные и колонковые перфораторы.
Глубина шпуров в зависимости от типа перфоратора может достигать
2—5 м-
По частоте ударов перфораторы делятся на обычные (менее
2000 удар!мин) и высокочастотные (более 2000 удар/мин).
Очистка шпура от каменной мелочи может производиться путем про-
дувки его сжатым воздухом или промывки водой.
На рис. 115 представлена принципиальная схема пневматического
перфоратора для бурения шпуров. Ударная часть — поршень-ударник 3 —
не связана с буром. Под действием сжатого воздуха поршень-ударник со-
вершает возвратно-поступательные движения внутри цилиндра 4. Эти
движения обеспечиваются воздухораспределительным устройством, ко-
торое попеременно подает воздух то по одну, то по другую сторону поршня.
При движении вниз поршень наносит удар по хвостовику 2 бура. Этот
удар передается на рабочую часть бура — коронку 1, которая и разру-
шает горную породу. При движении вверх поршень-ударник, а вместе
с ним и бур при помощи специального поворотного механизма поворачи-
ваются на небольшой угол. В последних моделях перфораторов поворотное
устройство не связано с движением поршня. Здесь поворот бура осуще-
ствляется укрепленной на корпусе перфоратора пневматической тур-
бинкой.
Воздухораспределительное устройство может быть золотниковым и
клапанным. Золотник перемещается перпендикулярно к струе воздуха, и
воздушные каналы открываются и закрываются постепенно. Клапаны
перемещаются в направлении струи воздуха, и поэтому отверстия откры-
ваются и закрываются сразу.
Типы пневматических буров показаны на рис. 116. Рабочий инстру-
мент состоит из хвостовика 1, стержня 2 и коронки 3. Коронки часто
армируют наплавкой-из твердых сплавов 4. Длина стержня бура зависит
от глубины - шпура. Стержни изготавливаются из высокоуглеродистой
стали обычно многогранного сечения. Для подачи воздуха или воды
стержни имеют каналы. Инструмент может быть выполнен цельным
(рис. 116, б) или составным (рис. 116, а). В последнем случае коронка
устраивается съемной. Ее соединение со стержнем может быть конусным
или резьбовым. Съемную коронку изготавливают из высококачественной
легированной стали. Коронки могут быть выполнены в виде долота 5,
Двойного долота 6, а также крестообразными 7 и звездчатыми 8 (рис. 116,
'<) Последние два типа коронок применяются для бурения крепких- и
весьма крепких пород. При трещиноватых породах следует применять
коронки, выполненные в виде двойного долота. При бурении пород средней
крепости угол заточки а = 110°, а при бурении весьма крепких пород
а = 120°. Угол бокового уклона перьев р = 3-г5° (рис. 116, г). >
В настоящее время в СССР выпускаются ручные перфораторы весом
°т 13 до 30 кг, которые имеют частоту от 1800 до 2700 удар1мин. При дав-
лении воздуха в 5 кПсм- работа удара составляет 2,5—8 кГм.
Бурение осуществляется комплектом буров, отличающихся длиной
стержня. По мере углубления шпура бур заменяется более длинным, но
с меньшим диаметром коронки. . . .
204
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Сжатый воздух подается от компрессора. С повышением давления
воздуха скорость бурения возрастает, но при этом растет также и расход
воздуха. Современные ручные перфораторы в зависимости от их мощ-
ности расходуют воздух в количестве 2—5м3/мин при 1700—1800 удар!мин.
В процессе работы буры быстро изнашиваются, поэтому в непосред-
ственной близости к месту производства работ организуется их восстанов-
ление. Затупленные съемные коронки затачиваются на специальных стан-
ках, имеющих два карборундовых круга. Один из кругов имеет плоскую
Рис. 115. Принципиаль-
ная схема пневматичес-
кого бурильного молотка
(перфоратора)
Рис. 116. Типы пневматических буров: а — со-
ставной; б — цельный; в — типы коронок; г — углы
заточки
цилиндрическую поверхность, а второй — профильную двухконусную
поверхность, обеспечивающую заточку коронок крестоообразной формы.
Цельные стальные буры и долота после предварительного нагрева в спе-
циальных печах восстанавливаются на бурозаправочных станках. Буро-
заправочные станки представляют собой небольшие ковочные машины,
приводимые в движение сжатым воздухом. После восстановления буры
подвергаются термической обработке.
Для бурения скважин применяются станки ударно-ка-
натного бурения. Здесь рабочий орган — буровой снаряд —
периодически поднимается на некоторую высоту (0,6—1,2 л) и затем,
падая, ударяет о дно скважины, разрушая породу. Частота ударов состав-
ляет около 60 удар!мин. Такой метод пригоден для бурения горных пород,
коэффициент относительной крепости которых f = 12-е 15. Вес бурового
снаряда находится в пределах 500—3000 кГ.
Принципиальная схема станка ударно-канатного бурения представ-
лена на рис. 117. Буровой снаряд 1 подвешен на канате 2. Канат пере-
кинут через головной блок 3 мачты 4, проходит под оттяжным блоком 5,
затем огибает направляющий блок 6 и закрепляется на подъемном бара-
бане 7. Периодические подъемы и падения снаряда в скважине 10 вызы-
ваются качательными движениями оттяжного блока, которые развиваются
МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 205
за счет вращения кривошипной шестерни 9. Подъем снаряда происходит
во время движения пальца кривошипа 8 в нижнее положение, при этом
оттяжной блок, опускаясь, оттягивает часть каната и поднимает буровой
снаряд. Когда при дальнейшем вращении шестерни палец переходит
в верхнее положение, оттяжной блок приподнимается и освобождает канат,
а буровой снаряд падает на дно скважины. В скважину заливают воду.
Вода смешивается с измельченной породой, образуя так называемый
шлам, который периодически вычерпывается из скважины желонкой. По
мере углубления скважины
канат сматывают с подъем-
ного барабана.
Буровой снаряд состоит
из долота, штанги и канат-
ного замка, которые соеди-
няются между собой резьбо-
вым соединением. Долото
разрушает породу; оно изго-
тавливается из углеродис-
той инструментальной стали.
Головка долота может быть
плоской, крестообразной или
фасонной. Штанга служит
для увеличения веса снаряда;
она представляет собой мас-
сивный стальной стержень,
который соединяется с одной
Рис. 117. Принципиальная схема станка ударно-
канатного бурения: а — подъем бурового сна-
ряда; б — падение бурового снаряда
стороны с долотом, а с дру-
гой стороны — с канатным
замком. Последний служит
для присоединения каната к
буровому снаряду.
Желонка изготавливается
в виде трубы, нижний конец которой за-
крыт башмаком, снабженным ударником и клапаном. При опускании же-
лонки ударник открывает клапан, и шлам заполняет трубу. При подъеме
клапан закрывается.
Часовая производительность станка определяется как
П = 60 vk0 см/ч,
(V.2)
где v — скорость бурения в см/мин-,
ke — коэффициент использования ртанка во времени; ke = 0,55-^0,65.
Значение v может быть найдено по формуле
v = 0,7 см!мин, (V.3)
где G — вес бурового снаряда в кГ;
Н — высота подъема снаряда в м;
п — число ударов в мин;
а — удельная работа, необходимая для выбуривания единицы объема
породы, в кГм/см3;
d — диаметр скважины в см.
В зависимости от коэффициента f удельная работа бурения принимает
следующие значения:
Коэффициент относительной крепости 15 8—10 5—6 3—4
Удельная работа бурения в кГм/см3 7 10 14 19
206 МАШИНЫ Н ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Необходимый вес бурового снаряда определяют по эмпирической
формуле
G = gcd кГ, (V-4)
где d — диаметр скважины в мм\ • -ц
gc — необходимый вес снаряда, приходящийся на 1 мм диаметра
скважины, в кГ:
Для слабых пород (/—1-5-2) ...................Яс=2
» пород средней крепости ([=3+5).............gc=3=4
» крепких пород (f=6-rlfl) ..................—44-7
Около 75% общего веса бурового снаряда обычно приходится на
штангу.
Мощность привода станка ударно-канатного бурения определяется
по формуле
N = квт’ <V-5)
где G и Н — соответственно вес и высота подъема бурового инструмента
в к Г и м;
t — время подъема бурового инструмента в сек;
т] — к. п. д. передачи, г] = 0,8-е-0,9;
k — коэффициент запаса мощности; k = 1,5 + 2.
Бурение скважины может производиться также станками ударно-вра,-.
щательного действия. Привод такого станка обычно устраивается паев-*
матическим.
Применяется также термическое бурение. Здесь термобур, который
в своей нижней части снабжен горелкой, непрерывно опускается на дна
скважины. Разрушение породы производится высокотемпературными га-
зовыми струями. В качестве горючего применяется жидкое топливо в смеси
с кислородом или воздухом. Разрушение породы происходит ввиду нерав:
номерного прогрева породы по глубине, что влечет за собой неодинаковое
расширение поверхностных слоев. Разрушенная в виде мелких частиц
порода выносится из скважины продуктами сгорания и паром, в который
превращается подаваемая для охлаждения горелки вода. Образующиеся
в камере горелки газы имеют температуру 2200—3500°. Они истекают
через сопла со сверхзвуковой скоростью 1800—2000 м!сек. Этот способ
эффективен только в однородных по составу крепких горных породах.
Здесь скорость термического бурения в 8—10 раз выше, чем при ударно-
канатном бурении. Термический способ позволяет уширять скважину до
400—500 мм в любой ее части.
Созданы также термобуры для разбуривания негабаритных кусков
породы.
§ 31. ДРОБИЛКИ
Типы дробилок. Дробилки служат для измельчения каменных пород,
руды и других полезных ископаемых. При дроблении преодолеваются
внутренние силы сцепления каменного материала и образуются новые
поверхности. Процесс дробления характеризуется степенью измельчения
г =4’ <V6>
где D — средний диаметр кусков исходного материала;
d — средний диаметр раздробленных кусков (получаемого продукта).
МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 207
Механическое дробление может осуществляться раздавливанием
куска каменного материала, зажатого между двумя плитами, раскалыва-
нием его острыми гранями сближающихся поверхностей, истиранием
между двумя двигающимися параллельно друг другу поверхностями,
а также изломом, при котором куски породы разрушаются изгибом и уда-
ром, когда по расположенному на твердой подкладке куску камня ударяет
рабочий орган машины. Обычно в дробилках сочетаются эти виды дробле-
ния. Во всех случаях разрушение каменной породы происходит при до-
стижении в ней напряжения, превышающего предел прочности.
Получаемый в результате дробления каменный материал в зависи-
мости от крупности кусков может быть разделен на:
Щебень крупный с размером кусков ................ 40—70 мл
» нормальный » » .............. 20—40 »
Клинен с размером кусков ....................... 10—20 »
Каменная мелочь с размером кусков................. 3—5 »
Высевки с размером кусков ..........................менее 3 »
Обычно получение мелких фракций возможно лишь в результате примсне-'
ния двухступенчатого дробления, т. е. когда каменный материал пропу-
скается через две дробилки.
Дробление относится к числу
наиболее дорогих производ-
ственных процессов, поэтому
технологический процесс
строится таким образом,
чтобы не пропускать через
дробилку лишний каменный
материал. Это достигается
предварительным отделением
от него тех мелких фракций
камня, которые уже не под-
лежат дроблению.
По основным конструктивным схемам дробилки разделяются на сле-
дующие типы (рис. 118).
щ ековые (рис. 118, а), где камень дробится между двух плит,
одна из которых неподвижна, а другая периодически приближается и от-
ходит. При сближении происходит раздавливание каменного материала,
а при отходе раздробленный камень проваливается в выходную Щель'.
Плиты имеют рифленую поверхность, ввиду чего раздавливание сочетается
с изгибом. Иногда плиты не только сближаются, но и получают относиг
тельное параллельное перемещение. В этом случае каменный материал
дополнительно еще истирается.
Конусные (рис. 118,6), где дробление каменного материала
происходит в пространстве между двумя конусами. Внешний конус не-
подвижен, внутренний — вращается. При этом он посажен на вал эксцен-
трично или совершает круговые маятникообразные (гирационные) движе-
ния. Здесь происходит непрерывное раздавливание каменного материала,
а при рифленых конусах также и его излом.
Валковые (рис. 118, с), где раздавливание камня происходит
при проходе его через зазор между вращающимися навстречу друг другу
валками или между валком и корпусом дробилки. В случае рифленых
валков одновременно с раздавливанием происходит также раскалывание
камня.
Ударного действия, где дробление камня происходит при
Ударе о него молотков, как это имеет место в молотковых дробилках
208
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
75 74 13 12 11 10 9 8
Рис. 119. Щековая дробилка с простым качанием
щеки
(рис. 118, е). В ударно-метательных дробилках, имеющих увеличенную
камеру дробления, куски камня после удара о них молотков (билов) от-
брасываются на колосниковую решетку или на отбойные плиты и рико-
шетируют от них.
Конструкции дробилок. Щековые дробилки относятся к машинам
периодического действия. По характеру движения качающейся щеки
различают дробилки с простым и сложным качанием щеки.
В случае дробилки с простым качанием щеки (рис. 119) каждая точка
последней движется по дуге окружности, описываемой вокруг оси 3.
Здесь крутящий момент подводится к эксцентриковому валу 5. Подвешен-
ный к этому валу шатун 12
совершает качательные дви-
жения. При этом примыкаю-
щая к шатуну передняя рас-
порная плита 13 обеспечи-
вает качательные движения
подвижной щеки 14 с укреп-
ленной на ней дробящей пли-
той 15. При движении ша-
туна вверх упирающиеся в
него концы распорных плит
поднимаются, и подвижная
щека 14 сближается с непо-
движной щекой 2, укреплен-
ной на станине 1. При движе-
нии шатуна вниз плиты отхо-
дят друг от друга. При этом
пружина 8 оттяжного устрой-
ства 11 возвращает щеку и
не дает образоваться зазору
между распорными плитами и шатуном с распорной щекой. Задняя рас-
порная плита 10 упирается в устройство, предназначенное для регу-
лирования выходной щеки, а следовательно, и размера получаемого про-
дукта.
Регулировочное устройство обычно состоит из переднего клина 9 и
регулировочного клина 6, который может быть подтянут или опущен
винтом 7. Регулирование выходной щели в больших пределах произво-
дится заменой распорных плит.
С каждым нажимом подвижной щеки раздробленный камень опу-
скается все ниже и наконец выпадает в выходную щель.
При сближении плит (рабочий ход) преодолеваются весьма большие
сопротивления, а отход плит друг от друга (холостой ход) происходит
в условиях весьма малых сопротивлений. Поэтому большое внимание
должно быть обращено на получение необходимой равномерности хода.
Для достижения последней на эксцентриковом валу устанавливаются два
тяжелых маховика 4.
Отличительной особенностью дробилок со сложным качанием щеки
(рис. 120) служит различие траекторий точек подвижной щеки 2 и ша-
туна 4. Здесь верхняя часть шатуна, на котором укреплена подвижная
щека, посажена на эксцентриковый вал 3, а нижняя часть опирается на
распорную плиту 5. Поэтому траектории точек шатуна, расположенных
вблизи вала, приближаются к окружности, а точки, находящиеся вблизи
распорной плиты, движутся по дуге окружности, описываемой, как из
центра, из задней опорной точки распорной плиты. Промежуточные точки
МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 209
подвижной щеки движутся по овалам, которые по мере приближения к рас-
порной плите становятся все более вытянутыми. Дробящая щека 1 яв-
ляется неподвижной. Характер движения подвижной щеки создает свое-
образные условия дробления, благодаря чему камень подвергается не
только раздавливанию, но и истиранию. Поэтому эти дробилки предна-
значены для дробления неабразивных горных пород с пределом прочности
ниже zouu Ki /см, тогда как
дробилки с простым качанием
щеки могут дробить более проч-
ные горные породы, в том числе
и абразивные.
В последнее время появи-
лись дробилки с двумя подвиж-
ными щеками (рис. 121), кото-
рые эксцентрично подвешены
на двух приводных валах и
совершают сложные качания.
Валы дробилок соединены друг
с другом зубчатыми колесами,
поэтому движения щек проис-
ходят симметрично. Здесь уст- ,
ранен основной недостаток дро-
билок со сложным качанием
щеки — большой износ нижней
части дробящей плиты подвиж-
ной щеки, который имеет место
вследствие значительного пере-
мещения ее относительно не-
подвижной щеки.
При движении вниз щеки
раскрываются и сообщают раз-
дробленному материалу допол-
нительную скорость, что уве-
личивает производительность.
В отличие от дробилок с одной
подвижной щекой они пред- Ри>
ставляют собой почти полно-
120. Щековая дробилка со сложным кача-
нием щеки
стью уравновешенную систему.
Дробящие плиты устраиваются рифлеными, что способствует более
эффективному разрушению каменного материала за счет его изгиба. При
дроблении очень прочных пород плиты выполняются гладкими во избе-
жание возникновения больших боковых давлений. Дробящую поверх-
ность плиты часто делают выпуклой, что способствует выходу наиболее
ценного щебня — кубовидной формы. Щебень удлиненной формы (ле-
щадка) весьма нежелателен, так как приготовленные на нем бетоны обла-
дают низкой прочностью. Плиты небольших дробилок, предназначенных
для дробления сравнительно слабых пород камня с пределом прочности
до 800 кГ!смг, изготавливаются из отбеленного чугуна, а в остальных слу-
чаях материалом для их изготовления служит марганцовистая сталь
с содержанием марганца 12—14%. Плиты изнашиваются в основном в ниж-
ней части, поэтому они изготавливаются с расчетом возможности их пово-
рота верхней, неизношенной частью вниз.
При попадании в дробилку недробимого предмета произойдет авария.
Чтобы избежать поломки наиболее дорогих частей дробилки, например
210 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
шатуна, устраиваются предохранительные детали, которые рассчиты-
ваются по уменьшенному на 30—40% запасу прочности. Предохранитель-
ные устройства должны быть расйоложены возможно ближе к месту возник-
Рис. 121. Дробилка с двумя подвижными щеками
новения усилий, т. е. под-
вижной щеке дробилки.-
Чаще всего предохрани-
тельной деталью служит
распорная плита, которая•
разрушается после превы-
шения определенного пре-
дела усилия.
Щековые дробилки
маркируются по разме-
рам в плане загрузочного
отверстия. Типажом пре-
дусмотрено по 6 типораз-
меров дробилок с простым
и сложным качанием щеки.
Размеры загрузочного
отверстия находятся в пределах от 400 X 600 до 2100 X 2500 мм -—
для дробилок с простым качанием щеки и от 160 X 250 до 1200 X
1500 мм — для дробилок со
Конусные дробилки
относятся к машинам непре-
рывного действия, т. е. они
не имеют холостого хода и по-
тому при прочих равных усло-
виях в два раза производи-
тельнее щековых дробилок.
По основной конструктивной
схеме конусные дробилки
разделяются на дробилки с
крутым конусом и дробилки
с пологим конусом.
Дробилки с крутым ко-
нусом (рис. 122) служат для
крупного дробления. Дробя-
щий конусзакреплен на глав-
ном вертикальном валу,верх-
ний конец которого подве-
шен в траверсе, а нижний
конец свободно входит в
эксцентричное отверстие ста-
кана. Вследствие этого вал
дробящего конуса описывает
коническую поверхность. Ре-
сложным качанием.
Рис. 122. Дробилка с крутым конусом:
I _ нижняя часть станины; 2 — эксцентрик; 3 — сред-
няя часть станины; 4 — броня; 5 — верхнее кольцо;
6 — корпус дробящего конуса; 7 — броня; 8 — обойма
верхнего подвеса; 9 — разрезная гайка; 10 — колпак;
// _ броня траверсы; 12 — траверса; 13 — вал дро-
бящего конуса; 14, 15 — конические шестерни; 16------
корпус приводного вала; 17 — приводной вал; 18 —
эксцентриковый стакан
гулирование величины вы-
ходной кольцевой щели осу-
ществляется гайкой, кото-
рая расположена в верхней
части вала. Дробящий конус
этих машин может быть на-
сажен на эксцентричную втулку, вращающуюся относительно неподвиж-
ной оси. Здесь геометрическая ось дробящего конуса описывает
МАШИНЫ Для ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 211
цилиндрическую поверхность. Дробилки с крутым конусом маркируются
по наибольшей ширине загрузочного отверстия.
Дробилки с пологим конусом (рис. 123) предназначены в основном
для мелкого и среднего дробления. Здесь нижний конец вала вставлен
в высокий стакан-эксцентрик. Вертикальные составляющие усилий дроб-
ления, которые ввиду большого угла конуса весьма значительны, воспри-
нимаются сферическим подпятником. При попадании недробимых предме-
тов неподвижный конус за
счет сжатия пружин припод-
нимается, что увеличивает
выпускную щель, через ко-
торую и происходит удале-
ние этого предмета. Дробил-
ки характеризуются нали-
чием зоны параллельности
в нижней части конусов, бла-
годаря которой щебень полу-
чается более равномерным по
крупности. Здесь вал дробя-
щего конуса представляет
собой консоль, и его ось
описывает коническую по-
верхность. Эти дробилки
маркируются по Диаметру
нижнего основания дробя-
щего конуса.
Валковые дробилки
предназначены для мелкого
дробления и могут быть с
гладкими, рифлеными или
зубчатыми валками. Их изго-
тавливают с отдельным при-
водом каждого валка или с
приводом только одного вал-
ка. В последнем случае вра-
щение ко второму валку пе-
редается зубчатой передачей.
Размер выпускной щели регу-
лируется передвижением под-
/ — вал: 2 — стакан-эксцентрик; 3 — коническая ше-
стерня; 4 — подвижный конус; 5 — пружины; 6 — не-
подвижный конус; 7 — опорное кольцо; 8 — кольцо ре-
гулирования выпускной щели; 9 — сферический под;
пятник; 10 — ведомая коническая шестерня
шипников одного из валков. Подшипники упираются в пружины,
которые предохраняют дробилку от’ поломки — при попадании недро-
бимого предмета валки расходятся и предмет выпадает из дробилки. По-
движным устраивается один валок или оба валка. В последнем случае
горизонтальные инерционные усилия уравновешиваются и работа дро-
билки становится более равномерной.
Молотковые дробилки относятся к машинам непрерывного дей-
ствия. Они отличаются малым расходом энергии и могут быть с нормаль-
ным (300—2000 об/мин) и с повышенным (до 3000 об/мин) числом оборотов
ротора. Окружная скорость молотков обычно 25—55 м/сек, а степень
измельчения 10—15. Чем крупнее и прочнее каменный материал, тем
большей должна быть скорость вращения ротора. Вес молотков колеблется
от 3 до 150 кг. Более мелкое дробление щебня достигается постановкой
большого количества небольших молотков. Молотки могут быть шарнирно
и жестко укреплены на роторе. По числу роторов дробилки разделяются
212
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
на однороторные (одновальные) и двухроторные (двухвальные). Молотки
на роторе могут располагаться в одной плоскости (однорядные) и в не-
скольких плоскостях (многорядные). К достоинствам дробилок относятся
компактность конструкции, малый вес, высокие производительность и
степень измельчения камня. К недостаткам следует отнести быстрый износ
молотков, вследствие чего эти дробилки обычно применяют для дробления
материалов, предел прочности которых не превышает 1000 кПсм.”-.
Теории дробления. При проектировании дробилок требуется нахо-
дить те сопротивления, которые возникают при дроблении камня. Про-
Рис. 124. Разделение куба на
части
цесс дробления, т. е. разрушения твердых
тел, весьма сложен и поэтому, несмотря на
то что он исследуется уже длительное время,
изучен еще недостаточно. Для определения
необходимой работы используются две гипо-
тезы: поверхностная гипотеза Риттингера,
выдвинутая в 1867 году, и объемная ги-
потеза В. Л. Кирпичева, разработанная в
1874 году.
Согласно гипотезе Риттингера «работа
дробления прямо пропорциональна поверх-
ности кусков продукта, полученной в про-
цессе этой операции».
На примере куба видно (рис. 124), что
при разделении каждой из его сторон на п
частей образуется 3 (и — 1) новых поверхностей. Если работа, необхо-
димая для разделения тела по одной плоскости, равна А, то при степени
дробления i = п затраченная работа составит
Ап - ЗА(п~ 1).
Если в другом случае степень дробления этого тела i = т, то здесь по-
требуется работа
(V.7)
Ат = ЗА (т — 1).
Отношение работ при достаточно больших пит будет
Ап _ п — 1 п
Ат т — 1 ~ т
Таким образом, работа прямо пропорциональна степени дробления. Этой
гипотезой устанавливается лишь соотношение работ, но не определяется
их абсолютная величина. Поэтому использование этой гипотезы затрудни-
тельно.
При выводе формулы (V.7) предполагалось, что поперечные размеры
исходного материала равны, т. е. что Dn ^Dm. Для случая, когда они
не равны, может служить формула, предложенная Т. И. Мухой:
Ап _ (л — 1) _ Рп
Ат ~ (т — 1) ’
Согласно гипотезе В. Л. Кирпичева при прочих равных условиях
«работа внутренних сил пропорциональна объемам подобных тел». Здесь
имеются в виду линейно деформируемые тела.
Из теории упругости известно, что работа деформации
V
2Е
(V.8)
(V.9)
МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 213
где г'всЖ — предел прочности при сжатии в к.Г!смг\
V — объем деформируемого тела в см3;
Е — модуль упругости при сжатии в кГ!смг.
При разрушении двух подобных тел, отличающихся друг от друга
только размерами,
где /j и /2 — сходственные стороны этих тел.
Если при этом тело подвергалось действию каких-то средних сил PY
и Р2, а перемещения были соответственно равны s, и s2, то так как А = Ps
и перемещения пропорциональны линейным размерам, уравнение (V.10)
можно представить в виде
_ PiSi РЛ Vi
Р 2S2 Р 2^2
откуда
Р, Ц
к=^-- <v-n)
Таким образом, из этой гипотезы следует, что «тела геометрически
подобные имеют сопротивления пропорциональные квадратам их сход-
ственных размеров». Эта гипотеза, в отличие от гипотезы Риттингера,
позволяет определять численные значения работы дробления, и поэтому
она применяется для практических расчетов. Как показали исследования,
при крупном и среднем дроблении гипотеза В. Л. Кирпичева оказывается
достаточно точной. При мелком дроблении, где величина вновь образуемой
поверхности относительно велика, оказывается более точной поверхност-
ная гипотеза Риттингера.
Механика дробилок. При проектировании дробилок необходимо найти
требуемую для выполнения рабочего процесса мощность двигателя, про-
верить производительность, выбрать оптимальное число оборотов, а для
расчета на прочность узлов и отдельных деталей — определить те макси-
мальные усилия, которые развиваются при раздавливании камня. При
анализе работы дробилки делается допущение, что куски питания и куски,
получаемые в результате дробления (продукт дробления), имеют шаро-
образную форму, а в случае щековой дробилки принимается, что неподвиж-
ная щека вертикальна, а подвижная щека движется параллельно самой
себе.
Механика дробилок разработана в трудах советских ученых —
Я. Б. Левинсона, В. А. Баумана и др'
Для осуществления процесса дробления необходимо обеспечить захват
исходного материала, т. е. камня, рабочими органами установки. На ка-
мень, сжимаемый между двумя щеками (рис. 125, а) или валками (рис. 125,
б), по нормали к поверхности этих щек или к касательным валков дей-
ствуют сжимающие усилия Р, вертикальные составляющие которых стре-
мятся вытолкнуть камень вверх. Выталкиванию препятствуют вертикаль-
ные составляющие развивающихся на поверхности контактов сил тре-
ния fP. Очевидно, что условие захвата камня в обоих случаях обусловлено
неравенством
2P/cos ~ 2Р sin ,
где f — коэффициент трения;
а — угол захвата.
214
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Отсюда
tg-y </,
или
а < 2<р,
(V.12)
где ср — угол трения.
В случае щековых дробилок f = 0,15 ч-0,25 и потому ее < 15 ч-24°.
При валковых дробилках / = 0,3ч-0,35 и а < 17 h-18j.
По углу захвата можно найти, что наибольший размер кусков пита-
ния валковой дробилки с гладкими валками не должен быть более /?,
Рис. 125. Определение угла захвата
в случае: а — щековой дробилки;
б — валковой дробилки; в — конус-
ной дробилки
где R — радиус валка. Поэтому эти дробилки предназначены в основном
для мелкого дробления. Для повышения предельного размера кусков пи-
тания применяют рифленые валки или снабжают валки зубьями. Однако
рифленые валки подвержены большому износу.
Угол захвата конусных дробилок (рис. 125, в):
а = cq + а2 < 2ф.
Здесь обычно принимают а = 21—23°.
Производительность дробилки определяется возможностями разгрузки
ее от дробленого продукта. Если щека отходит на величину s (рис. 126, а),
то за это время может выпасть заштрихованная на чертеже призма мате-
риала высотой h. Однако эта возможность может быть реализована лишь
в случае, если время выпадения призмы будет меньше или равно времени
отхода щеки. Очевидно, что максимальная производительность дробилки
будет соответствовать равенству времени отхода щеки и выпадения призмы.
Время отхода щеки в секундах
^от 2 ' п п сек, (V. 13)
МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 215
где п — число оборотов вала дробилки в мин.
Время, необходимое для выпадения призмы, может быть определено
из уравнения
/г = 4-^- (V-14)
Принимая tom = /в и имея в виду, что
h = ~rS— см,
tg а
из уравнений (V.13) и (V.14) можно найти
п = 665 об/мин.
Рис. 126. Схема к определению производительности дробилок:
а —щековой; б — конусной
Ввиду того, что здесь не учтено тормозящее действие сил трения,
оптимальное значение п для дробилок с простым качанием щеки несколько
понижают:
и = 470 обмин. (V.15)
Такие числа оборотов будут соответствовать максимальной произво-
дительности дробилки. При их снижении, так же как и при повышении,
производительность дробилки снижается.
В случае конусной дробилки (рис. 126, б и 125, в)
h = ——г— см и s =- 2г см,
tg Щ + tg «...
где г — эксцентриситет в см.
Поэтому формула (V.15) здесь интерпретируется в виде
п = 470 Уtg + tg а* об/мин.
(V.16)
Число оборотов дробилки с пологим конусом подбирается с таким
расчетом, чтобы каждый кусок получаемого продукта был обязательно
пропущен через зону параллельности. Поэтому время прохождения куском
этой зоны должно быть больше времени, затрачиваемого на один оборот
вращающегося эксцентрика. Рассматривая перемещение куска в зоне па-
раллельности как движение по наклонной плоскости и учитывая силы
трения, можно показать, что это условие соблюдается, если
_ , sin у — f cos у <,
1330 I/------—j-----— об/мин,
(V.17)
216
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
где е — длина зоны параллельности в cai;
f — коэффициент трения скольжения куска породы по поверхности
дробящего конуса;
у — угол наклона к горизонту образующей дробящего конуса в зоне
параллельности.
Обычно принимают е Q,08DK; f 0,35; у «=> 40е.
Число оборотов валковой дробилки не должно превышать величины,
определяемой формулой
«шах = 310 У Об/мин, (V.18)
где А — удельный вес дробимой породы в кПсм3',
г и R — соответственно радиусы исходного материала и валка в см.
Производительность дробилки определяется объемом выпадающего
материала. Для щековой дробилки площадь F выпадающего материала
определится (см. рис. 126, а):
р (2е н-s) . 2e-\-s s 2
Если длина зева дробилки равна Ь, то объем выпадающего материала
где dc„ — средний размер получаемого продукта в м.
Часовая производительность будет равна
П = 60 Упц = ма/ч, (V. 19)
где р — коэффициент заполнения объема призмы щебнем; р — 0,3 ч-0,6.
Здесь все линейные размеры следует принимать в м, а п — в об/мин.
Подобным же образом для дробилки с крутым конусом можно
получить
/7 = 34°пРн^срр 3 /у. 20)
tg oi + tg аа ' ’
Здесь, как и в предыдущем случае, все линейные размеры даны в м. При
выводе этой формулы принято, что средний диаметр выходной щели при-
ближенно равен диаметру нижнего основания дробящего конуса DK
(см. рис. 125, в). В этом случае можно принять р = 0,4.
Производительность дробилки с пологим конусом найдется в предпо-
ложении выпадения на 1 оборот объема материала
V ^DHdl м3,
где d — размер получаемого продукта в м. Здесь также принято, что
средний диаметр выходной щели равен диаметру нижнего основания дро-
бящего конуса.
Часовая производительность такой дробилки будет
П = 60pnDK/d м3!ч. (V.21)
Производительность валковой дробилки определяется объемом про-
дукта, пропускаемого через щель между валками (см. рис. 125, б):
V — еЬо\1 м3, (V.22)
МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 217
где L — длина валка в м;
v — окружная скорость валков в м/сек.',
е — ширина щели в м.
Коэффициент разрыхления р для твердых и средних пород может быть
принят равным 0,2—0,3, а для мягких пород — 0,3—0,5.
Выражая скорость через число оборотов, можно получить следующую
формулу для определения часовой производительности валковой дро-
билки:
П = 370eL/?«|x м3/ч.
Следует учесть неизбежную при дроблении раздвижку валков, что
увеличивает щель в среднем на 25%.
Поэтому производительность этой дробилки может быть определена
по формуле
П = 460eL/?np м3/ч. (V.23)
Часовая производительность молотковой дробилки при дроблении
пород средней твердости со степенью дробления i = 15—20 может быть
определена по следующей эмпирической формуле:
П = (30-45) DpLp м3/ч, (V.24)
где Dp — наружный диаметр ротора, описываемый молотком, в м;
L — длина ротора в м.
Расчеты необходимой мощности двигателя основывают на гипотезе
В. Л. Кирпичева.
Для нахождения работы дробления по формуле (V.9) необходимо
уточнить понятие о дробимом объеме. За дробимый объем принимают
разность между объемами поступающего в дробилку исходного материала
и выходящего продукта. В случае щековой дробилки дробимый объем
определится:
V = = ^(Р2 — d2) см3. (V.25)
b и ba o'
Здесь объем исходного материала и получаемого продукта представляет
произведение объема одного шаровидного куска на число таких кусков,
помещающихся по длине b зева дробилки.
В случае дробилки с крутым конусом при определении дробимого
объема учитывается, что куски исходного материала и продукта распо-
лагаются по длине кольцевой щели. Здесь
V = = t —с/Ч) cm3, (V.26)
b D 6 d 6 ' с
где Dc и dL — средние диаметры щели в плоскостях входа материала и
выхода продукта (см. рис. 125, в).
Применительно к валковой дробилке дробимый объем найдется (см.
Рис. 125, б):
У = 3121._£_2|!..Ч_ = 2^.(£)2_е2)сл1з. (V.27)
После определения дробимого объема отыскание по формуле (V.9)
Работы А, затрачиваемой на дробление камня за одно нажатие щеки ще-
ковой дробилки, не вызывает затруднений.
218 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ для ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
При числе оборотов вала п расход мощности на дробление будет
An гт2а2 (О2 — </2)п6
1 ~ 100-60.102 = 12.100-60-102£ квт. (V.28)
Здесь и далее значения всех входящих в формулу параметров следует
брать в кГ и см.
В случае дробилки с крутым конусом работа, затрачиваемая на дроб-
ление камня за 1 оборот дробящего конуса, может быть найдена по фор-
муле (V.9) с учетом выражения (V.25). Окончательно мощность двигателя,
необходимая для дробления камня, может быть выражена формулой
~ квт- (V.29)
Для определения мощности, затрачиваемой на дробление в дробилке
с пологим конусом, А. А. Липманом выведена следующая формула:
о2 _.зх2С_О2п
= 12.100.60-102£ Квт' (V.30)
Для валковой дробилки мощность, расходуемая на дробление, опре-
деляется в предположении непрерывного ее питания. Здесь работа, соот-
ветствующая 1 обороту валков, найдется как
. . 2л/? г
Ах = Ао д кГ -см,
где Ао — работа, затрачиваемая на раздавливание одного ряда камней.
<г V
-’'и' .'/' кГ-см,
и ,2с
где V — определяемый по формуле (V.26) дробимый объем.
Мощность при этом равна
_ А'п (°2 - ®2) ,v
60.100.102 370 0000Д Квт' (V.31)
Здесь надо еще учесть мощность, теряемую за счет трения породы о валки:
ЛА = (V.32)
где f — коэффициент трения породы о валок; / = 0,3.
Мощность, необходимая для дробления породы в молотковой дро-
билке среднего и крупного дробления, может быть определена по эмпири-
ческой формуле В. А. Олевского:
N — 0,\D^_Ln квт (V.33)
или по формуле
А «=0,1/77, (V.34)
где i — степень измельчения породы;
П — производительность дробилки в т/ч.
Во всех случаях расходуется также мощность на преодоление сил
трения, развивающихся в цапфах валов, качающихся щек, валков и т. п.
Эта мощность может быть найдена обычными методами. Однако по сравне-
нию с мощностью, затрачиваемой на дробление, она незначительна и
потому часто находится в пределах точности расчета последней.
Для прочностных расчетов необходимо определить те максимальные
усилия, которые развиваются в дробилке при нормальной работе.
МАШИНЫ для ДОБЫЧИ и ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 219
В случае щековой дробилки, согласно результатам опытов В. А. Ба-
умана, принимается, что максимальное усилие'раздавливания приложено
на расстоянии (см. рис. 125, а)
I = -у- Н см.
Величина максимального усилия может быть найдена в предположении,
что оно возрастет прямо пропорционально сближению щек. Если А — ра-
бота, затрачиваемая на дробление при одном сближении, то максимальное
усилие дробления Ршах определится:
Ртах = ~ КГ, (V.35)
где s — ход щеки.
Подставляя значение А, можно получить
Лпах = «Г- ' (V-36)
Максимальное усилие, действующее в дробилке с крутым конусом, на-
ходят в предположении раздавливания куска породы с наибольшим попе-
речным размером Dmax. Здесь
Р — __^тах ° веж геях
,nax S “ г0 - 2£г„ ’ б
о С JfC 111 а л Г'
3,8£r0 Kl ’
(V.37)
где г0 — эксцентриситет, соответствующий верхней части дробящего ко-
нуса, в см.
В дробилке с пологим конусом вертикальные составляющие усилий
дробления стремятся приподнять неподвижный конус, а вместе с ним й
всю верхнюю часть машины. Такому поднятию препятствует затяжка пру-
жины. Максимальное усилие возникает при попадании недробимого пред-
мета. Здесь это усилие уравновешивается упругими силами пружин.
Поэтому вертикальная составляющая максимального усилия оказывается
равной сумме сил упругости всех пружин при наибольшей величине их
сжатия.
Расчет основных деталей дробилок на прочность. По максимальному
усилию дробления Ртах графическим или аналитическим путем могут быть
найдены усилия, действующие в основных частях щековых дробилок. Так,
действующее вдоль распорной плиты сжимающее усилие Т (см. рис. 125, а)
может быть найдено:
Т = Рт3х-^кГ, (V.38)
а действующее вдоль шатуна растягивающее усилие
Q = 2Т cos р кГ, (V.39)
где р — угол между распорной плитой и шатуном.
Учитывая возможность перегрузки дробилки при попадании в нее
недробимых предметов, расчетные усилия принимают в 1,5 раза больше
тех величин, которые получены в предположении действия максимального
дробящего усилия.
220 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Дробящие плиты рассчитывают как пластины, опертые по периферии,
с действующей в центре нагрузкой Ррас — 1,5Ря,ах.'
h. =
Р-ри( см,
(V.40)
а b
b ' а
где h — толщина дробящей плиты в см;
а и b — длина и ширина плиты в см;
— предел прочности материала щек при изгибе в кГ!смг;
р — поправочный коэффициент; р = 2 — для чугуна и р = 0,4 —
для стали.
При таком расчете наличие рифлений на плите не учитывается, что
идет в запас прочности.
Качающиеся щеки рассчитываются на изгиб как балки на двух опо-
рах при действии силы Ррас посредине этой балки или на расстоянии 1/3
от одной из ее опор. При этом, меняя точку приложения силы, надо про-
верить несколько сечений этой щеки. Распорные плиты рассчитывают на
сжатие и на продольный изгиб, а в случаях, когда они имеют криволиней-
ную конфигурацию, еще и на поперечный изгиб.
Шатун проверяется на растяжение силой Qpac = 1,5Q, а эксцентри-
ковый вал рассчитывается на одновременное действие изгиба и кручения.
Станину дробилки рассчитывают как жесткую раму, передняя и задняя
стенки которой равномерно загружены нагрузкой от силы Ррас.
§ 32. МЕЛЬНИЦЫ
Мельницы применяются для тонкого измельчения каменных материа-
лов в порошок. Помол осуществляется раздавливанием этого материала
между частями мельниц. Часто это раздавливание сопровождается ударом.
Обычно степень измельчения не превышает 10. При необходимости повы-
шения степени измельчения применяют двухступенчатый помол.
Обычно применяемые мельницы разделяют на:
шаровые (рис. 127), представляющие собой вращающийся бара-
бан, в который наряду с каменным материалом загружаются стальные
шары; здесь размол осуществляется истиранием материала между шарами
Рис. 127. Шаровые мельницы с разгрузкой
через: а — цапфу; б — диафрагму
и футеровкой барабана, а также
ударом при падении шаров;
стержневые, отличаю-
щиеся от шаровых тем, что здесь
вместо шаров служат стержни;
вибрационные, где
шаровым мельницам сообщают
колебательные движения;
б е г у н к о в ы е, в которых материал измельчается перекатываю-
щимися по кольцевой дорожке массивными бегунками.
Наибольшее распространение получили шаровые мельницы, которые
могут быть с диафрагмой и без нее (см. рис. 127). В первом случае
при перекрытии решетки диафрагмы имеется возможность более длитель-
ного пребывания материала в мельнице, а следовательно, и более тонкого
ее помола. Футеровкой обычно служат укрепленные на стержнях
стальные плиты. Привод мельниц осуществляется через зубчатую
пару.
МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 221
Мельницы изготавливают однокамерными и двухкамерными. В первой
камере двухкамерной мельницы производится грубый помол материала,
а во второй — тонкий помол. Из первой во вторую камеру материал по-
ступает через отверстия в перегородке.
Помол может быть сухим или мокрым. В последнем случае он произ-
водится в присутствии какой-либо «активной» жидкости, например воды,
которая ввиду физико-химического «сродства» с разрушаемым материалом
и наличия в последнем микротрещин ускоряет процесс размола, повышает
его тонкость и снижает энергоемкость.
Длину барабана мельницы обычно выбирают в пределах (0,7-:- 1,5) D,
где D — ее диаметр. Диаметр шаров составляет 50—125 мм. Шары из-
готавливаются из высокомарганцовистой или хромистой стали. В мель-
ницы обычно загружают шары двух размеров. Общий объем шаровой за-
грузки составляет 40—50% от рабочего объема мельницы.
Чтобы процесс помола был эффективным, шары должны падать
с максимальной высоты. Это условие соблюдается в случае, когда число
оборотов мельницы выбирается равным (0,7-н0,8) пкр. 'Здесь пкр — кри-
тическое число оборотов, т. е. число оборотов, при которых вес шара урав-
новешивается центробежной силой, вследствие чего его падения не про-
исходит. Критическое число оборотов может быть найдено из уравнения
где т — масса шара в ------•
см ’
R — радиус мельницы в см\
v — линейная скорость ®
Учитывая, что
nRnK„ ,
v = —3Q - м/сек,
можно найти
пкр = об/мин. (V. 41)
V R
Ввиду того, что производительность мельницы теоретическим путем
определить невозможно, ее находят по производительности другой, уже
известной мельницы:
П --=11^ У'® м" ч, (V.42)
где П1 — производительность известной мельницы объемом и диа-
метром Dt в м3/ч;
V2 — объем рассчитываемой мельницы в м3.
На основании опытных данных установлена следующая энергоем-
кость процесса помола (в квт-ч на 1 т получаемого продукта):
При грубом помоле ..............................0,8—1,2
» тонком » ............................1,2—2,0
» весьма тонком помоле ........................2,0—6,0
Пользуясь этими данными, можно по производительности мельницы
найти необходимую мощность двигателя. При этом надо иметь в виду, что
пусковая мощность примерно в 3,5 раза превышает ту, которая соответ-
222 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
ствует установившемуся режиму. Расход шаров за счет их износа на 1 т
получаемого продукта составляет 0,9—1,6 кг.
При размоле некоторых материалов, особенно при мокром помоле.
весьма эффективны вибрационные мельницы. Здесь корпус шаровой мель»
ницы опирается на пружинную опору, и при помощи возбудителя экс-
центрикового типа ему сообщаются колебательные движения.
§ 33. ГРОХОТЫ И ГРАВИЕМОЙКИ
а
1G
определе-
скорости
б — усло-
Рис. 128. Схемы для
ния: а — предельной
движения частицы;
вий ее незастревания в отвер-
стии
Процесс грохочения и конструкции грохотов. Такие строительные
материалы, как бетон и асфальтобетон, состоят из щебня вполне опреде-
ленного фракционного состава. Для того чтобы иметь возможность обес-
печить нужное соотношение между отдельными фракциями, щебень или
гравий вначале надо рассортировать по фракциям. Этот процесс назы-
вается сепарацией или грохочением, а при-
меняемое для этой цели механическое обору-
дование называется грохотами. Получаемый
после дробления щебень и особенно такой
естественный материал, как гравий, часто
содержат большое количество пылевых час-
тиц, которые существенно снижают качество
бетонов. Поэтому такие частицы необходимо
отделить, что осуществляется промывкой
материала в специальных гравиемоечных
машинах.
Сепарация обычно осуществляется про-
пуском материала через сито, которое имеет
отверстия определенного размера. Для осу-
ществления сепарации, очевидно, прежде
всего необходимо наличие относительного
движения сыпучей смеси по ситу. Это воз-
можно лишь в случае, если движение сита
будет достаточно энергичным, в результате
чего частицы материала отстанут от сита.
Такое условие будет выполнено лишь тогда,
когда развивающиеся при движении силы '
будут превышать силы трения, имеющие
инерции частиц материала
место на контактах этих частиц с поверхностью сита. Если G — силд
тяжести частиц, то на горизонтальном сите это условие выразится в виде
Q
— a~>fG или a>fg.
(V.43)
Ускорение а = fg называется критическим.
С другой стороны, проскакивание частицы материала сквозь отвер-
стие сита может иметь место, если ее относительная скорость не будет
столь велика, чтобы она перелетела через это отверстие.
На рис. 128 даны схемы для определения предельной скорости частицы
и условий ее незастревания в отверстии.
Пусть v — относительная скорость частицы (рис. 128, а), тогда ее
движение будет происходить по параболе Ох—О2. Путь, пройденный ча-
стицей, характеризуется координатами х и у:
x = vt^D----y = -^-gP-------£
МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 223
Отсюда можно найти
V = - 4) /4 мм!сек-
Полагая, что диаметр частицы d равен диаметру отверстия D, и имея
в виду, что g = 9810 мм/сек, выражение для скорости примет вид:
г ~ 50 I d мм, сек. (V.44)
Эта скорость является предельной. При больших значениях скорости
частицы, имеющие диаметр, близкий к диаметру отверстия, уже не смогут
пройти сквозь последнее. При выводе этой формулы не были учтены сопро-
тивления. Поэтому фактическая предельная скорость несколько больше,
ее обычно полагают равной
v75]^d мм/сек. (V.45)
Здесь все рассуждения велись в предположении, что сито горизонтально.
При движении частицы вниз по ситу, угол наклона которого к горизонту
составляет около 10°, предельная скорость будет на 10—15% ниже зна-
чения, определяемого формулой (V.45).
При некоторых условиях возможно застревание частиц материала
в отверстиях сита. Так, выбрасывание частиц материала из отверстия
может произойти, если ускорение сита превышает некоторую величину.
На основании схемы рис. 128, б условие выбрасывания частицы из отвер-
стия может быть написано в виде:
Ри = — ah>GR.
g
где G — сила тяжести частицы;
R — радиус отверстия.
Учитывая, что h = R ctg а, можно получить
а > g tg а. (V.46)
Неравенством (V.43) было установлено условие, обеспечивающее отно-
сительное движение материала по ситу. Очевидно, что в идеальном случае
отверстия не будут задерживать процесс просеивания, если
g tg « < fg,
откуда tg а < f или а < <р, (V.47)
где ф — угол трения.
Согласно схеме рис. 128, б из ге'ометрнческих соотношений с уче-
том (V.47) можно получить
А = sin а = . (V.48)
г К1 -г tg- u V1 + tg2 <р и । + /г
Это неравенство обеспечивает условие незастревания частиц в отверстиях
сита. При наклонном сите неравенство (V.46) примет вид
а > g tg (а — Р), (V.49)
где р — угол наклона сита.
Из предыдущих условий (V.45) и (V.48) следует, что со снижением
величины зерна трудность грохочения повышается, так как мелкие зерна
имеют большую склонность к перелетам через отверстия и легче застре-
вают в них. Эти трудности увеличиваются с повышением влажности
материала.
224
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Качество грохочения может быть оценено коэффициентом качества
П = (V.50)
где U — фактический выход материала через отверстия сита;
А — действительное содержание мелких фракций в исходном мате-
риале.
Материал, прошедший сквозь просеивающую поверхность сита, назы-
вается нижним сортом, а материал, не прошедший сквозь сито, — верхним
сортом. Таким образом, коэффициент качества представляет отношение
фактически полученного количества нижнего сорта к количеству, которое
могло бы иметь место при идеальном просеивании материала.
Выше были рассмотрены условия просеивания и пезастревания мате-'
риала в отверстиях сита в предположении движения изолированной ча-
Рис. 129. Типы грохотов: а — наклонный качающийся; б — горизонтальный
с дифференциальным движением сита; в — наклонный вибрационный (инерционный);
г — горизонтальный вибрационный (инерционный); д — качающийся гирационный;
е — барабанный (вращающийся)
Условные обозначения:
1 — кузов с ситом; 2 — подвески; 3 — эксцентрик; 4 — шатун; 5 — дебаланс; 6 — пружина;
7 — эксцентриковый вал; 8 —- противовес; 9 — приводной шкив
стицы. На самом деле зерна материала движутся по ситу в большой
массе, причем часто крупные частицы закрывают мелким частицам доступ
к отверстиям, что усложняет процесс сепарации материала.
По характеру действия грохоты разделяются на неподвижные и по-
движные. Неподвижные грохоты обычно представляют собой наклонную
по отношению к горизонту решетку и служат для предварительного отде-
ления камня, подлежащего дроблению. Все грохоты, предназначенные для
сепарации как дробленого, так и естественного материала, устраиваются
подвижными, так как движение сита улучшает и ускоряет сортировку.
Подвижные грохоты обычно снабжаются расположенными друг под дру-
гом двумя-тремя ситами, что позволяет одновременно получать несколько
фракций щебня.
По принципу действия грохоты разделяются (рис. 129) на плоские
и барабанные (вращающиеся). В первом случае сито представляет собой
плоскость, которая совершает качательные движения (рис. 129, а—д),
а во втором случае оно образует цилиндрическую поверхность или поверх-
ность усеченного конуса (рис. 129, а), где относительное движение мате-
риала и сита осуществляется вращением грохота. При цилиндрическом
грохоте движение материала вдоль оси осуществляется за счет наклонного
положения последней; в случае конического грохота его ось устанавли-
вается горизонтально.
МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 225
Плоские грохоты разделяются на качающиеся и вибрационные (инер-
ционные). Качающиеся грохоты могут быть с наклонным и горизонталь-
ным расположением сита. При наклонном расположении (рис. 129, а)
ввиду большой длины подвесок 2 по сравнению с эксцентриситетом экс-
центрика 3 сито 1 совершает качательные движения, близкие к прямо-
линейным, и движение материала вдоль пего осуществляется под совмест-
ным действием составляющих силы тяжести и развивающихся при кача-
нии сил инерции. При горизонтальном расположении (рис. 129, б) ввиду
наличия угла а сито совершает дифференциальные движения, т. е. его
движение в одну сторону отличается от движения в другую сторону. При
этом материал подбрасывается, вследствие чего и происходит его продви-
жение вдоль сита.
Вибрационные (инерционные) грохоты могут быть подразделены на
собственно вибрационные (рис. 129, в и г) и гирационные (рис. 129, д).
У первых амплитуда колебаний зависит от параметров возбуждения и
упругой подвески, а также от массы грохота и находящегося на нем мате-
риала, а у вторых она задана жесткой кинематической цепью. Вибрацион-
ные грохоты могут иметь наклонные (рис. 129, в) и горизонтальные
(рис. 129, г) расположения сита. Наклон необходим для продвижения
материала вдоль сита при простом дебалансе, под действием которого
кузов грохота совершает круговые колебательные движения. Горизон-
тальное сито устраивают при дебалансах направленного действия с на-
клонной осью. Здесь продвижение материала осуществляется за счет того,
что направленные колебания совершаются под некоторым углом к верти-
кали.
Качающиеся грохоты относятся к числу тихоходных. Так, обороты
их эксцентрикового вала обычно находятся в пределах 300—500 об/мин.
Частота вынужденных колебаний вибрационных грохотов равна 900—
3000 Имин, в связи с чем они относятся к числу быстроходных машин.
Работа грохотов изучена, главным образом, благодаря трудам со-
ветских ученых Л. В. Левенсона, В. А. Баумана, И. И. Блехмана,
Г. Ю. Джанелидзе и других, которыми исследована работа машин различ-
ных типов, а также условия и характер движения по ситу частиц мате-
риала.
Вибрационным грохотам соответствует самый высокий коэффициент
качества (0,90—0,98), а барабанным грохотам — самый низкий (0,60).
Качающиеся грохоты занимают промежуточное положение. Здесь коэффи-
циент качества равен 0,7—0,8.
Производительность грохотов, необходимая мощность двигателя и рас-
четы на прочность. Производительность грохотов определяют по коли-
честву пропущенного через них материала. Производительность плоских
качающихся грохотов определяют по формуле
П = ЗбООрВйи м3/ч, (V.51)
где В и h — соответственно ширина сита и толщина слоя материала в м;
обычно принимают h. = (1 ч-2) d, где d — наибольший диа-
метр кусков питания;
v — средняя скорость подачи сыпучей смеси в м/сек\ обычно
v = 0,05ч-0,25 м/сек-,
р — коэффициент разрыхления сыпучей смеси; в процессе ка-
чания р = 0,4 ч-0,6.
Производительность вибрационного грохота находят по формуле
77 = 0,7F<7&i&2/j3 м3/ч, (V.52)
8 Н. Я- Хархута и др.
226 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ МАШИН
где F — площадь сита в м2;
q — удельная производительность на 1 м~ сита в ма/ч (табл. 25);
— коэффициент, учитывающий мокрый способ грохочения
(табл. 25);
k2 — коэффициент, учитывающий трудность грохочения исходного
материала (табл. 25);
k3 — коэффициент, учитывающий качество отсева (табл. 26).
Таблица 25
Значение удельной производительности и коэффициентов ki и й.
Показатель При р Фзмере отверстия сита В мм
в 5 10 20 40 60 80
Удельная производительность для горизонтального грохота q в м:<ч . . 2,5 4,0 10 21 36 48 60
Удельная производительность для наклонного грохота q в м3/ч .... 1,8 2,8 7,5 15 29 44 52
Коэффициент kt Коэффициент /г2для: 3,4 3,0 2,1 1,5 1,0 1,0 1,0
материала трудного грохочения 0,60 0,65 0,85 0,70 0,85 0,80 0,80
материала среднего грохочения 0,75 0,80 0,75 0,80 1,00 1,00 1,00
материала легкого грохочения 1,0 1,0 1,25 1,5 2,4 2,4 2,4
Т аблица 26
Значения коэффициента кз
Коэффициент качества 0,95 0,93 0,85 0.8Э 0.75
&3 0,64 0,80 1,15 1,30 1,50
На производительность грохота существенное влияние оказывает
направление дебаланса. При прямом вращении направления движения
материала и сита совпадают, что увеличивает производительность, но
снижает коэффициент качества.
Производительность барабанного грохота можно определять по сле-
дующей формуле:
П = 0,7pn tg(2а) \R'>/rI м3'ч, (V.53)
где п — число оборотов грохота в мин, которое выбирается в зависимости
от радиуса грохота R в м по эмпирической формуле п = -Дг -+
V R
об!мин-,
Vr
а — угол наклона оси грохота; а = 4ч-7°;
h — средняя толщина слоя материала, обычно h = 2D—2d, где
D — диаметр отверстия, d — средний поперечный размер про-
пускаемых через грохот кусков материала;
р — коэффициент разрыхления; р = 0,6ч-0,8.
Мощность двигателя плоских грохотов может быть подсчитана в пред-
положении расхода ее на преодолении вредных сопротивлений и на сооб-
МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 227
щение движущемуся по ситу материалу кинетической энергии. Здесь
должно быть учтено периодическое подбрасывание частиц материала. При
подсчете вредных сопротивлений учитываются потери на трение в цапфах
эксцентрика качающегося грохота и дебаланса вибрационного грохота.
Однако такие расчеты обычно дают несколько заниженные результаты,
поэтому при выборе мощности двигателя надо ориентироваться на опыт
эксплуатации уже имеющихся грохотов.
Выбор упругих подвесков вибрационного грохота должен произво-
диться при условии совпадения собственных колебаний кузова с выну-
жденными колебаниями, возбуждаемыми вращением дебалансов.
Для возможности прочностных расчетов необходимо найти действую-
щие в отдельных деталях и узлах грохотов усилия. В случае качающихся
Рис. 130. Гравиемойка-сортировка
грохотов эти усилия могут быть определены по мощности двигателя. При
расчете вибрационного грохота необходимо учесть развивающуюся при
вращении дебалансов возмущающую силу. В обоих случаях надо учиты-
вать инерционные нагрузки, которые весьма значительны, особенно в слу-
чае вибрационных грохотов.
Гравиемойки. Гравиемойки относятся к промывочным машинам, пред-
назначенным для промывки гравия и щебня в целях удаления из них гли-
нистых примесей. Одновременно производится и разделение этих мате-
риалов по фракциям.
Гравиемойки представляют собой систему перфорированных бара-
банов, выполненных из листовой стали (рис. 130). Барабаны смонтированы
на одной раме и имеют отверстия разного диаметра. Гравиемойка имеет
моечные секции, выполненные из сплошного листа без отверстий. В эти
секции введена водопроводная труба. Материал попадает сначала в моеч-
ные секции, а оттуда — в сортировочные секции. При небольшом загряз-
нении промывка материала может быть осуществлена в вибрационных
и в барабанных грохотах путем подвода к ним воды.
§ 34. ДРОБИЛЬНО-СОРТИРОВОЧНЫЕ УСТАНОВКИ
И ЗАВОДЫ
В связи с большим развитием сборного железобетона, которым в на-
стоящее время уже заменены и продолжают заменяться металлоконструк-
ции, сильно возросла потребность в щебне, гравии и других материалах,
применяемых при изготовлении железобетонных деталей. Одновременно
возросли также и требования к этим материалам — к чистоте грануло-
метрии и к форме частиц. Удовлетворить возросшую потребность
228 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
и повышение требования оказалось возможным только в результате орга-
низации специализированных предприятий по производству щебня —
дробильно-сортировочных заводов. Продукцией таких заводов обычно
является уже отсортированный по фракциям щебень.
Дробилыю-сортировочные заводы представляют комплекс машин и
оборудования, расположенного в соответствии с принятым технологи-
ческим процессом. По производительности они классифицируются на:
заводы малой производительности — до 50—100 тыс. м3/год;
заводы средней производительности — 100—250 тыс. м31год;
заводы большой производительности — более 250 тыс. м3!год.
Рис. 131. Технологические схемы: а — одностадийное дробление с открытым циклом;
б — одностадийное дробление с замкнутым циклом; й — двухстадийное дробление; г —
трехстадийное дробление
Условные обозначения: 1 — щековая дробилка; 2 — ленточный транспортер; 3 — грохот;
4 — бункер; 5 — конусная дробилка; 6 — валковая дробилка
Заводы могут быть передвижными и стационарными. Производитель-
ность передвижных заводов обычно не превышает 30—50 тыс. м3!год,
но эти заводы мобильны и могут сравнительно легко перебазироваться
с одного места на другое.
Дробильно-сортировочные заводы могут работать по так называемому
открытому и замкнутому циклам (рис. 131). При открытом цикле камен-
ный материал проходит через дробилку только один раз, и неизбежно
получающийся при дроблении сверхмерный материал повторному дробле-
нию не подвергается. При замкнутом цикле весь сверхмерный материал
подвергается повторному дроблению и грохочению, т. е. он может про-
ходить через дробилку несколько раз. Замкнутый цикл обеспечивает
получение равномерного щебня, но зато требует установки добавочных
ленточных транспортеров и увеличения производственной площади завода.
Процесс дробления может быть одностадийным, двухстадийным, трех-
стадийным, а иногда и четырехстадийным. При одностадийном дроблении
(рис. 131, а и б) каменный материал пропускается через одну или несколько
параллельно установленных однотипных дробилок, после которых он
поступает на сортировку. Эти схемы применимы на заводах небольшой
производительности и при условии, что поступающий для дробления
камень имеет сравнительно небольшие размеры. При двухстадийном
(рис. 131, в) и трехстадийном (рис. 131, г) дроблениях сверхмерный ма-
МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 229
териал направляется в другие дробилки. Здесь для первой стадии дробле-
ния устанавливаются щековые или конусные дробилки с крутым конусом,
а для второй и третьей стадий — щековые дробилки со сложным качанием
щеки, конусные — с пологим конусом, валковые и молотковые дробилки.
Больше всего распространено двухстадийное дробление, однако для
получения щебня, необходимого для изготовления железобетонных изде-
лий, лучше всего применять трехстадийное и даже четырехстадийное дроб-
ление. На заводах большой производительности приходится устанавливать
две и более параллельно работающих однотипных дробилок. Поэтому
различают однониточную, двухниточную и трехниточную схемы заводов.
Параллельно включенные на всех или какой-либо одной стадии дробле-
ния машины выдают продукт на один транспортер.
Оборудование на заводе может иметь горизонтальную (партерную)
и вертикальную компоновку. В последнем случае каменный материал под-
нимается вверх один раз — в самом начале технологического процесса,
а затем постепенно опускается вниз, последовательно проходя все стадии
дробления и другие операции на отдельных агрегатах завода. При ком-
поновке необходимо стремиться возможно более полно использовать
рельеф местности с таким расчетом, чтобы продвижению материала спо-
собствовал его вес. Этому принципу будет соответствовать размещение
грохота под дробилкой, дробилки второй стадии дробления — под гро-
хотом и т. п. Дробление — весьма дорогой процесс, поэтому при разра-
ботке схемы технологического процесса необходимо стремиться к тому,
чтобы не загружать дробилку мелкими фракциями, которые уже не под-
лежат дроблению. Поэтому перед каждой дробилкой целесообразно сорти-
ровать материал на грохоте, чтобы допускать в нее камень или щебень
только таких размеров, которые исключают его непосредственное приме-
нение.
В процессе проектирования завода вначале составляется так называе-
мая качественная схема завода. На этой стадии устанавливается техно-
логическая схема и необходимая для ее осуществления номенклатура
оборудования. После этого разрабатывается количественная схема, где
устанавливается уже количество необходимого оборудования и его марка.
Разработаны типовые (инвентарные) стационарные и полустационар-
ные дробильно-сортировочные заводы, основанные на использовании се-
рийно выпускаемых промышленностью дробилок, грохотов и подъемно-
транспортного оборудования. Особенно широкое распространение полу-
чили инвентарные заводы производительностью 30 и 100 m/ч имеющие
аналогичные технологические процессы и размещение оборудования.
Передвижные дробильно-сортировочные установки могут состоять из
одного или нескольких передвижных агрегатов. На рис. 132 показана
схема передвижной двухагрегатной дробильно-сортировочной установки
производительностью до 45 ,ч3,ч.
Материал через бункер 1 и питатель 2 загружается в камнедробилку 3.
Дробленый щебень транспортером 5 подается на загрузочный транс-
портер 12 второго агрегата. Далее он сепарируется на вибрационном гро-
хоте 16. Не прошедшие сквозь сито грохота крупные фракции возвра-
щаются на загрузочный транспортер при помощи транспортера воз-
врата 11.
Бетонную смесь приготавливают из щебня и песка высокого качества.
Поэтому из их общей массы необходимо удалить неполноценный, не отве-
чающий техническим требованиям материал. Этот процесс носит название
обогащения. Обогащение песка производится путем его промывки в дра-
говых пескомойках и спиральных классификаторах. В драговых
230 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ для ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
пескомойках песок при помощи укрепленных на бесконечной цепи плоских
лопаток непрерывно перемещается в воде вверх по дну наклонно постав-
ленного корыта и выгружается через его борт. Спиральный классифика-
тор предназначен для разделения и второй мойки мокрого песка и его
обезвоживания. Здесь песок перемешивается и перемещается в потоке воды
одним или двумя параллельно расположенными шнеками. Глинистые ча-
стицы и мелкий песок удаляются вместе с водой.
Рис. 132. Передвижная дробильно-сортировочная установка СМ-739/740: а — агрегат
первичного дробления; б — агрегат вторичного дробления
Условные обозначения: ? — загрузочный бункер; 2 — пластинчатый питатель; 3 — дро-
билка СМ-741; 4 — шкаф с электроприборами; 5 — ленточный транспортер; 6 — дышло; 7, 10, 21
и 23 — винтовые домкраты; 8 — рукоять домкрата; 9 ~ рама; 11 — транспортер возврата; 12 — за-
грузочный транспортер; 13 — электродвигатель; 14 — конусная дробилка СМ-561; 15 — электро-
двигатель грохота; 16 — виброгрохот СМ-742; 17 — желоб; 18 — шкаф с электроприборами; 19 —
дышло; 20 — рама; 22 — тормозная тяга
Обогащение щебня может быть механическим и гидравлическим. Раз-
деление каменного материала в механических классификаторах основано
на разной высоте откоса слабых и достаточно прочных зерен щебня при
их падении на цилиндрическую поверхность вращающегося барабана.
Классификаторы могут быть однобарабанными и двухбарабанными. В по-
следнем случае прочный материал проходит вторичное разделение на ниж-
нем барабане, в результате чего, не считая отходов, можно получить два
сорта щебня, отличающегося по прочности, а не один сорт, как в однобара-
банном классификаторе.
Неполноценные зерна щебня и гравия могут быть удалены гидравли-
ческим способом — путем обогащения в тяжелых суспензиях. Суспензия
МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 231
состоит из взвешенного в воде тонкомолотого материала большого удель-
ного веса (например, ферросилиция, имеющего удельный вес 6.5 -г5,2 г/см3,
или магнетита с удельным весом 5,2—4,9 г/см3). Нужный удельный вес
суспензии подбирается изменением соотношения между водой и порошком
утяжелителя. В подобранной соответствующим образом суспензии полно-
ценные зерна гравия или щебня оседают на дно сосуда (осадок), а примеси
и слабые зерна всплывают (всплыв), после чего их удаляют. Исходный
материал предварительно промывается и отсортировывается от мелких
фракций. После обогащения как всплыв, так и осадок обезвоживаются и
в целях удаления с них суспензии, которая затем снова идет в дело,
промываются.
При дроблении, грохочении и механической классификации выде-
ляется большое количество каменной пыли, которая вредно влияет на
здоровье обслуживающего персонала. Поэтому большое внимание должно
быть уделено устройствам для отсасывания ныли. Иногда применяется
так называемое гидрообеспыливание, которое сводится к предваритель-
ному увлажнению камня.
Современные дробильно-сортировочные заводы представляют собой
полностью механизированные предприятия с централизованным управле-
нием. Управление отдельными агрегатами автоматизируется. Так, напри-
мер, автоматизирован процесс загрузки дробилок. При этом в одну из
стенок камнедробилки вмонтирован фотоэлемент, а в противоположную —
источник света. При полной загрузке камень перекрывает луч света и
питатель отключается. Осуществляется также автоматическое выключение
дробилки при поломке предохранительной детали и контроль за цагревом
подшипников. При повышении температуры масла до 50° на пульт управ-
ления подается сигнал, а дальнейшее ее повышение влечет за собой оста-
новку дробилки. Автоматически при помощи центробежного реле регу-
лируется число оборотов дробилки, а при помощи струйных реле — подача
масла в систему смазки. При недостаточной подаче масла включается ре-
зервный масляный насос.
Дальнейшее усовершенствование дробильно-сортировочных заводов
идет в направлении развития автоматизации, имеющей целью повышение
качества продукции и повышение производительности. Работа заводов
оценивается технико-экономическими показателями, из которых главными
являются годовая производительность, годовой выпуск в т и в руб на
одного рабочего и на 1 л2 площади, себестоимость продукции, а также
показатели, характеризующие использование производственных возмож-
ностей и т. п.
Литература
1. Суханов А. Ф. Назаров П. П. и др. Буровзрывные работы. Под ред.
А. Ф. Суханова, М., Госгеолтехиздат, 1962.
2. Справочник по буровзрывным работам на строительстве. Под ред. акад. Н. В. Мель-
никова. М., Госстройиздат, 1962.
19$ 3. М о с т к о в В. М. Основы теории пневматического бурения. М., Углетехиздат,
4. Б е р е п о в Д. И. Дробильное оборудование обогатительных и дробильных
фабрик. М., Металлургиздат, 1958.
5. Левенсон Л. Б. и Цигельный П. М. Дробильно-сортировочные
машины и установки. М.. Госстройиздат, 1952.
6. О л е в с к и й В. А. Конструкция и расчеты грохотов. М., Металлургиздат, 1955.
7. Макаров В. И. и Соколов В. П. Машины для дробления и сорти-
ровки материалов. Справочник. М.—Л., изд-во «Машиностроение», 1966.
Глава VI. МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ ДОРОЖНЫХ
ПОКРЫТИЙ ОБЛЕГЧЕННОГО ТИПА
§ 36. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИЕМА, ХРАНЕНИЯ
И ПОДОГРЕВА ОРГАНИЧЕСКИХ
ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ
Применяемые при строительстве усовершенствованных до-
рожных покрытий органические вяжущие материалы — битумы (нефтя-
ные и сланцевые) и дегти — доставляются к битумохранилищам в железно-
дорожных цистернах или бункерных полувагонах. Пек и твердые вязкие
битумы перевозятся также и навалом.
Наполнение вязким битумом цистерн и бункеров на крекинг-заво-
дах производится при температуре 200—230° С.
Для перевозки вяжущих материалов применяют двухосные и четырех-
осные цистерны грузоподъемностью 25 и 50 т. Цистерны имеют термоизо-
ляцию и змеевики для парообогрева. При сливе вязких битумов из цистерн
их нагревают до температуры 60—80° С, а жидкие битумы, если темпера-
тура наружного воздуха выше 10° С, сливают без подогрева.
На железнодорожной платформе устанавливаются по 4 бункера вме-
стимостью по 10 м3 битума. Они имеют обогревательные рубашки, через
которые пропускается пар, расплавляющий тонкий слой битума, приле-
гающий к стенке, и при опрокидывании бункера битум свободно вывали-
вается из него. Бункера по сравнению с цистернами требуют меньше вре-
мени и пара для прогрева битума. Расход пара на разогрев 1 т битума
в бункерных вагонах составляет 8 кг летом и 11 кг зимой, а в цистернах —
от 10 до 40 кг летом и до 135 кг зимой. Продолжительность разогрева
битума в цистернах достигает 8 ч.
Для разогрева битума используются передвижные парообразо-
ватели, нагреватели- циркуляторы, перенос-
ные змеевики и электрогрелки.
Выполненные в последнее время исследования показывают большую
эффективность применения виброподогревателей для разо-
грева битума. Поданным В. Д. Портнягина и Н. В. Михайлова при разо-
греве вязкого битума БН-Ш неподвижным подогревателем при температур-
ном напоре At = 35° коэффициент теплоотдачи равен 40,5 вт1м?-град,
при вибрирующем подогревателе с частотой 10 гц и амплитудой 20 мм коэф-
фициент теплоотдачи возрастает до 415 вт/м3-град, т. е. более чем в 10 раз.
Из выпускаемых нашей промышленностью парообразова-
телей широко применяется прицепной парообразователь, состоящий
из парового котла с жаровыми трубами, форсунок для сжигания топлива,
машины и оборудование для покрытий облегченного типа 233
насоса для подачи воздуха к форсункам, водяного насоса для подачи воды
и откачивания конденсата и бензинового двигателя мощностью 3 л. с.
для привода всех агрегатов. Поверхность котла изолирована слоем стек-
лянной ваты и обшивкой из листовой стали. Все оборудование монтируется
на двухосной тележке на пневматических колесах. Парообразователь поз-
воляет получить пар давлением в 8,5 атм через 15 мин после начала ра-
боты котла. Поверхность нагрева котла — 12,5 ж2, температура пара —
176° С, производительность — 500 кГ/ч.
Рис. 133. Нагреватель-циркулятор:
I — котел; 2 — кран; 3 — форсунки; 4 — дымовая труба; 5 —трубопровод; б —двигатель;
7 — вентилятор; 8 — битумный насос; S — топливный бак
Нагреватели-циркуляторы (рис. 133) обладают вы-
сокой производительностью. Скорость нагрева в них в 5—6 раз выше,
чем в парообразователях. В нагревателе-циркуляторе нагрев битума про-
исходит в котле с жаровыми трубами, по которым проходят горячие газы.
Битум поступает из разгружаемой цистерны в распределительную камеру,
расположенную в нижней части котла, и, омывая жаровые трубы, попадает
в сборную камеру, расположенную в верхней части котла. Нагретый би-
тум возвращается обратно в цистерну и своим теплом разогревает новый
объем битума. Циркуляция битума происходит до тех пор, пока в цистерне
не разогреется достаточное количество вяжущего материала, после чего
насос начинает выдавать горячий битум по назначению.
Топка нагревателя-циркулятора имеет три форсунки для сжигания
Дизельного топлива, подаваемого топливным насосом под давлением 7—
8 атм. Воздух к форсункам подается вентилятором. Для привода венти-
лятора, топливного и битумного насосов используется двигатель мощ-
ностью 3 л. с.
симссти от
постройки (рис.
земное; б — полуямное; в — ямное
0
234 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Нагреватели-циркуляторы, в отличие от парообразователей, могут
нагреть битум до рабочей температуры — 130—160° С, однако начальная
температура поступающего в них битума должна быть не менее 60—80° С.
Поэтому целесообразно совместить работу нагревателя-циркулятора с ра-
ботой парообразователя, используемого для предварительного нагрева
битума до текучего состояния.
Битумохранилища служат для приема, хранения и разо-
грева битума. Они могут быть постоянными или временными, а в зави-
134) — наземными, Полуниными и
ямными.
По способу подогрева разли-
чают битумохранилища с газо-
вым, паровым и электрическим
подогревом.
Хранилища постоянного типа
применяются при длительном хра-
нении битума в больших количе-
ствах. Такие хранилища обычно
устраиваются на крупных дорож-
ных стройках и в городских до-
рожных хозяйствах. Вместимость
их — 500 м3 и более.
Хранилище наземного типа
(рис. 134, а) устраивается в том
случае, если высота уровня грун-
товых вод не позволяет заглу-
биться в землю. Хранилище вре-
менного типа устраивается из
грунта на площадке, очищенной
от дерна. Земляной валик отсы-
пается послойно по контуру и каж-
дый слой уплотняется. Откосы
валика в этом случае устраиваются полуторные с шириной поверху не
менее 0,5 .и, высота хранилища обычно 1,0—1,5 м.
Из временных земляных битумохранилищ экономически наиболее вы-
годными являются хранилища полуямного типа (рис. 134, б), так как
здесь весь грунт, вынутый из котлована, используется для устройства
валика. Глубина таких хранилищ — 2,0—2,5 м. В земляных хранилищах
ямпого типа (рис. 134, в) котлован обносится небольшим валиком высотой
около 0,5 м. Глубина котлована достигает 3 м. Чтобы предохранить битум
от загрязнения и обводнения, хранилища устраиваются с облицованными
стенками и дном.
Для облицовки хранилищ временного или постоянного типа исполь-
зуются доски, кирпич, цемент, грунтоцемент, железобетон и другие
материалы.
Из различных способов подогрева битума в хранилищах наибольшее
распространение получил паровой подогрев, являющийся безопасным в по-
жарном отношении и удобным для регулирования температуры нагрева
вяжущего материала. Давление пара не превышает 8 атм. Паровые змее-
вики прокладываются по днищу и в наиболее углубленной части храни-
лища — приямке, где осуществляется полный нагрев битума до текучего
состояния, при котором его можно перекачивать насосом. Змеевики состоят
из отдельных секций, и при необходимости часть их может отключаться.
Для интенсивного нагрева выгоднее использовать перегретый пар, а не
МАШИНЫ и оборудование для покрытий облегченного ТИПА 235
насыщенный, так как последним можно осуществить нагрев до темпера-
туры, не превышающей 100' С.
При газовом подогреве теплоносителем являются дымовые горячие
газы, образующиеся при сжигании топлива. К битумохранилищу горя-
чие газы могут поступать из жаровых труб битумоплавильных котлов,
от газогенераторной установки или от газовой горелки.
На рис. 135 показана схема битумохранилища, подогреваемого горя-
чими газами от расположенных рядом битумоплавильных котлов. Из
котлов газы поступают по наклонным и далее по горизонтальным жаро-
Рис. 135. Битумохранилище с газовым подогревом:
/ — битумоплавильные котлы; 2 — дымовая труба; 3 — битумный насос; 4 —на-
клонные жаровые грубы; 5 — патрубок; 6 — резервуар; 7 — дымосос; 3 — жа-
ровые трубы резервуара; 9 — топка
вым трубам, уложенным на дне хранилища. Имеющийся в хранилище
дымосос обеспечивает тягу для движения газов по трубам. Наклонные
части жаровых труб изолированы асбестом, предохраняющим битум от
воспламенения.
В битумохранилище битум разогревается только до температуры
60—80° С, а далее он перекачивается насосом в битумоплавильные котлы,
где обезвоживается и нагревается до рабочей температуры. К насосу
битум поступает по приемному патрубку, снабженному фильтром. Шарнир-
ное крепление патрубка позволяет забирать битум с любого уровня.
При электроподогреве применяются пластинчатые и трубчатые нагре-
ватели.
Пластинчатые нагреватели состоят из стальных пластин, изолирован-
ных друг от друга прокладками из листового асбеста. Толщина пла-
стин — 0,35-0,60 мм. Пластины собираются в пакеты, которые жестко
закрепляются в битумохранилище на глубине в 15—20 см от уровня
битума. С изменением уровня пакетные нагреватели опускаются.
235
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ для ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Поглощаемая таким пакетным нагревателем' мощность равна 5,5 кет,
а требуемое напряжение тока составляет 50—60 в. Главным недостатком
пластинчатых нагревателей является ослабление пластин при нагрева-
нии, что может привести к замыканию.
Трубчатые электронагреватели состоят из спиралей, помещенных
внутри асбестоцементных труб. Длина труб — 3000 мм, диаметр наруж-
ный — 200 мм и внутренний — 180 мм. Трубчатые электронагреватели
характеризуются простотой конструкции и надежностью в работе. Недо-
статком их является громоздкость и значительный удельный вес на еди-
ницу мощности.
На практике большее применение находят пластинчатые электрона-
греватели, которые используются также для подогрева битума, прибы-
вающего в железнодорожных цистернах и бункерных полувагонах.
Обезвоживание и полный нагрев вяжущего материала до рабочей
температуры осуществляется, как правило, не в битумохранилищах,
а в битумоплавильных котлах, обладающих более высоким тепловым
к. п. д. Битумоплавильные котлы выпускаются емкостью от 5 до 20 л3
и комплектуются обычно по три штуки. Такие битумоплавильни, состоя-
щие из трех котлов, выпускаются нашей промышленностью с емкостью
котла 6000 и 15 000 л, а для мелких дорожных работ выпускаются пере-
движные битумоплавильные котлы емкостью 200—5000 л. Некоторые би-
тумоплавильные котлы замуровываются в общую кирпичную кладку,
но с отдельными топками и каналами на каждый котел, другие битумо-
плавильни не требуют кирпичной обмуровки, так как их котлы снабжены
термоизоляцией и имеют выносные металлические топки.
На рис. 136 приведена схема битумоплавильни порционного действия.
Подача битума в котлы производится шестеренчатым насосом, приводи-
мым в действие электродвигателем мощностью 4,5 кет.
Котлы оборудованы жаровыми трубами и горизонтальными дымохо-
дами и устанавливаются на опорах, из которых передние — непод-
вижные, а задние — подвижные, выполненные в виде катков. Такое
устройство опор позволяет котлам свободно удлиняться при нагревании.
Приставные топки приспособлены для сжигания твердого и жид-
кого топлива и снабжены форсунками и установкой для воздушного дутья
с двигателями мощностью 7 кет..
Внутри битумоплавильных котлов имеются перемешивающие уст-
ройства, предназначенные для равномерного перемешивания обводнен-
ного битума при нагревании, ускорения выпаривания влаги и предотвра-
щения вспенивания. Перемешивающее устройство состоит из коромысла
с лопастями, качающегося вокруг шарнира, закрепленного на неподвиж-
ном кронштейне. Коромысло совершает 20 кол/мин. Привод перемешиваю-
щих устройств всех трех котлов осуществляется от общего двигателя
мощностью 2,8 кет.
Механическое перемешивание не полностью устраняет ценообразо-
вание, что не позволяет эффективно использовать геометрическую емкость
котла и производить быстрый нагрев вяжущего материала. Для обезво-
живания 10 т битума приходится затрачивать иногда двое суток.
В последнее время для борьбы с пенообразованием с успехом исполь-
зуется специальный препарат — пеногаситель СКТН-1 (полисилокса-
новый каучук). Опыт показал, что достаточно ввести две-три капли этого
материала на 10 т битума, чтобы полностью устранить вспенивание
битума при нагревании и в 2—3 раза ускорить процесс обезвоживания
битума, дегтя и минеральных масел. Рекомендуется применять СКТН-1
с молекулярным весом от 20 до 35 тыс.
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ ОБЛЕГЧЕННОГО ТИПА 237
Кроме указанных битумоплавилен, являющихся плавильнями пор-
ционного действия, в настоящее время выпускаются более совершенные
битумоплавильни непрерывного действия (рис. 137). Она состоит из
одного котла 2, цилиндрической топки 5 и насосной станции 1, смонти-
Рис. 136. Битумоплавильни порционного действия:
/ — котел; 2 — топка; 3 — воздуходувка; 4 — двигатель; 5 — по-
движная опора; 6 — неподвижная опора
рованных на одной общей раме. Котел разделен перегородкой на две не-
равные части. В большей части котла, прилегающей к топке, где установ-
лены две П-образные жаровые трубы 10, битум разогревается горячими
газами, поступающими из топки. Меньшая часть котла, прилегающая
к насосной станции, служит сборником готового нагретого битума.
Топливо из топливного бака 4 подается в топку через форсунку 6
топливным насосом 7. Топка внутри выложена огнеупорным кирпичом.
На концах жаровых труб имеются задвижки для регулирования потока
горячих газов.
238 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Насосная станция имеет два шестеренчатых битумных насоса: один —
для циркуляции битума внутри котла, а второй — для выдачи готового
битума. Насосы оборудованы паровыми рубашками.
Из битумохранилища битум с температурой 70—80° С поступает в
большую часть котла, где горячими газами, проходящими по одной из
жаровых труб, нагревается до температуры 90—110° С. Далее битум
направляется в камеру второй жаровой трубы. В этой камере битум дви-
жется по спиральному ходу между жаровой трубой и кожухом и нагре-
вается до рабочей температуры 160—170° С. Отсюда битум подается на-
сосом на лоток, расположенный в верхней части котла, а с лотка — в
Рис. 137. Битумоплавильня непрерывного действия
малую часть котла — сборник. По лотку битум растекается тонким слоем,
что ускоряет отделение водяного пара от битума. Образующийся конден-
сат водяным насосом 9 отводится в водяной бак 3. Установка имеет венти-
лятор 8.
Циркуляционный насос используется для циркуляции битума внутри
котла и размыва остатков его на дне.
Емкость битумоплавильни — 14 м3, производительность при влаж-
ности битума 5% составляет 3 т/ч.
Тепловой расчет битумоплавильни и битумохранилищ производится
по той же методике, которая принята для теплового расчета асфальтосме-
сителей и теплоносителей.
Для перекачки битума широко используется битумный насос шесте-
ренчатого типа. Литой из чугуна корпус насоса имеет паровую обогрева-
тельную рубашку. Внутри корпуса установлены две шестерни, при вра-
щении которых битум засасывается через отверстие в корпусе и нагне-
тается через нижнее выпускное отверстие. Число оборотов шестерен —
300 об/мин. Производительность насоса — 400 л/мин, вес — 98 кг, мощ-
ность двигателя — 6 л. с.
Производительность насоса выбирается в соответствии с требуемой
скоростью заполнения резервуара (битумного котла, дозатора, гудро-
натора и т. п.).
Если полезная емкость резервуара — Vp в л, а заданное время за-
полнения — t3 в ч, то требуемая производительность насоса будет
Пн = ЖГ л/мин. (VI. 1)
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ ОБЛЕГЧЕННОГО ТИПА 239
Для определения давления, развиваемого насосом, необходимо рас-
считать величину напора. Ниже приводится методика расчета.
По производительности насоса находят скорость движения битума
по трубам.
Секундный расход битума:
Пн ~ 60 36006, л^сек' (^1-2)
где tj, — время разгрузки. Скорость движения битума по * = Т- юоо 4 трубам диаметром d„w будет = м/сек. (VI.3) 1000j<p v
Сопротивление движению жидкости по трубам зависит от режима
потока, характеризуемого безразмерным критерием Рейнольдса — Re.
Re = -^, (VI .4)
где v — кинематическая вязкость жидкости, зависящая от рода жидкости
и температуры и определяемая опытным путем.
Имеющиеся опытные данные динамической вязкости р, для битума
Бакинского нефтеперегонного завода приведены в табл. 27, из которой
видно, что с падением температуры ниже 100° С вязкость битума резко
возрастает. Так как плотность битума практически равна единицу, вели-
чина кинематической вязкости для битума численно равна величине его
динамической вязкости и, таким образом, данные табл. 27 соответ-
ствуют также величине V.
Таблица 27
Динамическая вязкость битума в пз
Темпе- ратура битума, °C При глубине проникания иглы пенетрометра * Темпе- ратура битума. °C При глубине проникания иглы пенетрометра *
120° | 110“ 93“ 62° 120° 110“ 93“ 62“
150 1,5 — 1,5 2,8 100 22,0 25,0 25,0 48,0
140 1,8 — 2,0 3,0 90 60,0 61,0 — —
130 3,0 — 3,5 4,5 80 100,0 100,0 120,0 270,0
120 ПО * с 5,0 9,0 и. ГОСТ 9,0 11501—65. 5,5 9,5 6,6 11,0 70 480,0 480,0 650,0 680,0
Если величина Re <2320, поток имеет ламинарный характер, если
же Re > 2320 — турбулентный.
При ламинарном режиме потери напора по длине трубопровода про-
порциональны первой степени скорости и определяются по формуле
hw = л, (VI.5)
^тр
где 1тр — длина труб в м; g 9,81 м/сек2.
240
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
При турбулентном режиме потери напора по длине принимаются
пропорциональными квадрату скорости и находятся по формуле
и 1 I
К ~dmp' W М’
(VI.6)
где кс — коэффициент сопротивления по длине.
Имеется ряд формул для расчета величины [5].
Для гладких труб по исследованиям ВТИ
(lg Re)2,0
(VI .7)
Для разных состояний труб (новые, загрязненные, старые) при из-
менении диаметра от 0,10 до 0,15 м коэффициент изменяется в интер-
вале от 0,03 (для новых труб) до 0,04 (для старых труб).
Кроме потерь напора по длине необходимо учесть местные потери
^hM, обусловленные наличием в магистрали закруглений, кранов,
вентилей и т. д. Местные сопротивления находятся обычными методами.
Для подъема битума на высоту hn потребуется напор
м. (VI.8)
Таким образом, суммарный напор определится величиной
+ 2 >г„ + hn м. (VI.9)
Чтобы величину напора в м выразить в атм, нужно полученное зна-
чение разделить на 10. Для транспортирования битума применяются
трубы диаметром 75—100 мм.
Мощность двигателя, требуемая для работы насоса, находится по
формуле
N =__________ кет (VI 10)
102-1000ц ’ ’
где у — объемный вес битума; у — 1 кПл;
1] — к. п. д. трансмиссии от двигателя к насосу; ц = 0,8.
Насосная установка и вся система битумной коммуникации должны
обогреваться паром. В последнее время в ряде дорожных хозяйств исполь-
зуется также электрообогрев.
§ 36. МАШИНЫ ДЛЯ РОЗЛИВА БИТУМНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Битум, приготовленный в битумохранилище или битумоплазильне,
в дальнейшем направляется в смесительные или эмульсионные установки
или на трассу строящейся дороги. В первых случаях битум транспорти-
руется, как правило, по трубам, .а в последнем — в специальных транспорт-
ных средствах — битумовозах и гудронаторах, прицепляемых к тягачу.
Битумовоз состоит из цистерны для вяжущего материала, системы по-
догрева и насоса. В задней стенке цистерны вварены жаровые трубы.
Обогревается цистерна двумя стационарными керосиновыми горелками.
Битум в цистерну подается насосом из битумоплавильни или битумохра-
нилища. Нашей промышленностью выпускаются битумовозы с цистер-
нами емкостью 7000 и 15 000 л.
На трассе дороги битум используется при производстве работ мето-
дами пропитки, поверхностной обработки или смешения на месте. При
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ ОБЛЕГЧЕННОГО ТИПА 241
всех этих работах битум должен быть равномерно распределен по поверх-
ности каменного материала под давлением 2,5—6,0 атм. Розлив и равно-
мерное распределение битума также осуществляются гудронатором. Таким
образом, гудронаторы предназначаются для транспортирования битумных
материалов (битумы, эмульсии) на расстояния до 300 км и равномерного
распределения их по поверхности покрытия.
Равномерное распределение вязкого битума возможно лишь в случае,
если он находится в горячем состоянии, поэтому гудронаторы должны
иметь систему подогрева.
Гудронаторы разделяются на прицепные и самоходные (автогудрона-
торы). В зависимости от системы привода битумного насоса выпускаются
гудронаторы с приводом от двигателя автомобиля, на шасси которого смон-
тирован гудронатор, или с приводом от отдельного двигателя.
Норма розлива вяжущего материала при производстве указанных
работ изменяется от 0,5 до 13 л!м1. Ее можно регулировать путем изме-
нения поступательной скорости гудронатора или производительности
насоса. Действительно, величина нормы розлива qp выражается следую-
щей формулой:
qp = -^AlM\ (VI. 11)
где Пн — производительность насоса в л!мин\
v — поступательная скорость гудронатора в м/мин;
I — ширина розлива в м.
В гудронаторах с одним двигателем, который приводит не только
ходовое оборудование, но и насос, изменение скорости вызывает также
аналогичное по характеру изменение производительности насоса, что
не позволяет точно регулировать норму розлива. Применение двух дви-
гателей — одного для трансмиссии ходовой части и другого для привода
насоса — исключает этот недостаток.
В зависимости от назначения применяются гудронаторы с разной
емкостью бака. При использовании гудронаторов на дорожно-ремонтных
работах емкость цистерны не превышает 400 л, а в гудронаторах, предна-
значенных для дорожно-строительных работ, емкость цистерны прини-
мается от 3000 л и до 15 000—20 000 л.
Из автогудронаторов с одним двигателем в настоящее время наиболь-
шее распространение получил автогудронатор с цистерной емкостью
3600 л (рис. 138). Все агрегаты здесь монтируются на шасси автомобиля.
Цистерна 1 эллиптической формы выполнена из листовой стали и снаб-
жена термоизоляцией из стеклянной ваты слоем 30 мм, закрытой снаружи
металлическим кожухом. В верхней части цистерны имеется горловина 2
с фильтром, через которую производится наполнение цистерны битумом.
Внутри цистерны расположены жаровые трубы 4 и указатель уровня 3.
Наполнение цистерны битумом может производиться также насосом 7
автогудронатора через распределительную систему 5, имеющую
краны 6 и 8.
Схема распределительной системы автогудронатора приведена на
рис. 139. Система включает в себя насос шестеренчатого типа, один боль-
шой и два малых крана, циркуляционный и розливный трубопроводы
и распределительную трубу с соплами.
Установкой кранов в различные положения можно осуществить на-
полнение резервуара, внутреннюю циркуляцию вяжущего материала,
необходимую для перемешивания в процессе подогрева, и розлив его через
распределительную трубу.
242
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Насос установлен в задней части автогудронатора и приводится во
вращение от коробки передач через коробку отбора мощности. Коробка
отбора мощности имеет две передачи прямого хода и одну — обратного
хода. Это позволяет получить 8—10 ступеней норм розлива в пределах
0,5—7,0 л/м1. Ширину розлива можно менять от 1 до 7 м путем установки
сменных труб. Предусмотрено также ручное распределение битума гиб-
Вид а
Рис. 138. Автогудронатор Д-251
ким шлангом. Управление автогудронатора состоит из шести рычагов,
которыми осуществляется переключение большого и малого кранов,
подъем, а также поворот и смещение распределительных труб в сторону.
Система подогрева видна из схемы, приведенной на рис. 140. Она со-
стоит из топливного бака 6 емкостью 25 л, двух жаровых труб 2 с топочными
камерами, вытяжной трубы 1, предохранительного клапана 5, двух ста-
ционарных 3 и одной переносной 9 керосиновых горелок. В баке имеются
топливные фильтры 4. Топочные камеры расположены у входных отвер-
стий жаровых труб и выложены огнеупорным материалом. Подача керо-
сина к горелкам производится воздухом от ресивера 7 тормозной системы
автомобиля. К ресиверу воздух подается от компрессора 8. Производи-
тельность автогудронатора — 30 т/смену. Рабочие скорости движения
находятся в пределах 5—20 км!ч, а транспортная скорость достигает
65 км/ч.
МАШИНЫ и оборудование для покрытии ОБЛЕГЧЕННОГО типа
243
Рис. 139. Схема распределительной системы автогудронатора:
- наполнение; // — циркуляция; III — розлив в обе стороны; IV — розлив правый; V — розлив левый; VI — роз-
в ручным распределителем; VII — розлив с перепуском излишков битума в цистерну; VIII — отсос битума из рас-
пределительной системы; /X — перекачивание битума из емкости в емкость; X — опорожнение системы
244
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Автогудронаторы с отдельным двигателем для привода насоса вы-
пускаются нашей промышленностью с емкостью цистерн 5000 л. Для
привода насоса использован двигатель мощностью 30 л. с. В конструктив-
ном отношении этот автогудронатор мало отличается от автогудронаторов
емкостью 3600 л, его производительность составляет 22 т!смену. Рабо-
чие скорости находятся в пределах 4—25 км/ч, транспортная скорость
достигает 60 км/ч.
Прицепные гудронаторы имеют только распределительную систему
и насосную установку и, как правило, не имеют собственной цистерны
для вяжущего материала. Они присоединяются к автоцистернам и рас-
Рис. 140. Схема системы подогрева автогудронатора
пределяют находящуюся в них жидкость. Благодаря этому прицепные
распределители имеют малые габариты и малый вес и выгодно отли-
чаются от автогудронаторов в экономическом отношении, поскольку авто-
мобили-тягачи, работающие с ними, могут использоваться на других
работах, когда отсутствует надобность в распределении вяжущих мате-
риалов. Агрегаты прицепного гудронатора включают насосную установку
с двигателем мощностью 30 л. с. и распределительную систему и монти-
руются на одноосном автомобильном прицепе. В трансмиссии от двигателя
к насосу предусмотрены цилиндрический редуктор с двумя передачами
прямого вращения и одной — обратного, а также предохранительное
устройство, отключающее насос при перегрузке или попадании в него по-
стороннего предмета. Производительность насоса — 1470 л/.ип«.
Распределительная система позволяет осуществить все операции по
внутренней циркуляции и распределению вяжущего материала. Ширина
розлива при использовании распределительных труб разной длины может
меняться от 1 до 7 м с интервалами 0,5 м. Нормы розлива меняются от
0,55 л/мг до 7 лДи? при ширине розлива 7 м и до 10 л/м2 — при ширине
розлива 4 м. Разогрев битума, застывшего в битумной коммуникации
и распределительной системе, производится переносной керосиновой
горелкой.
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ ОБЛЕГЧЕННОГО ТИПА 245
Гудронатор работает совместно с автоцистерной емкостью 15 000 л.
Битумная коммуникация автоцистерны присоединяется к коммуникации
распределителя. Цистерна смонтирована на шасси двухосного полупри-
цепа и буксируется седельным автотягачом.
К автоцистерне придается подкатная тележка с дышлом, используе-
мая при буксировке автоцистерны трактором или тягачом, не имеющими
седельно-сцепного устройства. Для подогрева битума в цистерне имеются
две жаровые трубы и две стационарные керосиновые горелки. Керосин
в топливном баке находится под давлением воздуха от компрессора авто-
мобиля или ручного насоса, что необходимо при работе с тягачом, не имею-
щим пневмосистемы.
Производительность гудронаторов рассчиты-
вается по формуле
Пгидр = ^-л/ч, (VI. 12)
где Уц — полезная емкость цистерны, л;
k6 — коэффициент использования машины по времени; kg = 0,85;
Т — продолжительность одного рейса в ч.
Величина Т состоит из времени наполнения цистерны времени гру-
женого пробега /гР, времени холостого пробега Л. и времени розлива вяжу-
щего материала tp:
T=tH+tlp + tx-{-tp. (У1ЛЗ)
Мощность двигателя, необходимого для работы "насоса,
рассчитывается по формуле (VI.10). При расчете напора hc в формулу
(VI.9) необходимо ввести дополнительный член hp, учитывающий требуе-
мый напор (давление) жидкости при розливе (5—6 атм или 50—60 м вод.
ст.). Таким образом,
he = hw + 2 hM + hn + hp м. (VI. 14)
§ 37. МАШИНЫ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ДОРОЖНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
Наряду с применением битумов и дегтей в чистом виде в качестве вяжу-
щего материала при строительстве и ремонте дорожных покрытий имеет
место их использование также в эмульгированном виде, т. е. раздроблен-
ными в воде. Кроме вяжущего материала и воды в состав эмульсии входит
в небольшом количестве (1—2%) вещество, называемое эмульгатором,
которое предохраняет капельки от слияния. В качестве эмульгаторов
используются древесный деготь, бардяной концентрат, соапсток, стеарин,
асидол и другие продукты химического производства нефтяной промышлен-
ности и отходы рыбной промышленности.
В отличие от битумов и дегтей, применяемых в горячем состоянии,
эмульсии применяются в холодном виде. Это позволяет производить работы
с эмульсиями в холодную погоду и с влажным каменным материалом и тем
самым удлинить дорожно-строительный сезон и увеличить коэффициент
годового использования парка машин. Применение эмульсии в ряде слу-
чаев позволяет уменьшить расход вяжущего материала до 30—35%.
Для получения эмульсии применяются эмульсионные машины, назы-
ваемые в технической литературе гомогенизаторами, диспергаторами,
коллоидными мельницами, эмульсаторами и т. п. В дальнейшем эмуль-
сионные машины будем называть гомогенизаторами.
246
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
На рис. 141 показано устройство однороторного двухдискового гомо-
генизатора. Он состоит из чугунного корпуса с двумя боковыми крышками,
внутри которого покоится на подшипниках ротор с двумя дисками. На
одном диске имеются четыре радиальных выступа, выполняющих роль
перемешивающих и нагнетающих лопастей.
Внутренняя поверхность корпуса выполнена конической и имеет
одинаковую конусность с рабочими поверхностями дисков ротора. Регу-
лирование зазора между коническими поверхностями дисков и корпуса
Рис. 141. Однороторный двухдисковый гомогенизатор:
/ _ крышка; 2 — стопорная гайка; 3 — штурвал; 4 — регулировочная гайка; 5 — втулки;
6 — замок; 7 — стакан; 8 — приемный канал; 9, 13 — крышки корпуса; 10 — корпус; 11, 12 —
диски ротора; 14, 20 — кронштейны; 15 — патрубки; 16 — кожух; 17 — теплоизоляция; 18 — элек-
тронагреватели; 19 — лопасти; 21 — вал; 22 — стопор; 23 — винт
осуществляется специальным механизмом. При вращении штурвала про-
исходит осевое перемещение вала с ротором и благодаря конусности
поверхностей ротора и корпуса изменяется величина рабочего зазора
между ними. Величина зазора Л для данной конструкции механизма нахо-
дится по формуле
Х = (VI. 15)
где ф — угол поворота штурвала в град;
а — угол у основания конуса ротора в град',
s — шаг регулировочной гайки в мм.
В зависимости от размеров гомогенизатора угловая скорость ротора
изменяется от 3000 до 15 000 об!мин.
Эмульгируемые жидкости поступают по приемному каналу в левой
крышке внутрь машины и под действием центробежных сил вращающегося
ротора продавливаются с большой скоростью через зазор. Готовая эмуль-
сия вытекает из каналов, имеющихся в нижней части крышек корпуса.
В трехступенчатом гомогенизаторе конструкции Л. Л. Хотунцева
и В. С. Пушкина (рис. 142) на валу 10 шпонками 1 укреплены параллельно
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ ОБЛЕГЧЕННОГО ТИПА 247
248 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
три диска: один — с рифленой поверхностью 5 и два — с гладкими кони-
ческими поверхностями 6. На внутренней поверхности корпуса напротив
дисков укреплены три кольца: одно — с рифленой 24 и два — с кони-
ческой поверхностями 21. Между гладкими кольцами вставлены распор-
ные кольца 23, а между дисками — распорные кольца 9. В рабочем поло-
жении выступы рифленого диска входят в выточки рифленого кольца.
Рис. 143. Многощелевой гомогенизатор
На обоих гладких конических кольцах и на внутренней поверхности пра-
вой крышки корпуса укреплены перегородки 22, а на каждом из трех
дисков — по шесть нагнетательных лопаток 25.
Изменение ширины рабочего зазора между дисками и кольцами осу-
ществляется специальным регулировочным механизмом. Он состоит из
регулировочных гаек 14 и 15, установочной гайки 16, распорной втулки 13,
стопорной гайки 17, кольца со шкалой 18 и указателя 19. Вращением
гаек 14 и 15 поступательно перемещается втулка 11, а вместе с ней и диски.
Корпус 4 состоит из внутреннего 8 и наружного 7 цилиндров и кры-
шек 3. Внутреннее пространство в корпусе используется для пара, обо-
гревающего гомогенизатор. Ротор приводится во вращение электродви-
гателем мощностью 7 кет посредством клиноременной передачи 12. Про-
изводительность этого гомогенизатора — 3 т/ч.
Эмульгируемые жидкости, поступающие по приемному патрубку 2
внутрь машины, проходят три ступени эмульгирования — вначале про-
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ ОБЛЕГЧЕННОГО ТИПА 249
Рис. 144. Лопастная мешалка для битумных
эмульсий
давливаются через зазор между рифлеными поверхностями, а затем после-
довательно через оба зазора между гладкими коническими поверхностями.
Готовая эмульсия вытекает из патрубка 20.
Многоцелевой гомогенизатор конструкции В. В. Назарова отли-
чается от однороторного двухдискового гомогенизатора тем, что ротор
и статор (рис. 143) имеют несколько (3—5) концентрических конических
поверхностей, образующих соответствующее количество зазоров (щелей),
через которые проходят эмульгируемые жидкости. В зазоры жидкости
поступают через пазы в статоре,
ротора. Распределение жидкое!
диском. При вращении штур-
вала поступательно переме-
щается резьбовой стакан, а
вместе с ним и вал с ротором.
В результате изменяется вели-
чина зазоров. Вал приводится
во вращение электродвигате-
лем посредством клиноремен-
ной передачи. Мощность элек-
тродвигателя — 12 кет. Про-
изводительность гомогенера-
тора — 4 пг/ч.
На некоторых активных
эмульгаторах битумные эмуль-
сии могут быть получены и
в мешалке. Корпус ме-
шалки имеет коническое дно
и обогревательную рубашку
(рис. 144). На внутренней по-
верхности корпуса укреплены
две пары неподвижных лопа-
стей.
Перемешивающее устройство расположено внутри и состоит из четы-
рех пар лопастей, установленных под разными углами к плоскости вра-
щения. Лопастной вал вращается со скоростью 84 об/мин.
Пусковая мощность мешалки N равна сумме двух мощностей — рабо-
чей Np и инерционной Nu:
а готовая эмульсия вытекает из каналов
и по пазам осуществляется лопастным
N = Np+ Nu.
(VI.16)
Рабочая мощность затрачивается на преодоление сил трения жид-
костей, а инерционная —на преодоление сил инерции. Для расчета рабо-
чей мощности пользуются полуэмпирической формулой
/Vр (2 ( \ &
pu-D5 \ ц / ’
(VI. 17)
где Np — рабочая мощность в кГм'сек’,
р — динамическая вязкость жидкости в кГ•сек/м?',
р — плотность жидкости в кГ -секЧм*-,
w — угловая скорость в 1/сек;
D — размах лопастей в м.
Для четырехлопастных мешалок в зависимости от угла наклона ло-
пастей величина С изменяется в интервале 4,4—8,5, а показатель степени а
Равен 0,2.
250
МАШИНЫ и оборудование для дорожных покрытий
Инерционная мощность для одной лопасти рассчитывается по формуле
(2 л)3
N. =-------& ' кГм/сек, (VI. 18)
где 1гл — высота лопасти в м.
Для пары лопастей эту величину нужно удвоить, тогда окончательно
будем иметь:
V.2, = 3,87£)4 n3phA кГм/сек. (VI.19)
При большем количестве нар лопастей в мешалке эта мощность соот-
ветственно увеличивается.
Пусковая мощность может в 2—3 раза превосходить рабочую мощ-
ность.
При значительных скоростях вращения вследствие образования
воронки в жидкости могут обнажиться верхние лопасти или, наоборот,часть
жидкости может выплеснуться из мешалки.
Первое требование — чтобы не обнажились верхние лопасти — вы-
полняется, если
К----~-^h0M, (VI.20)
а второе требование — чтобы жидкость не выплеснулась — выполняется,
если
м> (VL21)
где hc — высота уровня жидкости в сосуде в м;
h0 — расстояние от дна сосуда до верхнего края лопасти в м;
Н — высота сосуда в ж;
R. — радиус сосуда в м;
со — угловая скорость мешалки в 1/сек;
g — ускорение силы тяжести в м/сек*.
Производительность мешалки Пм находится по формуле
Пм = Етзмсж т/ц, (у1 22)
где V — объем одной порции в лг;
у — удельный вес жидкости в т/м3;
ke — коэффициент использования мешалки во времени;
Т — продолжительность цикла в сек.
Т = И + /2 + t3 сек,
где Н — время подачи материалов в мешалку в сек;
— время перемешивания в сек;
t3 — время опорожнения мешалки в сек.
Пневматическое эмульгирование (барботи-
рование) осуществляется в открытом баке, на дне которого располо-
жены трубы с отверстиями. Воздух (или пар), выходящий из отверстий,
поднимается кверху и увлекает за собой капельки жидкости. Для лучшего
перемешивания отверстия в трубах размещают по винтовой линии. Диа-
метр отверстий — 3—6 мм. Трубы располагаются строго горизонтально,
чтобы воздух (или пар), выходящий из отверстий, преодолевал одинаковое
гидравлическое сопротивление. Давление воздуха должно быть достаточ-
ным, чтобы создать нужный напор в трубопроводе для преодоления сопро-
МАШИНЫ и оборудование для покрытий облегченного ТИПА 25!
тивления трения и гидростатического сопротивления столба эмульги-
руемых жидкостей в баке.
Ориентировочно давление воздуха можно рассчитать по формуле
Р 1,2йср1О-4 кПсм\ (VI.23)
где hc — высота слоя жидкости в баке в м:
у — удельный вес воздуха в кПм3.
Расход воздуха определяется по формуле
V = KFP м:,1ч, (VI.24)
где F — свободная поверхность бака в м2\
К — опытный коэффициент, равный 50.
Ориентировочно расход воздуха составляет 0,8 мЧмин на 1 мг по-
верхности бака.
Кроме эмульсионной машины для производства эмульсий требуется
вспомогательное оборудование. Весь комплект оборудования для произ-
водства эмульсий входит в состав эмульсионной установки
(рис. 145).
Обезвоживание и подогрев битума осуществляются в обычных битумо-
плавильных котлах 4. Для приготовления эмульгатора предусмотрены
котлы 2 с мешалками и паровым обогревом. Для подачи в котлы вязкого
эмульгатора используется шнеколопастной насос 1. У котлов установлены
дозаторы для эмульгатора и водного раствора едкого натра. Извлечение
кристаллического едкого натра из металлических бочек осуществляется
при помощи пара. При этом бочка устанавливается разгрузочным отвер-
стием над горловиной одного из резервуаров 7, и в отверстие через сопло
подается струя пара. Резервуары 7 служат для хранения водного рйствора
едкого натра. В состав установки входят также гомогенизатор 5, резер-
вуары с перемешивающим устройством для водного раствора эмульга-
тора 3, резервуары для эмульсии 6 и водоумягчительное оборудование 8.
Приготовление эмульсий осуществляется следующим образом. Эмуль-
гатор, приготовленный в котлах, разбавляется водой и перекачивается
насосом в резервуары 3, где он подогревается до температуры 70—80° С.
Из этих резервуаров водный раствор эмульгатора самотеком поступает
в гомогенизатор 5. Сюда же одновременно поступает из битумоплавильни
битум с температурой 140—150° С. Готовая эмульсия вытекает непрерыв-
ным потоком из гомогенизатора в резервуары 6 для хранения и оттуда
отпускается потребителю. Концентрация битума в эмульсии регулируется
изменением величины струй.
Приготовление дорожных эмульсий может осуществляться при помощи
акустического вибратора (рис. 146). Здесь в состав комплекта оборудова-
ния входят насос 2 с электродвигателем /, помещенный в рабочий бак 6,
вибратор 8, резервуар для эмульсий 9, всасывающий 3 и нагнетательный 4
трубопроводы с контрольным манометром 5. Для возбуждения колебаний
в жидкости используется гидродинамический вибратор. Он состоит из
штуцера, сопла и вибрирующей пластины с заостренным краем. Пластина
зажата между двумя стойками, а заостренный край находится на расстоя-
нии 3 мм от щели сопла. Рабочая величина щели — 1,5—2 мм. Струя
жидкости, выходящая из сопла под давлением, вызывает колебания за-
крепленной пластины.
Битум и водный раствор эмульгатора, нагретые до рабочей темпера-
туры, подаются в нужной пропорции в рабочий бак. Уровень жидкостей
в баке должен быть таким, чтобы вибратор оказался погруженным в жид-
кость. Затем включается насос, и жидкости под давлением 6—8 ашм
252
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Рис. 145. Принципиальная схема эмульсионной установки
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ для покрытий ОБЛЕГЧЕННОГО ТИПА 253
подаются через сетчатый фильтр 7 к вибратору. Пройдя через вибратор,
жидкости вновь возвращаются в бак. Непрерывная циркуляция продол-
жается до тех пор, пока в рабочем баке не образуется эмульсия. Продол-
жительность цикла составляет примерно 10 мин. Готовая эмульсия пере-
качивается насосом из рабочего бака в резервуар.
Гидродинамический вибратор работает эффективно, если он настроен
в резонанс, т. е. когда частота собственных колебаний пластины совпа-
дает с частотой вынужденных колебаний.
Рис. 146. Акустическая эмульсионная установка
Частота вынужденных колебаний пластины определяется по формуле
fs = , (VI.25)
где hK — расстояние между соплом и заостренным краем пластины;
и — скорость истечения жидкостей.
Здесь
и = 7^, (VI.26)
где Vc — объем жидкостей, протекающих за время 1С;
sc — поперечное сечение щели сопла.
Собственная частота колебаний пластины при консольном креплении
находится по формуле
г = 1/ £_ (VI.27)
с 2 К12 г Р ’
где dn — толщина пластины;
I — длина пластины;
Е — модуль упругости;
р — плотность.
Акустическая мощность вибратора находится по формуле
IV = 981 • 10’4РVc вт, (VI.28)
где Р — давление жидкости в атм;
Vc — объем жидкости, проходящей через сопло, в смЧсек.
254
МАШИНЫ и ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
§ 38. МАШИНЫ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Строительство покрытий связано с большими объемами работ по рас-
пределению строительных материалов. Для механизации распределения
дорожно-строительных материалов при строительстве современных до-
рожных покрытий применяются специальные машины. К ним относятся
распределители песка, цемента, щебня и гравия и распределители вы-
севок. При отсутствии специальных машин распределение каменных мате-
риалов производится автогрейдерами и иногда бульдозерами. Однако
при этом имеет место низкое качество работ и кроме того значительно
повышается их трудоемкость.
Распределители являются составной частью комплекта машин, пред-
назначенных для строительства дорожного полотна. Качество дорожного
покрытия в значительной мере зависит от качества распределения мате-
риалов. Особое значение имеет распределение материала слоем заданной
толщины.
К машинам для распределения предъявляются следующие основные
требования:
1) материал должен распределяться равномерным слоем по всей
ширине полосы;
2) производительность распределителя должна соответствовать об-
щей производительности комплекта машин по строительству дорожного
покрытия;
3) емкость приемных устройств должна соответствовать грузоподъ-
емности транспортных средств;
4) управление машиной должно быть механизировано и по возмож-
ности автоматизировано;
5) распределители должны обеспечивать создание требуемого профиля
дорожного покрытия и его продольного уклона;
6) при укладке слоя должен быть обеспечен необходимый припуск
по толщине слоя с учетом его окончательного уплотнения специальными
средствами.
Для укладки щебеночных и гравийных материалов могут быть исполь-
зованы асфальтоукладчики и распределители цементно-бетонной смеси.
Однако такое их использование не является рентабельным, поэтому для
этих целей применяются специальные машины, предназначенные для
равномерного распределения каменных материалов при строительстве
щебеночных и гравийных дорожных оснований и покрытий дорог, а также
для ремонтных работ. В некоторых случаях одновременно с распределе-
нием материала предусматривается его предварительное уплотнение.
Укладчики щебня должны обеспечивать получение слоя необходимой
толщины и ширины, а также требуемую ровность поверхности уклады-
ваемого слоя.
Укладчики могут быть навесными, прицепными и самоходными. Навес-
ные укладчики представляют собой бункер, который подвешивается
к кузову самосвала. Прицепные укладчики рассчитываются на совместную
работу с автосамосвалами, тракторами и автогрейдерами. По конструкции
ходовой части прицепные укладчики подразделяются на ползунковые,
где в качестве ходового оборудования служат лыжи (полозья), и колес-
ные. Прицепные укладчики снабжаются щелевым, шнековым или тарель-
чатым распределительным органом.
Навесные и прицепные укладчики используются на работах сравни-
тельно небольшого объема. Наличие большого сопротивления перемеще-
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ ОБЛЕГЧЕННОГО ТИПА
255
256 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИИ
Конструкция самоходного укладчика
ставлена на рис. 147. Щебень или гравий
Рис. 148. Навесной распределитель каменной ме-
лочи в рабочем положении:
1 — приводной ролик; 2 — натяжное устройство; 3 —
бункер; 4 — винтовой зажим; 5 — заслонка с механиз-
мом управления; 6 — барабан питателя; 7 — цепная
передача привода; 8 — редуктор; 9 — кузов самосвала
нию часто приводит к буксованию тягача и порче подстилающего слоя.
Большим недостатком этих укладчиков является плохая маневренность
и подача к ним каменного материала только с одной стороны.
Самоходные укладчики обычно снабжаются гусеничным ходом. Они
являются наиболее эффективными, обеспечивают высокое качество рас-
пределения и поэтому применяются при производстве больших объемов
работ. Их технологическая схема аналогична схеме асфальтоукладчиков,
на гусеничном ходу пред-
из транспортных средств по-
ступает в приемный бункер 2,
откуда самотеком распреде-
ляется по полотну дороги.
Для регулировки толщины
укладываемого слоя уста-
навливаются регулирующие
заслонки. Некоторые рас-
пределители снабжаются
разравнивающим брусом 5.
В качестве уплотняющего
органа используется трамбу-
ющая или вибрационная
плита /, имеющая механизм
привода 4. Рабочие органы
по аналогии с асфальтоуклад-
чиками устанавливаются на
специальной раме, шарнирно
соединенной с основной ра-
мой укладчика. Привод
укладчика осуществляется от
двигателя внутреннего сго-
рания 3.
Нашей промышленно-
стью выпускается самоход-
ный щебнеукладчик на гу-
сеничном ходу, который
уплотнение слоя материала
толщиной от 20 до 250 мм при ширине полосы в 3,1 и 3,6 м. Он выпол-
няется в двух конструктивных вариантах. В первом исполнении (см.
рис. 147) укладчик загружается со стороны уложенного и уплотнен-
ного слоя и используется при строительстве щебеночных или гравийных
оснований дорог на песчаном подстилающем слое. Во втором исполнении
машины загрузка бункера производится со стороны подготовленного
основания. Такая конструкция применяется при строительстве щебеноч-
ных и гравийных дорог на твердом основании. В этом случае распреде-
литель может использоваться для распределения и уплотнения черного
щебня и черных смесей.
Укладчик оборудован разравнивающим брусом плужного типа с боко-
выми ограничителями, которые служат для установки ширины полосы
распределения. Предварительное уплотнение материала осуществляется
виброплитами. Машина позволяет получать как горизонтальный, так
и односкатный поперечный профиль.
Для распределения каменной мелочи размером 3—15 мм исполь-
зуются специальные распределители. Они выполняются главным образом
в виде навесного сменного оборудования, рассчитанного на работу с само-
обеспечивает укладку и предварительное
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ ОБЛЕГЧЕННОГО ТИПА 257
Рис. 149. Принципиальная схе-
ма распределительного устрой-
ства дозатора цемента
ходными шасси, тягачами, автопогрузчиками и автосамосвалами. Дози-
рование распределяемого материала осуществляется с помощью регули-
руемой выходной щели или распределительного валика. Для ликвидации
зависания смеси в бункере часто применяются специальные устройства —-
побудители.
Производительность современных самоходных распределителей дости-
гает 400 т/ч. Некоторые распределители снабжаются грохотами для отсева
крупных частиц материала.
Отечественной промышленностью выпускается навесной распреде-
литель Д-336 (рис. 148), представляющий собой бункер, подвешенный
к кузову самосвала. Роторный питатель, установленный в нижней части
бункера, приводится во вращение от заднего
колеса самосвала.
При устройстве дорожных оснований
из укрепленных грунтов возникает необхо-
димость в дозировании и распределении
цемента. Для этой цели служат специальные
распределители (дозаторы), принимающие
цемент из транспортных средств и распреде-
ляющие его в предварительно разрыхленный
грунт. Распределители цемента выпускаются
навесными, прицепными и самоходными как
на гусеничном, так и на колесном ходу.
Распределительное устройство этих
машин (рис. 149) состоит из шнекового или
роторного дозатора, представляющего собой
вал 4 с резиновыми лопастями 3, и сошни-
ков 5. Приемный бункер 1 оборудован воро-
шителем 2. Для приема цемента из цементо-
возов с пневматической разгрузкой распре-
делители оборудуются приемником, снабжен-
ным фильтрами.
Прицепные распределители перемещаются гусеничными или колес-
ными тягачами с ходоуменьшителем. Полуприцепные и самоходные рас-
пределители имеют рабочую скорость передвижения не более 500—900 м/ч.
Привод дозатора осуществляется от самостоятельного двигателя,
двигателя тягача или шасси. Применение гидропривода позволяет регу-
лировать норму распределения независимо от скорости перемещения
машины.
Отечественной промышленностью выпускается распределитель цемента
Д-343Б в виде прицепной машины к трактору ДТ-54АС с ходоумень-
шителем. При ширине распределения 2,45 м производительность машины
составляет 400 мЧч.
§ 39. МАШИНЫ ДЛЯ ПОСТРОЙКИ ПОКРЫТИЙ
ПО МЕТОДУ СМЕШЕНИЯ НА ДОРОГЕ
В дорожном строительстве дорожные основания и покрытия часто
устраиваются методом смешения материалов. При этом обработка грун-
тов, а также гравийных и щебеночных материалов производится как
органическими вяжущими материалами (битум, деготь, битумные эмуль-
сии), так и неорганическими вяжущими материалами (цемент, известь).
В настоящее время особенно широко стал применяться метод укрепления
грунтов цементами, в результате чего грунты приобретают водостойкость,
морозоустойчивость и достаточную механическую прочность.
9 н. Я. Хархута и др.
258
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ для ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Для измельчения грунта, распределения вяжущего материала и пере-
мешивания его с грунтом применяются специальные машины и установки, 1
В результате перемешивания должна быть получена однородная по своему 1
составу смесь. , 3
При постройке оснований и покрытий применяются следующие спо- j
собы перемешивания: j
1. Способ смешения на дороге, при котором материалы перемеши- 1
ваются непосредственно на полотне дороги последовательными проходами i
смесительных машин; некоторые материалы еще до начала работ уклады- j
ваются по ширине проезжей части или в виде валика по оси дороги. 1
2. Способ смешения в передвижной установке. Здесь грунт или |
гравий, предварительно уложенный на
агрегатом в движущееся смесительное
дороге, подается специальным 1
устройство, где он и смеши- J
вается с вяжущими материа- 1
лами. I
Наиболее однородными по- |
лучаются смеси при смешении ^я
в стационарных установках, |
Вместе с тем наименьшую стой- 1
мость имеют те основания й 1
покрытия, которые построены 1
методом смешения на дороге, «
При работах по способу смете- '
ния на дороге распределение >
неорганических вяжущих мате- ;-
риалов производится распреде-
лителями цемента. 1
лесителями следующих типов:
Рис. 150. Схема к расчету мощности при ра-
боте фрезы
Смешение может производиться
ножевыми, фрезерными, лопастными и барабанными. Ножевые и фрезер-
ные мешалки используются при смешении грунтов и гравийных материалов
непосредственно на дороге. Лопастные и барабанные мешалки применяются
в передвижных и стационарных установках. Рабочими органами ножевых
смесителей является ряд ножей, установленных в такой последователь-
ности, чтобы обеспечить многократные перемещения материала при про-
ходе машины. Ножи устанавливаются попарно с таким расчетом, чтобы
их первая пара раздвигала валик материала, а вторая пара снова соби-
рала его в валик на оси дороги. Необходимое число проходов машины для
полного перемешивания материала обычно составляет 20—30.
Более эффективным рабочим органом является фреза. Фреза пред-
ставляет собой вал с коготками для измельчения грунта (рис. 150, а).
Движение фрезы является сложным, состоящим из вращения когот-
ков относительно оси барабана с окружной скоростью voKp в
см/сек и поступательного движения оси барабана вместе со
всей машиной со скоростью vmp в см/сек. При работе фрезы с принуди-
тельным вращением барабана в сторону поступательного движения
(рис. 150,6) при v0Kp > vmp величина подачи s равна
s===60V^ VI29)
пгс '
где гс — количество коготков фрезы;
п — число оборотов барабана фрезы в мин.
Из формулы (VI.29) следует, что чем меньше отношение -^(т. е.
Л \ УокР /
тем меньше подача, т. е. толщина стружки. При постоянной vmp толщина
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ ОБЛЕГЧЕННОГО ТИПА 259
стружки уменьшается с увеличением числа оборотов барабана и установ-
кой на фрезе большего количества коготков. Толщина стружки также
уменьшается с понижением поступательной скорости. На некоторых
фрезах предусмотрена возможность изменения числа коготков, что позво-
ляет в лучшей мере измельчать и смешивать различные грунты.
Необходимая для работы фрезы мощность двигателя может быть
рассчитана по методу А. Д. Далина. Мощность затрачивается на
резание грунта, отбрасывание его в сторону, на подталкивание фрезы, на
преодоление сил трения и на вращение барабана.
Основная часть мощности расходуется на резание грунта:
к$£тр л. с., (VI.30)
где b — ширина фрезеруемой полосы в см;
h — глубина рыхления в см;
vmp — скорость поступательного движения машины в м1сек;
к0 — удельное сопротивление грунта резанию в кПсмг.
Удельное сопротивление грунта резанию зависит от размеров стружки,
скорости.резания, а также от вида и состояния грунта. При расчетах можно
принимать следующие значения этого сопротивления:
Для грунтов I категории ...............к0=О,7—0,8 кГ!слР
» » II » ...............к0=1,3—1,4 »
» » III » .................к0=2—2,2 кГ/см2
При фрезеровании предварительно разрыхленного грунта эти значения
уменьшаются на 15—20%.
Мощность, расходуемая на отбрасывание грунта, может быть найдена
по формуле
= ЙЙ-л с ’ <VL31)
где кот — коэффициент отбрасывания, принимаемый равным 0,75 для
узких коготков и 1,0 — для широких;
vpe3 — скорость резания в см/сек;
т — масса отбрасываемого за одну секунду грунта в кГ-сек2/см.
Скорость резания равна
ирез — Vqkp — Vmp CM.CCK.
При фрезах, режущих сверху вниз, принимается знак минус. Масса т
может быть найдена как
bhvmpf> кГ-сек"
~~ g см ’
где 6-— объемный вес грунта в кГ!см3;
g — ускорение силы тяжести в см/сек2.
Мощность, расходуемая на подталкивание фрезы, т. е. на ее пере-
мещение, находится по следующей эмпирической формуле:
*1 (N i Ns) Утр с
(VI. 32)
где Kt — коэффициент, равный 0,15—0,20.
260 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
На преодоление сил трения обычно расходуется 3—5% от общей
мощности, поэтому суммарная мощность может быть найдена как
1 0е»
v .\:.i Ж с., (VI.33)
где 1] — к. п. д. передач, равный 0,95.
Для определения полной мощности фрезерной машины необходимо
еще учесть те сопротивления, которые связаны с ее перемещением как
тележки.
Производительность фрезы может быть определена по следующей фор-
муле:
Л = мЧч, (VI.34)
где b — ширина обрабатываемой полосы в м\
vmp — поступательная скорость движения фрезы в .и/ч;
а — коэффициент перекрытия проходов, принимаемый равным 0,1;
кв—коэффициент использования во времени; к6 — 0,80-^0,85;
п — число проходов по одному следу; обычно п = 4-еб.
Дорожные фрезы выпускаются как прицепными, так и навесными
к трактору или автогрейдеру.
К конструкции дорожных фрез предъявляются следующие общие
требования:
1. Мощность двигателя должна обеспечивать нормальную работу
фрезы по измельчению тяжелых грунтов на глубину не менее 20 см.
2. Ротор (плавающего типа) должен легко монтироваться и демонти-
роваться; коготки (лопатки), как наиболее изнашивающиеся детали,
должны изготовляться из специальных сталей и крепиться к кронштей-
нам, что позволяет быстро их заменять при износе. Коготки лучше рас-
полагать на валу по спирали, тогда в действии будут постоянно находиться
несколько режущих коготков, что исключает вибрацию машины даже
при значительных нагрузках.
3. Фрезы должны оснащаться распределительной системой для дози-
рования воды и вяжущего материала, а также соответствующими контроль-
ными приборами.
Наиболее эффективны фрезы, смонтированные на специальном корот-
кобазовом тракторе-тягаче, имеющем скорость перемещения 60—100 м/ч.
Основным недостатком дорожных фрез является необходимость
в большом количестве проходов, что снижает качество получаемой смеси
и производительность. Более перспективными являются специальные
фрезосмесительные машины, которые за один проход осуществляют,
рыхление и размельчение грунта, дозировку и распределение вяжущего4
материала и воды, а также смешение и предварительное уплотнение
смеси. :
В настоящее время имеются следующие грунтосмесительные
машины.
1. Машины для смешения гравийных и щебеночных материалов
с органическим вяжущим. Здесь минеральный материал, уложенный ва,г
ликом на полотне дороги, специальным погрузчиком подается в мешалку,
где он перемешивается с битумом. Далее смесь снова укладывается на
дорогу. Такие машины могут быть смонтированными на общем ходу или же
состоять из двух (рис. 151) или трех агрегатов. В последнем случае каждый
агрегат выполняет одну из рабочих операций. Каждый агрегат имеет cbqq
ходовое устройство, а погрузчик выполняется самоходным и служит тяга-!
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ ОБЛЕГЧЕННОГО ТИПА 261
чом для всего комплекса машин. Готовая смесь разравнивается автогрей-
дером и затем уплотняется.
2. Машины для смешения грунта и песчано-гравийных материалов
непосредственно на полотне дороги. Грунтосмесительные машины подоб-
ного типа осуществляют все операции без подъема материала. Такие
машины обычно выпускаются самоходными как на пневматическом, так
Рис. 151. Схема смесителя Д-270 с погрузчиком Д-415:
1 — валик материала; 2 — элеватор для минерального материала погрузчика;
,? _ приемный бункер смесителя; 4 — регулирующая заслонка бункера; 5 — питатель;
6 — битумный бак; 7 — дозирующее устройство с подводящей трубой; Я — двухвальная
лопастная мешалка; 9 — валик готовой смеси
и на гусеничном ходу. Схема такой машины на пневмоходу представлена
на рис. 152. Ее рабочие органы состоят из четырех фрезерных и смеситель-
ных роторов. Первый ротор с винтовыми коготками-лопатками предна-
значен для грубого рыхления грунта, второй ротор с нормальными фре-
зерными лопатками служит для окончательного рыхления грунта. Третий
и четвертый роторы со смесительными лопатками предназначены для
Рис. 152. Схема самоходной грунтосмесительной машины Д-391А:
/ — рычаги управления; 2 — двигатель; 3 — цистерна; 4 — система управле-
ния задними колесами; 5 — задние управляемые колеса-уплотнители; 6 — слой
укрепленного грунта; 7 — гидросистема подъема задней части рамы рабочих органов;
4 — кожух с разравнивающей задней стенкой; 9 — двухвальная мешалка; 10 — меха-
уи-’м привода рабочих органов; // — фреза; 12 — рыхлитель; 13 — гидросистема
подъема передней части рамы рабочих органов; 14 — передние ведущие колеса
перемешивания массы. Задняя стенка кожуха, расположенная за послед-
ним ротором, регулирует по высоте и разравнивает выходящую массу.
Подкатка массы производится задними управляемыми пневмоколесами.
При работе с цементом машину обслуживает автоцементовоз и автоцистерна
Для воды, а при работе с битумом — автоцистерна для воды и автогуд-
ронатор.
Мощность двигателя такой самоходной грунтосмесительной машины
расходуется на перемещение самой машины, работу рыхлителя первич-
ного резания грунта, работу фрезы окончательного рыхления грунта,
работу двухвальной лопастной мешалки и работу битумного и водяного
насосов.
262
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Мощность двигателя, необходимая для перемещения грунтосмеси-
тельной машины, определяется обычным методом. Найденная таким обра-
зом мощность должна быть проверена на возможность ее реализации по
сцепному весу. Мощности, затрачиваемые на работу фрез, находятся по
приведенному выше методу А. Д. Далина. Мощность, затрачивае-
мая на работу лопастной мешалки, может быть определена по эмпириче-
ской формуле И. П. Керова, полученной им на основе опытных данных:
N, = 0,0480 л. с., (VI.35)
где G — вес грунта, находящегося между лопастями роторов мешалки,
в кг.
Производительность машины может быть определена по формуле
(VI.28), при этом п = 1.
Литература
1. Кантарович 3. Б. Основы расчета химических машин и аппаратов. М.,
Машгиз, 1962.
2. Ник и шина М. Ф., Э в е н т о в И. М. и др. Дорожные эмульсии. М.,
изд-во «Транспорт», 1964.
3. П и конский Я. М., Полосин-Никитин С. М., В о щ и н и н Н. П.,
Баловнев В. Н. Дорожные машины и оборудование. М., Машгиз, 1960.
4. Эвентов И. М. и Назаров В. В. Эмульсионные машины и установки.
М.—Л., изд-во «Машиностроение», 1964.
5. Киселев Г1. Г. Справочник по гидравлическим расчетам. М.—Л., Госэнерго-
издат, 1957.
Глава VII. МАШИНЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
§ 40. КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ.
АСФАЛЬТОБЕТОННЫЕ ЗАВОДЫ
Асфальтобетонные покрытия являются наиболее распро'
страненным видом усовершенствованных дорожных покрытий капиталь-
ного типа. Для приготовления асфальтобетонных смесей, из которых стро-
ятся покрытия, применяются специальные асфальтосмесители. Асфальто-
бетонная смесь состоит из минерального материала (щебня, песка, порошка)
и вяжущего материала (битума или дегтя). В случае, если щебень заме-
няется гравийным материалом, такая смесь называется уже не асфаль-
тобетоном, а черной гравийной смесью.
Для получения качественной смеси требуется точное дозирование
исходных материалов, строгое соблюдение температурного режима, тех-
нологии работ и тщательное перемешивание минеральных материалов
с вяжущими. Поэтому на всех асфальтосмесителях, независимо от типа
и конструкции, имеются сушильное и смесительное оборудование, транс-
портные приспособления и контрольные приборы и на большинстве
асфальтосмесителей — дозаторы.
Асфальтобетонные смесители выпускаются производительностью от 3
до 250 т!ч и более. По производительности они подразделяются на сме-
сители малой производительности (до 15 т/ч), смесители средней произ-
водительности (до 60 т/ч) и смесители большой производительности (до 100
и более т!ч).
Смесители малой производительности используются на работах по
ремонту покрытий автомобильных дорог и являются большей частью
передвижными. Смесители средней и большой производительности выпу-
скаются полустационарные и стационарные. Полустационарные смесители
эксплуатируются обычно на одном месте 2—3 года, а затем демонтируются
и перевозятся на новый строительный объект. Стационарные смесители
используются на постоянно действующих асфальтобетонных заводах.
В зависимости от характера размещения агрегатов смесители разде-
ляются на два типа: башенный и партерный. В смесителях башенного типа
все агрегаты располагаются по технологической линии один под другим
и исходные материалы, поднятые наверх, далее в процессе производства
перемещаются вниз под действием силы тяжести.
В смесителях партерного типа все агрегаты размещаются не по верти-
кали, а по площади и обрабатываемые материалы от одного агрегата к дру-
гому подаются транспортными средствами (транспортерами, элеваторами,
шнеками и т. п.).
264
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Кроме указанной классификации, асфальтосмесители разделяются
по технологической схеме на две группы; смесители со свободным пере-
мешиванием и смесители с принудительным перемешиванием. Каждая из
этих групп может состоять из смесителей
Рис. 153. Общий вид смесителя со свободным пе-
ремети ванием
периодического и непрерыв-
ного действия. В смесителях
периодического действия при-
готавливается определенный
по весу замес и время пере-
мешивания ничем не ограни-
чено. При этом для приго-
товления смесей различного
состава не требуется каких-
либо перестановок элементов
смесителя.
В смесителях непрерыв-
ного действия приготовление
смесей различного состава
связано с необходимостью
перестановки лопастей. Кроме
того, время перемешивания
ся перестраивать дозаторы. Смесители
ограничено.
Для приготовления но-
вого состава смеси приходит-
непрерывного действия целесо-
образно использовать в условиях, где не приходится часто изменять со-
став смеси. Достоинством этих смесителей является стабильность состава
приготавливаемой в них смеси. В этих смесителях, как правило, авто-
матизированы все элементы технологического процесса.
Рис. 154. Разрез смесителя со свободным перемешиванием
Смесители периодического действия со свободным перемешиванием
промышленностью в настоящее время не изготовляются, однако они в боль-
шом количестве имеются в дорожном хозяйстве.
Смесители со свободным перемешиванием (рис. 153) в основном исполь-
зуются для приготовления крупнозернистых смесей. Разрез такого сме-
сителя представлен на рис. 154. Он состоит из цилиндрического вращаю-
щегося барабана, разделенного внутри перегородкой 3 на две части:
сушильную 1 и смесительную 2. Барабан опирается кольцевыми бандажами
МАШИНЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ 265
на ролики, закрепленные на раме. В торцовой стенке сушильной части
имеется отверстие, используемое как для топки, так и для загрузочного
бункера. Из бункера в барабан поступает минеральный материал. Внутри
барабана имеется шнек 4, который продвигает материал к смесительной
части барабана, а приваренные к шнеку отгребные ковши 5 отбрасывают
материал обратно. При помощи имеющихся элеваторных лопастей 6 высу-
шенный и нагретый материал сбрасывается на перепускной лоток и посту-
пает в смесительную часть. На внутренней смесительной части барабана
имеются перемешивающие лопасти 7 и шнек 8, передвигающий материал
к выпускному отверстию, расположенному в торце барабана. У торцовой
стенки имеются, как и в сушильной части барабана, элеваторные лопасти,
подающие приготовленную смесь на выпускной лоток.
Топка представляет металлический полый барабан, выложенный
внутри огнеупорным кирпичом. В топке расположена форсунка.
В загрузочный бункер дозированные вне машины минеральные мате-
риалы подаются элеватором, скиповым подъемником или ленточным транс-
портером.
В сушильной части материалы высушиваются и обогреваются горя-
чими газами, поступающими из топки. Здесь применен прямоточный метод
обогрева, т. е. направления движения газов и материалов совпадают.
Подача порции битума производится самотеком из битумного ковша через
трубу с отверстиями, расположенную внутри смесительной части барабана.
Рабочая температура битума составляет 160—180° С, вес одного замеса —
2,5—3,0 т. Продолжительность перемешивания равна 10—15 мин, произ-
водительность смесителя составляет 12—15 т/ч.
Основными недостатками смесителей этого типа являются:
1) пониженное качество перемешивания материала;
2) выдувание потоком газов минерального порошка, что нарушает
состав смеси;
3) прямоточная система подогрева;
4) отсутствие точной дозировки материалов.
Иногда для уменьшения потерь минерального порошка, которые состав-
ляют около 10%, его подают шнеком непосредственно в смесительную
часть.
К числу машин периодического действия, имеющих принудительное
перемешивание, относятся смесители производительностью 25—30 тч
(рис. 155) и производительностью 8—10 т/ч. (рис. 157).
В смесителе, представленном на рис. 155, смесительный агрегат
отделен от сушильного барабана. Песок и щебень поступают на двухсек-
ционный качающийся питатель, а отсюда — на холодный элеватор,
который подает эти материалы в сушильный барабан. Барабан цилиндри-
ческой формы диаметром 1,2 л и длиной 4,8 л вращается со скоростью
12 об/мин. Топка расположена со стороны разгрузочного отверстия бара-
бана, и горячие газы движутся навстречу движению материалов. Таким
образом, здесь осуществлен более эффективный противоточный метод
обогрева. Ускорению сушки способствуют также имеющиеся внутри
барабана лопасти, часть которых расположена параллельно, а другая
часть — под углом к оси барабана. Из сушильного барабана материалы,
нагретые до 225—250° С, поступают на горячий элеватор 1, который подает
их на грохот 2. Отсортированные на грохоте на три фракции материалы
поступают в соответствующие секции бункера 3. В четвертую секцию
бункера по специальному элеватору 4 подается минеральный порошок.
Под бункером находится весовой дозатор 5, после которого материалы
в нужных количествах поступают в лопастную мешалку 6. Битум,
266
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
нагретый до температуры 160—180° С, взвешивают на битумных весах
и по битумной системе 8 подают насосом в мешалку. На смесителе
имеется также пылеулавливающая установка. Все агрегаты смонтиро-
ваны на общей раме 7.
Каменный материал перемешивается вначале без битума в течение
10—20 сек, а затем — с битумом до получения качественной смеси. Время
перемешивания одного замеса весом 600 кГ составляет около 1,5 мин.
Температура смеси равна 130—160° С.
Рис. 155. Асфальтосмеситель периодического действия производительностью
25—30 т!ч
Устройство лопастной мешалки показано на рис. 156. Она состоит из
сварного корыта, внутри которого укреплены два вала, несущих на себе
лопасти. Внутренняя рабочая поверхность корыта оборудована съем-
ными плитами. Валы вращаются со скоростью 75 об/мин. Лопасти укреп-
лены на валах попарно под углом 45° к оси вала. Благодаря этому материал
движется не только по окружности, но и вдоль оси мешалки, что способ-
ствует его более интенсивному перемешиванию. Однако при такой кон-
струкции и расстановке лопастей перемешивание материала в средней части
мешалки является недостаточным. Поэтому Ш. Л. Кравцовым разрабо-
тана такая схема размещения лопастей, при которой смесь с краев мешалки
перемещается к середине, а здесь лопасти одного вала перемещают мате-
риал вправо, а второго вала — влево. Применение этой системы способ-
ствует улучшению перемешивания и позволяет уменьшить количество
лопастей.
МАШИНЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
267
Смесители имеют пылеулавливающие установки, состоящие обычно
из двух циклонов, вентилятора и бункера для сбора пыли.
Смеситель производительностью 8—10 т/ч (рис. 157) относится к сме-
сителям башенного типа. Он имеет технологическую схему, аналогичную
схеме смесителя на 25—30 m/ч, но по компоновке они несколько отли-
чаются.
На верхнем ярусе размещены сушильный барабан с топкой и гро-
хот 3. Сюда подводятся также два элеватора: один 2 — для щебня и песка,
а второй 7 — для минерального порошка. На элеватор 2 минеральный
материал подается питателем 1. С элеватора 7 минеральный порошок
подается в бункер 4. На нижнем ярусе находятся дозаторы 5 для минераль-
Рис. 156. Мешалка смесителя:
/ — редуктор; 2 — корпус мешалки; 3 — лопасть; 4 — наконечник
ных и вяжущих материалов, мешалка 6 и топливное оборудование. Здесь
также имеется пылеулавливающая установка 8.
Сушильный барабан и грохот имеют коническую форму, поэтому при
вращении материал перемещается поступательно. Минеральные материалы
проходят весовую дозировку, а битум — объемную, которая осуществ-
ляется в баке с поплавковым устройством. Бак снабжен паровым подо-
гревом. Вес одного замеса — 400 кГ.
Образцами машин непрерывного действия являются выпускаемые
нашей промышленностью смесители производительностью 40—50 т/ч и
производительностью 4—6,5 т/ч.
Первый смеситель состоит из нескольких самостоятельных агрегатов
с партерным размещением. Технологическая схема этого смесителя пока-
зана на рис. 158.
Каменный материал загружается в двухсекционный бункер 1, откуда
качающимся питателем 2 подается на холодный элеватор 3, а оттуда —
в сушильный барабан 4. Топка 5 в сушильном барабане расположена со
стороны, противоположной поступлению материалов, и нагрев их горячими
газами до 200—220 °C осуществляется противоточным способом. Жидкое
топливо (мазут, нефть), сжигаемое в топке, подается в форсунки насосом
низкого давления, а воздух — вентилятором высокого давления. Отхо-
дящие из сушильного барабана газы очищаются от пыли в циклонах и уда-
ляются через дымовую трубу в атмосферу. Задержанная в циклонах пыль
268
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Рис. 157. Асфальтосмеситель периодического действия производительностью 8—10 т/ч
Рис. 158. Технологическая схема асфальтосмесителя непрерывного действия
производительностью 40—50 т/ч
МАШИНЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
269
поступает на горячий элеватор 7 и через виброгрохот 8 — в соответству-
ющий отсек горячего бункера 10.
Из сушильного барабана щебень и песок поступают на горячий эле-
ватор 7 и далее на плоский двухъярусный виброгрохот 8, где они сорти-
руются на фракции 0—5, 5—15 и 15—35 мм. Эти фракции поступают
в три отсека горячего бункера 10, а сверхмерный материал (крупнее 35 мм)
направляется с грохота в специальный бункер 9. В четвертый отсек горя-
чего бункера из механизированного склада 11 непрерывно поступает
заполнитель — минеральный порошок. Под горячим бункером располо-
жен весовой дозатор 12, откуда порции материала весом в 450 кГ перио-
дически (через 32,5—40,5 сек) доставляются шнеком 14 на элеватор 13,
а с него — в мешалку 15.
Рис. 159. Асфальтосмеситель непрерывного действия производительно- .
стью 4,0—6,5 т/ч-.
1 — форсунка; 2 — топка; 3 — сушильный барабан; 4 — ковшевой элеватор;
5 — элеватор для заполнителя
Пыль из кожухов виброгрохота и весового дозатора улавливается
пылеулавливающей системой и подается в бункер 6, а из него она поступает
на элеватор 7 и используется в качестве минерального порошка.
Битум из битумоплавильни 18 непрерывного действия непрерывно
подается в мешалку поршневым насосом-дозатором 16. Перемешивание
в мешалке минеральных материалов с битумом происходит непрерывно
и продолжается 2,0—2,5 мин. Готовая смесь выгружается через выходное
отверстие мешалки, перекрываемое затвором 17 на время смены транспорт-
ных средств.
Автоматизированы следующие операции: взвешивание минеральных
материалов, перепуск материалов с весов в элеватор, нагрев материалов
в сушильном барабане, дозированная подача битума в мешалку и уда-
ление пыли из бункера циклона.
В смесителе (рис. 159) передвижного типа все агрегаты смонтированы
на платформе двухосного прицепа на пневмоколесном ходу.
Весь технологический процесс, начиная с приема материала и кончая
выдачей готовой смеси, осуществляется непрерывно. Два ковшовых
элеватора подают щебень и песок в два бункера, из которых качающимися
питателями определенные порции материала подаются в сушильный бара-
270
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
бан. Сушильный барабан противоточного типа обогревается форсункой;
воздушного распыления. Топливом служит мазут. Из сушильного бара-
бана нагретые материалы выгружаются в мешалку непрерывного дей-
ствия, куда непрерывно поступают минеральный порошок и горячий битум,
Порошок подается специальным элеватором и дозируется шнековым
дозатором, а битум подается по трубопроводам и дозируется шестеренчатым
насосом.
Корпус 1 насоса (рис. 160) состоит из трех находящихся в постоян-
ном зацеплении шестерен (ведущей 5, промежуточной 2 и дозирующей 3),
из которых крайняя 3 может перемещаться в осевом направлении, в резуль-
тате чего длина зацепления зубьев будет изменяться. С изменением длины
зацепления будет меняться производительность насоса, а следовательно,.
Рис. 160. Насос дозатора битума
и количество битума, поступающего в мешалку. При полном зацеплении
производительность насоса будет максимальной. Установка шестерни
в требуемом положении производится перед началом работы насоса спе-
циальным регулировочным механизмом 4 винтового типа. При работе
насоса битум всасывается через канал 6 и выдается по нагнетательным
каналам 7 и 8, причем регулируемое количество битума выдается из
канала 7 дозирующей шестерней 3, а постоянное количество — из канала 8.
промежуточной шестерней 2.
Существенным недостатком рассматриваемого смесителя является то,
что все компоненты смеси дозируются по объему, а не по весу, что снижает
точность дозировки.
Вопросу улучшения качества асфальтобетонной смеси в настоящее
время уделяется исключительное внимание. Появился новый способ пере-
мешивания, заключающийся в следующем. Битум под давлением до
20 атм распыляется в смесителе в виде тумана из мельчайших капель.
Частицы каменного материала под воздействием быстро вращающихся
лопастей мешалки (до 200 об/лин) приобретают большую скорость и под-
брасываются вверх на значительную высоту. Во время полета частицы
легко и со всех сторон обволакиваются тонкими слоями битума. При этом
способе перемешивания значительно снижается расход битума.
На рис. 161 показана технологическая схема установки, работающей
по новому способу перемешивания. Битум подается насосом 2 из битум-
ного котла 1 по нагнетательному битумопроводу 3 в импактор 4, пред-
ставляющий собой цилиндрический сосуд, внутри которого находится
сетчатый фильтр 5 с мелкими отверстиями. Из фильтра битум попадает
МАШИНЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
271
в дозатор 6, а из него насосом 7 высокого давления нагнетается в распре-
делительные сопла 10, расположенные в мешалке 9. На соплах имеются
насадки, распыляющие битум. Отсчет количества битума, поступающего
в мешалку, учитывается по шкале 11. Излишек битума из импактора воз-
вращается по специальному битумопроводу 8 обратно в котел.
В настоящее время в практику строительства начинает внедряться
метод вибрационного перемешивания асфальтобетонных смесей. Как пока-
зали исследования и опыт эксплуатации вибросмесителей, при совместном
воздействии на асфальтобетонную смесь вибрации и принудительного
перемешивания резко повышается эффект перемешивания.
Интенсификации перемешивания способствует также увеличение вре-
мени перемешивания, скорости вращения лопастей и введение в смесь
поверхностно-активных веществ, понижающих поверхностное натяжение
Рис. 161. Схема установки с разбрызгиванием битума
на границе битум — минеральный материал, чем создаются условия для
более полного обволакивания битумом минерального материала. Вместе
с тем с увеличением времени перемешивания уменьшается производи-
тельность смесителя.
Помимо мероприятий по повышению качества смеси в настоящее
время ведутся большие теоретические и экспериментальные работы по
усовершенствованию конструкции смесителей, уменьшению металлоем-
кости и энергоемкости и повышению производительности труда при работе
на асфальтосмесителях. Развитие техники идет по пути повышения произ-
водительности смесителей за счет увеличения геометрических размеров,
создания компактных, мобильных, легко монтируемых и демонтируемых
машин и автоматизации управления.
Система автоматического управления на асфальтосмесителе должна
обеспечить:
1) точное дозирование минеральных и вяжущих материалов;
2) строгое и последовательное выполнение всех операций техноло-
гического процесса при разных составах асфальтобетона;
3) соблюдение температурного режима при сушке и перемешивании
материалов;
4) соблюдение требуемого времени перемешивания;
5) учет количества приготовленных замесов.
При автоматизации асфальтосмесителей широко используется элек-
тропневматическая система, при которой исполнительными элементами
служат пневмоцилиндры, управляемые электровоздушными клапанами.
Находит также применение электромеханическая система, разработанная
СоюздорНИИ, в которой в качестве исполнительных элементов исполь-
зованы электровинты.
272 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
На рис. 162 представлена схема автоматического управления сме-
сителем с электропневматической системой, разработанная ВНИИстрой-
дормашем. На пульте управления 1 расположены кнопки управления авто-
матической системой, дистанционная система регулирования технологи-
ческого процесса, дистанционная весовая головка 2, блок высокочастот-
ных электронных реле 11, световая сигнализация, переключатели бункеров
и количества замесов и кнопки звукового сигнала. Выключение всех
двигателей производится также с пульта управления машиниста.
Весовая головка учитывает весовое количество минеральных мате-
риалов. поступающих из четырехсекционного бункера. Она имеет пять
Рис. 162. Схема автоматического управления смесителем
стрелок, из которых четыре дозирующие, которые устанавливаются в соот-
ветствии с заданным составом смеси, а пятая — указывающая отдози-
рованное количество. Затвор каждой секции’бункера управляется пневмо-
цилиндром 5. Пневмоцилиндры используются также для поворота кранов
дозаторов поверхностно-активных веществ 6 и битума 7. Необходимое
количество битума устанавливается по линейке поплавкового устройства
в мерном баке путем соответствующего перемещения ртутного переклю-
чателя. При заполнении заданного объема битумом противовес поплавка
размыкает контакт ртутного выключателя. Дозатор поверхностно-актив-
ных веществ (петролатума) работает так же, как и дозатор битума. Для
управления пневмоцилиндрами предусмотрен блок электровоздушных
клапанов 10, включаемых соответствующими промежуточными реле.
Суммарный вес последовательно дозируемых порций минеральных
материалов учитывается циферблатной весовой головкой 4, соединенной
рычажной системой с весовым бункером. Передача сигналов поворота
стрелки весовой головки на аналогичную головку, размещенную на пульте
управления, осуществляется сельсинной связью, представляющей два
МАШИНЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
273
X
а.
274
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
синхронных электродвигателя. Продолжительность открытия весового
бункера, перемешивания в мешалке и открытия затвора 8 мешалки
обеспечивается командным электропневматическим 3 прибором КЭП-12,
имеющим электродвигатель с постоянным числом оборотов. При включен-
ном электродвигателе загорается сигнальная лампа. Питание сжатым возду-
хом пневмоцилиндров и пневмопобудителя для аэрации минерального по-
рошка осуществляется компрессорной установкой 9 производительностью
1 м3!мин и степенью сжатия до 7 атм.
При приготовлении асфальтобетона требуется выполнить, кроме основ-
ных технологических операций по приготовлению смеси, и ряд вспомога-
тельных операций, связанных с приготовлением и переработкой материа-
лов, составляющих асфальтобетонную смесь. Для этих целей сооружаются
специальные асфальтобетонные заводы. В состав асфальтобетонного завода
всегда входят цехи: битумный, смесительный, транспортный и складское
хозяйство. На ряде заводов имеются дополнительно дробильно-сортиро-
вочный цех и цех по приготовлению минерального порошка. В последнее
время на асфальтобетонных заводах организуются эмульсионные цехи.
На асфальтобетонном заводе могут устанавливаться один или несколько
асфальтосмесителей.
На рис. 163 показана типовая схема асфальтобетонного завода с двумя
смесителями производительностью 25—30 т/ч. На заводе есть также
эмульсионный цех. Территория завода занимает площадь 2—2,5 га.
Завод расположен у железнодорожной магистрали, по которой поступают
все исходные материалы. Вдоль железнодорожного пути размещены склады
материалов и битумохранилище. Смесители расположены параллельно
и на близком расстоянии друг от друга, что сокращает пути перемещения
материалов. Эмульсионный цех размещен на площадке между битумными
котлами и асфальтосмесителями. Это сокращает путь перемещения битума
из битумных котлов к эмульсионному оборудованию, а также — эмуль-
сии в мешалки.
Для внутризаводской транспортировки щебня и песка на крупных
заводах используются траншейные ленточные транспортеры, а для мине-
рального порошка — шнеки.
Битум и эмульсия транспортируются по трубам. Все работы на асфаль-
тобетонных заводах полностью механизированы, а основные операции
технологического процесса имеют дистанционное управление. Имеются
также полностью автоматизированные асфальтобетонные заводы. Вместе
с тем не полностью механизированы работы по разгрузке поступающих
по железной дороге или водным путям минеральных материалов. Не решен
также вопрос о механизации приема и подачи вязких эмульгаторов в эмуль-
сионный цех. Для этих работ требуется еще создавать эффективные сред-
ства механизации.
§ 41. ТЕОРИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ
И ИХ РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ
Основными агрегатами асфальтосмесителей, от которых зависит каче-
ство получаемой смеси, являются мешалка и сушильный барабан. Боль-
шую роль в получении качественной смеси и затрате энергии на переме-
шивание наряду с факторами, характеризующими смесь и ее компоненты
(вязкость битума, состав смеси, коэффициенты внешнего и внутреннего
трения минеральных частиц и др.), играют конструктивные и кинематиче-
ские параметры мешалки и режим перемешивания (продолжительность
прпрмешивания. последовательность поступления материалов и др.).
МАШИНЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
275
Оптимальные значения параметров мешалки должны обеспечить
возможность получения высококачественной смеси при наименьшем удель-
ном расходе энергии на единицу продукции. Проектируемая мешалка
должна вместе с тем обладать малой металлоемкостью, компактностью
и долговечностью.
Рассмотрим методику расчета сопротивлений, возникающих в мешалке
в процессе перемешивания, и потребной для преодоления этих сопротив-
лений мощности. В настоящее время нет общепринятой методики расчета
мешалок асфальтосмесителей. Причиной этого являются сложность про-
цесса перемешивания минеральных материалов с вяжущими и влияние
на этот процесс большого числа факторов. Можно отметить два пути, по
которым направлены исследования процесса перемешивания. По первому
из них в основу исследования положен учет небольшого числа факторов,
характеризующих процесс и позво-
ляющих, пользуясь законами меха-
ники, установить расчетную формулу
для требуемой мощности. Этот метод
расчета, как показала практика, при-
водит к завышенному результату.
По второму пути направлены ис-
следования, в основу которых поло-
жена гипотеза, . что сопротивления,
возникающие в процессе перемешива-
ния минеральных материалов с биту-
мом, близки по своей природе к со-
противлениям, имеющим место при движении твердого тела в вязкой
жидкости. Это позволяет при изучении процесса перемешивания исподы
зовать законы гидродинамики.
Примером расчета по первому способу может служить методика,
предложенная К. П. Северовым. По этой методике принимается, что на
частицу материала (рис. 164), находящуюся на лопасти, установленной
под углом а к плоскости вращения, действуют сила тяжести G и центро-
Q
бежная сила инерции Р, причем Р -= ~ <»2х кГ. В плоскости движения
частицы.под действием этих двух сил возникают следующие силы:
1) сила трения о днище корыта
= ^Gsin ф 4- -у- t')2x( f кГ; (VII. 1)
2) составляющая сила веса
W2 = G cos <р кГ;
3) сила трения о лопасть
= WJ cos а кГ;
4) сила трения, обусловленная действием веса,
= WJ cos q> ctg а кГ,
(VI 1.2)
(VI 1.3)
(VII.4)
где ф — угол поворота лопасти в рад;
со — угловая скорость вращения лопасти в Мсек;
f— коэффициент внешнего трения частицы о металл;
х — расстояние от частицы др оси вращения лопастей в м;
g — ускорение силы тяжести в м/сек2.