Гаркави МЗР

Теги: детали машин передачи (механические) подъемно-транспортное оборудование крепежные средства смазка технология строительного производства
Похожие
Земляные работы
Земляные работы (Справочник строителя)
Строительные машины
Текст
                    ^ i' ту >/
/ЧМ
АШИНЫ
Я ЗЕМЛЯНЫХ
ЮТ
№

МАШИНЫ
ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ
РАБОТ
Под общей редакцией
д-ра техн. наук,
проф. Н. Г. Гаркави
Допущено
Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника
для студентов втузов,
обучающихся по специальности
«Строительные и дорожные машины
и оборудование»
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1982

ББК 38.623
М38
УДК 621.87
Н. Г. Гаркави, В. И. Аринченков, В. В. Карпов,
3. Е. Гарбузов, А. И. Батулов, В. М. Донской
кафедра строительных машин Киевского инженерно-строи¬
тельного института (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф.
Ю. А. Ветров);
д-р техн. наук, проф. Н. Я. Хархута (Ленинградский поли¬
технический институт)
Машины для земляных работ: Учебник/Гарка-
М38 ви Н. Г., Аринченков В. И., Карпов В. В. и др.; под
ред. Н. Г. Гаркави.—М.: Высш. школа, 1982.—
335 с., ил.
В пер.: 90 к.
В книге изложены основы теории рабочих процессов и расчета
машин для земляных работ; содержатся сведения о принципиальных
особенностях конструкций машин, применяемых в промышленном,
гражданском и мелиоративном строительстве. Рассмотрены перспек¬
тивные направления развития этих видов машин.
Учебник, предназначенный для студентов механических специаль¬
ностей инженерно-строительных и автомобильно-дорожных вузов, мо¬
жет быть использован студентами политехнических институтов, а так¬
же инженерно-техническими работниками, связанными с производст¬
вом и эксплуатацией машин для земляных работ.
Рецензенты:
3204010000—371
  	  113—82
001(01)—82
ББК 38.623
6С6.08
© Издательство «Высшая школа», 1982

ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящая книга написана в соответствии с программой курса
«Машины для земляных работ», утвержденной Министерством выс¬
шего и среднего специального образования СССР в 1975 г. Начиная
с 1975 г. было создано несколько учебников по указанному курсу:
под редакцией профессоров Т. В. Алексеевой, Ю. В. Ветрова,
Н. Г. Домбровского, А. Н. Зеленина. Каждый учебник отличается
как по характеру освещаемого материала, так и по методике изло¬
жения. Эти различия, как правило, обусловлены характером науч¬
но-исследовательских работ, ведущихся коллективом авторов, осо¬
бенностями учебного процесса в конкретных вузах, а отчасти и лич¬
ными воззрениями авторов.
Учебники этих ученых ориентированы в основном на студентов,
специализирующихся в области конструирования машин для зем¬
ляных работ. Настоящий же учебник предназначен в первую оче¬
редь для студентов, специализирующихся на модернизации и ре¬
монте машин. Главное внимание при этом обращено не на принци¬
пы конструирования, а на рабочие процессы машин, нагрузки, воз¬
никающие при их эксплуатации, особенности устройства наиболее
слабых узлов и т. п. В учебнике нет описания конкретных машин,
их технико-экономических характеристик.
Поскольку при модернизации машин возникает необходимость
в проверочном расчете их элементов, авторы стремились доступно
изложить современные методы расчета. При этом предполагается,
что читатели учебника уже знакомы с общими принципами устрой¬
ства и расчета машин по курсам «Детали машин», «Теория машин
и механизмов», «Гидропривод» и др.
Учебник рассчитан не только на студентов, но и инженеров, за¬
нимающихся усовершенствованием и эксплуатацией землеройных
машин.
Отдельные главы учебника написали: предисловие, гл. 1 и 11 —
д-р техн. наук, проф. Н. Г. Гаркави; гл. 4, 8 и 10 — канд. техн. наук
В. И. Аринченков; гл. 2, 9 и 14 — канд. техн. наук А. И. Батулов;
3

гл. 7 — канд. техн. наук 3. Е. Гарбузов; гл. 5, 12 и пример расче¬
та — инж. В. М. Донской; гл. 13 — канд. техн. наук В. В. Карпов,.
Гл. 3 написана В. В Карповым совместно с 3 F Гарбузовым а
гл. 6— В. И. Лринченковым и 3. Е. Гарбузовым.
Авторы учебника выражают глубокую благодарность коллекти¬
ву кафедры строительных машин Киевского инженерно-строитель¬
ного института под руководством д-ра техн. наук, проф. Ю. А. Вет¬
рова и д-ру техн. наук, проф. Н. Я. Хархуте за их очень ценные и
благожелательные замечания и советы по улучшению качества
книги.
Авторы

Г ЛЛ В А 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАРИНАХ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Наиболее распространенны! и трудоемким видом строительных
работ являются земляные. Часто эти работы длятся несколько ме¬
сяцев и определяют общий срс< готовности строительного объекта.
Машины для выполнения земляных работ прошли длинный и
сложный путь развития. Одно! из первых машин этого вида была
многоковшовая паровая земле(ерпалка с двигателем мощностью
15 л. с., построенная на Ижорском заводе в 1812 г. под руководст¬
вом инж. А. Бетанкура. За ру(ежом такие землечерпалки появи¬
лись 18 лет спустя.
В 1836 г. механик В. Отис (США) построил первый паровой од¬
ноковшовый экскаватор с ковиом вместимостью 1,14 м3; по прин¬
ципу выполнения рабочего предесса этот экскаватор можно счи¬
тать прототипом современных лашин. Производительность его сос¬
тавляла от 30 до 80 м3/ч.
До начала широкого строительства железных дорог и крупных
заводов первые экскаваторы не получили широкого применения.
В 1842 г. мировой парк их состоял лишь из семи машин, четыре из
которых использовались на стрительстве железной дороги Петер¬
бург—Москва. В 1875 г. был гостроен первый грейдер-элеватор, а
в 1887 г. — прицепной грейдер Обе эти машины работали на кон¬
ной тяге.
В Советском Союзе в годы [ервой.пятилетки на Ковровском за¬
воде был налажен выпуск пер>ых железнодорожных экскаваторов
с ковшом вместимостью 1,9—23 м3. Там же одновременно готови¬
лись к выпуску гусеничных экааваторов с ковшом 1,5 м3.
Производство машин для земляных работ до второй мировой
войны было ограниченным. Tat, в 1932 г. парк экскаваторов СССР
состоял лишь из 106 машин. Мюсовый выпуск землеройных машин
в СССР был начат в 1935—1940 гг. С 60-х годов почти весь огром¬
ный объем земляных работ выполняется с помощью машин. Напри¬
мер, в 1980 г. строители располагали около 180 тыс. одноковшовых
экскаваторов, 50 тыс. скреперо*, 180 тыс. бульдозеров, что в десят¬
ки, а по отдельным машинам в сотни раз больше, чем в 1940 г.
Годовое производство основные машин для земляных работ увели¬
чилось за период с 1960 по 198) г. по экскаваторам более чем в 3
раза, бульдозерам в 4 раза, скреперам почти в 5 раз. В 1980 г.
5

предприятия Минстройдормаша выпустили более 37 тыс. экскава¬
торов, 46 тыс. бульдозеров, около 10 тыс. скреперов.
Качество и параметры современных машин для земляных работ
несравнимы с машинами 1940-х годов. Средняя единичная мощность
одноковшовых экскаваторов и бульдозеров выросла за десятую пя¬
тилетку на 14%, скреперов — на 10%. На стройках появились но¬
вые более производительные машины: универсальные гидравличе¬
ские одноковшовые экскаваторы, многоковшовые экскаваторы для
разработки траншей в мерзлых грунтах, скреперы с ковшом 15 м3,
новые типы бульдозеров и рыхлителей и т. п. Многие советские ма¬
шины, выпускаемые в последние годы, соответствуют требованиям
мировых стандартов.
В постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР «О даль¬
нейшем развитии машиностроения в 1978—1980 гг.», принятом в
1978 г., было предусмотрено, в частности, создать и освоить произ¬
водство машин и оборудования с производительностью в 1,5—2 ра¬
за выше по сравнению с уровнем 1975 г. и повысить долю продук¬
ции высшей категории качества до 30%. Срок службы машин до
первого капитального ремонта предложено увеличить:	по	авто¬
грейдерам— до 5 тыс. ч, по скреперам и бульдозерам на гусенич¬
ном ходу — до 6 тыс. ч.
Новые большие задачи по совершенствованию конструкций и
повышению производительности строительных машин поставлены
XXVI съездом КПСС, состоявшемся в феврале 1981 г.
Теоретической основой разработки рабочих процессов землерой¬
ных машин являются труды русских и советских ученых по теории
резания грунтов. Большой вклад в развитие этой области науки
внесли акад. В. П. Горячкин, профессора Н. Г. Домбровский,
Ю. А. Ветров, А. Н. Зеленин, А. Д. Далин, С. Р. Петерс, Н. Я. Хар-
хута и др.
В послевоенный период в СССР обширные научно-исследова¬
тельские работы по созданию новых машин для земляных работ ве¬
дут ВНИИ строительного и дорожного машиностроения, ВНИИ
землеройных машин, а также ученые Московского, Киевского и
Ленинградского инженерно-строительных институтов, Московского,
Сибирского, Харьковского автодорожных институтов и многие
Другие.
В последние годы при проектировании машин для земляных ра¬
бот применяют вероятностные способы, учитывающие условия при¬
менения машин, физического и математического моделирования,
позволяющие выбрать оптимальные параметры рабочих процессов
и на их основе создавать высокоэффективные машины.
Производством машин для земляных работ заняты многие заво¬
ды нашей страны. Наряду со специализированными предприятиями
средней мощности их выпускают и такие гиганты, как Ижорский
завод им. А. А. Жданова, Уральский завод тяжелого машино¬
строения. Мощности предприятий отечественного землеройного ма¬
шиностроения дают возможность полностью обеспечить строителей
необходимыми машинами высокого качества.
6

§1.1. Классификация машин
Технологический процесс земляных работ состоит из нескольких
основных и вспомогательных операций. К основным относят раз¬
работку грунта, его транспортирование, укладку в земляные соору¬
жения или отвал, горизонтальную планировку участков под соору¬
жения и уплотнение. Такие же операции, как подготовка грунта к
разработке (рыхление, водопонижение), устройство стенок, ограж¬
дающих котлованы и т. п., считают вспомогательными.
Условия производства земляных работ в нашей стране чрезвы¬
чайно разнообразны. Они различаются состоянием грунта, клима¬
тическими и метеорологическими особенностями места выполнения,
степенью сосредоточенности (количество разрабатываемого грун¬
та на единицу длины или площади объекта работ) и интенсивности
(количество грунта,разрабатываемого в единицу времени). Земля¬
ные сооружения (насыпи, котлованы и т. п.) имеют самые различ¬
ные конструкции и размеры. Технология и организация производст¬
ва работ, соответствующие их условиям, также весьма различны.
С учетом этого создано много типов и размеров машин для земля¬
ных работ.
Основные машины для земляных работ по характеру рабочего
процесса можно разделить на ряд групп:
землеройные машины, которые отделяют грунт от масси¬
ва и перемещают его за счет энергии своего двигателя. При этом
расстояние, на которое перемещается грунт, определяется размера¬
ми конструктивных элементов машин. К группе землеройных ма¬
шин относят экскаваторы различных типов;
землеройно-транспортные машины, разрабатывающие
грунт под действием тягового усилия, т. е. только во время движе¬
ния. В эту группу машин входят бульдозеры, скреперы, грейдеры,
грейдер-элеваторы. Дальность перемещения грунта, как правило,
не зависит от размеров конструкций машин и определяется техни¬
ко-экономическими соображениями;
погрузочные машины, к которым относят прежде всего
фронтальные погрузчики, соединяющие в себе черты землеройных
и землеройно-транспортных машин; они могут копать грунт как
стоя на месте, так и в движении;
машины для гидравлической разработки грун¬
та, отрывающие его от массива и транспортирующие с помощью
энергии воды (гидромониторы, землесосы и землесосные снаряды);
грунтоуплотняющие машины — различные катки,
трамбующие и вибрационные машины.
Вспомогательные машины, обеспечивающие работу основных
машин, также подразделяют на несколько групп. К ним относят:
машины для подготовки площадки к работе основно¬
го оборудования (корчеватели, кусторезы, камнеуборочные и дру¬
гие машины); м а ш в н ы для подготовки грунта к разра¬
ботке —рыхлители. Б эту же подгруппу входят и буровые машины,
с помощью которых бурят шпуры для рыхления плотных и мерзлых
7

грунтов взрывом; машины и оборудование для водопо-
нижения и водоотлива, обеспечивающие работу основных
машин при высоком уровне грунтовых вод.
Некоторые машины могут выполнять разнохарактерные работы.
Так, бульдозерами можно готовить площадки и сооружать наоыпи,
т. е. выполнять как вспомогательные, так и основные работы.
Рабочий процесс всех машин может протекать непрерывно или
циклично. В первом случае машины (например, экскаваторы непре¬
рывного действия, землеройные струги, средства гидромеханиза¬
ции) работают при установившемся режиме, во втором— периоди¬
чески чередуются рабочие операции — копание, перемещение грун¬
та, холостой ход и т. д. Циклично работают одноковшовые экскава¬
торы и погрузчики, скреперы и др. У некоторых машин цикличного
действия отдельные операции рабочего цикла протекают при уста¬
новившемся режиме (например, копание и перемещение грунта
грейдером). У таких машин, как одноковшовые экскаваторы, буль¬
дозеры, скреперы, каждая операция цикла совершается при неуста-
новившемся режиме.
Каждая машина состоит из пяти групп элементов, сочетание ко¬
торых определяет собой конструкцию машины в целом. К этим эле¬
ментам относят: рабочее оборудование, непосредственно выполняю¬
щее технологическую операцию (например, разработку грунта); си¬
ловое оборудование (двигатель), являющееся источником энергии
для приведения в движение элементов машин; базовое и ходовое
оборудование, позволяющее объединить все элементы машин в еди¬
ное целое (рама), передвигать ее и передавать давление на опор¬
ную поверхность; передаточные механизмы (трансмиссии), переда¬
ющие энергию двигателя рабочему и ходовому оборудованию; сис¬
тема управления, служащая для включения и выключения отдель¬
ных механизмов машины и ее двигателя.
Последовательность и способ передачи движения от двигателя
к механизмам машины показывают на ее кинематической схеме, а
взаимное расположение элементов машины и связь между ними —
на конструктивной схеме.
Машины классифицируют с учетом типов их элементов. Рабочее
оборудование различают по конструктивному устройству, опреде¬
ляемому рабочим процессом машины, и размерам (например, вме¬
стимостью ковша экскаватора). Размерами рабочего оборудования
определяется в конечном счете мощность машины, конструкция ее
элементов и основные технико-экономические показатели в целом.
Различают машины у н и в ер с а л ь н ы е, имеющие несколько
видов рабочего оборудования, и специальные — обычно только
с одним видом рабочего оборудования. Специальные машины, как
правило, бывают более мощными. Машины могут иметь в качестве
основного привода электрические двигатели или двигатели внут¬
реннего сгорания. Применяют и комбинированные приводы (напри¬
мер, дизель-электрические).
Все машины для земляных работ имеют ходовое оборудование,
которое может быть автомобильного типа, специальным пневмоко-
8

лесным, гусеничным, плавучи, шагающим. Передаточные устрой¬
ства (трансмиссия) могут быь механическими, гидравлическими,
пневматическими, электричесими. Часто они представляют собой
комбинации различных типов
В зависимости от систем правления различают машины с руч¬
ным и автоматическим упраыеннем, а от средств управления — с
механическим, электрически!, гидравлическим, пневматическим
или комбинированным.
Все машины по назначений подразделяют на классы. Машины
для земляных работ образую один класс. Этот класс состоит из
групп, в которые включают мшины с одинаковыми рабочими про¬
цессами. Группы машин для эмляных работ были перечислены
ранее. Внутри каждой группы чашины делят на типы, различающи¬
еся конструкциями основных 31ементов. Например, в группу земле¬
ройно-транспортных машин внючены бульдозеры, скреперы и дру¬
гие машины. Типоразмеры машн различаются внутри типа своими
техническими характеристиками (например, вместимостью ковша,
мощностью двигателя).
В СССР машины классифцируются по производственно-отрас¬
левому назначению в соотвекгвии с общесоюзным классификато¬
ром промышленной и сельсксюзяйственной продукции. Б этом
классификаторе каждой машие присвоен шестизначный индекс.
Земляные работы могут вшолнять различные машины. Для
сравнения их в табл. 1.1 привцены соответствующие данные.
Таблица 1.1
Усредненные технико-экономиче«ие показатели способов производства
земляных работ раэичными группами машин
Показатели
Взрыв на
выброс
Гидромо¬
ниторы и
землесосы
, Земснаря¬
ды
Скреперы
Бульдозе¬
ры
Экскаваторы
с перевозкой
грунта авю-
транспорюм
Экскава го¬
ры, рабо¬
тающие в
отвал
Дальность транс¬
портирования
грунта, м
100
юоо—
1000—
500—
50—
2000—3000
15—150
2000
2000
1500
100
Стоимость раз¬
работки 1 м3, руб.
0,8-
0,25—
0,2-
0, 14—
0,0085—
0, 17—0,95
0,05—
1,0
0,61
0,45
0,6
0,25
0,23
Производитель¬
ность труда на
1 человека;
1000 м3/год
4,5—9
3,8—15
12,5—
5—40
6—76
2,8—34
20—180
23
1 м3/см.
15-30
20—75
бО-
25—
30—
13—136
80—70
Па
222
400
Удельный рас¬
ход энергии на
разработку 1 м1
грунта, кВт-ч
1,0—
2,5—5,0
2,0—
3,2—
1,6—
О
tC
1
1
f-
Tt1
0,75—
1,5
3,0
6,0
2,4
0,9
9

§ 1.2. Общие требования к машинам
и их основные технико-экономические показатели
Эффективность использования машин для земляных работ, как
и других строительных машин, будет наивысшей в тех случаях, ког¬
да они выполняют наибольшие объемы работ при наименьших зат¬
ратах.
Обобщенной характеристикой эффективности использования ма¬
шины являются приведенные затраты на выполнение единицы про¬
дукции. Этот показатель является решающим для выбора вариан¬
та использования машин, обоснования экономии, получаемой от
внедрения новой машины и других технико-экономических расче¬
тов.
В общем виде приведенные затраты выражают формулой
ЦП^ЦГ0Я+ЕЯК,	(1.1)
где //год — расчетная себестоимость годового объема продукции
машины; Ен — нормативный коэффициент эффективности капита¬
ловложений (в соответствии с СН 423—71 £н=0,12); К—капитало¬
вложения на создание машины.
Эффективная работа машины характеризуется тем, что приве¬
денные затраты имеют минимальное значение. Для этого необходи¬
мо, чтобы производительность машин была максимальной; затра¬
ты времени и других ресурсов на перемещение машин между объ¬
ектами работ должны быть минимальными, а расход энергии, экс¬
плуатационных материалов, инструментов при работе машин, а
также затраты времени и других ресурсов на ремонты и техниче¬
ские обслуживания машин — наименьшими; управление машинами
должно быть простым, а количество машинистов — минимальным.
Перечисленные положения являются наиболее общими основны¬
ми требованиями к машинам. Их можно объединить в три группы:
производственные, транспортные и надежностные. Все требования
к машинам, входящим в группу производственных, направлены на
повышение производительности машин. Повысить производитель¬
ность машин можно также путем лучшей организации их исполь¬
зования, но это направление в настоящей книге не рассматривается.
Задача повышения производительности машин при их проекти¬
ровании заключается в отыскании таких конструктивных решений,
которые при неизменных величинах основных параметров обеспе¬
чивают большую производительность проектируемой машины по
сравнению с существующими. Эту задачу можно решить при выпол¬
нении следующих основных производственных требований:
1) путем применения на машине передовой технологии. Это
значит, например, что рабочие органы имеют рациональную геомет¬
рическую форму, оптимальные скоростные режимы и т. п.;
2) наибольшего соответствия рабочего оборудования машины
условиям ее работы — физико-механическим характеристикам
грунтов, размерам забоев и др. Учитывая то, что условия использо¬
вания машин для земляных работ часто меняются, это требование
Ю

выполнить довольно трудно. Машина, созданная для каких-то оп¬
ределенных условий, не всегда может использоваться эффективно,
так как эти условия не соблюдаются постоянно даже на одном объ¬
екте работ. Возникает необходимость универсализации машин, в
основном за счет снабжения их сменным рабочим оборудованием;
3)	конструкция машины должна полнее соответствовать услови¬
ям ее использования — северным, тропическим и т. д.
Машина, специально спроектированная для работы в специфи¬
ческих условиях, более надежна при эксплуатации в этих условиях,
чем любая другая. Кроме того, в ней можно создать более комфорт¬
ные условия для обслуживающего персонала, что способствует по¬
вышению производительности.
Конструкция машины должна соответствовать требованиям эрго¬
номики, которые заключаются в основном в обеспечении безопас¬
ности труда при эксплуатации машины, благоприятных условий
труда машиниста, удобства управления машиной и ее обслужива¬
ния, автоматизации процессов управления машиной, контроля и
учета ее работы.
Форма машины должна отвечать современным требованиям про¬
изводственной эстетики: иметь красивые внешние формы, хорошую
отделку и стойкую окраску. Проведенные исследования показали,
что выполнение эстетических требований способствует повышению
производительности.
Транспортные требования при проектировании машины заклю¬
чаются в обеспечении минимальных затрат времени и других ресур¬
сов на транспортирование машин. Эти требования наиболее важны
для небольших машин, выполняющих рассредоточенные работы.
Основным транспортным требованием является высокая мобиль¬
ность машины. Под мобильностью понимают способность машины
после окончания работ на одном объекте быстро перемещаться на
новый объект и за короткое время начать там работу. Машина дол¬
жна обладать высокой скоростью перемещения и проходимостью.
Кроме того, затраты ресурсов на подготовительные и вспомогатель¬
ные работы при транспортировании машин (монтажно-демонтаж¬
ные, погрузочно-разгрузочные и др.) должны быть минимальными.
Требуемая величина транспортной скорости машины не может
быть однозначной. В принципе, чем она выше, тем машина лучше.
Однако для увеличения транспортной скорости ее требуется приме¬
нять специальное ходовое оборудование, уменьшать ее массу, уве¬
личивать мощность двигателя. Например, транспортная скорос'ть в
30—40 км/ч обеспечивается у пневмоколесных машин при удель¬
ной мощности 9—12 кВт/т. Для выполнения же рабочих операций
такая удельная мощность, как правило, не требуется. Поэтому при¬
ходится недоиспользовать мощность двигателя при выполнении ос¬
новных рабочих операций или устанавливать два двигателя — ра¬
бочий и транспортный.
Проходимость машин, под которой понимают способность их
передвижения без принятия каких-либо специальных мер по доро¬
гам и вне их, подразделяют на геометрическую и тяговую. Геомет¬
11

рическая проходимость характеризует соответствие геометрических
параметров машины (ширины пути перемещения, радиусов кривых
и других), соответствующим показателям машины. Тяювая про¬
ходимость определяет возможность движения машины, обладающей
определенными тяговыми свойствами по конкретным дорогам. Эта
возможность может лимитироваться продольным уклоном дороги,
несущей способностью ее покрытия, коэффициентом сцепления его
с движителем и другими величинами.
Чрезвычайно важными являются требования надежности: безот¬
казность, ремонтопригодность машин и другие их качества. Под¬
робно эти требования рассматриваются в других дисциплинах.
При разработке требований к машинам для земляных работ не¬
обходимо учитывать, что они обычно работают в тяжелых условиях
рассредоточенного строительства, бездорожья, с большими динами¬
ческими нагрузками. Технико-экономические показатели любой ма¬
шины зависят от ее параметров, т. е. неизменных количественных
характеристик, определяемых конструкцией машины и от условий
эксплуатации, которые могут быть случайными.
Важнейшим технико-экономическим показателем машины явля¬
ется ее производительность, измеряемая количеством продукции,
вырабатываемой в единицу времени. Различают три вида произво¬
дительности: теоретическую, техническую и эксплуатационную.
Теоретическая производительность определяется
при расчетных скоростях рабочих движений, нагрузках и условиях
работы в непрерывном режиме. Величину теоретической производи¬
тельности землеройной машины определяют в м3/ч по формулам,
приведенным ниже.
Для машин непрерывного действия
где <7Р — расчетное количество грунта, перемещаемого единицей
длины его потока, например на ленте конвейера (транспортера)
или на цепи цепного экскаватора, м3/м; ир — расчетная скорость
движения потока грунта (например, скорость движения ленты
транспортера), м/с.
Для машин циклического действия
где qp' — расчетное количество грунта, разрабатываемого или пе¬
ремещаемого за один цикл, м3; tn — расчетная продолжительность
одного цикла, с.
При определении теоретической производительности машины
за расчетные принимают наиболее характерные условия из тех, на
которые ее рассчитывают. Расчетные нагрузки принимают в соот¬
ветствии с нормальным рабочим режимом, а расчетные скорости
определяют по нагрузкам при максимальном использовании мощ¬
ности двигателя. Теоретическая производительность является ус¬
ловным модулем и применяется для сопоставления машин различ¬
ных видов и типов.
/70=3600<7рг)р,
(1.2)
П0=360(ур//ц,
(1.3)
12

Техническая производительность машины характе¬
ризует максимальное количество продукции, которое может быть
полечено ею в конкретных условиях. Эта производительность явля¬
ется наивысшей, достигаемой рабочими, полностью овладевшими
передовыми методами труда при непрерывной работе. При ее опре¬
делении учитывают лишь минимальные величины конструктивно¬
технических и технологических перерывов (для заправки горючим,
технического обслуживания, смены рабочего оборудования, пере¬
движения в забое и т. п.). Таким образом, техническая производи¬
тельность является пределом возможностей машины в конкретных
условиях, который невозможно превзойти без изменения конструк¬
ции машины. Эту характеристику применяют в основном для комп¬
лектования машинных комплексов, а также для оценки возможно¬
стей машин.
Эксплуатационная производительность маши¬
ны — это объем продукции в час, смену, год, получаемый реально
при правильной эксплуатации машины работниками средней квали¬
фикации с учетом перерывов в работе, которых трудно избежать
даже при правильной организации работ. Эксплуатационную про¬
изводительность применяют при расчете норм выработки. Годовая
эксплуатационная производительность является директивной нор¬
мой выработки, и по ней определяют плановые задания для строи¬
тельных организаций.
Поскольку условия работы машины случайны, эксплуатацион¬
ная производительность является тоже случайной величиной. Если
известны вероятности появления различных условий работ, то мож¬
но вычислить математическое ожидание эксплуатационной произ¬
водительности. Обычно этот параметр рассчитывают по ранее по¬
лученным фактическим данным с необходимой корректировкой на
изменившиеся условия работ.
Повысить эксплуатационную производительность машины мож¬
но двумя путями: организационными мероприятиями, уменьшающи¬
ми потери рабочего времени, и конструктивными решениями, улуч¬
шающими технологический процесс. К конструктивным решениям
относят улучшение приспособленности машины к конкретным ус¬
ловиям за счет использования сменного рабочего оборудования,
специальных конструкций узлов, микроклимата кабины и т. п. Ра¬
циональная конструкция машины позволяет улучшить технологию
работ. Например, если конструкция автогрейдера допускает разво¬
рот отвала на 180°, то исключаются технологические перерывы на
возвращение машины задним ходом к месту начала работ.
Производительность машин в значительной степени зависит от
их технических показателей, которые характеризуют конструкцию
машин. Важными параметрами машины являются размер ее рабо¬
чего органа — вместимость ковша экскаватора, скрепера, длина
отвала бульдозера, от которых зависят производительность и дру¬
гие показатели машины.
Мощность установленных на машине двигателей в значительной
степени определяет производственные возможности машины.
13

Удельная мощность на единицу массы или размера рабочего орга¬
на достаточно четко характеризует техническую производитель¬
ность машины
Различают конструктивную, рабочую и транспортную массы
машины. Рабочая масса равна сумме конструктивной (сухой) мас¬
сы и массы полной заправки горюче-смазочных материалов, эки¬
пажа и всего того, что необходимо для работы машины. Транспорт¬
ная масса обычно равна рабочей.
В самоходных и прицепных колесных машинах рабочая масса
ограничена допустимыми осевыми нагрузками (ГОСТ 8314—59).
У гусеничных машин рабочая масса их ограничивается допустимы¬
ми удельными давлениями на грунт. Для перевозимых машин мас¬
са ограничивается грузоподъемностью транспортных средств. При
увеличении массы машин сверх допустимых пределов приходится
разбирать машины при их перебазировании.
Конструктивное совершенство машин характеризуется удельной
массой, отнесенной к единице производительности, мощности или
размерам рабочего органа. Ориентируя машиностроителей на вы¬
пуск более совершенных машин, XXVI съезд КПСС потребовал от
конструкторов уменьшения массы машин для экономии конструк¬
ционных материалов и улучшения технико-экономических характе¬
ристик машин.
Эффективность использования машин зависит от их рабочих
размеров, которые определяют положение рабочих органов в прост¬
ранстве (например, высота копания грунта экскаватором). С уве¬
личением рабочих размеров растут потребляемая мощность и мас¬
са машины. Вследствие этого рабочие размеры назначают мини¬
мально необходимыми для эффективного выполнения машиной ее
назначения.
Кроме рабочих большое значение имеют габаритные размеры,
которыми называют максимальные размеры машины по длине, вы¬
соте, ширине. Эти размеры определяют возможность перебазиро¬
вания машин без их разборки.
Большая группа параметров характеризует транспортные каче¬
ства машин. К этой группе относится база — расстояние между
осями крайних ходовых колес, дорожный просвет — расстояние
между самой нижней точкой машины и поверхностью дороги и др.
Экономические показатели, зависящие от многих характеристик
машин, являются наиболее обобщенными, универсальными. С их
помощью можно сравнивать самые разнообразные машины, опре¬
делять целесообразность и сроки окупаемости новой техники, полу¬
чать характеристики эффективности использования машин. К эко¬
номическим показателям относят стоимость машины, которая в из¬
вестной мере является функцией ее массы, срок амортизации и др.
Наиболее обобщенной экономической характеристикой служит се¬
бестоимость единицы продукции машины, которая зависит от ее
производительности, расходов на заработную плату рабочим, на
техническое обслуживание и ремонты, эксплуатационные материа¬
14

лы, т. е. буквально от всех показателей машины. Полную технико¬
экономическую характеристику машины дает развернутая система
ее показателей.
§ 1.3. Направления развития машин
для земляных работ
Основные направления развития машин для земляных работ,
как и всей другой техники, определены XXVI съездом КПСС. Глав¬
ными из них являются повышение эффективности и качества ма¬
шин. При этом понятия эффективности и качества включают в се¬
бя высокую производительность и технико-экономические показа¬
тели, сбережения материальных ресурсов и т. д. XXVI съезд КПСС
указал также основные направления решения этих задач.
В Основных направлениях экономического и социального разви¬
тия СССР на 1981 —1985 годы и на период до 1990 года, принятых
XXVI съездом КПСС, относительно строительного и дорожного ма¬
шиностроения указано на важность создания и освоения выпуска
систем машин для комплексной механизации работ в промышлен¬
ном, жилищном, сельскохозяйственном, мелиоративном и дорожном
строительстве, машин повышенной единичной мощности с широким
применением гидравлики и автоматики.
Комплексной механизацией называйт такую форму организации
работ, при которой все основные и вспомогательные тяжелые и тру¬
доемкие операции и процессы выполняются с помощью механизмов,
машин и оборудования, отвечающих передовому уровню развития
техники, взаимоувязанных по производительности, обеспечивающих
заданный темп (сроки) всего процесса и наивысшие, возможные в
данных условиях, технико-экономические его показатели.
При комплексной механизации работы выполняются машинным
комплексом, в котором одна машина является ведущей, а осталь¬
ные — вспомогательными. Например, при разработке грунта в
карьерах применяют экскаваторные комплексы, в которых ведущей
машиной является экскаватор, а вспомогательными—автосамосва¬
лы, бульдозеры и др. Комплекс машин может эффективно работать
в тех случаях, если обеспечена наивысшая производительность веду¬
щей машины. Для этого состав комплекса должен быть специально
подобран. Так, если мощные экскаваторы обслуживаются автосамо¬
свалами малой грузоподъемности, то их эффективность уменьшает¬
ся. Например, при обслуживании экскаватора с ковшом 3 м3 пяти¬
тонными автосамосвалами цикл работы экскаватора оказывается в
два раза большим, чем при 25-тонных автосамосвалах.
Комплектование машинных комплексов — довольно сложная
задача, потому что комплексы, соответствующие всем требованиям,
можно создать лишь при условии, если производится вся система
машин, предусмотренная при их проектировании.
Машины комплексов должны использовать одинаковое топливо,
смазочные материалы, унифицированные узлы и детали, что обес¬
печивает единство системы технического обслуживания комплек
15

са — ее организации, оснащения. Поэтому в условиях комплексной
механизации особенно важна унификация узлов и агрегатов.
Указание XXVI съезда КПСС на необходимость создания ма¬
шин повышенной единичной мощности ориентирует машинострои¬
телей на проектирование машин высокой эффективности. Извест¬
но, что при использовании машин для земляных работ, повышаю¬
щих производительность труда в 10—15 раз в сравнении с ручным
трудом, стоимость механизированных работ остается все-таки вы¬
сокой, достигая 30—50% стоимости ручных работ. Когда же при¬
меняют машины в 1000—20 000 раз производительнее ручного тру¬
да, стоимость их работы составит лишь 3—6% от стоимости ручно¬
го труда. С увеличением мощности машин улучшаются также дру¬
гие их технико-экономические показатели.
Важным направлением совершенствования машин для земляных
работ является автоматизация их работы. Автоматизированные ма¬
шины выгодны при комплексной механизации работ. В этом случае
и автоматизация становится комплексной.
При комплексной автоматизации все основные и вспомогатель¬
ные процессы управления автоматизируются, т. е. заданная произ¬
водительность и качество продукции должны обеспечиваться без
вмешательства человека. За ним остается только функция наблюде¬
ния за работой автоматических устройств.
Частичная автоматизация отдельных машин, входящих в произ¬
водственный поток, позволяет повысить производительность их на
5—20% в основном за счет более точного соблюдения оптималь¬
ных технологических режимов. Технико-экономическая эффектив¬
ность работы потока повышается главным образом за счет умень¬
шения трудоемкости работ.
В материалах XXVI съезда КПСС указано на необходимость
совершенствования технологических процессов и быстрейшего воп¬
лощения в практику достижений науки, что имеет прямое отноше¬
ние к проектированию машин для земляных работ. Дело в том,
что рабочие процессы, выполняемые многими типами этих машин,
в принципе такие же старые, что и в момент создания оборудования,
т. е. 100—150 лет назад. Например, рабочий процесс одноковшово¬
го экскаватора 1836 г., копирующий движения ручной лопаты, копа¬
ющей грунт, используется и в современных экскаваторах. Этот про¬
цесс несовершенен — грунт при копании рыхлится, а затем в зем¬
ляном сооружении (насыпь) уплотняется. В процессе копания грунт
в ковше экскаватора поднимается, а потом при погрузке в транс¬
портные средства опускается. Налицо — значительная ненужная за¬
трата энергии.
Прототипами современных бульдозеров являются применявшие¬
ся в конце прошлого века на американских фермах устройства, сос¬
тоящие из дышла, помещенного между парой быков, и деревянного
щита, укрепленного на дышле перед быками. С помощью этого
устройства убранные кукуруза и свекла сгребались в кучи.
Существенно повысить эффективность и качество машин для
земляных работ можно улучшением их рабочих процессов. Для это¬
16

го можно использовать принципиально новые рабочие процессы
(например применение газодинамических способов разработки
грунта) или улучшать существующие (например, путем принуди¬
тельной загрузки ковшей скреперов) и т. д.
Конкретные пути совершенствования отдельных типов машин
излагаются в соответствующих главах.
ГЛАВА 2
ГРУНТЫ КАК ОБЪЕКТ ВОЗДЕЙСТВИЯ
РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН В ПРОЦЕССЕ ИХ РАЗРАБОТКИ
Грунтами в инженерной практике называют любые горные поро¬
ды, которые подразделяют на скальные и нескальные. Такое разде¬
ление грунтов объясняется природой пород, хотя строгую границу
между скальными и нескальными грунтами провести трудно.
Скальные грунты характеризуются жесткими связями
между их частицами. Они представляют собой твердые тела и отли¬
чаются высокой прочностью. У таких грунтов не изменяются или
очень мало изменяются свойства при длительном насыщении водой.
К скальным грунтам относят изверженные или магматические по¬
роды, возникающие при остывании расплавленной магмы, выжима¬
емой либо в земную кору, либо на ее поверхность. Образцы этих по¬
род обладают большой прочностью и плотностью, но в массиве они
обычно разбиты трещинами на отдельные блоки, содержащие иног¬
да местные сильно ослабленные зоны раздробленной породы.
К скальным грунтам относят также многие осадочные породы.
Прочная связь между их частицами образуется либо вследствие по¬
степенно выпадающих из водных растворов цементирующих ве¬
ществ, либо в результате непосредственного химического взаимо¬
действия в точках контакта минеральных частиц. Под влиянием вы¬
сокой температуры, давления и действия химически активных ве¬
ществ как осадочные, так и магматические породы могут перехо¬
дить в метаморфические модификации скальных грунтов.
Под действием физико-механических и химических процессов
скальные грунты разрушаются, образуя легко распадающиеся в во¬
де несцементированные или очень слабо сцементированные скоп¬
ления частиц и обломков. Эти скопления принято называть не¬
скальными грунтами. Твердые минеральные частицы, слага¬
ющие нескальные грунты, называют скелетом. Скелет состоит в
большинстве случаев из частиц различного размера.
У многих грунтов скелеты имеют разнородные минералогические
составы и соответственно частицы скелета могут обладать неоди¬
наковыми физико-механическими свойствами. Промежутки между
частицами скелета, называемые порами, могут содержать воду, лед,
пар, воздух и другие газы. Вследствие интенсивного физико-хими¬
ческого взаимодействия между минеральными частицами скелета
и поровой водой, содержащей ионы растворенных веществ, измене¬
17

ние содержания воды, в порах и концентрации ионов в раствора
влияют на механические свойства нескальных грунтов.
При разработке и перемещении грунтов они разрыхляются, уп¬
лотняются, т. е. на них так или иначе воздействуют рабочие органы
машин.
При этом свойства грунтов оказывают большое влияние на эф¬
фективность их разработки, разрыхления, уплотнения и т. д. В со¬
ответствии со свойствами грунтов конструируют машины для зем¬
ляных работ, выбирают режимы их эксплуатации, рассчитывают
возможную их производительность.
§ 2.1. Общие понятия о сцеплении в грунтах
Грунты — сложные образования, прочностные свойства которых
в значительной степени зависят от структурных особенностей, в ос¬
новном от характера и количества связей между структурообразу¬
ющими элементами, т. е. от сцепления. Природа этого явления
изучена еще недостаточно, но большинство исследователей счита¬
ют, что прочность скальных грунтов, а также частиц, слагающих
дисперсные грунты, обусловлена действием сил первичной валент¬
ности, которые удерживают атомы в пределах кристаллической ре¬
шетки, а также сил, обусловленных вторичными валентными связя¬
ми. Это силы взаимодействия между молекулами.
В нескальных дисперсных грунтах комплекс факторов, обеспе¬
чивающих взаимосвязь структурообразующих элементов, значи¬
тельно сложнее. Принято считать, что в их основе лежат молеку¬
лярные силы, а характер действия зависит от поверхности раздела
твердых, жидких и газообразных фаз, химической природы твер¬
дых минеральных частиц, структуры, свойств веществ, заполняю¬
щих межчастичные пространства. Грунты содержат в поровом
межчастичном пространстве какое-то количество воды. Виды и
свойства воды могут быть различными в зависимости от ее количе¬
ства и сил взаимодействия с минеральными частицами, определя¬
емых главным образом гидрофильностью частиц.
Поровую воду подразделяют на прочносвязанную (адсорбиро¬
ванную), рыхлосвязанную (лиосорбированную) и свободную. При
соприкосновении твердой минеральной частицы с водой возникают
электромолекулярные силы взаимодействия, которые притягивают
молекулы воды к поверхностям минеральных частиц с большой си¬
лой. Поэтому самые близкие к минеральной частице слои воды об¬
ладают аномальными свойствами. Они заключаются в том, что во¬
да этих тонких пленок обнаруживает свойства твердых тел—обла¬
дает упругостью, прочностью на сдвиг и пределом текучести. Уда¬
лить эту воду не удается внешним давлением в несколько десятков
атмосфер, в связи с чем ее принято называть прочносвязанной.
Следующие слои рыхлосвязанной воды по мере удаления от
твердой поверхности грунтовых частиц удерживаются значительно
меньшими силами и их можно выдавить из пор грунта давлением в
несколько раз меньшим, чем необходимо для выдавливания ад¬
18

сорбционной воды. Свободная же вода, находящаяся вне сферы
действия молекулярных сил, может перемещаться в порах под дей¬
ствием гравитационных и капиллярных сил. Наличие пленок свя¬
занной воды блокирует влияние молекулярных сил и уменьшает их.
В углах же и на ребрах частиц толщина пленок меньше, поэтому
сила взаимного притяжения частиц при соприкосновении этими
местами увеличивается.
При наличии адсорбционных оболочек между частицами суще¬
ствуют одновременно и отталкивающие и притягивающие силы. От¬
талкивающие обусловлены расклинивающим действием тонких сло¬
ев воды и отталкиванием одноименно заряженных диффузных сло¬
ев. Притягивающие — молекулярным притяжением частиц.
При сближении частиц обе силы увеличиваются. Однако силы
притяжения возрастают быстрее, и на определенном расстоянии
они начинают преобладать. Поэтому при высыхании грунта или
сближении частиц давлением сильнее проявляются молекулярные
силы, что и повышает прочность грунта.
Если воды в грунте окажется больше, чем это определяется ад¬
сорбционной способностью грунта (характеризуемой молекулярной
влагоемкостью), водные пленки, окружающие частички материала,
утолщаются и сливаются. В этом случае количество воды в грунте
определяется его капиллярной влагоемкостью. Капиллярная вода
стягивает частицы грунта в соответствии с известной из физики
формулой Лапласа. Следовательно, при наличии капиллярной во¬
ды связность грунтов определяется в основном капиллярными си¬
лами, сближающими частицы. Капиллярные силы в грунтах при
определенных условиях могут достигать довольно больших значе¬
ний.
При дальнейшем увлажнении материала все поры заполняются
водой (ее объем определяют полной влагоемкостью) и таким обра¬
зом отключаются силы поверхностного натяжения. Однако в пол¬
ностью увлажненных грунтах силы молекулярного взаимодействия
не становятся снова превалирующими. Связи в этом случае будут
коагуляционными.
Из физической химии известно, что увлажнение дисперсного материала вле¬
чет за собой образование на его поверхности двойного электрического слоя.
Слой этот образуется либо вследствие адсорбции на поверхности частиц ионов
из окружающего раствора, либо вследствие диссоциации молекул поверхностного
слоя твердой фазы. В результате двойной электрический слой представляется
аналогичным плоскому конденсатору, одна обкладка которого находится в твер¬
дой фазе, другая — в жидкой. Знаки зарядов твердой и жидкой обкладок зави¬
сят от минералогического состава дисперсных частиц. При взаимодействии их
частицы с двойными электрическими слоями противоположной полярности при¬
тягиваются по известным законам электростатики. При уплотнении же таких
коагуляционных структур до прямого соприкосновения зерен между ними снова
начинают действовать молекулярные силы.
Следовательно, дисперсные грунты можно уподобить сложным электриче¬
ским системам. Заряды отдельных частиц компенсированы через взаимное при¬
тяжение или вследствие взаимодействия их с диполями воды и катионами. От¬
сюда следует, что в состоянии равновесия грунты в целом являются электриче¬
ски нейтральными. Однако при нарушении двойного электрического слоя, раз¬
рушении или деформации кристаллической решетки поверхностных слоев зерен
возможно появление новых электрических зарядов. Они возникают также в
19

результате трения между частицами при прохождении через грунт упругих волн.
Таким образом, в дисперсных грунтах при определенных условиях и под воз¬
действием ряда факторов возникает статическое электричество, вследствие чего
ооразуются дополнительные связи между довольно крупными частицами (0,01—
0,25 мм). Это явление называется сейсмоэлектрическим эффектом.
Частицы грунта, соприкасающиеся с водой, взаимодействуют с
ней. В результате происходят физико-химические реакции, связан¬
ные с выпадением из постепенно концентрирующихся растворов
различных солей. Продукты этих реакций заполняют поры грунта,
покрывают поверхность частиц пленками и корочками, цементируя
тем самым грунт и способствуя его окаменению. Это—процесс воз¬
никновения так называемых кристаллизационных связей, сопровож¬
дающийся увеличением прочности грунтов. Так как зерновой состав
нескальных грунтов имеет весьма широкий диапазон размеров, эф¬
фекты, связанные с теми или иными факторами, определяющими
сцепление в грунте, также сильно отличаются друг от друга в зави¬
симости от степени раздробленности частиц, слагающих скелет.
Чем дисперснее материал, тем больше контактов приходится на
единицу его объема и, следовательно, тем интенсивнее силы его
сцепления. Например, сцепление грубодисперсных грунтов при от-'
сутствии того или иного цементирующего вещества настолько сла¬
бо, что при свободной засыпке эти грунты легко рассыпаются и при¬
нимают вид конической кучи. Такие грунты называют несвязными.
Тонкодисперсные грунты, имеющие большую удельную поверхность,
могут не обладать сыпучестью и быть в зависимости от влажности
твердыми, пластичными, текучими. Такие грунты принято называть
связными. Такое разделение удобно, хотя и весьма условно, так как
связностью в большей или меньшей степени обладают все грунты
независимо от их структурных особенностей и вида веществ, запол¬
няющих поровое пространство.
Знание структурных особенностей грунтов дает возможность из¬
менять их свойства в некоторых пределах, т. е. управлять прочност¬
ными характеристиками. Это, в свою очередь, открывает возмож¬
ность проектировать рабочие процессы наиболее эффективно и кон¬
струировать оборудование, воздействующее на грунты, различными
способами. В частности, необходимо учитывать, что при замачива¬
нии лёссовых грунтов значительно ослабляются их кристаллизаци¬
онные связи, что способствует их уплотнению; термическим же воз¬
действием на лёссовые грунты их упрочняют.
Один из методов повышения несущей способности слабых грун¬
тов — электрохимическое закрепление их.
Введение электролитов в грунты с коагуляционными связями
приводит к объединению отдельных зерен в структурные агрегаты
и к слипанию последних.
Постоянный электрический ток во влажных грунтах вызывает
электроосмотическое движение воды, активизирующее капилляр¬
ные силы и сближающее частицы. При этом молекулярные силы
увеличиваются тем больше, чем дисперснее грунт. Поэтому элект¬
роосмотическое закрепление наиболее эффективно в грунтах с дос¬
таточно высоким содержанием глинистых фракций.
20

§ 2.2. Физико-механические свойства грунтов
Для сравнения различных грунтов друг с другом их свойства
оценивают численными величинами, которые называют параметра
ми, характеристиками или показателями свойств. Важнейшими по¬
казателями механических свойств являются коэффициент Пуассо¬
на jx и модуль одноосной деформации Е, который аналогичен моду¬
лю упругости, но учитывает не только обратимые деформации, но и
необратимые.
Эти показатели дают возможность оценивать сопротивления
грунта деформациям от воздействия различных рабочих органов —
режущих и уплотняющих. Однако они, к сожалению, являются не
константами, а некоторыми нелинейными функциями возникающих
в грунте напряжений. Определяют эти показатели с помощью при¬
боров, воспроизводящих одноосное или трехосное сжатие в некото¬
ром интересующем исследователя диапазоне напряжений, а единая
методика определения их отсутствует. Поэтому, несмотря на важ¬
ность параметров р и Е, используют их лишь при теоретическом
анализе рабочих процессов. Эксплуатационные свойства грунтов
обычно определяют набором эмпирических характеристик, которые,
хотя и не имеют строгого обоснования, но с достаточной для прак¬
тики точностью позволяют определять основные усилия в элемен¬
тах машин при воздействии их на грунты.
Важнейшие характеристики грунтов описаны ниже.
Гранулометрический состав грунт а— процентное
содержание по массе частиц различной крупности. В зависимости
от крупности, мм, частицы грунта разделяют на следующие: галеч¬
ные— 40—20, гравийные — 20—2, песчаные — 2—0,05, пылеватые—
0,05—0,005, глинистые — менее 0,005.
Чем мельче частицы грунта, тем больше преобразована первич¬
ная горная порода.
Крупноблочные грунты разрабатывают обычно захватом подбо¬
ром или зачерпыванием кусков. Поэтому сопротивление их разра¬
ботке зависит от тяжести и механического зацепления кусков. По
мере уменьшения размеров частиц грунта их удельная поверхность
увеличивается, а следовательно, возрастают и силы взаимодейст¬
вия частиц между собой и с элементами рабочих органов машин.
Объемная масса — отношение массы грунта при естествен¬
ной влажности к его объему. Объемная масса большинства грунтов
составляет 1,5—2,0 т/м3. С помощью этого показателя определяют
массу грунта в ковше машины или в призме волочения при нахож¬
дении усилий в элементах машины в процессе ее работы.
Разрыхляемость — свойство разрабатываемого грунта
увеличивать свой объем при постоянной массе. Объемы земляных
работ и производительность землеройных машин исчисляют по объ¬
ему грунта в состоянии естественного залегания. В процессе же
разработки грунты превращаются в рыхлый материал с объемом
пор и пустот значительно большим, чем до разработки. Характери¬
зуют разрыхляемость коэффициентом разрыхления, равным отно¬
21

шению объема разрыхленного грунта к объему, который он занима¬
ет в плотном теле. Коэффициент разрыхления всегда колеблется в
пределах от 1,08 до 1,75 в зависимости от грунта и конструкции ра¬
бочего органа. Это свойство грунта тоже принимают во внимание
при установлении емкостей ковшей, размеров отвалов и других раз¬
меров машин для земляных работ.
Пористость — отношение объема пор (независимо от того,
чем они заполнены) ко всему рассматриваемому объему грунта.
Чем пористее грунт, тем он рыхлее, а следовательно, менее прочен
и более подвержен деформациям. Пористость грунта изменяется в
зависимости от расстояния между частицами скелета грунта под
действием внутренних и внешних сил и особенно важна при искус¬
ственном уплотнении грунтов.
Влажность — отношение массы воды к массе сухого грунта,
выраженная в процентах. Влажность влияет на механические свой¬
ства грунтов особенно сильно. С увеличением влажности грунтов,
содержащих в значительных количествах тонкодисперсную фрак¬
цию, снижается их прочность, несущая способность и т. п. Кроме
того, свойство грунтов уплотняться под нагрузкой существенно за¬
висит от количества содержащейся в нем влаги. Так, максимальной
плотности грунта при заданном режиме уплотнения можно достичь
лишь при определенном соотношении воды и воздуха в грунте. При
повышенной влажности этот показатель снижается. Максимальную
плотность грунта при определенной для данной влажности нагруз¬
ке называют максимальной стандартной плотностью, а соответству¬
ющую ей влажность — оптимальной влажностью. Каждой нагрузке
соответствуют определенные значения максимальной плотности и
оптимальной влажности. Последние показатели определяют для
каждого вида грунта в лабораторных условиях по методу стандар¬
тного уплотнения.
Связность — свойство грунта благодаря силам сцепления
сопротивляться разделению на отдельные частицы под действием
внешних нагрузок. Характерными примерами связных грунтов яв¬
ляются глины, содержащие в значительных количествах тонкодис¬
персные фракции.
Пластичность — свойство грунта в результате внешнего
воздействия изменять форму без разрыва сплошности и сохранять
ее после того, как воздействие снято. Пластичностью обладают все
связные грунты в определенных границах влажности. Пластичность
тесно связана с влажностью, а также с дисперсностью и однород¬
ностью частиц грунта. Чем более грунт дисперсен и однороден, тем
выше его пластичность. Так как к связным грунтам относятся грун¬
ты с различным гранулометрическим составом, пластические свой¬
ства их могут быть различными. Эти различия не имеют, однако,
качественного характера.
Для количественной оценки пластичности установлено так на¬
зываемое число пластичности, под которым понимают выраженную
в процентах разность влажностей грунта, относящихся к границам
перехода в текучее и твердое состояния.
22

Липкость — параметр, характеризующий способность грунта
прилипать к поверхности рабочих органов. Слой грунта, налипа¬
ющий, например на внутреннюю поверхность ковша, может сущест¬
венно затруднить работу машины. Липкость характерна для связ¬
ных грунтов, находящихся в увлажненном состоянии. С возраста¬
нием влажности липкость увеличивается, но до известного предела.
Так, по достижении полной влажности липкость резко уменьшается
и при дальнейшем увеличении влажности может полностью исчез¬
нуть. Таким образом, максимальная липкость, аналогично макси¬
мальной плотности, может иметь место лишь при вполне определен¬
ной влажности, значение которой определяется гранулометрическим
и минеральным составом скелета грунта. Липкость выражают отно¬
шением усилия, необходимого для отрыва прилипшего к грунту
предмета, к площади прилипания.
Размокаемость — свойство некоторых видов связных грун¬
тов при впитывании воды после потери связности превращаться в
рыхлую массу, лишенную несущей способности. Размокаемость
грунтов зависит от их состава, характера связей, начальной влаж¬
ности и имеет существенное значение при гидромеханизации зем¬
ляных работ. Показателем размокания является время, в течение
которого образец грунта, помещенный в воду, распадается в круп¬
ные или мелкие комочки, пыль.
Сжимаемость — свойство грунтов уменьшаться в объеме под
действием внешней нагрузки. Сжимаемость определяется способ¬
ностью грунтов уменьшать пористость из-за переупаковки частиц,
как вследствие возникновения местных сдвигов частиц и соскальзы¬
вания более мелких частиц в поры грунта, так и от изменения тол¬
щины водно-коллоидных оболочек частиц при увеличении давле¬
ния.
Для небольших перепадов давления сжимаемость грунта можно
характеризовать коэффициентом сжимаемости, равным отношению
разности пористости грунта в начале и конце интервала к прира¬
щению давления на этом же интервале. Для больших перепадов
давления сжимаемость обычно характеризуют компрессионной кри¬
вой, представляемой обычно в виде уравнения
£г = £о In	>	(2.1)
Ро
где е0 и Р0 — начальные коэффициент пористости и давление;
gj и Рг — коэффициент пористости и давление, соответствующее
i-и ступени нагрузки; kK — коэффициент компрессии, определяемый
экспериментально.
Сжимаемость играет важную роль в уплотнении грунтов.
Сопротивление грунта вдавливанию. Значительно¬
му числу рабочих процессов машин для земляных работ соответст¬
вуют деформации, наблюдаемые при вдавливании в грунт металли¬
ческих штампов. Для характеристики сопротивления грунта вдав¬
ливанию используют показатель — коэффициент сопротивления
23

грунта смятию, т. е. напряжение, вызывающее вдавливание в грунт
опорной поверхности на глубину в 1 см.
Коэффициент сопришвления смятию позволяет оценивать несу¬
щую способность грунта и, следовательно, правильно конструиро¬
вать ходовое оборудование машин. Значение этого коэффициента
колеблется у разных грунтов в пределах 0,12—1,3 кг/см2. По дан¬
ным некоторых исследователей, сопротивления при вдавливании
штампов в грунт должны коррелироваться с усилиями резания, и
они могут служить объективными критериями для составления
шкалы сопротивляемости грунтов резанию. Приборы, основанные
на принципе вдавливания штампов в грунт, называют плотноме¬
рами.
Сопротивление сдвигу. Этот показатель нужен для пра¬
вильного расчета режимов работы машин и оценки нагрузок на их
рабочее оборудование. В настоящее время нет единой точки зрения
на природу сопротивления грунтов сдвигу. Некоторые исследовате¬
ли считают, что сопротивление сдвигу зависит только от сцепления
между частицами, показателем которого является коэффициент
сцепления. Другие полагают, что сопротивление сдвигу зависит
также и от сил трения. Показателями этих сил, действующих в
грунте, считают угол внутреннего трения и коэффициент трения.
Несмотря на недостаточную изученность природы сопротивле¬
ния и условность его разделения на внутреннее трение и сцепление,
для практических расчетов сопротивление грунтов сдвигу принято
характеризовать зависимостью, выражающейся уравнением Ку¬
лона
t=A’ci + /^tgp,	(2.2)
где р — угол внутреннего трения грунта; р — нормальное давление
на поверхности сдвига; Ксд — удельное сопротивление сдвигу при
р = 0, или коэффициент сцепления грунта.
Сопротивление сдвигу грунта зависит как от физического состо¬
яния его (плотности, влажности), так и от условий деформации
(скорости сдвига, размеров массива).
Для количественной оценки сопротивления грунтов сдвигу про¬
водят экспериментальные исследования, заключающиеся в одновре¬
менном измерении нормального и касательного усилий при разру¬
шении сдвигом стандартного образца.
Угол естественного откоса грунта — угол, при ко¬
тором неукрепленный откос грунта еще сохраняет равновесие, или
угол, под которым размещается свободно насыпаемый грунт. Для
несвязных грунтов угол естественного откоса равен углу внутрен¬
него трения.
Коэффициенты трения грунта о сталь и грунта
по грунту имеют существенное значение при взаимодействии
рабочих органов землеройных машин с грунтом.
Абразивность грунтов — свойство их изнашивать рабо¬
чие органы машин в результате истирания. Форма и размеры эле¬
ментов машин, соприкасающихся с грунтом, значительно меняют¬
24

ся, вследствие чего нарушаются проектные условия их взаимодей
ствия и возрастают нагрузки на машину.
Динамические показатели. Число параметров, харак¬
теризующих с различных сторон динамические свойства грунтов,
чрезвычайно велико. К наиболее существенным следует отнести
скорости распространения продольных и поперечных волн, опреде¬
ляющих скорость распространения возмущений в грунте. Произве¬
дение плотности грунта на скорость продольных волн принято на¬
зывать акустической жесткостью, характеризующей сопротивля¬
емость грунта прохождению продольной волны. Коэффициент зату¬
хания колебаний — параметр, характеризующий уменьшение амп¬
литуды колебаний по мере удаления от источника возмущений.
§ 2.3. Принципы классификации грунтов
В процессе проектирования и использования оборудования,
предназначенного для производства земляных работ, применяют
так называемые классификационные показатели грунтов. С их по¬
мощью относят грунты к той или иной категории, чтобы в общих
чертах характеризовать поведение их под действием различных
нагрузок, возникающих при эксплуатации строительной техники.
Инженерные классификации грунтов, применяемые в настоящее
время, можно подразделить на группы:	инженерно-геологическую
почвенно-дорожную, физико-техническую и практическую.
Деформативные и прочностные характеристики грунтов, т. е. те,
которые непосредственно связаны с поведением грунтов при раз¬
личных механических воздействиях, должны быть основой техниче¬
ских классификаций грунтов. Однако непосредственное их нахож¬
дение является сложной задачей. Кроме того, они не всегда необхо¬
димы в практической деятельности. Поэтому в большинстве клас¬
сификаций использована статистическая зависимость между неко¬
торыми просто и легко определяемыми физическими характеристи¬
ками грунтов и прямыми характеристиками, от которых зависят
свойства грунтов в тех или иных условиях.
Подразделение грунтов на различные классы по их строитель¬
но-техническим свойствам облегчает выбор рациональных способов
их разработки и позволяет учитывать такие их особенности, кото¬
рые затруднительно охватить расчетом — их оценивают лишь ка¬
чественно. Вследствие этого в настоящее время не прекращаются
настойчивые исследования по улучшению и развитию существую¬
щих и созданию новых классификаций.
В нашей стране наиболее употребительна практическая класси¬
фикация, по которой грунты подразделяют на два класса, резко
отличающихся друг от друга по своим свойствам: массивные, сце¬
ментированные скальные; рыхлые, обломочные, состоящие из неце-
ментированных обломков и частиц — глинистые, песчаные, крупно¬
обломочные нескальные.
Главный принцип, положенный в основу практической класси¬
фикации,— трудность разработки грунтов.
25

В соответствии с этим принципом скальные грунты характеризу¬
ются показателем крепости. Шкала крепости горных пород впер¬
вые была научно обоснована М Щ Протодьяконовым. При этом
все горные породы разделены им на 10 категорий. Крепость их оце¬
нивается коэффициентом крепости /кр. За единицу крепости принят
предел прочности при простом сжатии, равный 100 кг/см2. Напри¬
мер, если какая-либо порода обладает сопротивлением сжатию
400 кг/см2, то коэффициент крепости ее будет /кр = 400/100=4.
По шкале Протодьяконова к 1-й категории относят в высшей
степени крепкие породы (например, наиболее крепкие кварциты,
базальты), коэффициент крепости которых составляет 20. Глинис¬
тые сланцы, известняки, некрепкие песчаники, характеризующиеся
коэффициентом крепости 4, относят к породам 5-й категории.
Для нормирования производственных продессов применяют и
другие классификации горных пород по прочности. В этих класси¬
фикациях к той или иной категории породы относят по чистому вре¬
мени бурения 1 м шпура или по удельной работе бурения. Общесо¬
юзной классификацией является единая шкала буримости, ведомст¬
венной — классификация, принятая на угольных карьерах, а также
классификация Союзвзрывпрома.
В классификации нескальных грунтов их характеризуют видом
и гранулометрическим составом (количественным содержанием
твердых частиц того или иного размера), в соответствии с которы¬
ми грунтам присваивают название (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Виды несвязных грунтов
Виды несцементированных обломочных
Распределение массы частиц по крупности.
грунтов
% о г массы сухого грунта
Крупнообломочные:
щебенистый (при преобладании
Масса частиц крупнее 10 мм>50
окатанных частиц — галечнико-
вый)
дресвяный (при преобладании
Масса частиц крупнее 2 мм составля¬
окатанных частиц — гравийный)
ет >50
Пески:
гравелистый
Масса частиц крупнее 2 мм > 25,
но<50
крупный
Масса частиц крупнее 0,5 мм>50
средней крупности
Масса частиц крупнее 0,25 мм>50
мелкий
Масса частиц крупнее 0,1 мм>75
пылеватый
Масса частиц крупнее 0,1 мм<75
В зависимости от количества воды в несвязных грунтах их раз¬
деляют на маловлажные, если вода заполняет не более 50% всего
объема пор, влажные, когда водой заполнено 50—80% объема пор,
и водонасыщенные при заполнении водой более 80% объема пор.
В связных грунтах в отличие от несвязных наряду с грануломет¬
рическим составом классификационным показателем является не
влажность, а число пластичности (табл. 2.2). Такой принцип клас¬
26

сификации рекомендует СНиП. Он позволяет легко определить вид
грунта, а затем отнести его к той или иной группе в зависимости
от трудности разработки.
Таблица 2.2
Виды связных грунтов
Показа!ели
Грунты
число
пластич¬
ности
содержание
песчаных час¬
тиц, % от мас¬
сы сухого
грунта
Разновидности грунтов
Супесь (частиц с размером
1—7
50
Супесь легкая
0,005 мм — 10—3%)
1—7
20—50
Супесь пылеватая
1-7
20
Супесь тяжелая пыле¬
ватая
Суглинок (частиц с размером
7—12
40
Суглинок легкий
менее 0,005 мм — 30—10%)
12—17
40
Суглинок тяжелый
Глина (частиц с размером ме¬
17—27
40
Глина песчанистая
нее 0,005 мм — более 30%)
17—27
Не норми¬
руют
Глина пылеватая полу¬
жирная
27
То же
Глина жирная
Грунты распределены на группы в «Единых нормах и расцен¬
ках» в зависимости от вида применяемой механизации. При этом
один и тот же грунт может быть отнесен к различным группам при
разработке его различными машинами. Например, лёсс отвердев¬
ший относится к 4-й группе при разработке одноковшовыми экска¬
ваторами, к 3-й группе — при разработке бульдозерами, ко 2-й груп¬
пе— при разработке скреперами. Гравийно-галечные грунты отно¬
сят к 1-й группе при разработке их экскаваторами, ко 2-й группе —
при разработке скреперами и к 3-й — при разработке их грейдера¬
ми и т. д. Такая классификация очень несовершенна, так как не
учитывает физического состояния грунта. Поэтому в настоящее
время наиболее употребительна классификация, предложенная
А. Н. Зелениным. По ней физическое состояние грунта оценивается
по числу ударов динамического плотномера ДорНИИ. Плотномер
состоит из цилиндрического стержня сечением 1 см2, на который
надета гиря массой 2,5 кг. При падении с высоты 40 см гиря уда¬
ряется об упор на стержне, который погружается в грунт. В за¬
висимости от числа ударов Съи, необходимых для погружения
стержня на 10 см, грунт (в соответствии с классификацией грунтов
по числу ударов динамического плотномера) можно отнести к од¬
ной из восьми категорий, которые приведены ниже.
Категория грунта I II III IV V VI	VII	VIII
Число ударов Спл 1—4 5—8 9—16 16—34 35—70 70-140 140—280 280—560
Использование динамического плотномера позволяет классифи¬
цировать грунты, при разрушении которых преобладает пластиче¬
ское деформирование. Следует заметить также, что это один из наи¬
более объективных способов оценки мерзлых грунтов при различ-
27

ных влажностях и температурах, поэтому указанная классифика¬
ция грунтов рекомендуется во многих ГОСТах на машины для зем-
где Спл1 и Спл2 — число ударов динамического плотномера для
двух видов грунта; Pi и Р2— усилия резания в этих грунтах.
Грунты при отрицательных температурах резко меняют свои
свойства, так как лед, образующийся при замерзании воды, связы¬
вает частицы грунта в сплошной высокопрочный монолит.
Прочностные свойства мерзлых грунтов зависят от ряда факто¬
ров, и даже небольшое изменение одного из них значительно ме¬
няет величину сопротивления разрушению. Вода замерзает в грун¬
тах по-особому из-за взаимодействия ее с поверхностью минераль¬
ных частиц грунта, а также наличия в воде растворенных солей,
механического и минералогического состава грунта и пр. Темпе¬
ратура кристаллизации воды, находящейся в силовом поле поверх¬
ности минеральных частиц, ниже 0° С.
Процесс замерзания грунтов хорошо исследован как в лабораторных, так и в
полевых условиях. В начале процесса грунт охлаждается, а затем переохлаж¬
дается без выделения льда. При температуре 3—5° С ниже нуля начинает замер¬
зать свободная вода, не связанная молекулярными силами с минеральными
частицами. Далее везде температура приводится в градусах Цельсия. Эту темпе¬
ратуру называют температурой переохлаждения. В дальнейшем в грунте посте¬
пенно замерзает свободная поровая вода.
В мерзлых грунтах далеко не вся вода замерзает даже при температуре
—10°, когда в них незамерзшей воды может быть еще до 25% и более. Если в
песке практически вся она замерзает при температуре —2°, то в глине прочно
связанная вода замерзает при —70° и ниже. Это объясняется тем, что более дис¬
персные грунты имеют большую поверхность минеральных частиц и, следова¬
тельно, обладают большей способностью связывать поровую воду.
Влажность грунта влияет не только на условия его заморажи¬
вания, но и на прочность. В мерзлом грунте с влажностью, не пре¬
вышающей полной влагоемкости, и быстро замороженном невоз¬
можно визуально обнаружить скопления кристаллов льда-цемента.
Такой грунт представляет собой монолит со слитной криогенной
структурой. При замораживании грунта повышенной влажности
в нем появляются линзы и прослойки льда, разделяющие монолит¬
ную структуру, включения льда встречаются и в грунтах небольшой
влажности, так как образование их зависит от рода и плотности
грунта, скорости и температуры замораживания. При малой влаж¬
(2.3)
Отсюда
(2.4)
§ 2.4. Особенности физико-механических свойств
мерзлых грунтов
28

ности льдоцементные связи не обеспечивают монолитной структуры
грунта и он легко поддается экскавации. При влажности, соответ¬
ствующей полной влагоемкости грунта, его прочность в мерзлом
состоянии наибольшая, так как льдоцементные связи в этом слу¬
чае наиболее полно соединяют между собой отдельные частицы
грунта.
Каждому грунту с определенной влажностью свойственна тем¬
пература промораживания, при которой пленочная и капиллярная
вода подтягивается к фронту промерзания, а также к порам и круп-
а)
Рис. 2.1. Основные виды криогенных текстур мерзлых грунтов:
а—слитная; б— слоистая; в — ячеистая
ным пустотам, чем вызывается максимальное выделение льда. В ре¬
зультате этого образуются слоистая и ячеистая структуры мерзло¬
го грунта (рис. 2.1). Так как из-за линз и прослоек льда образу¬
ется неоднородная текстура мерзлого грунта, его механическая
прочность уменьшается.
Миграция влаги происходит и в замерзшем грунте, однако ин¬
тенсивность ее значительно меньшая, чем в талом, что объясняется
небольшим содержанием незамерзшей воды и затрудненностью ее
передвижения.
{''Мерзлые грунты разрушаются землеройными машинами под
влиянием растягивающих, сдавливающих или сдвигающих напря¬
жений. При этом весьма важное значение для оценки сопротивле¬
ния мерзлых грунтов имеет мгновенная или кратковременная проч¬
ность, которую приравнивают к их временному сопротивлению-
Следует заметить, что для различных рабочих органов землерой¬
ных машин значения сопротивления разрушению или резанию од-
норэ и того же грунта могут значительно отличаться.
{ Разрушение мерзлого грунта растяжением наименее энергоем¬
ко, так как его прочность на разрыв наименьшая- Предел прочно¬
сти стр быстро увеличивается с понижением температуры (рис. 2.2),
особенно у песка и супеси, которые при температуре —5° имеют
значительно большую прочность, чем суглинки и глины.
^Прочность мерзлого грунта возрастает с повышением влажно¬
сти до полной его влагоемкости (рис. 2.3); при большем содержа¬
нии влаги временное сопротивление мерзлого грунта всем видам
29

напряжений уменьшается, и в пределе оно становится равным вре¬
менному сопротивлению льда.
Прочность мерзлого грунта возрастает также с увеличением
в нем количества частиц песка, что резко отличает мерзлые грун¬
ты от талых (рис. 2.4). Объясняется это образованием в мерзлом
песке жесткого каркаса, прочно армированного льдоцементными
бр, мпа
Рис. 2.2. Зависимость временного сопротивления мерзлых грунтов разрыву при
различной температуре:
а—песка; б — супеси; в —суглинка; г — глины; влажность грунтов: / — 4,1%; 2— 12,4%;
3 — 19,3%; 4 — 40%; 5-28%; 6 — 20%; 7 — 57%; 8 — 22,3%; Р—19%; 10-51%; /7 — 28%;
12 — 30%
связями. Временное сопротивление сжатию мерзлого грунта при
прочих равных условиях в 3—5 раз больше, чем растяжению. Проч¬
ность грунта при сжатии зависит от его влажности примерно в том
же соотношении, что и при разрыве.
Временное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу т (рис- 2.5)
очень важно для определения прочности грунта аналитическим пу¬
тем для правильного выбора теории прочности. По данным
А. Н. Зеленина, при т/ар<1 мерзлый грунт разрушается как пла¬
стичный материал, при т/0р>1 —как хрупкий.
Временное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу характери¬
зует их как хрупкие материалы при температуре ниже —5°- Для
песка отношение тДхр при этом примерно равно 2, для супеси, су-
зо

глинка и глины—1,6. При температуре —1—4°, по опьпмим ДйН-
ным, некоторые мерзлые грунты имеют свойства, сходные со своЛ-
ствями пластичных тел. Увеличением влажности 1рунта выше пол¬
ной влагоемкости уменьшается временное сопротивление мерзлых
грунтов сдвигу.
Надо отметить, что величина временного сопротивления мерз¬
лых грунтов в значительной степени зависит и от скорости при¬
ложения нагрузки. Предел длительной прочности мерзлых грунтов
6) 8)
Рис. 2.3. Влияние влажности на сопротивление мерзлых грунтов разрыву при
различной температуре (°С):
а —песка; 6 — супеси; в — глины; I — Гг= —5°; 2 — Тг=—15°; 3 — Тг—— 25°; 4—7р =
= —40°
при постоянной нагрузке значительно ниже временного сопротив¬
ления, что объясняется пластическим деформированием его анало¬
гично пластическому течению льда. При увеличении скорости при¬
ложения нагрузки сопротивление мерзлого грунта возрастает.
По различным данным, сопротивление резанию при увеличении
скорости на 1 м/с увеличивается на 5—12%. Однако эти сведения
противоречивы. Очевидно, что с увеличением скорости приложения
нагрузки изменяется характер разрушения, уменьшается его пла¬
стическая деформация и разрушение происходит как хрупкого или
квазихрупкого тела. Основным становится предельное касательное
напряжение, не изменяющееся при увеличении скорости.
Мерзлые грунты, как и немерзлые, подразделены классифика¬
цией на четыре группы по трудности разработки. Эта классифика¬
ция имеет недостатки (например, по ней песок отнесен к I группе
по трудности разработки как в немерзлом, так и в мерзлом состоя¬
нии, хотя из рис. 2.2 и 2.4 ясно, что прочность мерзлого песка зна¬
чительно больше, чем глины, относимой ЕНиР к III—IV группам.
Значительно точнее можно классифицировать мерзлые грунты по
трудности разработки с помощью динамического плотномера
ДорНИИ (табл. 2-3, V—VIII категории)-
31

?, МПа
Рис. 2.4. Зависимость временного со- Рис. 2.5. Сопротивление мерзлых грун-
противления мерзлых грунтов ежа- гов сдвигу при изменении температу-
тию от температуры:	ры	и	влажности:
/ — песок; 2 — супесь; 3 — глина	/	—	супесь, W=22%;	2	—	песок,	№=16%;
3—суглинок, №=22%; 4 — глина, №=36%
ГЛАВА 3
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ С ГРУНТОМ
Земляные работы сопровождаются деформациями, разрушени¬
ем и перемещением грунта. Для выполнения этих операций при¬
меняют рабочие органы различных типов. От характера их взаимо¬
действия с грунтом зависит эффективность рабочего процесса, по¬
этому выбор эффективных типов рабочих органов для выполнения
заданных технологических операций имеет большое значение.
§ 3.1. Способы деформации и разрушения грунта
Способы деформации и разрушения грунта различают в зави¬
симости от среды, действующей на грунт, и способа воздействия.
Воздействовать на грунт может твердое тело, жидкость или газ;
способ же воздействия может быть механический или физико-ме¬
ханический. Как было указано выше, грунт представляет собой
трехфазную упругую систему, причем силы связей между частица¬
ми до определенного предела будут тем выше, чем меньше между
ними расстояние и чем плотнее грунт. Поэтому деформация сжа¬
тия грунта механическим способом до определенного предела уп¬
рочняет его, а затем разрушает, как правило, вследствие сдвига
по плоскостям максимальных касательных напряжений.
32

Физико-механические способы разрушения грунта заключаются
в непосредственном воздействии на связи между его частицами
(например, с помощью электрического тока, химических веществ
и др.), вследствие чего снижается сцепление между частицами
грунта или внутреннее трение.
При выполнении земляных работ (до 80—85% общего объема)
наиболее применимо воздействие на грунт твердым телом, которое
происходит при работе всех землеройных и грунтоуплотняющих
машин. Второе место по объему выполняемых работ (до 10—15%
общего объема) занимает гидромеханизация, при которой грунт
разрушается и транспортируется водой.
Способ давления газа на грунт применяют главным образом при
ныполнении взрывных работ.
Воздействие на грунт твердым телом (инструментом) может
быть статическим, динамическим и вибрационным. Под статиче¬
ским понимают воздействие, происходящее при относительно по¬
стоянных скоростях перемещения рабочего органа. При этом не
исключаются динамические явления в системе машина — грунт
(например, при встрече с труднопреодолимым препятствием).
В случае динамического воздействия величина нагрузки на грунт
резко меняется по времени, скорости перемещения рабочего органа
переменны и его кинетическая энергия передается грунту.
Вибрационное воздействие инструмента на грунт происходит при
знакопеременных скоростях и нагрузках. Частота колебаний мо¬
жет находиться в этом случае в широких пределах: от дозвуковой
области (50—100 Гц) до ультразвуковой (20 кГц).
Вода и газ воздействуют на грунт динамическим путем, при ко¬
тором связи между частицами грунта разрушаются вследствие пе¬
редачи грунту кинетической энергии воздействующей среды.
В последние годы с целью интенсификации рабочих процессов
комбинируют различные способы воздействия на грунт. Так, при
статическом воздействии на грунт режущего инструмента ему со¬
общается колебание или к нему подводится струя воздуха, снижа¬
ющие трение на рабочей поверхности и сопротивление копанию.
При разработке грунта водой (например, с применением землесо¬
сов) струи ее выполняют роль механического рыхлителя.
Рассмотрим воздействие на грунт твердого тела, применяемого
в виде инструмента, которое характеризуется внедрением рабочего
инструмента в грунт и перемещением его внутри массива грунта.
Возможны три способа деформации и нарушения внутренних
связей грунта: погружение в него инструмента движением, направ¬
ленным перпендикулярно поверхности грунта (рис. 3.1, а), разре¬
зание его перемещением инструмента вдоль поверхности (рис.
3.1, б) и срезание пласта грунта (стружки) движением инструмен¬
та в плоскости, параллельной поверхности (рис. 3.1, в). Наиболее
распространен последний способ.
^Для определения требуемых усилий на рабочих органах земле¬
ройных машин необходимо знать предельные напряжения, которые
нарушают внутренние связи грунта. Для этого обычно применяют
2—125
33

теорию наибольших касательных напряжений, в основе которой ле¬
жит известное уравнение Кулона (2.3):
'r = C,o + otgp.
о/
Z7!
М
5)
У-
V
&
Рис. 3.1. Основные виды резания грунтов по Ю. А. Ветрову
Проведем в координатах т, о прямую LD"' (рис. 3.2), соответствующую за¬
висимости T=C0+crtgp, и симметричную ей прямую LD"', как показано на ри¬
сунке. Вписанные в эти прямые
круги радиусами O’D', 0"D",
0"'D'" можно рассматривать
как круги напряжений для раз¬
личных соотношений at и стя.
При этом точки £>', D", D'"
определяют критические значе¬
ния х', х",	за которыми
наступает сдвиг грунта. Угол
наклона плоскости сдвига ij)
определяют половиной угла
наклона радиусов O'D', 0"D",
0"'D"', составляет г|) = 45°+р/2,
поскольку радиусы O'D', 0"D",
0"'D"' перпендикулярны оги¬
бающей прямой LD'", наклонен¬
ной под углом р к оси абсцисс
(рис. 3.2, а). Из графика следу¬
ет, что сдвиг может произойти
с равной степенью вероятности
по двум плоскостям, располо¬
женным под углами 45° +р/2 и
-(45° +р/2).
На рис. 3.2, а изображены
круги напряжений для облас¬
тей сжимающих (отрицатель¬
ных) нормальных напряжений.
Как будет показано ниже,
грунт может разрушаться при
разрывающих положительных
значениях а. Эта область соот¬
ветствует участку LD пря¬
мой LD"', для которой условие
прочности имеет вид
т=С°—а tg р.
Работами А. Н. Зеленина и других советских ученых установ¬
лено, что при больших значениях а огибающие кривые стремятся
к прямой, параллельной оси абсцисс и р-*-0 (рис, 3.2, б), а при по-
Рис. 3.2. Построение огибающих кругов на¬
пряжений
34

ложитбльных значениях 0 разрушение образцов наступает раньше
расчетного, как это показано на рис. 3.2, б.
При по!ружении инструмента в грунт сопротивление вдавлива¬
нию прямо пропорционально поперечной площади штампа FmT:
Рял Звд1§^'шт>	(3-1)
где стВд удельное сопротивление вдавливанию.
Кроме того, сопротивление грунта вдавливанию зависит от фор¬
мы поперечного сечения инструмента. Чем больше соотношение
между длинной и короткой сторонами сечения и/b, тем меньше со¬
противление вдавлива¬
нию. Это объясняется
тем, что при сравни¬
тельно узких вдавлива¬
емых сечениях снижа¬
ются боковые нормаль¬
ные напряжения аз и
разрушение грунта нас¬
тупает при более низ¬
ком значении т.
Установлено, что со¬
отношение длин сторон
существенно сказыва¬
ется на сопротивлении
вдавливанию; для раз¬
личных грунтов оно ле¬
жит в пределах а/Ь =
= 3,5-f-6; при дальней¬
шем уменьшении этого
соотношения влияние
его снижается.
Разрезание
грунта часто используют при работе машин для производства зем¬
ляных работ; отрывки траншей для укладки кабелей, линий связи,
трубопроводов, рыхления плотных грунтов перед их разработкой,
грунт разрезается при применении зубьев на режущих профилях
землеройных машин и в ряде других случаев. Процесс разрезания
протекает различно в пластичных и скалывающихся грунтах.
Схема процесса разрезания в скалывающихся грунтах типа су¬
песей и суглинков показана на рис. 3.3. При перемещении в грунте
ножа перед ним выдвигается »верх по плоскости скольжения кли¬
нообразное тело, имеющее в плане форму раковины. Вначале на
поверхности образуется тело скольжения, идущее от верхней части
ножа; затем отделяются тела скольжения большего размера, иду¬
щие от нижних точек ножа. Периодически образующиеся тела
скольжения поднимаются вверх и целики грунта принимают харак¬
терную ступенчатую структуру. Перед передней гранью ножа ана¬
логично вдавливаемому штампу образуется ядро уплотнения грун¬
та, передвигающееся вместе с ножом. Раковины скола образуются
на определенной глубине от поверхности, ниже которой грунт в си-
Рис. 3.3. Схема образования тел скольжения
в связном грунте элементарным профилем по
А. Н. Зеленину:
1 — ядро уплотнения; 2 ~ тела скольжения
2*
35

Рис. 3.4. Схема резания грунта на глубину
больше критической (по Ю. А. Ветрову)
лу упругости раздвигается в стороны и вниз, не поднимаясь вверх.
Периодические сдвиги тел скольжения вызывают колебания
усилия, действующего на нож. В момент скола усилия снижаются,
а затем нарастают по мере деформации грунта до образования
предельных напряжений сдвига. Диаграмма изменения тягового
усилия получает для этого процесса характерный пилообраз¬
ный вид.
Глубина резания, при которой увеличение раковины скола
прекращается, называют критической. Постоянство объема рако¬
вины скола сохраняется
как при вертикальном по¬
ложении ножа, так и при
наклонном (рис. 3.4). Это
явление объясняется сжи¬
маемостью грунтов под
нагрузкой. С увеличением
глубины резания напря¬
жения сжатия перед дви¬
жущимся профилем, необ¬
ходимые для образования
раковин скола,увеличива¬
ются и достигают величи¬
ны, достаточной для сжатия грунта на толщину ножа в боковом
направлении. Вследствие этого критическая глубина тем больше,
чем шире прорезающий нож; для углов резания 25—45° она состав¬
ляет /гкр= (2,5-=-4)6. На рис. 3.4 показано, что в зоне А (до крити¬
ческой глубины) грунт разрыхляется, а в зоне Б уплотняется.
Образование ядра уплотнения перед движущимся профилем яв¬
ляется нежелательным, так как при этом происходит трение грун¬
та о грунт, имеющее более высокое значение, чем трение грунта
о сталь.
Ядро уплотнения имеет параболическое очертание и после его
образования перед режущим профилем в дальнейшем грунт дефор¬
мируется под действием этого ядра. Ядро уплотнения образуется
в любом грунте независимо от толщины режущего профиля при
угле заострения режущего профиля р>50-=-60°, т. е. большем двой¬
ного угла внешнего трения при симметричном заострении; при
Р<50° ядро не образуется. При относительно малом расстоянии
между двумя параллельно расположенными профилями между ни¬
ми образуется одно уплотненное ядро и они работают вместе как
профиль общей ширины.
Срезание пласта грунта (стружки) является основным
элементом процесса копания, при котором грунт отделяется от мас¬
сива и перемещается внутрь рабочего органа или перед ним. Сре¬
зание стружки является наименее энергоемким способом разработ¬
ки грунта, поскольку он удаляется в сторону свободной стороны
(рис. 3.1, в) с минимальными затратами энергии на сжатие и уп¬
лотнение. Однако процесс срезания стружки в чистом виде практи¬
чески неосуществим, так как кроме основных режущих элементов
36

у землеройных машин имеются емкости (ковши) с вертикальными
стенками или элементы несущих конструкций, которые тоже
взаимодействуют с iрунтом. Сам режущии элемент в процессе ра¬
боты первоначально внедряется в грунт, а затем срезает стружку.
Таким образом, реальный процесс разработки грунта включает
в себя, как правило, элементы вдавливания, разрезания и срезания
стружки при одновременном перемещении грунта по рабочей по¬
верхности инструмента и перед ним, что в совокупности называют
копанием. В зависимости от вида инструмента и траектории его
движения превалирует тот или иной вид резания.
Рабочие органы землеройных машин различают по виду ре¬
жущей кромки, способу деформации и перемещения грунта. Режу¬
щая кромка (рис. 3.5) может иметь вид прямого клина 1, косого
клина 2, диска 3, совка 4 или периметра 5. Кроме того, режущие
кромки могут иметь зубья для разработки плотных грунтов.
По способу действия рабочие органы различают как пассив¬
ные и активные. К первым (поз. 6—И на рис. 3.5) относят такие,
которые при работе не перемещаются по отношению к машине, ра¬
бочие же усилия возникают от энергии, подводимой к движителю
машины. Рабочие органы активного действия (поз. 12—19 на рис.
3.5) при работе перемещаются по отношению к машине и приво¬
дятся в движение двигателем машины непосредственно, минуя дви¬
житель.
В последнее время применяют рабочие органы комбинирован¬
ного действия (поз. 20—22), которые для выполнения рабочего про¬
цесса кроме энергии, сообщаемой движителем, реализуют одновре¬
менно энергию, получаемую непосредственно от первичного дви¬
гателя машины. Примером этому могут служить: плужно-роторный
рабочий орган, сочетающий плужный отвал пассивного действия
с ротором активного действия (позиция 20), рыхлитель пассивного
действия 21, к которому дополнительно подводится энергия, вызы¬
вающая его вибрацию, корчеватель активного действия 22, который
сочетает напор, создаваемый движителем машины, с активным по¬
воротом корчующих клыков.
По способу перемещения грунта рабочие органы делятся на
три группы: отвального типа, ковшового и скребкового. Рабочие
органы отвального типа, как правило, имеют режущую кромку
в виде прямого или косого клина, сочетающуюся с отвальной по¬
верхностью криволинейного очертания (рабочие органы бульдозе¬
ров 6, автогрейдеров 7, грейдер-элеваторов 8 и др.).
При прямо поставленном отвале срезанный грунт в виде приз¬
мы волочения перемещается перед отвалом к месту укладки. При
косо поставленном отвале одновременно с поступательным движе¬
нием машины осуществляется перемещение грунта в сторону отно¬
сительно отвала.
У рабочих органов ковшового типа имеются рабочие кромки
типа прямого клина или совка. Срезанный пласт грунта поступа¬
ет в ковш и перемещается этим ковшом к месту отсыпки или
грузится в транспортные средства. При этом загрузка ковша грун-
37

том может осуществляться снизу, как у ковша скрепера пассивного
действия 9 и грейфера активного действия 14, или спереди, как
у ковшей прямых и обратных лопат 12, драглайнов 13, многоков¬
шовых экскаваторов 15, 16 и 17. Траектории движения ковшей во
время заполнения могут быть прямолинейными, как у драглайна
13 и цепного рабочего органа 15, или криволинейными, как для
одноковшовых экскаваторов 12 или роторных 16, 17. При криво¬
линейном ротационном движении разгрузка ковшей может осу¬
ществляться под действием гравитационных (16) или инерционных
(17) сил.
Бесковшовые рабочие органы срезают грунт, не перемещая его,
а для транспортирования грунта служат специальные средства,
как, например, лопатки скребкового цепного рабочего органа 18
или выбросные лопатки ротационного рабочего органа 19.
Развитие конструкций рабочих органов землеройных машин
характеризуется совершенствованием процессов их взаимодействия
с грунтом, улучшением условий транспортирования и применением
устройств, интенсифицирующих рабочие процессы.
§ 3.2. Резание и копание грунта
При механическом способе разработки грунта рабочий орган
землеройной машины, как правило, представляет собой клин, ха¬
рактеризуемый углом резания а, заострения р, задним углом 6 и уг¬
лом в плане (углом захвата) у (рис. 3.6 и 3.7). При резании наи¬
более распространенных связных грунтов первоначально происхо¬
дит уплотнение сжимаемого пласта, а затем сдвиг по плоскостям
касательных напряжений, расположенных под некоторым углом г|з
к горизонту. Деформированный пласт грунта под напором вновь
поступающего перемещается по рабочей поверхности клина в ковш
или другое приемное устройство.
В пластичных грунтах при достаточно малых углах резания
сдвиг не происходит, и грунт перемещается по рабочей поверхно¬
сти клина в виде слитной стружки. В сыпучем несвязном грунте
перед клином образуется призма волочения, которая способствует
перемещению его по рабочей поверхности.
Представим себе скорость движения режущего клина как пере¬
носную, а движения грунта по рабочей поверхности клина как от¬
носительную. Абсолютная скорость перемещения грунта при этом
может быть представлена как геометрическая сумма указанных
двух скоростей.
Картины скоростей при различных видах деформации грунта
прямым и косым клином представлены на рис. 3.7. Величина пере-
Рис. 3.5. Типы рабочих органов землеройных машин:
1 — прямой клин; 2 — косой клин; 3 — диск; 4 — совок; 5 — периметр; 6 — бульдозер; 7 —
грейдер; 8 — грейдер-элеватор; У— скрепер; 10— рыхлитель; 11 — корчеватель; 12 — лопата
экскаватора; 13 — драглайн; 14 — грейфер; 15—20 — рабочие органы:	15	— многоковшовый
цепной; 16 — многоковшовый роторный; 17 — роторный ковшовый с инерционной разгрузкой;
18— скребковый цепной; 19 — роторный бесковшовьш с инерционной разгрузкой; 20 — плуж¬
но-роторный; 21 — рыхлитель с наложением вибрации; 22 — активный корчеватель
39

носнои скорости, направленной
вдоль оси х, определяется скоростью
движения рабочего органа земле¬
ройной машины. Направление абсо¬
лютной скорости определяется рас¬
положением рабочей поверхности
режущего клина в пространстве и
видом деформации грунта. В период
уплотнения грунта, до начала
его сдвига, абсолютная скорость
направлена	перпендикулярно	к рабочей поверхности режущего
клина (рис.	3.7,	а).	При	сдвиге без учета силы собственной массы
грунта абсолютная скорость направлена под углом if к горизонту
(рис. 3.7, б):
Рис. 3.6. Схема резания грунта
клином
0 = 90
а + <Р + р
(3.2)
Рис. 3.7. Картины скоростей различных видов деформаций грунта прямым и ко¬
сым клином (по В. П. Горячкину):
а — уплотнение; б — сдвиг; в — слитная стружка; а', б', в' — соответствующие векторы ско¬
ростей
При движении слитной стружки абсолютная скорость направ¬
лена по биссектрисе угла, образуемого рабочей поверхностью кли¬
на и плоскостью срезания грунта (рис. 3.7, в).
Относительную скорость находят как замыкающую треугольника скоростей.
Картины скоростей на рис. 3.7, а — в приведены для работы прямого клина. Ана¬
логичные схемы скоростей при воздействии на грунт косого клина показаны на
рис. 3,7, а', б' и в' для процессов уплотнения, сдвига и движения слитной струж¬
ки соответственно. Анализ картин скоростей позволяет определить траекторию
движения грунта по рабочей поверхности и соотношение составляющих усилия
резания.
Для примера рассмотрим картину усилий, действующих на косой клин в пе¬
риод уплотнения пласта грунта. На рабочую поверхность косого клина дейст¬
40

вуют два усилия: усилие N, направленное нормально к поверхности, и усилие
трения tg ф N, касательное к поверхности и направленное вдоль вектора относи¬
тельной скорости.
Определим сое являющие усилия резания в проекциях на координатные оси
(рис. 3.8):
Рх = N cos 8 + tg N sin 8;
Рг = N cos 0 — tg tf N ctg 8 cos 0;
Py = N cos £ — tg fN ctg 8 cos $,
(3.3)
(3.4)
(3.5)
где cos 6, cos 0, cos g — направляющие косинусы, определяющие положение ра¬
бочей поверхности косого клина
относительно координатных
осей;
cas 8 = sin у sin a;
cos 0 = cos a;	(3.6)
cos £ = cos y sin a.
Для землеройных ма¬
шин, как правило, задан¬
ным является усилие Рх,
направленное вдоль век¬
тора переносной скорости.
Это усилие определяется
мощностью привода Nnv:
Px=N^vx,
где vx — скорость движе¬
ния рабочего органа, со¬
ответствующая перенос¬
ной скорости ипер на схе¬
мах рис. 3.7.
Для определения усилий, действующих на рабочие органы и ма¬
шину в целом, нужно знать значения Рг и Ру при заданном Рх. Для
этого, разделив значения Рг и Ру из выражений (3.4) и (3.5) на
значение Рх из выражения (3.3), получим
0 	 cos	в—tg? ctg 8 cos 6
сои клин грунта
=ад,
(3.7)
cos 8 + tg f sin 8
p c°s, S — tg у ctg 8 cos S jf p __ D P	(3.8
y	cos	8	+ tg ? sin 8
Анализ последних выражений показывает, что значения D\ и
D2 зависят от углов установки рабочей поверхности инструмента.
При углах резания меньших 40—45° (у рабочих органов экскава¬
торов) Dj не превышает значения 0,3—0,4. Для рабочих органов
бульдозеров и автогрейдеров с углами резания, доходящими до 60°,
эти усилия снижаются до 0,1—0,2Рх. Они могут иметь даже отри¬
цательное значение до —0,2Рх, так как выталкивающая сила от
трения грунта при движении по отвалу может превышать затяги¬
вающее усилие от действия нормального давления на рабочую по¬
верхность.
41

Из картины скоростей можно определить траекторию движения
грунта относительно рабочего органа. Так, на схеме, представлен¬
ной на рис. 3.8, грунт перемещается по траектории, наклоненной
под углом со к передней режущей кромке. Это свойство косого кли¬
на использовано для ^рабочих органов автогрейдеров, универсаль¬
ных бульдозеров, разравнивателей кавальеров, расположенных
наклонно в плане. Характерная схема движения грунта под дейст¬
вием этих рабочих органов показана на рис. 3.5. В нижней части
Рис. 3.9. Схема усилий, действующих на прямой клин грунта
отвал представляет собой косой клин, и грунт поднимается по его
рабочей поверхности под углом со. В верхней части отвала имеется
изогнутая цилиндрическая поверхность, край которой наклонен
вперед. Доходя до этой зоны, грунт обрушивается вниз, после чего
вновь поднимается косым клином. В результате такого движения
он перемещается вдоль отвала и отодвигается в сторону.
Рассмотрим усилия, действующие на наиболее часто встречаю¬
щийся в землеройной практике прямой клин, являющийся частным
случаем косого клина. При этом у=90° и соответственно в выра¬
жениях (3.6)
cos 0 = cos a; cos 8 = sin a; cos; = 0,	(3.9)
a выражение (3.3) приобретает вид
PX=N sin a-(-tg <?N cos a.	(3.10)
Это выражение можно преобразовать в виде
Рх=	—— (cos ср sin a -J- sin cp cos a),	(3.11)
COS
откуда находим
= —-—sin(a + <p)=;v' Sin a'.	(3.12)
cos ?
Геометрически зависимости (3.11) и (3.12) представлены на
рис. 3.9, а, б, из которых видно, что действие реального клина иден¬
тично действию идеального клина без трения грунта о рабочую
поверхность. Таким образом, реальный клин можно заменить иде¬
альным, с углом резания а'=а + ф и действующим на него нормаль¬
ным усилием N' = Njcos ф. Такой заменой пользуются для упроще¬
ния схем разложения сил, действующих на прямой или косой клин.
42

Рассмотрим далее схему усилий, действующих на пласт грунта
при его срезании. Для упрощения задачи предположим, что
происходит по плоскости, и силами веса пренебрегаем. На плос¬
кость, расположенную под некоторым углом 0 (рис. 3.10) внутри
пласта грунта, действуют два уси¬
лия:	/V
нормальное
Pjv— —— cos (а
cos ?
касательное
N
Рк = —-—sin(a+®-f 0). (3.13')
COS <Р
Эти усилия вызывают соответ¬
ствующие напряжения:
Рис. 3.10. Схема усилий, действу¬
ющих на срезанный пласт грунта
нормальное
касательное
Pff sin
bh
Рк sin 6
N sin 0 cos (a + <p + 0)
bh ccs <p
ЬГ sin 0 sin (a + <p + 0)
bh
bh cos <p
(3-14)
(3.15)
(3.16)
где b — ширина пласта; h — толщина пласта.
Согласно уравнению Кулона сопротивление сдвигу равно
£4=t + atgp.
Подставив в выражение (3.16) значения ст и т из формул (3.14)
и (3.15), получим
  N 6in 0 sin (a + ? + 0 + р)
bh cos <p cos p
I' A
(3.17)
Найдем, при каком значении 0 приобретает максимальное зна¬
чение &4, т. е. под каким углом 0 произойдет сдвиг грунта:
N
-[cos 0 sin (a+tp-f 0 + Р) + sin 6 cos (a+<p-f-0-f-p)]=O.
£=-
bh COS <P COS P
(3.18)
Разделив уравнение (3.18) на cos0cos(a+cp+0 + p), получим
= 90°
a + ¥ + 0
(3.19)
Определив значение нормального усилия из выражения (3.17)
и подставив значение 0 из выражения (3.19), получим
k^bh cos <р cos р

Для определения Рх подставим значение нормального усилия из
выражения (3.20) в выражение (3.12). Тогда
ktbh cos р sin (а Ч-?)	/Qon
со,.(°+?+гр-	<3'21)
Это выражение упрощенно можно представить в виде
Px = k1bh,	(3.22)
где ki — удельное сопротивление резанию.
Процесс резания грунта рабочим органом землеройной машины
неизбежно сопровождается трением последнего о грунт, взаимным
трением грунта и перемещением призмы волочения. Трение проис¬
ходит и	по	рабочей	поверхности режущего инструмента	при	запол¬
нении емкости,	разгоне грунта до скорости его перемещения,	а так¬
же при внедрении режущего инструмента в грунт. Сумма всех ука¬
занных сопротивлений составляет сопротивление грунта копанию:
Р* = РЛ Рг, + Р»р + Р3 + Р* + Рв-	(3.23)
Рассмотрим значения отдельных составляющих этого сопротив¬
ления. Сопротивление резанию PV=PX в общем виде определяют
из выражения (3.22). Сопротивление трения рабочего органа
о грунт равно
P-tp = (Mp.0 + MrP)gtgb	(3.24)
где Мр.о — масса рабочего органа; Мгр — масса грунта, вмещаемого
рабочим органом.
Сопротивление трения грунта при перемещении его перед рабо¬
чим органом в виде призмы волочения
Pnp~Mupg tg р,	(3.25)
где Мар — масса призмы волочения.
Сопротивление, возникающее при заполнении грунтом емкости
рабочего органа Р3, зависит от формы и геометрических размеров
последнего. При этом следует отметить, что сопротивления переме¬
щению призмы волочения и заполнению емкости рабочего органа
тесно связаны между собой, так как трение грунта о грунт при пе¬
ремещении призмы волочения является внешней силой, преодоле¬
вающей сопротивления заполнению емкости рабочего органа.
Сопротивление грунта разгону, обусловленное инерционными
нагрузками, в общем виде равно:
Ри = ад2,	(3.26)
где П — объемная производительность машины; у— плотность раз¬
рыхленного грунта; v — скорость перемещения рабочего органа.
Сопротивление внедрению в грунт режущего инструмента
Pa=lbKk вд,	(3.27)
44

где I — длина режущей кромки, одновременно внедряющейся в
грунт; Ьк — толщина режущей кромки; ftBIt — удельное сопротивле¬
ние вдавливанию режущей кромки в грунт.
Из последнего выражения (3.27) следует, что сопротивление
грунта внедрению рабочего органа зависит от длины его кромки,
одновременно внедряющейся в грунт. Этим и объясняется эффек¬
тивность применения зубьев при работе на плотных скалывающих¬
ся грунтах.
Следует обратить также внимание на влияние призмы волоче¬
ния на сопротивления грунта резанию: от призмы волочения в об¬
ласти резания создаются дополнительные нормальные напряжения
на плоскости сдвига, чем обусловлено увеличение сопротивления
сдвигу под действием усилия резания. Это обстоятельство учиты¬
вают при конструировании рабочих органов землеройных машин,
вынося переднюю режущую кромку из зоны действия призмы во¬
лочения, а также элеваторной загрузкой скреперов и др. Подроб¬
нее сопротивление грунта копанию для различных видов рабочих
органов будет рассмотрено ниже при описании рабочих процессов
различных типов землеройных машин.
Основоположником теории резания грунтов является В. П. Го¬
рячкин. Н. Г. Домбровский, который развил эту теорию, рекомен¬
дует применительно к ковшам экскаваторов определять значение
касательной силы сопротивления грунта копанию по выражению
Рх = ^-\- Ш + е(1 +qav)qkH,	(3.28)
где	— коэффициент трения ковша о грунт; N — давление	ковша
на грунт; k — удельное сопротивление грунта резанию; е — коэф¬
фициент сопротивления грунта наполнению ковша и перемещению
призмы; ^пр — объем призмы волочения в частях от емкости ковша;
kH — коэффициент наполнения ковша.
Для практических расчетов Н. Г. Домбровский рекомендует
пользоваться упрощенным выражением
Px = k'bh = k'F,	(3.29)
где	к' — удельное	сопротивление грунта копанию,	включающее в
себя сопротивления грунта резанию, трению при перемещении
призмы грунта и заполнению ковша.
А. Н. Зелениным и Ю. А. Ветровым разработаны уточненные
методы расчета сопротивления грунта копанию для различных
конкретных условий, подтвержденные обширными эксперименталь¬
ными данными. Так, Ю. А. Ветров рекомендует учитывать не толь¬
ко площадь проекции ножа, но и площадь боковых разрушаемых
сечений массива грунта (рис. 3.11). Он рекомендует определять
силу резания простым острым ножом как
Я = Ясв + Лкж + Лх,к.ср,	(3.30)
где PCK=pCBbh — сила сопротивления передней грани ножа; Рбои =
= рбок/г2боК/г2с1ёу — сила сопротивления разрушению грунта в бо¬
ковых расширениях прорези; /,бок.ср = 2уобок.ср(1— k6oii)h — сила со¬
45

противления грунта срезу боковыми ребрами ножа; Ъ— ширина
ножа; h — толщина срезаемого пласта (стружки); рсв, рбок,
Лгок-с* — удельные сопротивления грунта резанию; у — у юл сдвига
боковых расширений прорези; &бок — отношение глубины бокового
сдвига к общей толщине срезаемого пласта.
А. Н. Зеленин экспериментально установил зависимость усилия резания пе¬
риметрами от глубины резания в виде P=kbhn, причем для практических расче¬
тов и=1,35. Отмечая, что дробный показатель степени вызывает неясность в
физическом толковании получаемой размерности, А. Н. Зеленин указывает на
возможность замены значения
kbfi1’35 = (ЛЛ2 + bh)k = F0k,
где F0 — условная площадь сечения разрушаемого грунта.
Для резания ножом без учета собственного веса пласта, бази¬
руясь на работах С. С. Соколовского, А. Н. Зелениным получено
выражение типа
P = kF0.
На основании изложенно¬
го для практических расче¬
тов при анализе рабочих
процессов одноковшовых и
многоковшовых экскавато¬
ров в грунтах до IV катего¬
рии включительно можно
принимать	выражение
Н. Г. Домбровского, в котором F определяется как общая площадь
разрушаемой части грунтового массива.
У землеройно-транспортных машин сопротивление перемещению
грунта и заполнению емкостей рабочих органов превалируют над
сопротивлениями резанию и определять сопротивление копанию
нужно с учетом затрат энергии на перемещение грунта.
При расчетах сопротивлений копанию прочных и мерзлых ска¬
лывающихся грунтов рабочими органами, оснащенными зубьями,
можно пользоваться формулой (3.30) Ю. А. Ветрова, учитываю¬
щей сопротивления по боковым и нижней граням инструмента.
В предварительных расчетах обычно задается производитель¬
ность машины при работе на грунтах различных категорий и по
ней определяют мощность привода рабочего органа.
Для уточнения расчетов исходя из выбранной установочной
мощности привода можно определить производительность машин
на грунтах различных категорий. В этом случае предпочтительным
является энергетический метод расчета, не связанный с формой и
размерами сечения стружки.
Умножим левую и правую части выражения (3.29) на путь L,
проходимый рабочим органом за некоторый период времени. Тогда
Р xL = kbhL = kJ)hL,	(3.31)
где bhL — объем вынутого грунта; PXL — работа, затраченная на
разработку данного объема грунта.
АЧД-
1 —
Ь
^	.	Э»-
Рис. 3.11. Зоны действия составляющих си¬
лы резания острым ножом (по Ю. А. Вет¬
рову)
46

В выражении (3.31) коэффициент k3 приобретает физическое
значение удельной энергоемкости копания, он имеет размерность
Н-м/ч3 и численно равен k в выражении (3.29).
Разделим левую и правую части уравнения (3.31) на время, в
течение которого рабочим органом был пройден путь L:
PxLlt=.kbbhLlt или N = k3n=kn,	(3.32)
где Я — производительность, м3/с; N — мощность, затрачиваемая
на копание, Вт; k3 — удельная энергоемкость, Н-м/м3.
Для одноковшовых экскаваторов принимают следующие значе¬
ния k\ для грунта I категории (по ГОСТ 17343—71) — 1,105Ч-
-=-2• 105 Н- м/м3; II категории— 2• 105ч-3-105; III категории— 3- 105-f-
-f-4-105; IV категории — 4- 10E-f-6-105.
Для землеройно-транспортных машин, вырезающих стружки
относительно крупного сечения, удельную энергоемкость резанию
(без учета дополнительных затрат энергии, входящих в удельную
энергоемкость копания) следует принимать: для I категории потому
же ГОСТу k = 1 • 105ч-1,5-105 Н-м/м3; II категории—l,5-f-2,5; III
категории — 2,5-f-3,5. Грунты выше III категории без предваритель¬
ного рыхления этими машинами не разрабатывают.
Приведенные данные следует рассматривать как средние, с уче¬
том использования рабочих органов с прямоугольным режущим пе¬
риметром, на толстых сечениях стружек, при скоростях, не превы¬
шающих 1—2 м/с и с углами резания 25—40°. Как будет показано
ниже, форма сечения стружки и характер режущего периметра су¬
щественно влияют на удельную энергоемкость копания.
Рассмотренная ранее картина усилий резания относится к слу¬
чаю, когда толщина снимаемой стружки велика по сравнению с
толщиной режущей кромки и сопротивлениями вдавливания ее, как
штампа в массив грунта, можно пренебречь.
В большей или меньшей степени сопротивление вдавливанию
проявляется при работе ковшей экскаваторов и других рабочих
органов землеройных машин, которые из условий прочности изго¬
товляют с достаточно толстыми стенками (6—40 мм).
В процессе копания перед режущей кромкой образуется ядро
уплотнения грунта (рис 3.12). Если толщина стружки невелика и
сопоставима с толщиной режущей кромки, то возникает усилие, вы¬
талкивающее рабочий орган из грунта. Это усилие не компенсиру¬
ется вертикальной составляющей нормального давления грунта на
поверхность клина и должно локализоваться усилием напора. Уси¬
лие напора, в свою очередь, повышает силы трения рабочего орга¬
на о грунт, что увеличивает энергоемкость рабочего процесса ко¬
пания.
Зависимость этого показателя от соотношения между толщина¬
ми снимаемой стружки и режущей кромки показано на рис. 3.13.
При толщине стружки менее двух- или трехкратной толщины ре¬
жущей кромки энергоемкость копания резко возрастает, причем
при больших соотношениях она асимптотически приближается к
постоянному значению.
47

Учитывая изложенное, при конструировании рабочих органов
землеройных машин следует по возможности уменьшать толщину
режущих кромок и повышать износостойкость, прнмрняя рь’^око-
прочные материалы и наплавки, а также конструктивно, обеспечи¬
вая самозатачивание кромки при износе. С другой стороны, целе¬
сообразно копать грунт толстыми стружками.
На величину сопротивления грунта копанию заметно влияет
угол резания и задний угол инструмента. С увеличением угла ре¬
зания угол наклона плоскости сдвига грунта ^ (см. рис. 3.6) умень¬
шается и площадь сдвига увеличивается. Вследствие этого сопро¬
тивление грунта резанию возрастает: при углах резания до 30—40°
медленно, при больших — быстрее.
Следует при этом иметь в виду, что при малых углах резания
путь перемещения грунта увеличивается; это увеличивает призму
волочения и вызывает дополнительные потери на трение грунта о
рабочий инструмент. Необходимо также иметь в виду, что для
исключения трения на нижней кромке режущего клина нужно
обеспечивать задний угол резания 6 = 5—8°, а угол заострения са¬
мой режущей кромки должен удовлетворять условиям прочности;
его нельзя выполнять острее 25—30°. Учитывая перечисленные
требования, углы резания выбирают в пределах а = 30—40°, упроч¬
няя верхние грани режущих кромок.
Важно соотношение между длиной режущей кромки и площадью
сечения стружки: чем меньше длина режущей кромки по сравнению
с площадью вырезаемого сечения, тем ниже удельное сопротивле¬
ние копанию. С увеличением абсолютных размеров срезаемой
стружки, что происходит при ковшах большой емкости, площадь
сечения, пропорциональная квадрату линейных размеров, растет
быстрее, чем длина режущей кромки, которая пропорциональна
линейным размерам. Соотношение хмежду длиной режущей кромки
и площадью сечения в этом случае уменьшается. При увеличении
сечения стружки, вырезаемой ковшовым рабочим органом в 3 раза,
удельное сопротивление копанию снижается на 30—40%. Изложен¬
ное указывает на то, что при выборе режима работы машины
Рис. 3.12. Расположение яд¬
ра уплотнения перед режу¬
щим клином
Рис. 3.13. Зависимость энергоемкости
копания от соотношения между тол¬
щиной стружки и толщиной режущей
кромки
48

необходимо стремиться к резанио стружками больших сечений
при минимальной длине режущей кромки.
Сложной задачей яьляеюя тбор оптимальной скорости реза¬
ния грунта. Обычными для землеройных машин являются скоро¬
сти резания порядка 0,5—2,0 м/<. В этих пределах удельное со¬
противление копанию с увеличением скоростей существенно не из¬
меняется, если сохраняются постоянные сечения снимаемых стру¬
жек. При увеличении скоростей резания до 6—9 м/с (например, на
ротационных рабочих органах с инерционным выбросом грунта)
энергоемкость процесса копания возрастает на 30—50%. Следует,
однако, иметь в виду, что с уве¬
личением рабочих скоростей
при неизменных геометриче¬
ских размерах рабочего органа
его производительность возрас¬
тает прямо пропорционально
скорости. Это обеспечивает
компактность и малую массу
рабочего органа и машины в
целом. При выборе рабочих
скоростей должны учитываться
все эти факторы.
Грунт можно вырезать раз¬
личными видами стружек: бло¬
кированной, срезаемой по трем
граням, полублокированной —
по двум граням, и деблокиро¬
ванной — по одной грани.
Влияние степени блокированш стружки на величину удельно¬
го сопротивления резанию показаю в табл. 3.1.
Из этих данных следует, что ^блокирование стружки сущест¬
венно снижает удельное сопротивление резанию. При этом чем
меньше ширина стружки по сравнению с высотой, тем больше ска¬
зывается ее деблокирование.
Экскаваторы, использующие поперечную и веерную схемы ко¬
пания, разрабатывают грунт шлублокированными стружками.
В траншейных экскаваторах струхка деблокируется специальной
расстановкой зубьев, при которой каждый зуб обеспечивает круп¬
ный скол грунта.
Зубья на режущей кромке рабочих органов устанавливают для
получения опережающего сдвига i разрыхления грунта. Однако в
сыпучих и вязких грунтах применение режущего органа с зубьями
может привести к отрицательным результатам. Зубья, снижающие
сопротивление резанию плотных, спалывающихся грунтов, ухудша¬
ют условия перемещения их в ковш, так как для подпора разрых¬
ленного грунта требуется большая призма волочения.
При наличии зубьев режущая фомка ковша изнашивается на¬
много меньше; зубья же применяюг из износоустойчивых материа¬
лов, что повышает долговечность р|бочих органов.
Таблица 3.1
Влияние степени блокирования
стружки на сопротивление резанию
Рорма струтки
Эскиз
блокированная
■Щ - т
9777777%.
100
ЬлублокироЬаннои
- (
т/777//7У/,
10
ieблокированная
d
ио
49

Профиль зуба показан на рис. 3.14, а. При таком расположении
зуба по отношению к режущей кромке глубина борозды, прорезае¬
мой зубом, будет равна:
ha=La sin $/2 + Ъа),	(3.33)
где р — угол заострения зуба; б3 — задний его угол; L3 — длина
зуба.
Расположение зубьев на ре¬
жущей кромке ковша показано
на рис. 3.14, б. Если принять,
что плоскость сдвига грунта
расположена под углом >45°,
то расстояние между зубьями
для избежания износа режу¬
щей кромки должно составлять
b0^2h0.
Ширину зубьев b определя¬
ют исходя из условий прочно¬
сти, так как при их расчете не¬
обходимо учитывать возмож¬
ность реализации полного тяго¬
вого усилия на одном зубе,
встретившем препятствие.
На ковшах многоковшовых
экскаваторов зубья располагают в шахматном порядке, как показа¬
но на рис. 3.14, в. При этом зубья последующего ковша снимают
выступы, оставшиеся после прохода предыдущего, чем обеспечива¬
ется наибольшее деблокирование резания и наибольший эффект
от применения зубьев.
Д. И. Федоровым были исследованы режущие кромки различной формы:
прямые, заостренные, полукруглые, с зубьями и без них. При этом были доказа¬
ны преимущества полукруглой режущей кромки по рис. 3.15, при которой режу¬
щий периметр средней своей частью вынесен вперед. Плавные очертания полу¬
круглой режущей кромки способствуют свободному прохождению грунта по ра¬
бочей поверхности без образования призмы волочения. Особенно эффективно
постепенное увеличение радиуса рабочей поверхности, что расширяет поток грун¬
та и исключает его смятие. При этом весь сдеформированный грунт забирается
ковшом без потерь
Полукруглая режущая кромка дает возможность использовать прочную фор¬
му режущего органа и выполнять его более тонким, чем при прямоугольном сече¬
нии. Благодаря этому ковш лучше внедряется в грунт и создается организован¬
ный поток его.
Применение полукруглой режущей кромки без зубьев может дать экономию
удельной энергоемкости до 20—25%.
На основе изложенного рабочие органы машин для земляных
работ должны удовлетворять следующим требованиям: обеспечи¬
вать минимальную энергоемкость процесса резания с отделением
разрабатываемого грунта от массива без непродуктивных затрат
энергии на деформирование неразрабатываемого грунта; затраты
энергии на перемещение разработанного грунта в емкости (ковши)
или к транспортирующим органам для последующего перемещения
к месту укладки должны быть минимальными, обеспечивать выпол-
Рис. 3.14. Расположение зубьев на ре¬
жущей кромке ковша:
а — профиль зубьев; б — расположение зубьев
на ковшах; в — то же, на ковшах цепи
50

нение заданных технологических опера¬
ций (движение рабочего органа в стес-
поворота рукояти и ковша и т. п.); режу- рис ^ Ковш с полукруг.
г HL.. О. 1U. l\\JiJiu	iiwij	i\yj l
щие элементы должны обладать прочно- лой реЖущей кромкой си-
стью, износостойкостью и самозатачи- стемы Д. И. Федорова
ваться; должна обеспечиваться возмож¬
ность применения быстросъемных сменных изнашивающихся эле¬
ментов.
Для разрушения прочных и мерзлых, грунтов применяют как
специальные рабочие органы, так и обычные. Вследствие повышен¬
ной прочности грунта требуется подводить больше энергии к забою
или изменять способ воздействия на грунт.
Основными способами разрушения прочных грунтов являются
из перечисленных в § 3.1 механический, взрывной и термический.
Ведутся также работы по использованию токов высокой частоты,
электрогидравлического, ультразвукового (звукового) и химиче¬
ского воздействия на грунт.
В настоящее время доминирует способ механического разруше¬
ния прочных и мерзлых грунтов — им выполняется более 75% объ¬
ема работ.
Способ разрушения грунтов при малой скорости приложения
силового воздействия называют статическим. Так как сопротивле¬
ние прочных и мерзлых грунтов разрушению в процессе скола (от¬
деления элемента стружки) изменяется весьма значительно в ма¬
лые промежутки времени, то в отличие от обычных грунтов этот
термин к прочным грунтам можно принять чисто условно. Ампли¬
туда изменения силы резания прочных и мерзлых грунтов состав¬
ляет в среднем 0,7 среднемаксимальной величины. Такие колебания
силы обусловливают и динамические воздействия на рабочее обо¬
рудование и динамичность самого процесса разрушения грунта.
При разработке таких грунтов преобладающую часть силы
копания составляет сопротивление резанию, тогда как силы, не¬
обходимые для преодоления сопротивления перемещению призмы
волочения, заполнению ковша и т. п., не играют значительной роли.
Нагрузку при статическом разрушении грунтов повышенной проч¬
ности нужно прикладывать более сосредоточенную, чем на мягкие
грунты: это необходимо для получения на поверхности контакта
достаточного высокого давления для внедрения инструмента в мас¬
§ 3.3. Особенности разрушения прочных
и мерзлых грунтов
51

сив грунта. Из-за весьма больших сил резания и высокого напора
(см. § 2.3) необходимо увеличивать прочность, а следовательно,
размеры и чяггу рабочих органов и машины в целом. Этим обус¬
ловлена целесообразность применения для разработки мерзлых и
прочных грунтов дополнительных способов воздействия, при кото¬
рых энергия подводится к инструменту непосредственно, и нагруз¬
ки, действующие на машину, существенно снижаются. При повы¬
шении скорости приложения нагрузки к мерзлому или скальному
грунту можно увеличить эффективность рабочего процесса, так как
уменьшаются затраты энергии на пластическую деформацию грун¬
та; при скоростях, близких к скорости распространения пластиче¬
ских деформаций, он разрушается как хрупкое тело. Сдвига грунта
не происходит в том случае, если скорость деформирования боль¬
ше динамической скорости распространения напряжений сдвига ит:
vT = V т0/р,	(3.34)
где to — предельное касательное напряжение грунта; р — его объ¬
емная масса.
В динамическом разрушении грунта, происходящем при прак¬
тически мгновенном приложения нагрузки, значительную роль
играют дефекты его структуры (поры, трещины, каменистые вклю¬
чения и т. п.). Разрушение происходит в наиболее слабых местах,
а дефекты структуры в прилегающей еще неразрушенной области
увеличиваются — развиваются опережающие трещины.
Одним из видов динамического воздействия на грунт является
ударное. В начальный период при внедрении ударного рабочего
органа в грунт перед ним образуется уплотненное ядро; при про¬
явлении в грунте предельных напряжений начинают образовывать¬
ся трещины, обусловливающие отделение части массива. Возника¬
ющие в грунте при ударе упругие волны распространяются на зна¬
чительные расстояния, вредно сказываясь на фундаментах приле¬
гающих сооружений; кроме того, при движении массы груза, нано¬
сящего удары, неизбежны динамические нагрузки на базовую ма¬
шину.
Виброударные и вибрационные устройства позволяют умень¬
шить массу рабочего органа и всей машины за счет большей часто¬
ты силовых импульсов. При достаточной частоте приложения на¬
грузки (1000 Гц и более) упругие напряжения в грунте не успева¬
ют полностью компенсироваться в периоды между ударами и на¬
капливающиеся деформации увеличивают дефекты структуры, что
обеспечивает разупрочнение грунта. Вибрация рабочего органа
позволяет уменьшить тяговое усилие из-за ослабления сил сцепле¬
ния между частицами грунта.
Способ взрывного разрушения достаточно широко
применяют для разработки мерзлых и прочных грунтов. При взры¬
ве заряда ВВ окружающий массив испытывает давление стреми¬
тельно расширяющихся газообразных продуктов, что смещает и
разрушает прилегающие к месту взрыва слои грунта. В нем рас¬
пространяются ударные волны, разрушающие или колеблющие
52

грунт. Этот способ достаточно эффективен и не требует больших
трудозатрат, хотя и дорог. Основным преимуществом взрывного
способа является быстрота выполнения крупных объемов земляных
работ в труднодоступных местах (болота, горные условия).
В последние годы успешно применяют удлиненные заряды ВВ,
например шланговые, укладываемые в прорезаемые в грунте щели
(щелевзрывной способ получения протяжных выемок). Короткоза¬
медленное взрывание зарядов и устройство компенсирующих щелей
дают возможность уменьшить расход взрывчатых веществ и лучше
рыхлить грунт.
Термический способ разрушения заключается в неравно¬
мерном нагреве прочных грунтов и горных пород путем подведения
к ним тепловой энергии. Так как теплопроводность этих сред до¬
статочно низкая, локальное тепловое воздействие вызывает нерав¬
номерное расширение породы, что разрушает некоторый ее объем.
Чем выше скорость нагрева отдельного участка, тем интенсивнее
разрушается порода. Нагревать прочный грунт можно раскаленны¬
ми газами, электрическим током промышленной частоты, пропу¬
скаемым через среду, высокочастотной электромагнитной энергией,
инфракрасным и световым (лазерным) облучением.
Термический способ из-за высокой энергоемкости более выгод¬
но применять для разрушения камня, негабаритов, при добыче по¬
лезных ископаемых. Комбинировать способы термического и меха¬
нического воздействия целесообразно для разработки больших
объемов прочных и мерзлых грунтов.
Способ электрогидравлического разрушения
среды основан на использовании высоковольтного электрического
пробоя в воде, вызывающего мгновенное ее расширение. Воду мож¬
но заливать в полость, образованную в грунте или горной породе,
или в рабочую камеру породоразрушающего инструмента. Электро-
гидравлический эффект позволяет получать в импульсе мощности,
в сотни и тысячи раз превышающие мощность источника энергии,
а также непосредственно преобразовывать электрическую энергию
в механическую. Давление в полости разряда может достигать ты¬
сяч атмосфер при длительности разряда в несколько микросекунд.
В разрушаемой породе возникает крутой фронт ударной волны,
разрушающий породу.
Сущность способа ультразвукового или звуково¬
го разрушения состоит в передаче колебаний торца инстру¬
мента разрушаемой породе непосредственно или через суспензию
абразива, подаваемого к зоне разрушения. Во втором случае ко¬
леблющиеся зерна абразива внедряются в породу и разрушают
ее. При непосредственной передаче колебательной энергии разру¬
шаемой среде в ней возникают упругие волны, которые при плот¬
ности энергии Вт/см2 или более разупрочняют или разрушают
прочный грунт.
Физические способы разрушения пород в настоящее время про¬
ходят опытно-промышленные испытания, а некоторые из них при¬
меняют в промышленности. Наиболее перспективно применение
53

комбинированных воздействий на прочные и мерзлые грунты, при
которых физическое воздействие разупрочняет их структуру, а
Г>ячп1г?г wfiiw чтисупчттт	СР^СО^О.М.
При химическом разрушении льдоцементных связей между час¬
тицами грунта применяют хлориды (хлористый натрий, калий
и т. п.) и некоторые другие композиционные смеси. Хлориды ока¬
зывают воздействие только на верхний слой мерзлого грунта, не
превышающий 5—10 см. Однако эти химические соединения пред¬
ставляют опасность для окружающей среды и рабочих органов
машин, что резко ограничивает применение химического способа.
ГЛАВА 4
ПРИВОДЫ МАШИН ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Привод включает в себя силовое оборудование (установку),
трансмиссию и систему управления, предназначенные для приведе¬
ния в действие рабочих органов и механизмов машины. На маши¬
нах для земляных работ сочетают силовые установки с различны¬
ми трансмиссиями и системами управления.
Требования к приводу машины определяют особенности техно¬
логии производства работ, условия эксплуатации и режима ее на¬
гружения. От технологии зависит последовательность включения и
реверсирования механизмов, совмещение их действия. Работа от¬
дельных машин в составе комплексов требует постоянной готов¬
ности их к действию.
Условия эксплуатации машины — работа на открытом воздухе
в любое время года и суток на резко пересеченной местности, с
различными климатическими и грунтовыми условиями и зачастую
вдали от населенных пунктов — определяют требования высокой
надежности всех механизмов машины, возможности работы при
кратковременных перегрузках, простоты технического обслужива¬
ния и ремонта, работоспособности при больших поперечных и про¬
дольных уклонах рельефа и в условиях бездорожья, а также не¬
зависимости от внешних источников энергии. Из-за необходимости
в частой и быстрой переброске машин с одного места на другое
различными видами транспорта они должны быть компактными,
иметь малую массу, быстро переводиться из транспортного поло¬
жения в рабочее и наоборот, а также должны быстро разбираться
и собираться. Затраты энергии на единицу вырабатываемой про¬
дукции должны быть минимально возможными.
К одной из специфик машин для земляных работ относится не¬
равномерность нагрузки рабочих органов. От характера измене¬
ния нагрузок зависит режим работы машины и ее привода. Режим
работы машины определяют в зависимости от возможных колеба¬
ний нагрузки по величине и времени, продолжительности нагрузки
и непрерывной работы, коэффициента включений, скорости и уско¬
рения движений, частоты реверсирования. Коэффициент включе¬
ния представляет собой отношение продолжительности работы под
нагрузкой tB ко всему рабочему времени tp, %.
54

Различают три режима работы машин для земляных работ:
легкий, средний и тяжелый (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Характеристика режимов работы машин для земляных работ
Режим работы
^макс^ср
Коэффх-
циент
включения
К, %
Число
включений
в 1 ч
Типы машин
Легкий
Средний
Т яжелый
Примечая
1,1—1,3
1,5—2,0
2,0—3,0
ие- •Рмако-н
100
100
80
аибольшая
20—30
До 30
. >00
(максимал
Автогрейдеры
Скреперы прицепные, грей¬
дер-элеваторы
Одноковшовые экскаваторы,
бульдозеры, скреперы самоход¬
ные
аная) нагрузка; Рср — средняя на-
грузка.
§ 4.1. Характеристика приводов
и силовых установок
На машинах для земляных работ используют три основных ви¬
да привода: механический, гидравлический и электрический. При¬
воды устраивают также комбинированные-"—электрогидравличе-
ские или гидромеханические. В качестве силовых установок на
машинах для земляных работ применяют двигатели внутреннего
сгорания (чаще всего дизельные) и электродвигатели постоянного
или переменного тока.
По количеству двигателей различают одномоторные и многомо¬
торные приводы, которые иногда называют групповым и индиви¬
дуальным. В индивидуальном приводе для каждого механизма
имеется своя силовая установка, в групповом все механизмы или
отдельные группы приводятся в действие от одной силовой уста¬
новки. Индивидуально-групповой привод является комбинацией
двух первых.
Вид приврда должен соответствовать режиму и условиям рабо¬
ты машины,'Мощность N, расходуемую приводом на выполнение
рабочих операций, ограничиваемую величиной максимальной мощ¬
ности силовой установки NMaflс, определяют как произведение
N=Pv или N = Mto,	(4.1)
где Р, М—усилие и момент сопротивления, преодолеваемые ис¬
полнительными механизмами; v, о»— линейная и угловая скорости
этих механизмов.
Мощность силовой установки рационально используется в тех
случаях, когда с увеличением или уменьшением внешней нагрузки
привод обеспечивает соответствующее изменение моментов с одно¬
временным изменением рабочих скоростей.
55

Режим нагрузки силовых установок машин для земляных работ
является, как правило, неустановившимся, т. е. носит переменный
характер. Нагрузка колеблется непрерывно в течение рабочего
цикла. Особенно изменяются нагрузки силовых установок у одно¬
ковшовых экскаваторов, скреперов и бульдозеров; у автогрейде¬
ров колебание нагрузки несколько меньшее, двигатель же грейдер-
элеватора работает при нагрузках, близких к постоянным.
При работе двигателей на неустановившихся режимах нагрузки
снижается их мощность, ухудшается топливная экономичность и
уменьшается срок службы. Механическая или внешняя характери-
Рис. 4.1. Внешние характеристики:
а—приводов; б — силовых установок; / — электродвигателя постоянного тока с параллель¬
ным возбуждением; 2 — дизеля с регулятором; 3 — трехфазного асинхронного электродвига¬
теля; 4—электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением
стика привода выражает зависимость скорости перемещения ра¬
бочего органа от момента или усилия на нем.
На рис. 4.1 показаны внешние характеристики различных видов
приводов. Если с увеличением нагрузки на рабочем органе незна¬
чительно снижается скорость движения последнего, то характери¬
стику привода называют жесткой (рис. 4.1, а кривая 1-1'). В этом
случае мощность, отбираемая от силовой установки, как видно из
формулы (4.1), непостоянна — она зависит от нагрузки. Силовая
установка при этом сильно перегружается. Регулирующие возмож¬
ности такого привода ограничены. Применять привод с жесткой
характеристикой целесообразно при устойчивом режиме работы
механизма без частых перегрузок или применении силовой уста¬
новки с соответствующим запасом мощности.
При мягкой характеристике (кривая 2-2') с ростом нагрузки
резко уменьшается частота вращения вала двигателя, она может
стать равной нулю при значительной величине усилия или момента
на рабочем органе. Привод будет работать в стопорном режиме.
Идеальной по использованию мощности силовой установки
внешней характеристикой привода является такая, которая при
56

любом изменении внешних нагрузок обеспечивает постоянство по¬
требляемой мощности:
iV =-Л/макету const,	(4.2)
где г| — коэффициент полезного действия трансмиссии.
Эту характеристику выражают зависимостью
■v — N/P или со=N/M,	(4.3)
т. е. при Af=const характеристика описывается гиперболой (кривая
3-3'). В диапазоне больших скоростей она является мягкой, а при
малых скоростях — жесткой. Такие характеристики необходимы
для бульдозеров, грейдер-элеваторов, машин для подготовитель¬
ных работ и др. Рациональная для одноковшовых экскаваторов
характеристика (кривая 4-4') обеспечивает жесткость до предель¬
ного значения	момента или усилия, после которого	она	становится
мягкой	и	дает	возможность приводу перейти	в	стопорный	режим.
Таким образом, при мягких характеристиках привод имеет свой¬
ство саморегулироваться, т. е. автоматически снижать частоту вра¬
щения при перегрузке, соответственно увеличивая величину пере¬
даваемого крутящего момента, или увеличивать скорость при сни¬
жении нагрузки, повышая тем самым производительность машины.
В машинах для земляных работ наиболее целесообразны такие
приводы, которые обеспечивают максимальное использование уста¬
новленной мощности при высоком КПД, имеют мягкую характери¬
стику, хорошо воспринимают динамические нагрузки, а также та¬
кие, которыми легко управлять.
Реальные механические характеристики распространенных ти¬
пов силовых установок показаны на рис. 4.1, б. При изменении
крутящего момента па валу дизельного двигателя на 50—60% не¬
значительно изменяется частота вращения; у карбюраторного же
двигателя она практически не изменяется, т. е. эти силовые уста¬
новки имеют жесткую характеристику. Иная картина наблюдает¬
ся у дизеля с гидротрансформатором и электродвигателя постоян¬
ного тока с параллельным возбуждением, когда с ростом нагрузки
от нуля до максимума частота вращения изменяется от минималь¬
ного значения до нуля.
§ 4.2. Силовое оборудование
У машин для земляных работ основным видом силового обору¬
дования являются дизельные двигатели внутреннего сгорания со
следующим рядом мощностей: 12—16, 30—40, 50—55, 65—80, 120—
135, 175—220, 275—320, 440—880 кВт.
Двигатели внутренного сгорания применяют для этих машин
как с непосредственной механической передачей на исполнительные
механизмы рабочих органов, так и с различными преобразовате¬
лями, которые обеспечивают защиту двигателей и всех конструк¬
ций машин от внешних перегрузок. Преобразователи целесообраз-
57

чо применять тогда, когда внешние характеристики двигателей
внутреннего сгорания ке соответствуют режиму работы машин.
К преимуществам двигателей внутреннего сгорания относятся:
независимость их от источника внешнего питания, относительно
высокий КПД (у дизелей 25—37%), малая масса на единицу мощ¬
ности (3—5 кг/кВт), небольшой расход горючего (0,22—
0,25 кг/кВт-ч). К недостаткам двигателей внутреннего сгорания
следует отнести: невозможность реверсивной работы, малый пре¬
дел регулирования скорости на одной передаче, высокую стоимость
эксплуатации, жесткие требования к качеству топлива, сравнитель¬
но малую долговечность (3000—4000 ч работы), большую чувстви¬
тельность к перегрузкам, трудность эксплуатации при низких тем¬
пературах, потребность в фрикционных, гидравлических или других
муфтах для передачи движения от двигателя к трансмиссии.
•* На некоторых машинах для земляных работ устанавливают
электрические или комбинированные дизель-электрические приво¬
ды. Силовой установкой такого привода является генератор, питае¬
мый от внешней сети, или агрегат, сочетающий дизельный двига¬
тель с генератором. Генераторы питают током электродвигатели
постоянного или переменного тока, приводящие исполнительные ме¬
ханизмы рабочего оборудования.
Двигатели переменного тока просты в управлении, надежны и
удобны в эксплуатации, могут выдерживать кратковременно боль¬
шие перегрузки. Существенный недостаток электропривода с дви¬
гателями переменного тока состоит в том, _чха он фактически не
может саморегулироваться. Применение же сопротивлений для
смягчения характеристики приводит к большим потерям энергии и
увеличению массы привода. Для регулирования скоростей приме¬
няют различные варианты, например систему электропривода с
тормозным генератором постоянного тока, сочлененным с валом
двигателя. По этой схеме момент тормозного генератора регули¬
руют изменением тока возбуждения и величины сопротивления в
цепи якоря.
В электрических приводах некоторых экскаваторов применяют
асинхронные крановые электродвигатели трехфазного тока напря¬
жением 220 и 380 В с короткозамкнутым ротором при мощности от
7 до 8 кВт или с контактными кольцами при большей их мощности.
Двигатели с короткозамкнутым ротором удобны в управлении, но
для пуска их требуется большой ток (пусковой момент) и у них
невозможно регулировать скорость. Поэтому такие двигатели при¬
меняют только для привода лебедок с небольшим усилием и вспо¬
могательных механизмов.
Двигатели с контактными кольцами удовлетворительно рабо¬
тают при частых пусках в торможениях, у них можно регулировать
частоту вращения. Управляют такими двигателями вручную
(контроллером) или автоматически при помощи магнитных (кон¬
такторных) станций.
Электродвигатели постоянного тока можно считать наиболее
приемлемыми для приводов землеройных машин с тяжелым ре¬
58

жимом работы. Несмотря на то что массы и габаритные размеры
таких приводов в 1,5—2,5 раза больше любых других, на некото¬
рых экскаваторах устанавливают многомоторные приводы по схе¬
ме «генератор — двигатель» Г—Д или ТГ—Д (трехобмоточный ге¬
нератор— двигатель) с электромашинным или магнитным усили-
телем. На некоторых машинах такие приводы выполняют с одним
генератором постоянного тока, приводимым в действие сетевым
двигателем или дизелем.
Режим работы генератора при таких схемах хорошо согласовы¬
вается с характеристикой приводного двигателя; полностью ис¬
пользуется мощность силовой установки даже при изменении на¬
грузок в широком диапазоне. Этот привод обеспечивает бесступен¬
чатое регулирование скорости (рис. 4.1); при этом выполняется ус¬
ловие (4.2).
Преимущества электропривода следующие: постоянная готов¬
ность к работе, простота конструкции, пуска, управления и ревер¬
сирования, высокий коэффициент полезного действия, возможность
удачной компоновки, получение мягкой характеристики, дистанци¬
онное управление, а также относительно малые размеры и масса.
К недостаткам электропривода относятся зависимость от источника
энергии и большая стоимость комбинированного привода.
/ На машинах для земляных работ в последние годы широко при-
■меняют гидравлические приводы. Они являются вторичными, так
как получают энергию от насосов, приводимых электродвигателя-
"Ми внутреннего сгорания. Гидравлические приводы работают при
давлении от 6,3 до 31,5 МПа и более. В качестве рабочих жидко¬
стей в них используют масла: индустриальное М12А, веретенное
АУ, авиационное АМГ и ВМГЗ.
Гидравлический привод обладает рядом преимуществ по срав¬
нению с другими видами: он имеет сравнительно небольшую мас¬
су и габариты насосов и гидромоторов, возможность получения
больших передаточных чисел, которые могут достигать 1000 и бо¬
лее. Небольшая инерционность передач, обеспечивающая хорошие
динамические свойства привода, увеличивает долговечность маши¬
ны и позволяет включать ее и реверсировать рабочие движения за
доли секунды, что повышает производительность машины. Гидро-
привод обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости дви¬
жения рабочих органов, что дает возможность повышать коэффи¬
циент использования приводного двигателя и автоматизировать
не только отдельные операции, но и целые технологические про¬
цессы.
При наличии гидропривода улучшаются условия работы маши¬
ниста, уменьшаются затраты энергии на управление машиной неза¬
висимо от мощности привода, повышается безопасность работы.
Узлы привода можно размещать на машине наиболее целесооб¬
разно: насос у приводного двигателя, гидромоторы — непосредст¬
венно у исполнительных органов, элементы управления — у пульта
машиниста. Приводной двигатель, система привода, металлокон¬
струкции и рабочие органы надежно предохраняются от перегру¬
59

зок, благодаря применению предохранительных и перепускных кла¬
панов. Кроме того, в системах гидропривода широко применяют
стантартичирояянпмр и унифицированные узлы (нависы, хидромо-
торы, гидроцилиндры, гидроаппаратура), что снижает себестои¬
мость гидропривода и облегчает его эксплуатацию и ремонт.
К недостаткам гидропривода относятся:	снижение	КПД	при
использовании длинных трубопроводов, потребность в специаль¬
ных жидкостях для различных климатических условий, необходи¬
мость тщательного наблюдения за состоянием соединений и воз¬
можность утечек рабочей жидкости, большая по сравнению с ме¬
ханическим стоимость изготовления.
§ 4.3. Трансмиссия
Трансмиссией называют систему устройств, посредством кото¬
рых передается движение от силовой установки к механизмам и
рабочим органам машины. Трансмиссия позволяет изменять по
величине и направлению развиваемые силовой установкой скоро¬
сти, крутящие моменты и усилия.
По способу передачи энергии трансмиссии машин для земля¬
ных работ подразделяют на механические, электрические, гидрав¬
лические, пневматические и комбинированные. Все они, кроме
механических трансмиссий, имеют участки, на которых механиче¬
ская энергия первичной силовой установки преобразуется в энер¬
гию других видов (электрического тока, рабочей жидкости, сжа¬
того воздуха), а затем снова в механическую. В комбинирован¬
ных трансмиссиях такое преобразование может происходить неод¬
нократно.
Любая трансмиссия представляет собой разомкнутую систему,
имеющую вход и выход. Вход ее соединен с силовой установкой, а
выход — с исполнительным механизмом рабочего органа. К основ¬
ным параметрам входа и выхода относятся: момент Мвх(Л4ВЫх) или
усилие Рвх(Рвых), угловая скорость (овх(®вых) или линейная
Гвх(Увых), а также мощность
Показателем, оценивающим эффективность работы трансмис¬
сии как системы, является коэффициент полезного действия
(4.4)
„ __ -Мвых^вых _	__ -Рвых^вых	г Л сч
Л'^ВХ0:)ПХ	^вх^вх
Отношение (йрых/ювх^вых/явО характеризует способность транс¬
миссии преобразовывать величину угловой (линейной) скорости и
называется передаточным отношением i0. Отношение MBbIJMBK
(Рпых/Рвх) дает представление о возможности трансмиссии преоб¬
разовывать величины момента (усилия). Это отношение называ¬
ют коэффициентом преобразования момента (усилия) Кщ>- Таким
образом, для любой трансмиссии справедливо выражение
Ч =	(4.6)
60

Важным показателем трансмиссии является степень ее прозрач¬
ности. Прозрачностью трансмиссии называют способность ее пере¬
давать колебания внешней псПр^зкИ сИлиьин ycidHubKc. и при¬
зрачных трансмиссиях любые колебания внешней нагрузки пере¬
даются силовой установке, что усложняет режим и снижает эконо¬
мичность работы последней. Поэтому для облегчения режима ра¬
боты силовой установки и предохранения ее от перегрузок пред¬
почтительны трансмиссии с меньшей степенью прозрачности. Сле¬
дует отметить, что полностью прозрачные трансмиссии отсутствуют.
Механические трансмиссии подразделяют на редук-
торные и канатно-блочные. Первые представляют собой системы
редукторов в сочетании с различными передачами (зубчатыми?
карданными, цепными, ременными и др.). Составными частями
вторых служат лебедки и канатные полиспасты с направляющими
блоками.
Важными элементами механических трансмиссий являются муф¬
ты и тормоза. Редукторы предназначают для отбора и распределе¬
ния мощности силовой установки между механизмами машины, а
также для изменения величины и направления силовых потоков.
Компоновка редукторов зависит от типа машины и размещения на
ней потребителей энергии.
Редукторные трансмиссии могут передавать движения только
на короткие расстояния. При относительно больших размерах пе¬
редач (на бульдозерах, скреперах, экскаваторах) обычно исполь¬
зуются канатно-блочные трансмиссии.
Положительными качествами механических трансмиссий явля¬
ются относительная простота, сравнительно небольшая масса и
стоимость, а также достаточная надежность в работе. К их недо¬
статкам следует отнести значительные потери энергии в муфтах
и тормозах, зубчатых и других передачах, ступенчатое изменение
скоростей и моментов, сложность компоновки передачи при боль¬
шом числе скоростей, затруднительность автоматизации управле¬
ния рабочим процессом машины. Для расширения диапазона регу¬
лирования скоростей и крутящих моментов приходится усложнять
конструкции трансмиссий, что ухудшает надежность и ремонтопри¬
годность машины. Существенным недостатком механических транс¬
миссий является их полная прозрачность.
Значительный эффект даег совмещение механических транс¬
миссий с гидромеханическими. Последние обеспечивают быстрый
разгон и торможение, хорошо гасят крутильные колебания, выпол¬
няют функции автоматических бесступенчатых коробок скоростей,
согласовывают работу механизмов, получающих энергию от одно¬
го приводного двигателя. Поэтому гидромеханические трансмис¬
сии широко применяют в машинах для земляных работ.
Гидродинамические трансмиссии выполняют с гид¬
ромуфтами и гидротрансформаторами (рис. 4.2). Их особенность
состоит в отсутствии жесткой связи между ведущей и ведомой час¬
тями. Мощность передается за счет кинетической энергии рабочей
жидкости, воздействующей на лопасти рабочих колес.
61

Гидромуфта (рис. 4.2, а) имеет два рабочих колеса: насосное
Я и турбинное Т. Первое соединяют с двигателем, второе — с ве-
кольцевое пространство — рабочую полость, которую заполняют
жидкостью. Лопатками насосного колеса, приводимого во враще¬
ние двигателем, жидкость отбрасывается к периферии рабочей по¬
лости и попадая на лопатки турбинного колеса, приводит его во
вращение. Затем жидкость снова поступает к насосному колесу.
Рис. 4.2. Принципиальные схемы гидродинамических трансмиссий:
а — гидромуфты; б — гидротрансформатора; 1 — ведомый элемент; 2 — турбинное колесо;
3— насосное колесо; 4—-рабочая жидкость; 5 — корпус, 6 — двигатель; 7 — реактор
Поскольку активные диаметры рабочих колес гидромуфты оди¬
наковы, а их лопасти, согласно второму закону Ньютона, воспри¬
нимают одинаковое сопротивление рабочей жидкости, в процессе
работы постоянно обеспечивается равенство моментов насосного и
турбинного колес:
Коэффициент полезного действия гидромуфты с ростом нагруз¬
ки на турбинном валу уменьшается.
Величина момента, передаваемого насосным колесом гидромуф¬
ты, ограничена — она зависит от скорости вращения «н насосного
колеса, плотности рж рабочей жидкости и активного диаметра D
гидромуфты (наибольший диаметр рабочей полости). При постоян¬
ной скорости сод максимальное значение момента
образуют замкнутое
Мк=—М7.
(4.7)
чакс ^нРж^н^5’
н чакс
(4.8-1
где кн — коэффициент крутящего момента насосного колеса.
62

На практике удобнее пользоваться частотой вращения насосно¬
го колеса пн=30сдн/я. Подставив г)н вместо ия, после соответст¬
вующего преобразования получим
Мя Макс' = .1,08 • 10-2лнрxnlD\	(4.9)
Если момент нагружения турбинного вала Мт достигнет макси¬
мальной величины, турбина остановится. При этом мощность NT
станет равной нулю, так как сот = 0, мощность же iVH достигнет
своего максимального значения, и муфта начнет проскальзывать.
Коэффициент полезного действия муфты обратится в нуль.
Так как на любом режиме работы гидромуфты соблюдается
равенство (4.7), коэффициент преобразования момента в ней
Кгм = Мг/Мн=1. Тогда КПД гидромуфты составит
При ^ГМ^ГЧ ^гм»
где 1Гм — передаточное отношение гидромуфты.
Равенство КПД муфты передаточному отношению является
отличительной особенностью гидромуфт. Гидромуфта не предна¬
значена для преобразования величины и направления крутящего
момента. Она может служить лишь надежной защитой механиче¬
ских трансмиссий и силовых установок машин для земляных ра¬
бот от перегрузок.
Гидротрансформатор (рис. 4.2, б) состоит из трех рабочих эле¬
ментов: насосного колеса Н, закрепленного на ведущем валу, тур¬
бинного колеса Т, жестко посаженного на ведомый вал, и неподвиж¬
ного направляющего аппарата. Межлопаточные каналы этих рабо¬
чих элементов заполняют, как и в гидромуфте, циркуляционной
жидкостью. Благодаря наличию направляющего аппарата при из¬
менении внешней нагрузки в гидротрансформаторе преобразуются
не только скорость вращения, но и крутящий момент. Уравнение
моментов для гидротрансформатора имеет вид
Л4г=-(/Ин + Жр).	(4.10)
Анализ этого уравнения показывает, что при одинаковых значе¬
ниях моментов насосного AfH и роторного Мр колес абсолютная
величина крутящего момента турбинного колеса УИТ будет больше
момента Мн. Это свидетельствует о том, что гидротрансформатор
может преобразовывать крутящий момент. Следовательно, в отли¬
чие от гидромуфты коэффициент преобразования крутящего мо¬
мента, называемый в этом случае коэффициентом трансформации,
не равен единице. Величина Л4Т меняется в пределах от 2 до 6.
Гидротрансформаторы в трансмиссиях землеройных машин мо¬
гут выполнять роль бесступенчатых редукторов, плавно и автома¬
тически изменяющих величины крутящих моментов. Это значитель¬
но облегчает управление машиной и дает возможность повысить
ее производительность. Гидротрансформатор надежно предохраня¬
ет трансмиссию и двигатель от перегрузок, а срок службы двига¬
теля и агрегатов трансмиссии увеличивается. Однако из-за сравни¬
тельно низкого КПД гидротрансформатора возникает необходи¬
63

мость увеличивать мощность силовой установки на 10—15%, что
снижает экономичность машины. Общий недостаток гидромехани¬
ческих трансмиссий возми/кнонь передавать мощность только
на незначительные расстояния, ограниченные их габаритными раз¬
мерами; кроме того, они совершают только вращательное движе¬
ние. Независимо от этого гидромеханические трансмиссии широко
применяют на экскаваторах, самоходных скреперах, колесных
бульдозерах и погрузчиках.
Более совершенны по сравнению с гидромеханическими гид¬
рообъемные трансмиссии. В конструкцию такой транс¬
миссии входят насосы, гидромоторы, гидроцилиндры, соединяющие
их рабочие линии высокого (напорные) и низкого (сливные, всасы-
вающе, подпиточные) давления, а также регулирующие и вспомог
гательные устройства.
На машинах для земляных работ устанавливают аксиально¬
поршневые регулируемые и нерегулируемые насосы и гидромоторы,
радиально-поршневые высокомоментные гидромоторы, шестерен¬
ные насосы и гидромоторы, реже— пластинчатые гидромоторы и
насосы.
Для приведения в действие элементов рабочих органов с посту¬
пательным движением (подъема и опускания стрелы экскаватора,
ковша скрепера, отвалов бульдозеров и автогрейдеров, поворота
рукояти и ковша экскаватора и др.) используют гидроцилиндры
диаметром от 40 до 250 мм и длиной от 80 до 6000 мм, как правило
двухстороннего действия.
Регулирующие устройства (распределители, дроссели, регуля¬
торы, клапаны) изменяют в процессе работы величину и направ¬
ление потока жидкости от насоса к гидромоторам, а также ограни¬
чивают давление в гидросистеме и предохраняют трансмиссию от
перегрузок.
Различают распределители золотниковые и крановые. Послед¬
ние из-за недостаточной герметичности применяют в системах с
низким давлением (до 1 МПа). Золотниковые распределители мо¬
гут быть секционными и моноблочными. Число распределителей*
определяется количеством приводимых в действие исполнительных
органов, а число позиций и их тип — требованиями к управлению и
конструкцией рабочих органов. В большинстве случаев на экскава¬
торах, скреперах, автогрейдерах и грейдер-элеваторах применяют
трехпозиционные золотники, а на бульдозерах и погрузчиках —
четырехпозиционные. Управление распределителями предусмотре¬
но ручное с пружинным возвратом из включенных позиций или с
фиксацией во всех положениях.
В последние годы в связи с внедрением автоматических уст¬
ройств в управлении рабочими органами машин для земляных ра¬
бот применяют золотники с электрогидравлическим управлением.
Отечественная промышленность серийно выпускает гидрораспреде¬
лители с ручным управлением типа Рис гидравлическим или элек¬
трогидравлическим управлением типа РГ, которые легко автомати¬
зировать.
64

К вспомогательным устройствам гидротрансмиссий относят ре¬
зервуары (баки), фильтры, центрифуги, теплообменники, дренаж¬
ные линии и др.
Особое внимание при работе гидростатических трансмиссий сле¬
дует обращать на чистоту рабочей жидкости. Исследованиями, вы¬
полненными в Ленинградском инженерно-строительном институте
под руководством Г. А. Седлухи, установлено, что при работе ма¬
шин для земляных работ количество загрязненной рабочей жид¬
кости иногда увеличивается в 10—12 раз по сравнению с требова¬
ниями ГОСТ 17216—72. Это, в свою очередь, сокращает срок служ¬
бы насосов, гидродвигателей и контрольно-регулирующей аппара¬
туры в 2—2,5 раза по сравнению с чистой рабочей жидкостью.
В этом институте разработано семейство центрифуг, которые
можно использовать для очистки жидкости машин для земляных
работ. Они имеют лучшую очищающую способность, чем фильтры,
и неограниченный срок службы, что повышает надежность и дол¬
говечность гидропривода землеройных машин, работающих в за¬
пыленной среде.
По конструкции гидростатические трансмиссии подразделяют
на открытые и закрытые. В первых жидкость из бака подается на¬
сосом к исполнительному механизму (гидроцилиндру) и, совершив
работу, возвращается в бак, во вторых жидкость из сливной по¬
лости исполнительного механизма возвращается во всасывающую
полость насоса.
По возможности регулирования различают транс¬
миссии нерегулируемые и регулируемые. В последних количество
жидкости, поступающей в гидродвигатель в единицу времени, может
изменяться за счет изменения сопротивления участка трубопровода
(дросселированием) и регулированием производительности насоса
путем изменения рабочего объема (объемное регулирование).
По количеству насосов (потоков) различают трансмис¬
сии однопоточные и многопоточные. В однопоточных питание гид¬
родвигателей происходит от одного насоса или группы их, подаю¬
щих рабочую жидкость в одну линию. В многопоточных гидродви¬
гатели питаются двумя или более насосами, которые подают жид¬
кость в несколько напорных линий.
Схему гидростатической трансмиссии с нерегулируемыми насо¬
сами и дроссельным регулированием скорости (рис. 4.3) применяют
в приводах рабочих органов и механизмов, движение которых име¬
ет установочный характер (например, в приводе подъема отвалов
бульдозера и автогрейдеров, ковшей скреперов и одноковшовых
экскаваторов).
Насосом 3, приводимым от двигателя 4, рабочая жидкость из бака 1 по¬
дается по напорной линии 5 через обратный клапан 8 к распределителю 10. Че¬
тырехпозиционный распределитель управляет двумя спаренными цилиндрами 11.
Использование такого распределителя обеспечивает установку плавающего поло¬
жения рабочего органа при свободном движении его по грунту. Из распредели¬
теля рабочая жидкость по сливному трубопроводу 14 возвращается в бак.
Для очистки рабочей жидкости в гидросистеме устанавливают фильтр 13
или центробежный очиститель 15 с переливным клапаном 12, перепускающим
жидкость при засорении фильтра 13. Манометры 7 позволяют контролировать
3-125
65

давление в напорной и сливной линиях. Оба манометра снабжены кранами 6.
Вентиль 2 позволяет перекрывать всасывающую гидролинию.
В системе гидравлического привода такого типа устанавливают предохрани¬
тельны;; клана;; 0 п псрсльищж мшии 12. Первый перепускает рабочую жид¬
кость в сливную магистраль при встрече рабочего органа с труднопреодолимым
препятствием, предохраняя гидравлический привод от выхода из строя. Второй
предотвращает разрушение сливного трубопровода и фильтрующего элемента
при его критическом загрязнении.
Рис. 4.3. Гидравлическая схема открытой гидростатической трансмиссии с дрос¬
сельным регулированием
Закрытую схему с объемным регулированием скорости движе¬
ния применяют для привода рабочих органов, постоянно работаю¬
щих во время технологического цикла машин, например привода
рабочего хода экскаваторов непрерывного действия, многоковшо¬
вых погрузчиков и конвейеров грейдер-элеваторов (рис. 4.4).
Отсутствие дросселирования рабочей жидкости в таких системах
позволяет снизить непроизводительные затраты энергии на нагрев
рабочей жидкости, что повышает КПД гидравлической системы и
улучшает ее тепловой режим.
Применение насосов переменной производительности с регуля¬
торами мощности позволяет автоматически изменять скорости ра¬
бочих органов в зависимости от внешней нагрузки. С увеличением
скорости исполнительных органов при уменьшении нагрузки повы¬
шается производительность машин. Уменьшение же скорости при
увеличении нагрузки позволяет снизить динамические нагрузки и
повысить надежность машины.
66

Привод гидромотора 12 выполнен от регулируемого реверсивного насоса 7,
управление которым осуществляется через гидроусилитель 6, питающийся от на¬
соса 3. К насосу 7 прикреплена клапанная коробка, включающая обратные кла¬
паны о, распределитель у и переливные клапаны 10 и 13. Рабочая жидкость
подпит очного насоса 18 посту-
/2 ш п. г
пает во всасывающую линию
насоса 7 через обратные кла¬
паны 8, а ее избыток поступает
на слив через распределитель 9
и перепускной клапан 10. Дав¬
ление в линии насоса 18 регу¬
лируют настройкой переливного
клапана 10. Распределитель 9 с
гидравлическим управлением
под действием разности давле¬
ний в напорной и всасывающей
линиях насоса 7 перемещается
так, что с клапаном 10 соединя¬
ется всасывающая линия. Та¬
ким способом обеспечивается
обмен рабочей жидкости между
замкнутой системой насос 7 —
гидромотор 12 и системой под¬
питки, в которую входят насос
18, теплообменник 15, фильтр с
перепускным клапаном 14 и
■бак 1.
Через перепускные клапаны
13 рабочая жидкость перелива¬
ется из нагнетательной линии
гидромотора 12 в сливную; это
устройство смягчает динамиче¬
ские нагрузки в момент разгона
и резкого торможения рабочего
органа. Для контроля давления
в системе установлены маномет¬
ры 5, И и 16 с кранами 4, а
для контроля температуры ра¬
бочей жидкости в гидросистеме
имеется термометр 17. Вентили
2 позволяют менять насосы 3 и
18.
Первая схема является примером однопоточной открытой транс¬
миссии, вторая — закрытой.
§ 4.4. Системы управления
Система управления машинами состоит из приборов и устройств
(муфт, тормозов, фрикционов, распределителей и др.), позволяющих
контролировать работу элементов привода и воздействовать на
него изменением величины и направления скоростей, моментов и
усилий в соответствии с технологическим процессом.
Системы управления современными машинами для земляных
работ должны обеспечивать надежную работу, быстроту приведе¬
ния в действие рабочих органов, плавность их включения и вы¬
ключения, безопасность работы, легкость и удобство работы опера¬
тора. Для облегчения управления машиной в системе управления
нужно иметь минимальное число органов (рукоятей, педалей, кно¬
Рис. 4.4. Гидравлическая схема закрытой гид¬
ростатической трансмиссии с объемным регу¬
лированием
3*
67

пок). Регулирование системы управления должно быть доступным,
простым и надежным, а количество регулировок—минимальным.
Положение органов управления машиной должно давать операто¬
ру представление о направлении движения рабочих органов.
По назначению различают системы управления муфтами,
тормозами,	двигателями	и	установкой рабочих органов. В зави¬
симости	от	конструктивного исполнения системы
управления	разделяют	на механические рычажные, гидравлические,
пневматические, электрические и комбинированные (гидромехани¬
ческие, электропневматические
и др.).
С учетом степени ав¬
томатизации системы уп¬
равления подразделяют на не¬
автоматизированные, полуав¬
томатические и автоматиче¬
ские. Неавтоматизированные
системы в зависимости от ха¬
рактера использования мус¬
кульной энергии машиниста
для привода управления могут
быть непосредственного дейст¬
вия или с усилителями (систе¬
мы с сервоприводом). В пер¬
вом случае машиной управля¬
ют за счет мускульных усилий,
прилагаемых машинистом к
рычагам или педалями. Во вто¬
ром случае для воздействия на привод применяют какие-либо ис¬
точники энергии (электрической, гидравлической, пневматической),
а машинист лишь включает и выключает элементы привода систе¬
мы управления. В полуавтоматических системах автоматизировано
управление только некоторыми операциями. При полной автомати¬
зации роль оператора сводится к подаче сигналов о начале и окон¬
чании работы, а также к настройке системы на определенную про¬
грамму управления рабочим процессом машины.
Любая из систем управления состоит из следующих основных
частей: пульта управления с размещенными на нем органами уп¬
равления (рукоятками, педалями, кнопками и приборами); систе¬
мы передач (тяг, рычагов, распределителей, золотников, трубопро¬
водов и т. д.); исполнительных органов, включающих и выключаю¬
щих двигатели, тормоза и другие устройства.
Основными параметрами систем управления являются: усилие,
развиваемое на исполнительном органе, скорость движения рабо¬
чего звена исполнительного органа, число и продолжительность
включений в час, быстрота срабатывания и КПД.
Особенность систем управления непосредственного действия
заключается в том, что на их работу не расходуется мощность си¬
ловой установки. Эти системы могут быть механическими и гид-
Рис. 4 5. Принципиальная схема гидрав¬
лической системы управления непосред¬
ственного действия
68

7-
м
5Х
4 —
J
\'Л
-U-
X
9	10
\
-о
-и-
HLjlfcr:
72
11
равлическими. В первых усилие руки или ноги машиниста переда¬
ется исполнительному органу с помощью системы рычагов и тяг,
я ро вторых—рабочей жидкостью. Затраты Нищниыи на управле¬
ние в любых случаях не должны превышать средних физических
возможностей машиниста, равных при длительной работе 40—
50 Вт. Механические системы управления на машинах для земля¬
ных работ нецелесообразно приме¬
нять из-за их несовершенства.
В гидравлической системе управ¬
ления непосредственного действия
(рис. 4.5) усилия машиниста с орга¬
на управления передаются рабочей
жидкостью, которая при нажатии на
педаль 7 из напорного цилиндра 5
по гидролинии 4 вытесняется в ра¬
бочий цилиндр 3 и перемещает его
поршень. Последний связан с рыча¬
гом 9 исполнительного механизма 1
(тормозом или муфтой). Утечки
жидкости пополняются из бачка 6.
Система возвращается в исходное
положение пружинами 2 и 8.	<■
Положительным качеством систе¬
мы управления непосредственного7
действия является возможность ре¬
гулирования рабочим процессом в
широких пределах, обеспечивающая
плавность включения. Недостаток
их заключается в значительной фи¬
зической нагрузке на машиниста.
Для облегчения его труда на маши-
ных предусматривают систему управления усилителями.
В системах управления в настоящее время применяют усилите¬
ли гидравлического, пневматического и электрического действия.
В любом случае усилитель представляет своего рода трансмиссию,
передающую часть мощности силовой установки машины для
включения исполнительных органов рабочего оборудования и меха¬
низмов.
Для включения исполнительных механизмов рабочего оборудо¬
вания на машинах для земляных работ широко применяют гидрав¬
лические, пневматические и электрические системы управления с
приводом от основного или специального двигателя. В качестве
усилителей в гидросистемах управления целесообразно применять
гидростатические передачи. Для предотвращения пульсации рабо¬
чей жидкости и поддержания ее давления на определенном уровне
используют гидроаккумуляторы. Схема простейшей системы гид¬
равлического управления с гидроаккумулятором дана на рис. 4.6.
Рабочая жидкость из бака 1 насосом 2 подается через обрат¬
ный клапан 3 в коллектор высокого давления 9 пульта управления
Рис. 4.6. Принципиальная схема
гидравлической системы управле¬
ния с гидроаккумулятором
69

и одновременно в гидроаккумулятор 4. Попадая в последний, жид¬
кость давит на поршень 5, сжимает пружину 6, усилие которой под-
лержиияет определенное давление в системе. При достижении ра¬
бочего давления шток 7 гидроаккумулятора воздействует на кла¬
пан-пилот 8, соединяющий напорную магистраль со сливной маги¬
стралью коллектора низкого давления 10, и жидкость через
фильтр 11 сливается в бак. Это устройство разгружает насос и
уменьшает его износ.
Если клапан-пилот выйдет из строя, срабатывает предохрани¬
тельный клапан 12, регулируемый на более высокое давление, чем
клапан 8, и жидкость из напорной магистрали начнет поступать
во всасывающую магистраль насоса. При остановке насоса закро¬
ется обратный клапан 3, система будет удерживаться под давле¬
нием с помощью гидроаккумулятора.
Гидравлические системы управления имеют положительные
качества, как и гидравлические трансмиссии. К их недостаткам сле¬
дует добавить резкость включения, что объясняется быстрым нара¬
станием давления рабочей жидкости. Плавное включение исполни¬
тельных органов обеспечивают пневматические системы управления
(рис. 4.7). Давление в таких системах не превышает 0,7—0,8 МПа.
Вследствие сжимаемости воздуха продолжительность нарастания
давления составляет 0,9—1,0 с (у гидравлических — 0,2—0,3 с).
Воздух 3 всасывается через воздухозаборник 4 и фильтр ком¬
прессором 2 и затем через влагомаслоотделитель 6 нагнетается в
аккумулирующую емкость — ресивер 7. Компрессор приводится в
действие двигателем 1. При включении пневматического золотника
8.1 или 8.2 воздух поступает в пневмокамеру 9 или пневмоцилиндр
14. Рабочие цилиндры по конструкции аналогичны гидравлическим,
но они значительно больше по размерам вследствие меньших дав¬
70

лений в пневматической системе управления. В пневмокамере
функцию поршня выполняет резиновая диафрагма 12, соединенная
со штоком 10 и удерживаемая в нормальном положении пружи¬
ной 11.
Пневмокамеры просты в изготовлении и обслуживании. К не¬
достаткам их относятся малый ход штока и непостоянство переда¬
ваемых усилий при одинаковом давлении. По мере выдвижения
штока развиваемое усилие гидроцилиндра уменьшается, что объяс¬
няется затратами энергии на сжатие пружины и деформацию диа¬
фрагмы, а главным образом уменьшением активной площади
последней из-за прилегания ее к корпусу камеры. Быстрому воз¬
вращению диафрагмы в исходное положение кроме пружины спо¬
собствует клапан быстрого оттормаживания 13. Предохранитель¬
ный клапан 5 настраивают на давление, превышающее рабочее на
0,03—0,05 МПа.
Пневматические системы управления широко применяют на
экскаваторах строительной группы, некоторых скреперах и бульдо¬
зерах. Их основной недостаток — необходимость тщательной очист¬
ки воздуха от механических примесей, масла и влаги. Конденсат,
оседая в пониженных местах, мешает проходу воздуха, а при низ¬
ких температурах замерзает, что приводит к закупорке и даже
разрыву трубопроводов. Поэтому конденсат следует удалять из
системы с помощью специальных очистителей. Однако такие систе¬
мы управления имеют большие габариты.
Часовой расход воздуха пневмосистемы можно определять по
формуле
QB='^miQh	(4.11)
i=i
где mi — среднее количество включений одного потребителя в час;
п — количество потребителей; Q, — расход воздуха на одну опера¬
цию потребителя.
Расход воздуха па одну операцию составляет:
для цилиндра
я D1
Q/«=	-г5— S;	(4-12)
для пневмокамеры диафрагменного типа
Q/nK = -f-(^2-^A + rf2T),	(4.13)
где Дц — наружный	диаметр диафрагмы;	— диаметр тарелки
штока.
Потребная часовая производительность компрессора, м3/ч,
nK=K3QB,	(4.14)
где Кз — коэффициент запаса, учитывающий утечки и неравномер¬
ность работы системы {К3= 1,3-М,4).
71

Необходимый объем ресивера определяют по формуле
= KsQct
(4 15)
где К3 — коэффициент запаса (Кз= 1,14-1,2); Qc — расход сжато¬
го воздуха пневмосистемы в 1 с; t — время, потребное для подкачки
ресивера (^ = 20-ь30 с); РМакс, Ртт— максимальное и минимальное
давление в ресивере. Обычно
где vB — скорость воздуха в трубопроводе, которую для магистраль¬
ных трубопроводов принимают 10 м/с, а для ответвлений 10—
20 м/с.
Применение гидравлической и пневматической систем открыва¬
ет большие возможности для дистанционного управления и автома¬
тизации с применением электроники. Особенно целесообразны в
этих целях комбинации различных систем: электрогидравлических,
электропневмогидравлических.
Большими преимуществами обладают электрические системы
управления. Применять их можно для машин с дизель-электриче-
кой или электрической силовой установкой.
Системы управления с усилителями в значительной степени об¬
легчает труд машинистов, однако чрезмерное снижение усилий,
необходимых для управления, иногда приводит к вредным послед¬
ствиям. Машинист, не чувствуя сопротивления от поворота рукоя¬
ти или рулевого колеса, не может оценить, какие силы возникают
в управляемом механизме, ход рукоятки может быть не пропор¬
ционален ходу исполнительного органа и др. В необходимых слу¬
чаях используют системы следящего действия, в которых нагрузка
на руки машиниста хотя и невелика, но достаточна для ее воспри¬
нятая, а главное пропорциональна нагрузке на исполнительном
органе.
Ходовое оборудование землеройных машин состоит из ходового
устройства и механизма передвижения. Ходовые устройства (дви¬
жители) предназначены для передачи нагрузок от машин на опор¬
ную поверхность. Они передвигают машины и изменяют направле¬
ние их движения. Механизмы передвижения предназначены для
привода ходовых устройств при рабочем и транспортном передви¬
жении.
У многих землеройных машин (землеройно-транспортных и
экскаваторов непрерывного действия) ходовое оборудование уча¬
DT = 2VQJnvB,
(4.16)
ГЛАВА 5
ХОДОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
72

ствует непосредственно в рабочем процессе. Ходовое оборудование
землеройно-транспортных машин обеспечичяет пябпчне (тяговые)
усилия, необходимые для разработки грунта и его перемещения.
Соответствующее оборудование экскаваторов непрерывного дей¬
ствия обеспечивает непрерывную подачу рабочего оборудования в
процессе разработки грунта и создает необходимые усилия подачи.
Современные землеройные машины, имеющие массу до несколь-
Рис. 5.1. Ходовое оборудование землеройных машин:
а — гусеничное, б—пневмоколесное, в— шагающего экскаватора; 1, 2 — жесткая и мяг¬
кая и гусеница; 3 — многогусеничный ход; 4 —гусеница с поднятым направляющим коле¬
сом, 5, 6 — двухосное оборудование с одной и двумя ведущими осями, 7, 8 — трехосное
оборудование с двумя и тремя ведущими осями; 9 — подъем лыжи, 10 — опирание на лы¬
жу; П — ход шагания, 12 — опирание на нижнюю раму экскаватора
ких тысяч тонн, предназначены для работы в разнообразных до¬
рожных условиях; транспортные скорости некоторых машин со¬
ставляют несколько десятков километров в 1 ч.
Для обеспечения разнообразных требований на землеройных
машинах применяют различные виды ходового оборудования: гусе¬
ничное, пневмоколесное, шагающее, рельсовое и др. (рис. 5.1).
Гусеничное ходовое оборудование (рис. 5.1, а) мо¬
жет воспринимать значительные нагрузки при сравнительно низком
давлении на грунт, обеспечивает хорошую маневренность и боль¬
шие тяговые усилия, вследствие чего его широко применяют на
землеройных машинах.
К недостаткам гусеничного хода относятся значительная его
масса, небольшая долговечность, низкий КПД и скорости движе¬
ния, а также невозможность работы и передвижения на площадках
и дорогах с усовершенствованными покрытиями. Машины на гу¬
сеничном ходу передвигаются своим ходом, как правило, только в
пределах строительных площадок, к которым их перевозят автомо¬
бильным, железнодорожным или водным транспортом.
Современные конструкции пневмоколесного ходового
оборудования (рис. 5.1, б) позволяют развивать высокие транспорт¬
ные скорости и обеспечивают большую мобильность и долговеч¬
ность машин, чем гусеничное ходовое оборудование. Пневмоколес-
73

ное ходовое оборудование обычного исполнения снижает, однако,
проходимость машин и имеет меньшие тяговые возможности, чем
гусеничное. Ьго можно применять на машинах массой до 120—
160 т, что обусловлено допускаемыми нагрузками на колеса, поэто¬
му указанное оборудование используют на мобильных землерой¬
ных машинах, а также на большинстве землеройно-транспортных
машин.
Шаг агощий ход (рис. 5.1, в) обеспечивает невысокие давле¬
ния на грунт и высокую маневренность, не требует подготовки
пути, однако существенный недостаток его—очень малые ско¬
рости передвижения, не превышающие 0,5 км/ч. Этот вид ходового
оборудования применяют для экскаваторов-драглайнов большой
мощности.
Рельсовый ход воспринимает значительные нагрузки, име¬
ет низкие сопротивления передвижению, простую конструкцию, не¬
высокую стоимость и создает предпосылки для высокой точности
работы, так как рельсы являются жесткой базой и направляющи¬
ми машины. Недостатки рельсового хода — малая маневренность,
значительная сложность перехода на новые участки работ, допол¬
нительные расходы, связанные с укладкой и эксплуатацией рельсо¬
вых путей. Этот вид ходового оборудования применяют на земле¬
ройных машинах, длительное время работающих на одном объек¬
те (цепные экскаваторы поперечного копания, роторные стреловые
экскаваторы), а также на машинах, выполняющих земляные рабо¬
ты высокой точности (экскаваторы-профилировщики).
§ 5.1. Гусеничное ходовое оборудование
Ходовое оборудование этого вида может быть двух- и многогу¬
сеничным. Преимущественно распространены двухгусеничные си¬
стемы при массе машин до 1000 т. Для машин большей массы ис¬
пользуют сложные многогусеничные системы, причем число гусе¬
ниц доходит до 16 (рис. 5.1, поз. 3).
Гусеничные системы могут опираться на ходовое устройство
в трех или четырех точках. Четырехточечные опоры, имеющие мень¬
шие габариты, более простую конструкцию и меньшую массу, наи¬
более распространены. Трехточечные опоры предусматривают
обычно для тяжелых машин и в многогусеничных системах.
Гусеницы различаются степенью приспособляемости к рельефу
пути (мягкие, полужесткие и жесткие), возможным наличием гу¬
сеничных рам (рамные или безрамные), расположением опорных
катков снаружи или внутри (открытые или закрытые), а также по¬
ложением ведущей звездочки (переднее и заднее). У жестких гу¬
сениц (рис. 5.2) опорные катки 8 непосредственно соединены с
рамой. Этот тип подвески наиболее прост, дешев; он обеспечивает
равномерное -распределение давления на грунт, однако применяют
такую подвеску лишь при скоростях движения до 5 км/ч, так как
жесткая гусеница не приспосабливается к неровностям и не амор¬
тизирует толчки и удары при езде по неровной поверхности.
U

Для лучшей приспосабливаемое™ гусеницы к неровностям грун*
та применяют опорные катки бгщ того диаметра с большим рас¬
стоянием между осями (мягкая малоопорная гусеница), соединяют
опорные катки малого диаметра в балансирные тележки (мягкая
многоопорная гусеница (рис. 5.1, поз. 2), вводят демпфирующие
устройства — пружины или рессоры.
Рис. 5.2. Гусеничный ход:
/ — ведущее колесо; 2 — приводная звездочка; 3 — приводной вал; 4 — балансир; 5 —на¬
правляющее колесо; 6 — рама; 7 — поддерживающие катки; 8— опорные катки; 9 — звенья
гусениц
В гусеничных тракторах, которые служат базой для землерой¬
ных машин, нередко применяют полужесткую подвеску, в которой
жесткие гусеницы сзади крепят к раме шарнирно, а спереди через
упругие элементы. Такая схема позволяет приспосабливать гусе¬
ницы к рельефу местности и улучшает плавность хода.
Звенья гусениц (рис. 5.2) льют или штампуют из стали повы*
шенной вязкости (например, марганцовистой), а пальцы делают из
более мягкого материала. В некоторых конструкциях в звенья
запрессовывают закаленные втулки из легированной стали, что
обеспечивает большую долговечность звеньев.
Для воспринятая боковых усилий, возникающих при повороте
машин, звенья снабжают двойными или одинарными ребордами.
Первые, применяемые при одинарных катках, помещают с их на¬
ружной стороны. Чтобы облегчить выдавливание налипшего грун¬
та, реборды чередуют в смежных звеньях, располагая в шахматном
порядке. Одинарные реборды помещают посередине звена, уста¬
навливают их при двойных или охватывающих катках.
Для работы машин в зимних условиях или в грунтах, не обеспе¬
чивающих необходимого сцепления, на гусеницах применяют съем¬
75

ные шпоры или шипы. Привод гусениц осуществляется ведущими
колесами 1 (рис. 5.2). Для зацепления с ведущим колесом исполь¬
зуют рейорды звеньев или отверстия в них. Для уменьшения на¬
пряжения в звеньях ведущие колеса делают многогранными, с чис¬
лом зубьев не менее восьми. Натягивают гусеницы для компенса¬
ции их износа натяжным приспособлением направляющего колеса
5. Ось направляющего колеса закрепляют в ползунах, перемещаю¬
щихся винтами или гидродомкратами в направляющих гусеничной
а)
5)
©
г)
Э)
9
' О О
Г~
Ю
о
с)
с
ЭЕ
°п°
ЭЁ
I—н*
I *
О)
£
—I
"oljo-
с
ЭЁ
Рис. 5.3. Механизмы передвижения гусеничных и колесных машин
J
или нижней рамы. Ход натяжения принимают в пределах 0,52—0,6
от шага гусеничной цепи. После использования этого хода гусенич¬
ную цепь укорачивают на одно звено.
Верхняя часть гусеничной цепи опирается на два-три поддер¬
живающих катка.
Диаметр направляющего колеса /)„.к принимают обычно рав¬
ным диаметру вписанной окружности многогранника ведущего ко¬
леса. Для машин, работающих на слабых грунтах, предусматрива¬
ют направляющие и ведущие колеса или только ведущие, как по¬
казано на рис. 5.2, меньшего диаметра, поднятые на (0,14-0,15) А,.к
над землей (рис. 5.1, поз. 4). При большем подъеме уменьшается
устойчивость машин и применяют его только при очень длинных
гусеницах. Максимальный диаметр опорных катков при малоопор¬
76

ной гусенице может быть DH.к. При многоопорной гусенице диаметр
опорных кяткпв ттриттнмтют (0,2-^0,3)
Для работы машин на грунтах со слабой несущей способностью
начинают применять конструкцию гусеничного ходового оборудо¬
вания с резинометаллической гусеницей. Такая гусеница, пред¬
ставляет собой специальную резиновую ленту, армированную высо¬
копрочной проволокой с штампованными звеньями. Она имеет мень¬
шую массу, лучше приспосабливается к грунтовым условиям, не
нарушает дерновый покров, в результате всего этого значительно
улучшается проходимость машин.
Конструкция механизма передвижения зависит от типа привода,
необходимой скорости и маневренности машин. В гусеничных
тракторах и быстроходных землеройных машинах на гусеничном
ходу (рис. 5.3, а) для включения и выключения гусениц служат
бортовые фрикционы, причем во многих конструкциях левую и
правую гусеницы включают в разные стороны, что дает возмож¬
ность совершать поворот машины на месте. Такие же возможности
имеют и машины с индивидуальным приводом гусениц (рис. 5.3, в).
В тихоходных машинах на гусеничном ходу (например, в одно¬
ковшовых экскаваторах с механическим приводом) ведущие колеса
приводятся во вращение зубчатыми и цепными передачами (рис.
5.3,	б). Включают и выключают их кулачковыми муфтами, что
возможно лишь при остановке машин.
§ 5.2. Пневмоколесное ходовое оборудование
У большинства машин для земляных работ имеется четырехко¬
лесное двухосное ходовое оборудование. В конструкциях автогрей¬
деров, одноковшовых экскаваторов, катков и других машин, име¬
ющих большую массу, применяют ходовое оборудование с 6—8
колесами. В агрегате со скреперами, катками и землевозами при¬
меняют одноосные двухколесные тягачи.
Важной характеристикой колесной машины является колесная
формула, состоящая из двух цифр: первой цифрой обозначают чис¬
ло всех колес, второй — число приводных. Цифры колесной фор¬
мулы пишут через знак умножения. Наиболее распространены ма¬
шины с колесными формулами 4X2 (рис. 5.1, поз. 5) 4x4 (рис.
5.1, поз. 6) (экскаваторы, бурильно-крановые машины, погрузчи¬
ки), 6X4 (рис. 5.1, поз. 7) и 6x6 (рис. 5.1, поз. 8) (автогрейдеры).
Чем больше приводных колес, тем лучшей проходимостью и тяго¬
выми качествами обладает машина, но тем сложнее механизм ее
передвижения.
На свойства пневмоколесного ходового оборудования сущест¬
венно влияет конструкция шин (рис. 5.4). На одной машине обыч¬
но используют шины одного типоразмера, поэтому нередко на бо¬
лее нагруженных осях (обычно задних) устанавливают сдвоенные
колеса.
С целью снижения давления на грунт (улучшения проходимо¬
сти машин) используют шины большого диаметра и широкопро¬
77

фильные, а также арочные, устанавливаемые вместо сдвоенных ко¬
лес. Эти шины повышают проходимость и тяговые качества маши¬
ны илсиидаря большой опорной поверхности и развитым грунтоза-
цепам. Такие шины хорошо работают на слабых, рыхлых грунтах
и на снегу. При эксплуатации на прочных грунтах и дорогах с
твердым покрытием срок
службы арочных шин резко
снижается, сопротивление
же перемещению машины
повышается.
Марка шины обычного
профиля состоит из двух
цифр со знаком тире между
ними. Первое число — шири¬
на ПрофиЛЯ &кол (рис.
5.4,	<5), второе — диаметр
обода й?кол, т. е. внутренний
диаметр шины, измеряемый
в миллиметрах или дюймах
(например, шина 320—508
или 12,00—20"). В обозначе¬
ние широкопрофильной ши¬
ны входят три числа в мил¬
лиметрах:	наружный диа¬
метр DK0JI, ширина профиля
Ькол и диаметр обода с1коя
(1500X660X635).
В последние годы увели¬
чивается выпуск машин с
регулированием давления
воздуха в шинах, которое
можно производить из каби¬
ны машиниста даже при
движении машины. При пе¬
редвижении машин по рых¬
лому или влажному грунту
давление воздуха в шинах
снижают, что уменьшает
давление на грунт, улучшает
проходимость и тяговые ка¬
чества машины. При пере¬
движении машины по твер¬
дым поверхностям давление
воздуха в шинах повышают,
что позволяет уменьшить сопротивление передвижению и резко уве¬
личить срок службы шин.
Для увеличения срока службы шин в тяжелых условиях и улуч¬
шения сцепления с грунтом применяют специальные износоустойчи¬
вые шины, а также сетчатые или пластинчатые защитные устрой¬
Рис. 5.4. Типы шин:
а — камерные; б — бескамерные; в —типы про¬
текторов; / — для земляных работ; // — для ра¬
боты в каменных карьерах; ///— противобуксую-
щие; IV — универсальные; г —арочные; д — ос¬
новные размеры; е — зависимость допустимой на¬
грузки на колесо от скорости движения; / — по¬
крышка; 2 —камера; 3— ободная лента; 4 — вен¬
тиль; 5 — полость покрышки; 6 —- герметичный
обод
78

ства из легированных сталей. Тип шин выбирают исходя из условий
работы машины, нагрузки на колесо и скорости движения в рабо¬
чем и транспортном режимах. Допускаемые нагрузки на колесо
зависят от условий работы и скоростей движения (рис. 5.4, е),
влияющих на динамичность работы. Во всех режимах работы ма¬
шины нагрузки на колеса не должны превышать допускаемые.
Пневмоколесное ходовое оборудование машин для земляных
работ привод может иметь механический, гидравлический, элект¬
рический и комбинированный. Механический привод предусматри¬
вают в машинах на базе пневмоколесных тракторов, на одноков¬
шовых экскаваторах с механическим приводом, автогрейдерах,
катках.
Наиболее распространен привод ведущих колес, объединенных
в мосты попарно, через дифференциалы (см. рис. 5.3, г). Примене¬
ние межколесных дифференциалов обеспечивает высокие скорости
движения и исключает проскальзывание колес при движении.
Однако колеса одного моста могут развивать только равные тяго¬
вые усилия, причем их максимальная величина определяется усло¬
виями сцепления колеса, находящегося в худших дорожных усло¬
виях (грязь, лед). Для устранения этого недостатка при движении
с низкими скоростями в сложных дорожных условиях при невысо¬
ких требованиях к маневренности применяют устройства для бло¬
кировки дифференциалов.
Трансмиссия без дифференциалов проще по конструкции и поз¬
воляет реализовать более высокие тяговые усилия, однако при
повороте машины и движении по неровностям колеса проскальзы¬
вают вследствие разности скоростей, что ведет к повышенному
износу шин и непроизводительным затратам мощности. К отрица¬
тельным последствиям приводит также движение машин на высо¬
ких скоростях с несколькими ведущими мостами. В хороших до¬
рожных условиях движение производят обычно на одном ведущем
мосту, остальные ведущие мосты отключают.
На автогрейдерах применяют привод (см. рис. 5.3, е) сдвоенных
задних колес, объединенных попарно бортовыми цилиндрическими
редукторами. Корпуса редукторов могут качаться относительно
рамы машины, что улучшает сцепление колес с грунтом.
В последние годы в машинах для земляных работ широко при¬
меняют гидравлический и частично электрический многомоторный
приводы с использованием приводных ведущих мостов с дифферен¬
циалами и без них, а также индивидуальный привод каждого ко¬
леса отдельным двигателем (мотор-колеса).
Мотор-колесо (см. рис. 5.3, д) представляет собой автономный
блок, состоящий из двигателя, муфты, редуктора, тормоза и коле¬
са. Применение гидропривода с рабочим давлением 16—32 МПа
позволяет значительно улучшить параметры привода и размещать
• его в ступице колеса. Применение мотор-колес упрощает конструк¬
цию трансмиссии за счет исключения коробок передач, раздаточных
коробок, мостов, карданных валов, облегчает компоновку машины,
увеличивает ее проходимость и маневренность, так как каждое ко¬
79

лесо может быть приводным и поворотным. При создании мотор-
колес используют низкомоментные высокооборотные гидромоторы
в сочетании с планетарными редукторами или высокомоментные
гидромоторы без редукторов.
Применение регулируемых насосов и гидромоторов, а также
специальных гидравлических схем позволяет изменять скорость
передвижения машин с мотор-колесами от нескольких метров в
1 ч (рабочее передвижение) до нескольких километров в 1 ч
(транспортное передвижение). Для обеспечения необходимых тя¬
гово-скоростных свойств машин в некоторых случаях применяют
многоступенчатые двух-, трехскоростные планетарные редукторы.
Мотор-колеса с такими редукторами называют многоскоростными.
Для работы на неосушенных болотах целесообразно предусмат¬
ривать ходовое оборудование на больших пневмобаллонах, обеспе¬
чивающих плавучесть машин. В последние годы создаются специ¬
альные ходовые устройства для машин большой мощности.
§ 5.3. Маневренность машин
Под маневренностью машины понимают ее способность изме¬
нять направление движения — маневрировать. Маневренность ха¬
рактеризуется радиусами поворота, вписываемостью машин в угло¬
вые проезды и шириной площадки, необходимой для обратного
разворота.
Пневмоколесные машины можно поворачивать с помощью уп¬
равляемых колес, за счет изменения положения шарнирно-сочле¬
ненных рам, разной скорости вращения левых и правых колес
(бортовой поворот) и другими способами. Первый способ поворота
наиболее распространен, причем управляемыми могут быть перед¬
ние (рис. 5.5, а), задние или все колеса (рис. 5.5, б).
Механизм поворота колес аналогичен автомобильному. Чтобы
обеспечить движение без скольжения, колеса при повороте долж¬
ны катиться по дугам концентрических окружностей. Поэтому угол
поворота Ркол.ви внутренних колес должен быть больше угла пово¬
рота Ркол.н наружных. Разные углы поворота достигаются приме¬
нением рулевой трапеции ABCD.
При повороте трехосных машин (автогрейдеры) неизбежно не¬
которое проскальзывание задних колес. Чтобы уменьшить его, рас¬
стояние между задними осями (мостами) сводят до минимума
(см. рис. 5.4, е).
Маневренность машин повышается с уменьшением радиуса по¬
ворота, который зависит от базы машины Ь0, угла поворота (3Кол>
управляемых колес и их числа.
В технической характеристике машины обычно указывают наи¬
меньший радиус поворота по наружному габариту машины, перед¬
нему гп.п или заднему гп.3, или по колее переднего наружного коле¬
са г'п.п- Наименьший радиус поворота можно определять по фор¬
мулам:
80

для машин с двумя управляемыми колесами
г' =L0Isin Вмакс •	(5.1)
тт.и	и/	' кт и»	'	'
для машин с четырьмя управляемыми колесами
г;.п = М2 sin	(5.2)
Основным недостатком поворота машин с помощью управляе¬
мых колес являются трудность получения малых радиусов поворо¬
та (обычно 15°<Р“0алкс <40°), сложность механизма поворота колес
Рис. 5.5. Схемы поворота машин:
а — с двумя управляющими колесами; б — с четырьмя управляющими колесами; в — с шар¬
нирно-сочлененной рамой; г — с бортовым поворотом
(особенно для машин со всеми управляемыми колесами) и затраты
полезного объема машины на размещение поворотных колес. По-
следний недостаток особенно существен при колесах большого
диаметра.
От этих недостатков во мно'гом свободна система поворота ма¬
шин с шарнирно-сочлененной рамой, состоящей из двух полурам,
передней и задней, которые могут поворачиваться относительно
друг друга (рис. 5.5, в). Такая схема поворота предусмотрена у
машин на базе мощных двухосных колесных тракторов и тягачей
(погрузчики, бульдозеры), а также агрегатов, состоящих из одно¬
осных тягачей и прицепных рабочих машин (скреперы, катки).
81

В машинах с шарнирно-сочлененными рамами угол складыва¬
ния может достигать 90°, чем обеспечиваются минимальные радиу¬
сы поворота.
Для машин с шарнирно-сочлененными рамами
гп.пв=(^П-П cos Рш“с -f A>J/sin Р“асКС + 5о/2;	(5.3)
/■;.,=*+ cos CT/sin Э-““ + 50/2.	(5.4)
ГТри ^n.n=:-^ii.3 имеем Гц.п — /*н.з.
К недостаткам схемы поворота машины с шарнирно-сочленен¬
ной рамой следует отнести необходимость специального приводно¬
го (обычно гидравлического) механизма поворота полурам, так как
для поворота требуются большие усилия, а также меньшую попе¬
речную устойчивость машин и большие нагрузки на колеса, по¬
скольку при повернутых полурамах уменьшается координата цент¬
ра тяжести машин относительно внутренних колес.
У машин с бортовым поворотом направление движения изменя¬
ют за счет разности окружных скоростей наружного (забегающе¬
го) и3аб и внутреннего (отстающего) v0r бортов. Радиус поворота
по колее переднего наружного колеса для этих машин опре¬
деляется по формуле
гп.п=
“^заб ~\	„2	(^заб	”^от)
^0
- ........ -	(5.5)
^заб vo
При полностью заторможенных Колесах внутреннего борта
Уот = 0 и Гп.п = Во -f- L02/ (2S9).
При движении колес наружного и внутреннего бортов с равны¬
ми скоростями в противоположных направлениях изаб =—^от и
г'п =В0/2, т. е. обеспечивается минимально возможный радиус по¬
ворота (поворот на месте).
Машины с гусеничными движителями поворачиваются за счет
разной скорости движения гусениц, остановки одной из них или дви¬
жения в другую сторону.
Вписываемость машины в прямоугольный угловой проезд, что
особенно важно при строительных работах в стесненных условиях,
рассмотрим исходя из предположения, что направление движения
управляемых колес при входе в поворот и при выходе из него из¬
меняется мгновенно на максимальный угол, который при криволи¬
нейном движении остается постоянным. При этом машина движет¬
ся с минимальным радиусом поворота, возможным по ее конструк¬
тивным особенностям.
Минимальную ширину входного Ввх и выходного Ввых проездов
определим из условия вписывания машины в угловой проезд без
зазоров (габаритные точки машины касаются границ проезда).
В процессе поворота (рис. 5.6) внутренняя габаритная точка ма¬
шины б описывает дугу ббг, которая определяет внутренние грани¬
цы углового проезда, отсюда
(АС)* + (DC)2=rn.BH=(r п - 0,55МР,	(5.6)
62

где
АС = г^ — Вт, a DC = r„„ — Вшх.	(5.7)*
Подставив значения АС и ВС в формулу (5.6), получим
(гп.а - £вх)2 + (Гп.п — Вяык)2=(г„ - 0,5£м)2	(5.8)
или
£выХ= гп.п — К (г„ — 0,5 Вшу — (гп.3 — £вх)2.	(5.9)
Габаритные передний гп.п и задний гп.3 радиусы поворота указы¬
вают в технических характеристиках машин или определяют пере¬
счетом на основании известных
данных: радиуса поворота по
продольной оси машины гш
ширины машины Вм, расстоя¬
ния от ведущей оси до перед¬
ней Ln и задней Ь3 габаритных
точек машины и др. При этом
нужно учитывать реальную
схему поворота машины, кон¬
фигурацию машины в плане, а
также возможность ее разбор¬
ки или уменьшения габаритов
при транспортировке (демон¬
таж шнеков, конвейеров, оття¬
жек, противовесов и др.).
Для машин, имеющих в пла¬
не форму прямоугольника (рис.
5.6), габаритные радиусы поворота можно определять по формулам
(5.10) —(5.13):
гЛ'П = У11 + [Гп + 0,5Ви)\	(5.10)
где Ln=L0n + C0n• Для машин с задними управляемыми колесами
Lon=0; Ln = Con;	(5.11)
гл.3 = 1/12+(гп + 0,5ЗД	(5.12)
где Ьз = Ь0з + С03. При наличии передних управляемых колес
103-0; L3—C03.	(5.13)
Выражение (5.8) представляет собой уравнение окружности
радиусом Гц.пн—Гп—0,5Вм с центром в точке с координатами гп.п и
гп.3. Пределы применения формулы (5.8) следующие:
Гп.з — {ги — 0,5ВМ) < Ввх < гп-3;	(5.14)
■’"п.п — (гп — 0,5£м)< £ВЬ1Х<гп.п.	(5.15)
Графическое решение на рис. 5.6 и рассмотренные формулы
описывают, таким образом, лишь фазу кругового поворота машин.
83

Теоретические и экспериментальные исследования
для машин, у которых L3<BM, можно принимать:
показали, что
В,
1 ,2)ВУ
при
^вых ^вых макс '"п.п-
(0.1b)
(5.17)
Исключение представляют машины с большим задним свесом
(навесные экскаваторы) и машины с задними управляемыми ко¬
лесами (одноковшовые погрузчики). Для этих машин
причем можно принять
Ва
I ^"п.з	(г„	0,5В н),
В„
\,2ВШ при Вв
z — гп.п + 2/.3.
(5.18)
(5.19)
Ширину выходного проезда можно уменьшить, если поворачи¬
вать машину так, чтобы ее точка а после достижения положения
а\ двигалась по внешней границе выходного проезда (по прямой
а\а3). При этом ширину выходного проезда с достаточной для прак¬
тических целей точностью можно определить по формуле
■^вых ^вых мин1 при Вях Макс г„-3	1,5 Ln. (5.20)
В решении вопросов по улучшению маневренности машин зна¬
чительную помощь могут оказать характеристики вписываемости
их в прямоугольный проезд, построенные на основании формул
(5.7) - (5.20).
Для построения характеристики (рис. 5.7) по оси абсцисс от¬
кладывают ВеЛИЧИНЫ Въх мин» fп.з И В%х макс ~ fп.з 1 >5Z.n> а по оси
ординат величины 5выхмиш '"п.п и ■Ввыхмакс = ^’п.з'1"2/.з. Затем про¬
водят дугу окружности радиусом rn,Bll=rn—0,5ВМ с центром в точке
О с координатами гп.3 и гп.п. Из точки Д с координатами ВБЫХ мип и
^вх макс =''п.з + l,5Ln строят отрезок прямой, параллельный оси абс¬
цисс. Апроксимируя кри¬
вую КК (см. рис. 5.6) к
прямой, из точки D про¬
водят касательную к ок¬
ружности с центром в точ¬
ке О. Аналогичные пост¬
роения выполняют из то¬
чек А и М.
Граничная кривая
АМНД характеризует ма¬
невренность машин с не¬
большим задним свесом
(при Ьз^Вм), кривая
АНД — маневренность
машин с большим задним
Рис. 5.7. Характеристика вписываемости машин свесом (при L3>BM) и с
в проезд	задними управляемыми
84

граничной д)
колесами. Перелом
кривой в точках А, М и Д объ¬
яснятся 1ем, ню переходные
кривые аппроксимированы к
прямым. Заштрихованная об¬
ласть над кривой соответствует
«полю вписываемости». Это оз¬
начает, что машина впишется
в прямоугольный проезд в том
случае, когда точка, характе¬
ризующая угловой проезд с
координатами
будет
находиться над кривои, харак- ^
теризующей вписываемость
данной машины (например,
точка Ж).
Характеристика вписывае¬
мости дает наглядное представ¬
ление о маневренности машин:
чем меньше незаштрихованная
часть графика, тем она манев-
реннее. Если принять оси коор¬
динат за внешние границы уг¬
ловых проездов, то кривая ма¬
невренности (граничная кри¬
вая) будет геометрическим ме¬
стом точек вершин внутренних
границ угловых проездов, в ко¬
торые можно вписывать маши¬
ны. По этому же графику, про¬
ведя через начало координат
луч под углом 45° к оси абс¬
цисс, легко определить величину минимального равноширокого
прямоугольного углового проезда, в который вписывается машина.
Определенные по характеристикам вписываемости размеры
проездов требуется увеличить на удвоенный зазор безопасности
(габарит приближения). С учетом малых скоростей движения в
стесненных условиях зазор безопасности можно принимать в пре¬
делах 0,1—0,5 м (меньшие значения указаны для малогабаритных
машин и менее сложных случаев определения маневренности).
Обратный разворот машин возможен (рис. 5.8, а) при ширине
площадки не менее Враз=^п.п+Ь3. Подставив сюда значения гии из
формулы (5.10), получим
Рис. 5.8. Условия разворотов машин:
г — обратный разворот и поворот на угол 180°;
б —та же, более 180° без маневрирования
5pa3 = KA21 + (^ + 0,5Z?M)2 + 4
(5.21)
Для машин, работающих в городских условиях и на дорогах,
•требуется также определять размеры площадки для обратного раз¬
ворота машин.
85

Для машин с передними управляемыми колесами
Вт*.„ = г: -ьСп,= VLI 4-0„4-0,5Я„	(5.11}
для машин с задними управляемыми колесами
^раз.з^^.п'Ь ^Оз~Гп +0,5В0п-)-С0з,	(5.23)
где Son — колея передних колес.
Ширину площадки для обратного разворота можно несколько
уменьшить путем многократного маневрирования. Повернуть ма¬
шину на угол 180° и более без маневрироьания (рис. 5.8, б) можно
при ширине площадки не менее
■^раз	~Ъ	Гп.з*
Подставив значения гп.п и гп.3 из формул (5.10) и (5.12), полу¬
чим
=	(гп	+	0,55я)2	+	У7-2з+	(r„	+ 0,5Sm)*.	(5.24)
Если Гп.п>/'п.3, ТО
^;аз = 2гп.п = 21/^ + (Гп + 0;5ад
Повернуть машину с передними управляемыми колесами на
угол 180° и более без маневрирования (по колесам машины) мож¬
но на площадке шириной не менее
^а,п=г,;„ + ^з->АЦЙЧ^Ж^+гп + 0,5Во3.	(5.25)
Если г'_3то £раз.п = 2л;3 = 2гп + £03.
Для машин с задними управляемыми колесами соответственно
^аз.з=^п + Сз=гп + О)5Б0з + -|/^з + (г„ + О)550з)2.	(5.26)
Если Гп.а >г,,,.п , то
5;аз.з = 2г;.3=2 VLI + (ги + 0,5В0з)\
где S0n, S03 — колея передних и задних колес.
§ 5.4. Давление ходового устройства на грунт
Одной из важных характеристик машины для земляных работ
является давление ее ходового устройства на грунт, которое опре¬
деляет проходимость машины. Определение давления ходового уст¬
ройства на грунт относится к многократно статически неопредели¬
мой задаче, решение которой зависит от степени податливости грун¬
та, жесткости элементов несущей конструкции машины и самих
опорных элементов и др. При решении практических задач обычно
принимают, что грунт и контактирующие с ним элементы ходового
86

устройства податливы, а несущая конструкция машины абсолютно
жесткая.
Рассмотрим случай нагружения ходового устройства машины с
поворотной частью, на которую в точке 02 (рис. 5.9) действует си¬
ла Р, являющаяся результирующей весовых и рабочих нагрузок.
Поворотная часть вращается относительно ходовой части вокруг
вертикальной оси Оь Эта схема характерна для одноковшовых экс-
.Рис. 5.9. Схемы к определению нагрузок на ходовое устройство:
а — пневмоколесное; б—гусеничное
каваторов и роторных веерного копания. Давление ходового уст¬
ройства на грунт различное у машин на пневмоколесном и гусенич¬
ном ходу, причем следует учитывать, что поворотная часть машины
может поворачиваться относительно ходовой части на любой угол,
т. е. 0>рпч>360°.
Для машин на пневмоколесном ходу определим нагрузку на ко¬
леса от поворотной части при условии, что сила Р направлена вер¬
тикально и машина опирается на четыре колеса (рис. 5.9, а).
Результирующую Р приведем к центру опорного контура (точка
О), заменив ее вертикальной силой Р, действующей в точке О и мо¬
ментами в двух плоскостях:
где 1П ч — смещение центров поворотной и ходовой частей.
Нагрузку на колесо от поворотной части найдем по формуле
Му0 = P(l cos Рп.ч -]- /п.ч); 1ЛХ = Р1 sin ря.ч,
Р,
КОЛ
Р Муо Мх
~ ± ~2L^~ -	’
(5.27)
87

Лирузки на колеса машины соответственно будут равны:
п _	р I Р Оcos Рп.ч +Л1.4) I PI $ in
“г	 	 _	.
Рс =
Рв =
Ра=
4
2Ln
-
Р
р (1 cos э„.ч +гп.ч)
1 Pi Sin Р„.ч
4
2Z.0
2Вй
Р
р (1 cos р„.ч + ;„.ч)
Pi Sin Рп.ч
4
2Ц
2 В0
Р
I 'P(l cos р„.ч 4-/п.ч)
PI sin Рп.ч
4
2L0
2 В0
Здесь буквами D, С, В, Л обозначены колеса машин.
При транспортном передвижении машины поворотная часть
располагается вдоль ходовой, т. е. угол (3п,ч=0. В этом случае
П   Р I Р(^+Л[.ч) . Л	Р Р (J- ^ 1п.ч)
Для определения угла поворота р“чКС , при котором давление на
наиболее нагруженное колесо D от нагрузок поворотной части
достигает максимума, возьмем первую производную от нагрузки
Pd по рп.ч и приравняем ее нулю:
{pDy — PI sin {j™™	,	PI*osP^r Q
Отсюда находим
2Ц	2Bq
sinpnMa4KC _ cosp”y
i-а	Bn
или
tg^r^o/Зо.	(5.28)
Этому йоложению соответствует поворот, при котором радиус I
расположен перпендикулярно диагонали EF, соединяющей середи¬
ны опорного контура.
Кроме нагрузки от поворотной части на опорные колеса дейст¬
вует постоянная нагрузка от неповоротной части машины — ее вес
Gx. Полную нагрузку на колеса находят как сумму нагрузок от по¬
воротной и неповоротной частей машины. Для многих машин мо¬
жно принимать, что нагрузка от неповоротной части распределяет¬
ся по колесам равномерно, тогда полная нагрузка на колесо соста¬
вит
Р G х	Ж„о	ЛА*
=	4	  ~Щ~	- "ЩГ ’	^27'>
При взаимодействии колеса с пневматической шиной с опорной
поверхностью деформируется и поверхность и колесо, причем фор¬
88

му площадки их взаимодействия (контакта) можно рассматривать
как эллипс.
Давления на поверхности контакта раопретеляются неравно¬
мерно, поэтому следует различать средние и максимальные кон¬
тактные давления.
Средние контактные давления определяют в предположении
равномерного распределения давления по поверхности контакта:
р*	4 р*
0 _	4j™. ,	(5.29)
nab/4	nab
где Р кол —полная нагрузка на колесо; а и b — оси эллипса кон¬
такта.
Максимальные контактные давления действуют на отдельных
участках контактной поверхности; при качении колеса они опреде¬
ляют деформацию грунта и обусловливают проходимость машины.
В зависимости от давления воздуха в шине и нагрузки на коле¬
со эпюры распределения давлений по осям эллипса различны Для
расчета максимального напряжения при контакте шины с поверх¬
ностью любой жесткости можно использовать формулу Н. М. Бе¬
ляева:
амакс=	(*1	+ *2)1 .	(5-30)
где k\ и k2 — коэффициенты упругости поверхности, по которой дви¬
жется шина, и самой шины.
Для большинства шин строительных и дорожных машин aMdi.c =
= (1,3-т-2,0) Стер (большие значения принимают для больших нагру¬
зок на колесо), что нужно учитывать при определении проходимо¬
сти колесных машин.
При жестком	многоопорном	гусеничном	ходе
(рис. 5.9, б) обычно /п.ч = 0, и контактные давления в	характерных
точках А, В, С и D от нагрузок поворотной части составляют
„	  Р	, PI Sin р„.ч +	Pi COS Р„.ч	gjj
F - Wx -	Wy
где Wx = L0TBryc (1—k3)/6 — момент сопротивления опорного кон¬
тура гусеничного хода относительно оси х, причем k=(Brус—
—2ЬГус)/Втус\ Wv=LlT frryc/З — момент сопротивления опорного
контура гусеничного хода относительно оси у\ F — площадь опор¬
ного контура, F = 2L0Tbryc; L0T — база гусеничного хода (расстоя¬
ние между осями ведущего и направляющего колес).
Принимая нагрузку от ходовой части Gx распределенной равно¬
мерно, получим формулу для определения полного контактного
давления в характерных точках:
а= Гх +Р + Pl sin	+ Pl cos в'-4	(5	32)
F	Wx ~ Wy	‘	1	'	’
Угол поворота р“чКС , при котором контактное давление в наи¬
89

более нагруженной точке А, В, С и D достигнет максимума, опре¬
делим из условия о' = dold$u.4 = 0.
Решим задачу для точки D:
PI COS Р“кс
PI sin Р“
wx
Wu
= 0.
Отсюда
tg^KC=wy/w,
(5.33)
(5.34)
Наибольшая нагрузка на одну из гусениц возникает при уста¬
новке поворотной части поперек ходовой, т. е. при ^п.ч=90°. При
этом контактное давление
a = (Qx+P)/F±Pl/W-.	(5.35)
Рис. 5.10. Контактные давления под гусеницей:
д —при опирании на грунт полной длиной; б — то же, части гусеницы
Для многих землеройных машин (бульдозеры, роторные и цеп¬
ные траншейные экскаваторы) все нагрузки на ходовое устройство
(весовые, усилия резания и тяговые) можно принять симметрич¬
ными и действующими в плоскости х—х. Считая, что равнодейст¬
вующая всех нагрузок Р* приложена на плече I (рис. 5.10), полу¬
чим
Р*	P*t
 ь
р*
^^о.г^гус
+
3 РЧ
^0. г ^гус
Конец гусеницы отрывается от грунта при oi = a2. Тогда
Р*	ЪРЧ _ f_ L0.T
~ >	*	  Т	у
^^о.г^гус
^■О.г *гус
(5.36)
(5.37)
чем определяется граница ядра сечения опорного контура.
Когда равнодействующая всех рабочих нагрузок выходит за
эти пределы, в контакте с грунтом находится лишь часть гусеницы
(рис. 5.10, б). При этом эпюра давлений приобретает треугольнук>
форму. Учитывая, что линия действия равнодействующей R давле¬
ния грунта на опорную поверхность гусеничного хода должна про-
90

ходить по линии действия нагрузки Р\*, можем принять £=L0.r/2—
—/оп/3. Отсюда длина участка опирания гусеницы на грунт будет
раина
/0.п==310.п/2-3/.	(5.38)
При этом максимальное давление на грунт можно найти исходя
из равенства внешней нагрузки и равнодействующей давления
грунта:
p*l = R==2bTyC ^‘«акАп^макАус (~ А>„ ~ 3/) ,	(5.39)
откуда
Р*
1	(5.40)
3bryc(Lon/2-i)
Для более точного определения контактных давлений необхо¬
димо учитывать характеристики грунта и конструкцию гусенично¬
го хода.
§ 5.5. Тяговые возможности движителя
и сопротивление передвижению машин
Колесный или гусеничный движитель землеройной машины пре¬
образует подводимый к нему от двигателя крутящий момент в силу
тяги машины. При движении колеса в зоне взаимодействия его с
опорной поверхностью увеличивается неравномерность контактных
давлений, и их эпюра смещается в направлении движения (рис.
5.11). Это явление объясняется гистерезисными явлениями дефор¬
мации шины, опорной поверхности и связанными с ними потерями
энергии.
Рис. 5.11. Взаимодействие пневмоколес с грунтом:
а — ведущего; б — ведомого
9!

Вследствие несимметричности эпюры контактных давлений
(нормальных напряжений) а точка приложения их равнодействую¬
щей бывает смещена от вертикали, ппохтящей через ось колеса на
величину Д в сторону направления движения. Угол наклона равно¬
действующей Ra зависит от характера поверхности контакта.
Касательные напряжения т возникают из-за трения колеса по
опорной поверхности. Если принять коэффициент трения постоян¬
ным и равным Ц], то в каждой точке контакта будет соблюдаться
равенство t = |iia.
Касательные напряжения распределяются аналогично нормаль¬
ным, причем считают, что их равнодействующая Rx приложена в
той же точке, что и равнодействующая R,,.
Кроме реакций R<, и Rx на ведущее колесо действуют- нагрузка
на колесо РКОл, крутящий момент Мкол, подведенный от трансмис¬
сии, а также реакция рамы машины Рр.м, равная по величине и об¬
ратная по направлению силе тяги колеса Рт.кол-
Условия равновесия ведущего колеса (рис. 5.11, и) следующие:
= Rzx — R,x — /?р.„ = 0; 2у = 0; R*y —R°y~ Рко* — ®1
0; Мко„ -j- Rax:Г, — /?„гя — Rayk — Rxyh = А/кол “f" (Rax ~'
— Rxx) rА — (Ray -f- Rty) Д = 0.	(5.41)
Отсюда сила тяги колеса
^\.кол=Яр.м = ^-#«;	(5.42)
нагрузка на колесо
Ркол=Рау-\-рту	(5.43)
Расстояние г„ от линии действия силы тяги Рт.кол до центра ко¬
леса О, называемое динамическим радиусом колеса, зависит от на¬
грузки на колесо, давления воздуха в шине, состояния опорной по¬
верхности, по которой колесо движется, и др.
С достаточной для практических целей точностью динамический
радиус колеса с пневматической шиной можно принимать равным
статическому радиусу гст —расстоянию от центра колеса до опор¬
ной поверхности при расчетной нагрузке на шину. Значения гст при¬
водятся в характеристиках шин с учетом давления в них и нагруз¬
ки на колеса.
Подставив значения Рт.кол и Ркол в уравнение SM = 0, получим
■^КОЛ = Р т.кол'”д + РколЛ, а разделив на гд —
МК0Л/гя = Р.Г' кол + РколД/лд.	(5.44)
Обозначим Мкол/гя — окружная сила ведущего колеса; Д/гд = / —
коэффициент сопротивления качению (передвижению).
Тогда окружная сила ведущего колесч определится как
^о=Рг.КОл + /Рлш,	(5.45)
г. е. под действием окружной силы ведущего колеса преодолевают¬
ся сопротивления качению (передвижению) и создается сила тяги.
92

Аналогично определяют силу тяги гусеничного дви¬
жителя исходя из момента на валу приводного колеса и его
радиуса. К ведомому колесу (рис. 5.11, б) крутящий	н?
подводится, и движение колеса обеспечивается за счет силы 7?р.м>
передаваемой от рамы машины. Условия равновесия ведомого ко¬
леса:
2*=0; /?;.„-/?«-/?« = 0;
2*/ —Ркол~7Г^оу Rxij — 0',
= 0; — (Ray — Rt,/) А + {Rax -f- Rrx) гд=0.	(5.46)
Отсюда
^Р,М==^0Л'~Ь^'СДГ’ Р*ол = Я°У R^y'i
р;.мгд=/эколД; R;.M=PboA/rA=PKOJ,	(5.47)
т. е. к оси ведомого колеса необходимо приложить силу, достаточ¬
ную для преодоления сопротивления качению (передвижению).
Окружная сила и сила тяги ведущего колеса или гусеницы за¬
висят от величины подводимого к колесу крутящего момента А1Колг
который равен
MKM=MJxr\x—^—,	(5.48)
пкол
где уИд — крутящий момент двигателя; ix, х\х — соответственно пе¬
редаточное число и КПД ходовой трансмиссии от двигателя к дви¬
жителю; пкол — число приводных колес.
Наибольшие значения окружной силы и силы тяги, определен¬
ные при максимальном крутящем моменте двигателя, называют
окружной силой и силой тяги по двигателю 50.д и Рт.д. Максималь¬
ные значения окружной силы и силы тяги ограничиваются реакци¬
ей грунта (условиями сцепления), которая зависит от силы трения
колеса (гусеницы) по опорной поверхности и силы зацепления грун-
тозацепов протекторов. Наибольшая возможная по условиям сцеп¬
ления окружная сила ведущего колеса или гусеницы равна
So. сц^Лол + Т’зац.	(5.49)
где m — коэффициент трения по опорной поверхности; Т зац — сум¬
ма проекций сил зацепления грунтозацепов протекторов или гусе¬
ницы.
Уравнение (5.49) можно представить в следующем виде:
SQ.CII=	Ркол={^ + Тза,/Ркол)Ркоя = ?Ркол.	(5.50)
‘ кол
Коэффициент |ф = 50.Сц//,кол = |Л1 + 7,зац/Ркол называют коэффи¬
циентом сцепления. Основное влияние на его величину оказываю т.-
характер и состояние опорной поверхности, конструкция шины (гу¬
93

сеницы), давление воздуха в шине и буксование колеса (гусеницы).
На твердых опорных поверхностях, в которые грунтозацепы не
погружаются, коэффициент сцепления определяется точько от трс
ния по опорной поверхности. Коэффициент трения ui зависит о г
материала опорной поверхности и ее состояния. При движении ма¬
шины по мокрым, грязным, а особенно заснеженным и обледенев¬
шим поверхностям коэффициент трения, а с ним и коэффициент
сцепления резко снижаются. На деформируемых грунтах, где дей¬
ствуют как силы трения, так и силы зацепления, с повышением
влажности коэффициент сцепления также снижается, так как при
этом уменьшаются коэффициент трения и силы зацепления.
Повысить коэффициент сцепления можно установкой колес и
гусениц со специальными грунтозацепами, а также шин низкого
давления, у которых увеличивается площадь контакта и вовлека¬
ется в работу большее число грунтозацепов.
Оценить влияние на коэффициент сцепления различных факто¬
ров затруднительно. Поэтому в практических расчетах пользуются
средними данными, полученными экспериментальным пугем в раз¬
личных условиях (см. табл. 5.1).
Таким образом, движитель землеройной машины развивает
окружную силу, величина которой определяется мощностью (кру¬
тящим моментом) двигателя, передаточным числом, КПД транс¬
миссии и ограничивается сцеплением движителя с опорной поверх¬
ностью.
Для того чтобы землеройная машина могла двигаться, суммар¬
ная окружная сила всех движителей (приводных колес, гусениц)
машины, получаемая от двигателя, 25од должны бьпь больше сум¬
мы всех сопротивлений ее движению 1.R и меньше суммарной
•окружной силы всех движителей по условиям сцепления 2S0 Cv
Если окружная сила движителей больше суммы сопротивлений
движению, но меньше суммарной окружной силы по условиям сцеп¬
ления, движители полностью буксуют.
В том случае, когда окружная сила недостаточна для преодо¬
ления всех сопротивлений движению и меньше суммарной окруж¬
ной силы по условиям сцепления, машина двигаться не сможет и
двигатель заглохнет:
Номинальные тяговые усилия машин Р?04 (силы гяги, которые
'могут быть реализованы при движении машин по плотному грун¬
ту при коэффициенте буксования не более 7% у гусеничных и 20%
у колесных тягачей) являются важнейшими характеристиками. По
их величинам тягачи подразделяют на классы.
ys0.cll>2S0.,>HR.
(5.51)
2^0. сц <HS0.X>ZR-
(5.52)
(5.53)
94

§ 5.6. Тяговые расчеты
Окружная сила движителей землеройной машины расходуется
на обеспечение рабочего усилия Рраб и преодоление сопротивлений
передвижению (качению) Rneр, инерции при разгоне Ra, воздуха RBr
от уклона местности Ry и повороту Rcов:
2 R—РраЪ + ^?пер + ^и'Г Rb ± ^у "Ь ^пов-	(5.54)
Рабочее усилие машин для земляных работ Рраб зависит от ха¬
рактера выполняемых работ, категории грунта, типа рабочего ор¬
гана и др. Данные для его определения приведены в последующих
главах при описании различных машин для земляных работ (буль¬
дозеров, автогрейдеров и др.).
Сопротивление передвижению машины Rnep опре¬
деляют по формуле
/?„ср = /0-	(5-55)
На коэффициент сопротивления качению (передвижению) f
влияет большое количество факторов, и аналитическое определе¬
ние его затруднительно. В разнообразных эксплуатационных усло¬
виях сопротивления качению колес машин оказываются различны¬
ми. Так, передние колеса экскаватора обычно перекатываются по
рыхлому грунту, а задние по более уплотненной колее передних ко¬
лес, правые колеса автогрейдера могут двигаться по рыхлому грун¬
ту обочины, тогда как левые — по асфальту и др. Поэтому на
практике для расчета сопротивления качению (передвижению)
пользуются средними значениями коэффициентов f, считая их оди¬
наковыми для всех колес машины (табл. 5.1).
Аналогично определяют величины сопротивления передвиже¬
нию машин с гусеничными движителями. Разгон машины обычно-
производят при отсутствии рабочего усилия (сопротивления), не
на подъеме и не при повороте. Сопротивление воздуха при невысо¬
ких скоростях движения машин мало и его можно не учитывать.
Сопротивление движению машины от уклона местности опре¬
деляют по формуле
Ry=- ± GM'sin аМ)	(5.56)
где ам — угол подъема пути (местности).
Знак « + » соответствует движению машины на подъем, знак.
«—» под уклон.
Для малых углов можно принимать
sin aM^tga
Сопротивление повороту колесных машин, передвигающихся по»
твердым основаниям, обычно не учитывают. При езде по рыхлому
грунту можно принимать
/?пов=(0,25^0,5)Япер.	(5.57)
Для поворота машины на гусеничном ходу тяговое усилие за¬
бегающей гусеницы должно быть достаточным для преодоления
9S

сопротивлений, которые определяются трением заторможенной гу¬
сеницы по грунту, затратами энергии на срезание и смятие грунта
гусе«мцчми v др
Приняв погонную нагрузку от гусениц на грунт постоянной и
равной р — GM/2Lor, а эпюру поперечных сил, действующих на гу¬
сеницы при повороте, в форме прямоугольника, определим момент
сопротивления повороту двухгусеничной машины:
где jxn — коэффициент сопротивления повороту.
Значения коэффициента (хп можно принять: для бетона и сухо¬
го плотного грунта равными 0,5, для плотного влажного грунта —
0,35, для рыхлого влажного грунта — 0,80.
Сопротивление повороту
Для более точного определения сопротивления повороту учитыва¬
ют конструкцию ходового оборудования, радиус поворота, взаимо¬
действие с грунтом и др.
Тяговые расчеты машин для земляных работ выполняют для
различных условий работы и транспортирования при реальных ком¬
бинациях нагрузок. В рабочих режимах можно не учитывать со¬
противление подъему и повороту, так как копание не производится
на поворотах и подъемах. Сопротивление передвижению в этих рас¬
четах следует принимать по условиям копания:
где f* — коэффициент сопротивления передвижению при копании.
В транспортных режимах не учитывают рабочие усилия (со¬
противление копанию), сопротивление передвижению принимают
по дорожным условиям, причем одновременное действие сил со¬
противления от подъема и поворота исключается, так как при не¬
обходимости повернуть машину на подъеме можно движением гу¬
сениц в сторону уклона.
Исходя из мощности двигателя, определяют тяговые усилия на
различных скоростях, преодолеваемые подъемы, возможность по-
oopoia в различных условиях и др. В необходимых случаях мощ¬
ность двигателя увеличивают или устанавливают отдельный двига¬
тель хода (например, для передвижения с высокими транспортны¬
ми скоростями).
Ходовое оборудование является одной из основных частей ма¬
шин для земляных работ и во многих случаях определяет их рабо¬
тоспособность и технические возможности, поэтому вопросам его
4-125	97
4 (Вгус   ^гус)
(5.59)
2 Яр = Лав + КеР = Р?*6+/*С«.
(5.60)

совершенствования уделяют большое внимание. Так, наряду с
улучшением свойств гусеничного и пневмоколесного ходового обо¬
рудования создаются новые типьт хпиавну устройств, прочт^чия-
ченных для увеличения тяговых возможностей и проходимости ма¬
шин.
ГЛАВА 6
ОДНОКОВШОВЫЕ ЭКСКАВАТОРЫ
Одноковшовый экскаватор — это самоходная землеройная ма¬
шина с рабочим органом в виде ковша, предназначенная для раз¬
работки грунтов и перемещения их на определенные расстояния в
транспортные средства или отвал;
Одноковшовые экскаваторы относят к числу наиболее распро¬
страненных машин: их широко применяют в гражданском, гидро¬
техническом и транспорт-
11 12
ШШШШШШ/
Рис. 6.1. Принципиальная схема одноков¬
шового экскаватора с механическим приво¬
дом и оборудованном прямой лопатой:
/— ходовая часть; 2—поворотная платформа;
3 — силовая установка; 4 — опорно-поворотное уст¬
ройство; 5 — двуногая стойка; механизмы; в —
стрелоподъемиый; 7 — поворотный; 8 — подъемный,
9 —напорный; 10— канатный напор; // — рукоять;'
12 — ковш; /3 — стрела
ном строительстве. В рд-
^очем цикле одноковшо¬
вых экскайаторОв" за на¬
полнением ковша следует
подъем его и перемещение
к месту разгрузки, раз¬
грузка ковша, возврат по¬
рожнего ковша к месту
забоя, опускание его в
исходное положение для
следующего цикла. После
выполнения нескольких
рабочих циклов экскава¬
тор перемещается для ко¬
пания следующих объ¬
емов грунта. Он должен
перемещаться также на
большее расстояние при
смене объектов работ.,1
В качестве примера
экскаватора с механиче-
рабочим оборудованием
рассмотрим конструкцию одноковшового
ским приводом (рис. 6.1).10н снабжен
экскаватора, состоящим из рукояти, ковша и стрелы,/ установлен
ными на поворотной платформе. Платформа с помощью опорно¬
поворотного устройства опирается на ходовую часть, через которую
нагрузка передается на грунт,_
Экскаватор имеет следующие механизмы: подъема ковша, на¬
порный для выдвижения ковша, стрелоподъемный для изменения
положения стрелы, поворотный для поворота верхней платформы с
рабочим оборудованием, для передвижения. Привод механизмов
осуществляется от силовой установки, а их включение — соответ¬
ствующей системой управления.
98

§ 6.1. Классификация и виды рабочего оборудования
Одг.сиоишснис зкскакаторы по	иСи-
рудования подразделяют на следующие типы: неуниверсальные, ко¬
торые имеют, как правило, один вид рабочего оборудования (пря¬
мая, обратная лопаты или драглайн), полууниверсальные, имею¬
щие два-три вида рабочего оборудования (прямая и обратная ло¬
пата, драглайн), и универсальные, имеющие более трех видов ра-
Рис. 6.2. Основные виды рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов:
с— прямая лопата; б—обратная лопата; в —драглайн; г — кран; д— грейфер; Нх — высо¬
та (глубина) копания; Яг — высота разгрузки (подъема); п — радиус копания, г2 — радиус
выгрузки	,
бочего оборудования (прямая и обратная лопаты, драглайн, грей¬
фер, кран и др.).
Прямую лопату (рис. 6.2) используют для копания грун¬
та выше уровня стояния экскаватора. Это оборудование применя¬
ют для рытья котлованов и больших выемок, возведения насыпей с
доставкой грунта транспортными средствами, разработки карьеров
и т. п.
Обратная лопата (рис. 6.2, б) и драглайн (рис. 6.2, в)
служат для разработки грунта, находящегося ниже опорной по¬
верхности самого экскаватора. Их применяют при рытье котлова¬
нов, траншей, каналов, выемок. Драглайном, кроме того, можно
4*
99

возводить насыпи из боковых резервов и выполнять вскрышные ра¬
боты.
Грейферы фис. o.z, О) ооычно имеют экскаваторы малой и
средней мощности с вместимостью ковша до 2 м3. Это оборудова¬
ние применяют для рытья глубоких котлованов (колодцев) в мало¬
связных грунтах и для перегрузки сыпучих материалов (песка,
щебня, гравия, угля и др.).
Крановое оборудование (рис. 6.2, г) монтируют на
экскаваторах с емкостью ковша до 8 м3, а также для выполнения
погрузочно-разгрузочных и строительно-монтажных работ. В каче¬
стве стрелового оборудования используют как обычные, так и удли¬
ненные стрелы со вставками и надставками (наголовниками или
гуськами). Это позволяет увеличить подгабаритное пространство и
число крюков. При вертикальном расположении стрелы с дополни¬
тельным наголовником используют как гусеничный башенный кран.
Кроме указанных видов рабочего оборудования для планиров¬
ки и зачистки площадок и откосов используют струг. Им обычно
оснащают экскаваторы с емкостью ковша до 1 м3. Оборудование
скребка от оборудования струга отличается тем, что вместо ковша
применен отвал. Его используют для планировочных работ и за¬
сыпки траншей.
Применяют также рабочее оборудование узко специального на¬
значения: корчеватель пней, копер для забивания свай, каток для
укатки грунта на откосах насыпей и др.
! У гидравлических экскаваторов имеются специфические виды
рабочего оборудования. К ним относят грейферы, жестко связан¬
ные с элементами рабочего оборудования, позволяющие разраба¬
тывать тяжелые грунты/Некоторые виды этих грейферов могут об¬
разовывать выемки колодцевого типа. К специфическому виду обо¬
рудования гидравлических экскаваторов относят планировочное с
телескопической и шарнирно-сочлененной стрелами. Современные
гидравлические экскаваторы снабжают разнообразным сменным
оборудованием. На некоторых машинах номенклатура достигает
20 видов^
Большая часть сменного рабочего оборудования одноковшовых
экскаваторов имеет жесткую кинематическую связь с машиной
(прямые и обратные лопаты, струги, планировщики и др.). Драг¬
лайны и краны имеют гибкую связь ковша с машиной. Из всех
видов рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов наибо¬
лее применимы прямая и обратная лопаты вследствие их универ¬
сальности и высокой производительности.
Рабочий цикл у экскаваторов с разным рабочим оборудовани¬
ем различен. Если принять его длительность у прямой лопаты за
единицу, то у обратной лопаты она составит 1,15, а у драглайна—■
i,20. У обратной лопаты это объясняется невозможностью совме¬
щения операций подъема и поворота до полного выхода ковша из
забоя. Большая длительность цикла драглайна объясняется боль¬
шим вылетом оборудования, увеличением времени копания и по¬
ворота, а также сложностью управления. Рабочее оборудование
100

прямой и обратной лопат у экскаваторов с ковшом вместимостью
0,15—0,4 м3 монтируют, как правило, из унифицированных эле-
Mc.ii а иг>.
I В зависимости от назначения различают одноковшовые экска¬
ваторы строительные, карьерные, вскрышные и специальные.
К строительным относят универсальные и полууниверсальные экс¬
каваторы с ковшами вместимостью от 0,15 до 4,0 м3 и массой ма¬
шин от 1,5 до 140 т. Основное назначение машин этой группы — вы¬
полнение земляных работ в грунтах I—IV категории, строительно¬
монтажные и погрузочно-разгрузочные. При работе в легких грун¬
тах можно применять сменные ковши увеличенной емкости. Экска¬
ваторы с ковшом вместимостью до 2,0 м3 и массой до 90 т относят
к строительным экскаваторам малой мощности, экскаваторы с ков¬
шом 2—4 м3 — к машинам средней мощности. Наиболее распро¬
странены универсальные экскаваторы малой мощности.
Широко применяют карьерные и вскрышные экскаваторы с
ковшами 2—150 м3 и общей массой 70—13 000 т. Все эти машины
неуниверсальны, т. е. имеют обычно один вид рабочего оборудова¬
ния — прямую лопату или драглайн.
Карьерно-вскрышные экскаваторы с прямыми лопатами имеют,
как правило, гусеничный ход, а драглайны — шагающий. Выпускае¬
мые отечественной промышленностью шагающие драглайны имеют
ковши вместимостью 4—100 м3, стрелы длиной 40—100 м и массу
170—8500 т.
Карьерно-вскрышные экскаваторы используют для разработки
тяжелых грунтов (IV—V категорий) в карьерах и на открытых
горных работах для выемки вскрышных пород с выгрузкой в отвал.
Шагающие драглайны, кроме вскрышных работ, применяют на
крупном гидротехническом строительстве.
Одноковшовые экскаваторы подразделяют с учетом видов ходо¬
вого оборудования, неповоротного устройства, типов привода и
управления.
По виду ходового оборудования различают экска¬
ваторы на автомобильном, пневмоколесном, гусеничном и шагаю¬
щем ходу^ Экскаваторы с ковшами до 0,4 м3 имеют наряду с гусе¬
ничными "пневмоколесный и автомобильный ход. Экскаваторы с
ковшом 0,65 м3 и более имеют, как правило, гусеничный ход.
Шагающий ход имеют мощные экскаваторы со значительными
вылетами рабочего оборудования и высокими нагрузками на ходо¬
вую часть машины. Их применяют при крупных сосредоточенных
объемах работ с перемещением на незначительные расстояния.
По виду привода различают экскаваторы с механическим,
гидравлическим, электрическим и комбинированным (гидромеха¬
ническим и дизель-электрическим) приводом. Экскаваторы, ис¬
пользуемые в строительных организациях нашей страны, имею г
механический, гидравлический и гидромеханический привод мощ¬
ностью 18—225 кВтч
'У экскаваторов с механическим приводом силовым оборудова¬
нием служат двигатели внутреннего сгорания. Потоки мощности
101

при этом распределяются механическими трансмиссиями. Для ма¬
шин малой мощности этот вид привода наиболее распространен.
В отдельных случаях (например, для подземных работ) в качестве
силовых установок экскаваторов с одномоторным механическим
приводом применяют электродвигатели-
Многомоторный электрический привод обычно применяют при
наличии внешнего источника электроэнергии. Предусматривают
также и дизель-электрические приводы. Экскаваторы с гидравли¬
ческим приводом, или гидравлические, имеют в качестве силовых
установок двигатели внутреннего сгорания с насосной группой, от
которой энергия передается к рабочим органам и механизмам при
помощи рабочей жидкости^ Широко применять гидравлические
экскаваторы начали с 50-х годов. Во многих видах строительства
гидравлические экскаваторы успешно вытесняют механические.
Гидравлические экскаваторы имеют следующие преимущества
перед механическими: жесткую связь между рабочим оборудовани¬
ем и машиной, позволяющую реализовать большие рабочие усилия
без увеличения массы машины; нет потребности в специальных
устройствах управления (тормозов, фрикционов, механизмов изме¬
нения скоростей), так как распределение и регулирование потоков
энергии производятся гидравлической системой; можно применять
широкую номенклатуру сменных рабочих органов со сложными ра¬
бочими движениями, что превращает машину в манипулятор, пол¬
ностью заменяющий ручной труд человека.
Из перечисленных преимуществ следует особо обратить внима¬
ние на возможность реализации больших рабочих усилий по срав¬
нению с машинами с механическим приводом. Из схем механиче¬
ских экскаваторов, приведенных выше, видно, что при канатных
связях напорные усилия обратной лопаты и грейфера создаются
только силой тяжести рабочего оборудования, чего недостаточно
при большом сопротивлении копанию.
При гидравлическом приводе, обеспечивающем- жесткую связь
между элементами рабочего оборудования и машиной, в создании
напорных усилий участвует сила тяжести всего экскаватора, и их
можно существенно увеличить. Благодаря этим особенностям об¬
ратные лопаты гидравлических экскаваторов реализуют значи¬
тельно более высокие рабочие усилия (в 2 раза и более), чем об¬
ратные лопаты экскаваторов с механическим приводом при рав¬
ной массе машин. Грейферы на гидравлических экскаваторах мо¬
гут разрабатывать самые тяжелые грунты, тогда как канатные
грейферы служат практически только для перегрузки сыпучих ма¬
териалов. Следует, однако, учитывать и недостатки гидравлическо¬
го привода, указанные в гл. 4. В последние годы гидроприводы
применяют в основном на экскаваторах малой мощности.
Основными видами рабочего оборудования гидравлических экс-
каваторв служат прямая и обратная лопаты, жесткий грейфер и
планировщик с'телескопической или шарнирно-сочлененной стре¬
лой. Комбинированный привод в экскаваторах применяют в тех слу¬
чаях, когда целесообразно связать основных потребителей мощно¬
102

сти (например, привод рабочего оборудования) непосредственно с
силовой установкой, а часть механизме приводить в действие гид-1
ро- или электромоторами. Обычно этсцелесообразно при большой
мощности экскаваторов.
Що исполнению опорно-п:воро тных устройств
одноковшовые экскаваторы подраздеяют на полноповоротиые и
неполноповоротные. Полноповоротныи являются те экскаваторы,
у которых рабочее оборудование креят к поворотным платфор¬
мам, которые могут поворачиваться ш360°. Вместимость ковшов у
этих экскаваторов превышает 0,25 м3.
Що системам управлени* различают экскаваторы с
рычажно-механическим, пневматичесюм, гидравлическим, электри¬
ческим и комбинированным (электроневматическим, злектрогид-
равлическим) управлением. Рычажо-механи^еское управление
предусматривают на экскаваторах мной мощности. Вследствие
большого количества недостатков этсгвид управления б последнее
время на большинстве машин замененпневматическим или гидрав¬
лическим. Пневматическое управление устанавливают ка экскава¬
торах малой мощности с вместимостю ковплей 0,5—2,0 м3. Гид¬
равлическое и электрическое управлеие используют при соответ¬
ствующих видах привода.
§ 6.2. Основные элемени конструкции
механических экскиаторов.
Рабочий процсс
К основным частям экскаватора оносят рабочее оборудование
(ковш, рукоять, стрела), силовую устаовку, поворотную платфор¬
му с установленными на ней механиками, опорную }аму и ходо¬
вое оборудование.
Одним из основных видов рабочсо оборудования является
прямая лопата (рис. 6.3). Ковш 16 заэеплен на рукояти 15. С ним
соединен подъемный канат 8, которы! проходит через блоки 14,
укрепленные на стреле 12, и закрепле на барабане лебедки 5.
Стрела 12 в нижней части шарнирно фикреплена к поворотной
платформе 3; верхняя часть ее удерживается канаташ, располо¬
женными под углом 45—60° к горизиту. Канат 9, называемый
стреловым, проходит через блоки, укрпленные на двуногой стойке
7, и запасован на барабане лебедки б.З^вуногая стойка служит для
увеличения угла между стреловым ка атом и стрелой, что умень¬
шает усилие подъема рабочего оборудвания.
Рукоять, на которой закреплен каш, обеспечиваег перемеще¬
ние его по забою при разработке грура. Рукоять мо>*ег вращать¬
ся в вертикальной плоскости относитьно оси напорного вала и
совершать возвратно-поступательное зижение вдоль своей про¬
дольной оси в седловом подшипнике It
Рукоять может быть однобалочной(рис. 6.4) или двтхбалочной
(рис. 6.5). Оба вида рукояти предстал я ют собой сварные конст¬
рукции, выполненные из листового ил профиль>ного 1роката. По-
103

5	4	3	2	1
Рис. 6.3. Оборудование прямой лопатой:
/ — пята стрелы; 2 — напорный барабан; 3 — поворотная платформа; 4— стойка поворотной
платформы; 5 — подъемный барабан главной лебедки; 6 — барабан стреловой лебедки; 7 —
двуногая стойка; 8 — подъемный канат; 9 — канат подвески стрелы; 10—седловой подшип¬
ник; // — возвратный канат; 12—стрела; 13 — блок подвески стрелы; 14 — головные блоки;
15 — рукоять; 16 — ковш; /—/// —положение ковша
А-А
Рис. 6.4. Однобалочная рукоять с ковшом:
/—козырек; 2 — нижний пояс; 3 — петля; 4, 15, 17 — пальцы; 5 — днище ковша; 6 — тяга;
7— винт натяжной; 8, 13 — кронштейны; 9 — втулка клиновая; 10 — планка; // — амортиза¬
тор; 12—'блок уравнительный; 14 — рукоять; 16 — блок ковша; 18 — верхний пояс; 19 — бо¬
ковые стенки ковша; 20 — зубья; 21 — сменная планка

перечное сечение может быть прямоугольным ели круглым; Перед¬
ний конец рукояти шарнирно или жестко соединен с ковшом. Одно¬
балочные рукояти по конструкции просты и применяю'ся для ма¬
шин с ковшом до 1 м3. Двухбалочные рукояти сложнее по конст¬
рукции, но они обладают большей жесткостью и применяют их для
машин с ковшом вместимо¬
стью более 1 м3.
Стрелы экскаваторов вы¬
полняют сварными коробча¬
того сечения из листовой
стали или штампованных и
гнутых профилей, а также
сварными решетчатыми из
профильного проката. Стре¬
лы коробчатого сечения мо¬
гут быть двухбалочными
(рис. 6.6, б) при Однобалоч¬
ной рукояти и однобалочны¬
ми при двухбалочной (рис.
6,6, а).
Стрелы для драглайнов,
кранов и грейферов изготов¬
ляют решетчатые. Они име¬
ют вид жестких пространст¬
венных конструкций (рис.
6.7)	прямоугольного, трапе¬
цеидального и треугольного
сечения. Стрелу подвешива¬
ют при помощи стрелового
полиспаста для ее подъема
и изменения угла наклона к
горизонту. Такие стрелы со¬
стоят из нескольких секций.
Ковши экскаваторов (рис. 6.4) изготовляюг сварные, сварно¬
литые или комбинированые. Сварно-литые ковши, выполняемые
из высокомарганцевой стали, надежны в эксплуатации, но тяже¬
лы. Более распространены сварные ковши со сменными козырька¬
ми, которые изготовляют из высокомарганцевой стали. Гакие ков¬
ши достаточно надежны, просты в изготовлении и имекгг по срав¬
нению с сварно-литыми значительно меньшую массу. Длз снижения
массы ковши иногда изготовляют из легких сплавов, а дляусиления
бронируют листовой сталью толщиной до 8 мы. Переднюю стенку
ковша изготовляют с козырьком плоской формы, на котором уста¬
навливают зубья, или козырьком овальной форкы без зубьев (ковш
Д. И. Федорова). Ковши с такими козырьками позволяют снизить
сопротивления, возникающие при копании грунта. Одншо в этом
случае возрастает боковая составляющая, которая стремится увести
ковш с рукоятью в сторону, из-за чего появляюгся дополнительные
нагрузки на седловой подшипник и стрелу. Козш Д. И. Федорова
Рис. 6.5. Двухбалочная рукоягь с кремаль¬
ерным жеханизмом
/ — стрела; 2 — кроншгейн седловсго подшипника;
3—поворотный вал; 4—кремальер; 5, 8 — шпон¬
ки; 6 — вкладыш бронзовый; 7—звездочка; 9—
напорный барабан; Л — шестерня кремальерная;
11 — рукоять; 12— вкладыш <угунный
105

целесообразно использовать для драглайнов или при разработке
малосвязных грунтов.
Рабочее оборудование, основные механизмы экскаватора, дву¬
ногую и переднюю стойки, силовую установку размещают на пово¬
ротной платформе (рис. 6.8). Последняя воспринимает нагрузки,
<и£ 1£
р|/
о

■Ф- 1Г
о
«—I. - -’-■Ф1 "
Рис. 6.6. Стрелы экскаваторов:
а — однобалочная; 1— пята; 2—амортизатор; 3 — кронштейн для установки напорного ва¬
ла; 4 — балка, б — двухбалочная; 1 — подшипник; 2 — пята; 3 — головные блоки; 4 — ось;
5 — блоки стреловые; 6 — балки; 7— отверстие оси седлового подшипника; 8 — указатель
вылета стрелы; 9, 10 — амортизаторы; П — ограждение
возникающие в процессе работы экскаватора, а также от массы
размещенного на ней оборудования. Платформы изготовляют свар¬
ные или сварно-литые; они должны обладать высокой прочностью,
так как на них действуют значительные переменные по величине и
направлению нагрузки.
Поворотная платформа экскаватора нагружена осевыми и ра¬
диальными силами и опрокидывающим моментом. Усилия от пово¬
ротной платформы к нижней раме передаются через опорно-пово¬
ротное устройство.
У некоторых типов машин опорно-поворотные устройства име¬
ют вид опорных роликовых кругов с центральными цапфами и ро-
106

ликами-захватами. В последние годы мроко применяют шарико¬
вые и роликовые опорно-поворотные устойства в вше подшипни¬
ков качения большого диаметра. Эти устройства, не имеющие цент¬
ральных цапф и роликов-захватов, болеекомттактны, просты по кон¬
струкции, имеют меньшую массу. Крометого, они позволяют пони¬
зить положение центра тяжести машиы, обеспечивают большую
надежность работы зубчатых передач,
более долговечны и просты в монтаже.
По числу рядов тел качения такие под¬
шипники изготовляют одно- и двухряд¬
ными.
Поворотная платформа экскавато¬
ра вращается относительно вертикаль¬
ной оси с помощью ведущей шестерни,
установленной на поворотной платфор¬
ме. При этом шестерня зацепляется с
венцом, закрепленным на раме ходо¬
вой части. Венцы изготовляют с на¬
ружным и внутренним зацеплением.
Последнее предпочтительнее, так как
вращающиеся детали закрыты, чем
улучшаются условия зацепления.
При оборудовании прямой лопатой
экскаватор начинает копать грунт с
подошвы забоя (см. рис. 6.3). Сопро¬
тивление грунта копанию преодолева¬
ется усилием, создаваемым подъемным
полиспастом и напорным механизмом,
который перемещает рукоять вдоль
продольной оси. Операция копания в
цикле занимает до 30% времени.
Поворот лопаты для выгрузки вокруг вер¬
тикальной оси происходит при плавном включе¬
нии поворотного механизма. Эту операцию
обычно совмещают с подъемом ковша, но на¬
чинать ее нужно не раньше, чем ковш полно¬
стью выйдет из забоя. Во время поворота ковш
устанавливают в положение, удобное для выгрузм. В момент выгрузки открыва¬
ют днище ковша и грунт высыпается из него в о»ал или транспортное средство.
При работе в отвал целесообразно выгрузку ковва сов мещать с поворотом. По¬
ворот в забой начинают в момент окончания выгргзки. Операцию опускания ков¬
ша обычно совмещают с его поворотом при скорсти значительно ботыяен, чем
подъем
После выработки части забоя копани» ста новится неэффектив¬
ным или невозможным, так как ковш недост ает до торцового от¬
коса забоя. В этом случае необходимо 1еред.винуть весь экскава¬
тор вдоль забоя. Длина передвижек его ависит от емкости ковша
и вида грунта. При разработке тяжелые грунтов выгоднее корот¬
кие, но частые передвижки.
При рабочем оборудовании обратна* лопата сопротивление
грунта копанию преодолевается усилием -игового каната, а напор—
Рис. 6.7. Рабочее оборудова¬
ние драглайна:
1 — тяговый канат, 2—ковш;
3 — опрокидной блок, 4 — подъ-
емиый канат, 5 — голг>ва стрелы,
6 — стреловые блоки; 7—го¬
ловные блоки; й — фланцы; 9 —
раскосы решетки; /0 — верхние
пояса; 11—обшивка пягы; 12—•
ступицы пяты; li—разгрузоч¬
ный (опрокидной) канат
107

массой рабочего оборудования. Толщину стружки/"регулируют на¬
тяжением канатов подъемного полиспаста. После натяжения ковш
подтягивают к стреле и тяговую лебедку затормаживают. Включе¬
нием подъемной лебедки рабочее оборудование выводят из забоя и
включают поворотный механизм. Для выгрузки грунта отпускают
тяговый канат и включают подъемную лебедку. При этом ковш
выводят вперед и увеличивается угол между стрелой и рукоятью.
Рис. 6.8. Поворотная платформа:
1— правая стойка; 2— люки; 3, 13— пластины боковые; 4—коробка; 5 — опора дизеля;
6 — горловина топливного бака; 7— картер конических шестерен реверса; 8, 9, 10 — гнез¬
да для валов механизма реверса, реверса механизма главной лебедки, 11 — левая стойка;
12 —* смотровой люк; 14—проушины крепления стрелы, 15—настил; 16 — кронштейн роли¬
ка захвата, 17 — кронштейн наводки
После разгрузки поворачивают рабочее оборудование в забой с од¬
новременным опусканием его.
При наличии рабочего оборудования типа драглайн сопротивле¬
ние грунта копанию преодолевается за счет усилия, создаваемого
тяговым канатом (см. рис. 6.7).
При копании предварительно выбирают слабину у подъемного
каната. Угол резания и толщина стружки регулируются тяговыми
цепями и разгрузочным канатом.
Ковш врезается в грунт под действием собственной массы. Он
наполняется на пути, приблизительно равном трем его длинам.
После наполнения ковш подъемным канатом отрывают от забоя и
подтягивают к стреле для уменьшения нагрузок на стрелу и ис¬
ключения потерь грунта; одновременно он поворачивается на вы¬
грузку. При выгрузке тяговый канат ослабляют, ковш, повиснув на
подъемном канате 4, опрокидывается под действием массы грунта
и разгружается. Стрела поворачивается при опрокинутом ковше
при одновременном опускании его на грунт.
108

При рабочем оборудовании грейфер свободно падающий ковш
внедряется в материал при разведенныхiелюстя х. Набор материа¬
ла в ковш происходит при соединяющиеся челюстях, стягиваемых
замыкающим канатом. Для разгрузки мтериала ослабляют замы¬
кающий канат, и ковш повисает на поземном канате. При этом
раскрываются челюсти и материал высыается из ковша.
Рис. 6.9. Схемы напорных уханизмов :
а — независимый; б — зависимый; е-комбинированный
Стрела удерживается в определение* положении при рабочем
оборудовании прямой лопатой, драглайoivi и грейфером стреловой
лебедкой. При рабочем оборудовании б ратной лопатой этой ле¬
бедкой удерживают переднюю стойку, позволяющую уменьшить
усилие в канате подъема оборудования.
Необходимые усилия и скорости наюра прямых лопат обеспе¬
чивают напорные механизмы. ПоследнЕ^и снабжают все типы
прямых лопат, за исключением самых млых ^моделей (с емкостью
ковша 0,15—0,4 м3), на которых напор )беспечивается маятнико¬
вым качанием стрелы.
Напорные механизмы могут быть неависимыми, зависимыми и
комбинированными. Независимым назыают такой механизм (рис.
6.9, а), в котором необходимые усилия ! скорос-ти напора не зави¬
сят от силы натяжения и скорости каата подъема ковша. Этот
механизм может иметь цепную или ка атную передачу движения
109

напорному барабану. Канатная передача предпоитительнее, так
как она амортизирует действие динамических н^брузок.
Ковш 8 (рис в Q а) поднимается канатом 3, нама^ываемьы на подъемный
барабан 1. От звездочки левого барабана 2 главной лебедки через цепь 10 дви¬
жение передается напорному барабану 9. Рукоять /о выдвигают наматыванием
напорного каната 5, огибающего уравнительный бюк 4, на барабан 9. При этом
канат втягивания рукояти 7 сматывается с барабана. Напорное усилие регули¬
руют включением фрикционной муфты 10 (на/рис. 6.10) барабана 12 или его
притормаживанием.	/
Рукоять перемещают в обратном направлении при помощи специального ре¬
верса напора 5 (рис. 6.10). При этом напорный барабан вращается против часо¬
вой стрелки; с него сматывается канат 5, а наматывающийся канат 7 втягивает
рукоять.
Вследствие легкости управления ковшом, а также возможности
передачи больших напорных усилий схему независимого напора
применяют широко, особенно на экскаваторах, предназначенных
для разработки скальных и мерзлых грунтов, разрыхленных взры¬
вом.
В схеме зависимого напора (см. рис. 6.9, б) скорости подъема и
напора взаимосвязаны. Во время наматывания подъемного каната
6 на подъемный барабан напорный барабан 4 вращается по часо¬
вой стрелке и рукоять 5 с ковшом выдвигаются. Для возвращения
рукояти 5 включают барабан 2, на который наматывается канат 3.
Отношение усилия напора к усилию подъема при зависимом
напорном механизме выбирают исходя из максимального значения
усилия напора, соответствующего выдвижению рукояти с напол¬
ненным ковшом в крайнее верхнее положение. С учетом этого уси¬
лие, развиваемое зависимым напорным механизмом, в иных поло¬
жениях рукояти должно превышать величину, потребную для ко¬
пания с рациональными углами резания. Избыточное усилие напо¬
ра погашается при торможении барабана возврата или упора пе¬
редней стенки ковша в забой, что существенно увеличивает энерго¬
емкость процесса. Потери мощности могут достигать при этом 25%.
и более от общей мощности привода, вследствие чего зависимый на¬
порный механизм в настоящее время применяют редко.
В схеме комбинированного напора (рис. 6.9, в) мощность на¬
порному механизму передается как от подъемного каната 4, так и
за счет передачи крутящего момента цепной передачей 3 от допол¬
нительного барабана 5. Комбинация зависимого и независимого
напорных механизмов позволяет подобрать отношение скоростей и
усилий напора и подъема так, чтобы усилий, создаваемых зависи¬
мой частью напора, было достаточно для копания грунтов средней
прочности. При разработке слабых и тяжелых грунтов включают
независимую часть напора. Благодаря этому копание, выполняе¬
мое в основном по схеме зависимого напора, происходит автомати¬
чески, а движение вхолостую происходит достаточно быстро с по¬
мощью независимого напора.
Общий принцип работы основных механизмов экскаватора с
одномоторным приводом показан на кинематической схеме, приве¬
денной на рис. 6.10. Особенностями схемы являются применение
независимого напорного механизма, наличие двух скоростей вра¬
но

ч«=»/ т ют уУМ/
j[ щ	\^У/^УУу^у7/7/у.
_J5~
32 33' Ш-
51	1	^а
I
1
3!>
31
-37
Т^Зб У .Г/Т^Г
■В*
37
Рис. 6.10. Кинематическаясхема экскаватора

щения поворотной платформы, возможность рабсрй с различными
видами рабочего оборудования (прямая и обращая лопаты, кран,
драгланп, грспф^р), чги значительно рлсшицме 1 оилас!ь примене¬
ния экскаваторов.	У
При включении главной муфты 2, соединяюрСей двигатель 1 с трансмиссией,
приводятся в действие цепная передача 3, шестерни 4, 7 и 9, а также валы I, II
и III, составляющие главную трансмиссию э^«жаватора. Вместе с этими элемен¬
тами вращаются жестко связанные с ними' шкивы двухконусных фрикционов
реверса 6 поворота и хода, ведущий диск реверса напора 5, ведущие диски
фрикционных муфт 10 и 15 механизмов открывания днища ковша 8 и барабана
12, а также 14 главной лебедки.
Для подъема ковша включают ленточный фрикцион 15, соединяющий подъ¬
емный барабан 14 с валом III. Для того чтобы остановить ковш и удержать его
в поднятом состоянии, выключают фрикционы 15, барабан 14 и включают тор¬
моз 16. Ковш опускается под действием собственной массы, скорость опускания
регулируют тормозом 16. Для напорного движения ковша включают ленточный
фрикцион 10. При этом вращение от барабана 12 со звездочками 11 через цеп¬
ную передачу передается напорному барабану 17. На последний навиваются
два конца напорного каната 19 и с него свивается возвратный канат 18 Напор¬
ный канат 19, проходящий через направляющие блоки седлового подшипника 21,
огибает уравнительный блок 20 на конце рукояти. Канат 18 закрепляется на пе¬
редней части рукояти. Рукоять возвращают включением фрикционной муфты
реверса 5
С/грела поднимается канатом, наматываемым на барабан 23, который соеди¬
нен с валом IV кулачковой муфтой 22. Крутящий момент на вал IV передается
при включении муфты реверса напора 5 От свободного опускания стрелу удер¬
живает тормоз 24 или обгонный механизм 25, обеспечивающий опускание стрелы
в режиме работы двигателя машины. Для обеспечения этого при вращении пра¬
вой звездочки на конце вала 111 крутящий момент передается на вал IV через;
цепную передачу в том случае, если он начинает вращаться вместе с бараба¬
ном 23, включенным муфтой 22, со скоростью большей, чем вращение вала ///.
Направление вращения вала V изменяют механизмом реверса 6, включающим
две свободно сидящие на валу II конические шестерни и жестко закрепленную
на валу V коническую шестерню. Шестерни горизонтального вала II включаются
муфтами реверса 6. При включении правой или левой муфты крутящий момент
передается на вал V. Крутящий момент от вертикального вала реверса V через,
промежуточный вал VI передается на вал поворота VII при включении кулачко¬
вой муфты 29. На конце его жестко закреплена бегунковая шестерня 30, нахо¬
дящаяся в постоянном зацеплении с зубчатым венцом 32, приваренным к непо¬
воротной раме
Скорость поворота изменяют блоком шестерни 27. Меньшую скорость ис¬
пользуют при рабочем оборудовании кран, драглайн и грайфер, большую—при
оборудовании экскаватора прямой и обратной лопатой. Поворотная платформа
вращается вправо при включении правой муфты реверса 6, а влево — левой муф¬
ты реверса 6. Для этого предварительно включают кулачковую муфту 29 По¬
воротную платформу тормозят с помощью тормоза 28.
Для приведения в действие ходового механизма включают муфту 33 и вы¬
ключают муфту 29 поворотного механизма. При этом крутящий момент пере¬
дается через вертикальный вал хода VIII, на нижнем конце которого закреплена
шестерня конической пары 35, на горизонтальный вал хода IX. Для изменения
направления движения машины предусмотрен механизм реверса 6. При включе¬
нии правой фрикционной муфты реверса обеспечивается ход вперед, левой — ход
назад
Чтобы изменить направление движения экскаватора, отключают от вращаю¬
щейся трансмиссии одну из звездочек 31 привода гусеничной цепи. Муфты 34,
сблокированные с тормозами 36, обеспечивают остановку машины и удерживают
ее от свободного перемещения.
В схеме многомоторного привода на всех остальных механизм
112

мах устанавливают отдельные двигатели, [то значительно упроща¬
ет кинематическую схему экскаватора.
Рабичий дилл эк1_каваюра состоит из аедующих основных опе¬
раций: копания, подъема ковша, поворота его из забоя на выгруз¬
ку, выгрузки, поворота в забой, опускания ковша для последующе¬
го набора грунта. Элементы цикла— подъгм ковша, поворот из
забоя, на выгрузку и выгрузка грунта в отвал, а также поворот юв-
ша в забой и опускание его для последуюиего н абора грунта —мо¬
гут совмещаться. К вспомогательной опе]ации относится переме¬
щение экскаватора по мере разработки забоя.
По расчетным скоростям движения рабочих органов экскавато¬
ра можно определить продолжительность (тдельных операций цик¬
ла и теоретическую продолжительность цюла.
Для определения продолжительности сопания прямой лопагой
высоту забоя принимают равной высоте ркшоложения оси нагор¬
ного вала (точки соединения стрелы и рукояти). По разности в
длине каната подъемного полиспаста при опущенном и поднятом
ковше можно графически определить длиш- каната £к, наматывае¬
мого на подъемный барабан. Продолжительность копания при этом
определяется из соотношения
Значения скорости vK подъемного кана-а прямой лопаты мож¬
но определить по следующим данным с уче'ом кратности полиспас¬
та и направления вектора скорости:
Вместимость ков¬
ша qK, м3 . . . 0,25—0,65 1,0—1,6	—3,0 4,0 и более
Скорость копания
vм/с	 0,5	0,6	0,8	1,0
Аналогичным способом можно определить продолжительность
подъема ковша для разгрузки tn и опускания его для начала ново¬
го цикла ^оп:
где Ьп — длина каната, наматываемого нг барабан при подъеме
ковша от верхнего положения копания до 1ерхнего положения раз¬
грузки; Lon — длина каната, сматываемого с барабана при опуска¬
нии ковша от верхнего положения его при {азгрузке до нижней точ¬
ки забоя.
Время поворота ^Пов на разгрузку ковша определяют в зависи¬
мости от необходимого угла поворота с учсгом продолжительности
разгона и торможения поворотной платформы:
где рпл — угол поворота платформы от тложения кояания до
положения выгрузки; си — скорость noBopoia ее при установившем¬
ся движении.
'* = 4>к-
(6.1)
(6.2)
(6.3)
^пов^ %я/ш + ^раз/2 + ^го/2,
(6.4)
113

Для определения теоретической продолжительности операции
поворота платформы по ГОСТ 9693—67 угол поворота принимают
равным 90°. Время разгона и торможения колеблется в пределах
1—2 с.	/
При работе оборудования прямой лопатой подъем и опускание
ковша, как правило, совмещают с поворотом платформы на вы¬
грузку и в забой. При этом полное время цикла t4 составляет:
^ц — ^к + ^п + ^пов + ^раз'тАга»	(6-5)
где ^Раз — время разгрузки ковша, которое в зависимости от его
вместимости равно 1—2 с; fn.n — время, затрачиваемое на переклю¬
чение рычагов управления, которое не превышает 1—1,5 с.
Продолжительность рабочего цикла проверяют хронометриро¬
ванием при проведении заводских и приемочных испытаний новых
моделей экскаваторов. Фактическая продолжительность цикла
отечественных экскаваторов строительной группы в зависимости от
вместимости ковша, вида рабочего оборудования, рода грунта, ус¬
ловий работы колеблется в пределах 13—40 с. Так, у экскаватора
с ковшом 0,25 м3 длительность цикла равна 13 с, у экскаватора с
ковшом 4 м3 — 40 с.
§ 6.3. Общий расчет механических экскаваторов.
Выбор и расчет основных параметров
К основным параметрам и показателям экскаваторов относят:
вместимость ковша qK, продолжительность цикла при повороте на
90° с выгрузкой грунта в транспорт или отвал, массу машины тм,
мощность привода Nv, скорость передвижения экскаватора vnep,
удельное давление на грунт Рг, касательную и нормальную состав¬
ляющие Рк и Р11; усилия на режущей кромке ковша, а также рабо¬
чие размеры, показанные на рис. 6.2: наибольшую высоту забоя Ни
наибольший радиус копания ги наибольшая высота выгрузки Н2,
радиус выгрузки г2 при максимальной высоте выгрузки.
В задании на проектирование землеройных машин указывают
назначение, условия работы экскаватора, вместимость ковша, тре¬
бования к показателям качества и специальные требования. По
этим данным определяют остальные параметры машины, исполь¬
зуя зависимости между параметрами экскаватора, установленные
на основании аналитических и экспериментальных исследований,
статистических материалов и законов подобия.
На основании анализа отечественного и зарубежного опыта экс-
каваторостроения и законов подобия Н. Г. Домбровским разрабо¬
таны приведенные ниже эмпирические формулы для определения
зависимостей между параметрами экскаваторов строительной
группы.
Общий расчет главных рабочих механизмов, На рабочие орга¬
ны, механизмы одноковшовых экскаваторов и металлоконструкции
действуют нагрузки, изменяющиеся в широких пределах в течение
рабочего цикла. Для определения мощности, затрачиваемой на ра¬
114

боту отдельных механизмов, необходимо знать сопротивления, воз
пикающие при выполнении отдельных операций.
Основная нагрузка на элементы машины возникает при копаншг
грунта. Общую силу сопротивления грунта копанию Ркоп по отно¬
шению к направлению движения ковша можно разложить на каса¬
тельную Рк и нормальную составляющие Р„ (рис. 6.11). С доста¬
точной степенью точности касательную составляющую можно опре¬
делить по упрощенной формуле
(см. формулу (3.29)]:
PK = kbh.	(6-6)
В процессе копания Рк непре¬
рывно меняется вследствие изме¬
нения толщины стружки. Наи¬
большая величина касательной
составляющей Рк, найденная по
этой формуле, соответствует по¬
ложению режущей кромки ковша
на уровне напорного вала при
максимальной толщине стружки.
Между касательной и нормаль¬
ной составляющими исследова¬
ниями установлено соотношение
где i|ji — коэффициент пропорциональности, равный 0,1—0,6. Вели¬
чина его зависит от режима копания, угла резания и степени за¬
тупления режущей кромки или зубьев ковша.
Составляющие Р„ и Р„ реакции грунта на ковш R0, вес узлов
экскаватора и реакции грунта, действующие на ходовое оборудо¬
вание, являются внешними силами, действующими на экскаватор.
Они служат исходными данными для определения нагрузок на эле¬
менты рабочего оборудования, механизмов, потребной мощности
привода и устойчивости экскаватора.
Определить касательную составляющую сопротивления грунта
копания Рк можно, зная толщину снимаемой стружки. Предполо¬
жим, что под действием напорного механизма стружка постепенно
увеличивается до размера /г„акс, как показано на рис. 6.12. При
этом толщина стружки в некотором положении режущей кромки
ковша, расположенном под углом ав к вертикали, составит
fl ^макс * 2<хв/л.	(6.8)
Общая площадь стружки в плоскости движения ковша
ж/2
f (^макс• 2аР/я)г«,ав=Лмаксг= НЧЖ<.Н 1ш	(6.9}
о
Принимая объем снимаемой стружки в рыхлом теле равным
объему грунта, вмещаемому в ковше с учетом коэффициента за-
Рис. 6.11. Схема сопротивлении,,
действующих на ковш
i6.7)
115

полнения, получим
откуда
«7А=Ммакс
h —
»*• М ЯКР
 ЯкКЦЬН lk?).
(6.10)
(6.11)
По максимальному размеру ртРУжки можно определить наиболь-
шее значение касательной составляю-
'й сопротивления грунта копанию:
Р« kbh м акс,
Р)- (6-12)
Расчет подъемного и напорного ме-
[измов машины сводится к определе-
мощностей
УП0Д, Nпод,
хаь
НИ1
о усилии, скоростей и
Рш а
Vya. ^.YL	гчлаъжлл
стружки прямой лопатой
п №ема и напора (РПод,
п> ^нап и А^нап), а также кинемати-
ких параметров механизмов подъе-
и. иаао^а.	¥.	чжсйл	q>4cs^q>-
барабана, передаточных чисел уз-
трансмиссии, кратностей полиспас-
и т. п.).
чес
то'
ло
то'
под
МОЖНО
„	,	„ .гпасте подъема ковша
Наибольшее усилие вшх	сид	П0Л0ЖениЯ1	при
определить исходя из условия г	напорного	вала>	р	кояРть
котором зубья находятся на у	r
юризонтальна, толщина струит
Рк — наибольшие.	Q_
Из уравнения моментов сил йпрм
сительно точки О (рис. 6.13) н^
подъемное усилие:
Люд=(^>кА + (^к+г12 I
где l\—U — плечи сил в полис^асте
на рис. 6.15.
г/2 + <У3)//4,(6ЛЗ)
Максимальное усилие в пол
ficna-
мики
реко¬
сте на рис. 6.15 с учетом дин^
при одномоторном приводе по мож.
мендации Н. Г. Домбровского
но принять равным
р _15Я	(6.14)
■'под макс 1 'под*
Для многомоторного привод
Р — 1 Я Р
• под макс A»w 1 ПОД*
Максимальное усилие Рп.к
рабан подъема, будет равно
Рис. 6.13. Схема для определения
усилия подъема ковша прямой ло-
(6.15)	паты
в канате, наматываемом на ба-
**акс
с/(“Лп).
(6.16)
где а ■
лодъема; гь— КПД полиспаста,
кратность полиспаста "	11
116

Скорости подъема ковша при независимом на1Ю^0М механизме
г. 11пи зависимом
можно принимать по данным, приведенным выпи 1
напоре их требуется увеличивать на 10—15%.
Потребную мощность подъема ковша определ!ают п0 Ф°РмУле
N =р -и /г)	(6-17)
1 v п 1 под и/ *под*
Активное напорное усилие РНап.а определяют^51 ГРех Расчет"
ных положений. Первое из
них (рис. 6.14) соответствует
началу копания, когда руко¬
ять вертикальна, угол накло¬
на стрелы к горизонту ас ра¬
вен 60°, сила Рпод равна рас¬
четному значению, ковш пус¬
той; отношение Рп/Рк = 0,5.
Второе расчетное поло¬
жение соответствует концу
копания; при этом рукоять
порного вала, ковш наполнен
грунтом, Рн/Рк=0,2. Третье
расчетное положение соот¬
ветствует выдвижению руко¬
яти на полный вылет с подъ¬
емом ковша в крайнее верх¬
нее положение, PJPK=0,
т. е. реакция грунта отсут¬
ствует.
Активное напорное уси¬
лие можно найти аналити¬
ческим путем или графичес¬
ки — построением много¬
угольника сил, действующих
на ковш с рукоятью. На рис.
6.14 приведен графический
способ определения напорно¬
го усилия для указанных по¬
ложений. В первых двух слу¬
чаях напорное усилие долж¬
но преодолевать нормальную	горизонтальную
составляющую сопротивления.грунта копанию Рн оже]^ш нап0рное
составляющую подъемного усилия. В третьем	tdvhtom	На
усилие удерживает рукоять с ковшом, наполнен*	акщш
графиках определены напорное усилие РНап.а, нор сил п
в седловом подшипнике Nc и результирующая эт^	с'
гг	лорных	механиз-
Для расчета зависимого и независимого наР	„
^	г~\	.	ПОЛ	V	ЧсННО с в
мов подставляют, наибольшее значение /напУ ^ для
двух указанных положениях. По значению Рнап, Зависимую часть
третьего положения, рассчитывают тормоза и н&'	у
117
Рис. 6.14. Схема
порног'
I, II, III — расчет!*
^ля определения на-
q усилия:
file положения ковша

комбинированного напорного механизма. Скорость напора иНД1Г вы¬
бирают исходя из условия, чтобы рукоять подлостью выдвигалась
за впемя копания-
^нап Ас.р/^к»
где /х.р — наибольший ход рукояти.
Мощность напорного механизма
ЛГ„а„ - ^наи.а^нап.а/^1н
(6.18)
(6.19)
где г)nan — КПД напорного механизма.
Усилие для обеспечения обратного хода рукояти (ее возврата)
проверяют только для первого положения. Это усилие должно быть
достаточным для втягива¬
ния рукояти:
Яиаи.0 = 0к+г + 011. (6.20)
Скорость возврата обыч¬
но принимают равной
*^нап 1 ^ ~Т 2)0} ^нагг.а*
(6.21)
Проверочный расчет
рабочего оборудования
экскаватора с прямой ло¬
патой ведут по выбранной
мощности двигателя. За¬
дача его — определение
фактической удельной ра¬
боты копания. По схеме,
сил, действующих на ра¬
бочее оборудование (см. рис. 6.13), определяют фактически реали¬
зуемую касательную составляющую усилия копанию для различ¬
ных положений ковша:
Рк=[Лю А - (Ок+г к+GMHi •	(6-22)
При этом значение Рпод определяют по величине установленной
мощности двигателя Ny:
Рис. 6.15. Схема сил, действующих на рабочее
оборудование прямой лопаты
Рцот. N V "П'Ю \!^ I!
(6.23)
Величина РК для положений 1, 2, 3 и 4 (рис. 6.15) ограничива¬
ется условием устойчивости машины:
„ Gnh + GyJ2— (Gcls ~h Gp/4 + GK+ 1$)
-'We
(6.24)
где ipi — соотношение между нормальной и касательной составляю¬
щими сопротивления грунта копанию, принимаемое в зависимости
от положения ковша равным tyi = PJPn=0,4-^0,6.
При откладывании на оси ординат значений Рк, полученных из
выражения 6.22 (кривая I на рис. 6.16), и значения Рк — из выра¬
118

жения (6.24) (кривая //), а по оси абсцисс отрезков пропорцио¬
нальных участков /-2, 2-3 и 3-4, получим площадь, ограниченную
кривыми / и //. Площадь этой фигуры выражает работу копания,
обеспечиваемую машиной. Зная эту работу, можно определить воз¬
можную энергоемкость копания
ka=A4y/qK,	(6.25)
Рис. 6.16. График усилий на ре¬
жущей кромке ковша:
/ — кривая усилий по мощности
двигателя; // — кривая усилий по
устойчивости
Рис. 6.17. Схема для определения тяго¬
вого и подъемного усилий обратной ло¬
паты
где riy = 0,8ч-0,9 — коэффициент использования установленной мощ¬
ности.
По удельной энергоемкости можно оценить способность экска¬
ватора разрабатывать грунты заданной категории.
Расчет основных механизмов обратной лопаты сводится к опре¬
делению тягового усилия Ртяг и усилия в полиспасте подъема рабо¬
чего оборудования Люд (рис. 6.17).
Толщину стружки принимают такой же, как и при оборудовании
прямой лопатой. Расчетное тяговое усилие Ртяг определяют для по¬
ложения в конце копания, когда на ковш действует максимальное
сопротивление грунта копанию, из уравнения моментов сил отно¬
сительно шарнира крепления рукояти к стреле (точка А):
Р пт = [PJs ~ЬЛА + Ок+rh “Ь &[/2 + Рп0 |А)Дз- (6.26)
Мощность привода тягового механизма можно определить по
формуле
•^тяг==^">тяг'^тяг/'Чгяг>	(6.27)
119

где итяг—скорость движения тягового полиспаста; т]тяг — коэффи¬
циент полезного действия тягового механизма.
Усилие в полиспасте подъема рабочего оборудования опреде¬
ляют при том же расчетном положении из уравнения моментов сил,
действующих на рабочее оборудование, относительно пяты стрелы
(точка 5):
Люд=(0ц+Ао + OJs -j- Opl9)Jl7.	(6.28)
Мощность, расходуемую на подъем лопаты, можно определить
из выражения
N п
'■^ПОД^ЛОД "ЛпОТ»
(6.29)
Рис. 6.18. Схема для определения касатель¬
ной составляющей сопротивления грунта ко¬
панию обратной лопатой
где £>под — скорость сокраще¬
ния полиспаста подъема
стрелы; Т1П0Д — коэффициент
полезного действия механиз¬
ма подъема.
Проверочный расчет обо¬
рудования экскаватора об¬
ратной лопатой ведут по вы¬
бранной мощности двигате¬
ля и размерам рабочего обо¬
рудования.
Для положений ковша 1,
2, 3, 4, 5 я 6 (рис. 6.18) из
суммы моментов сил относи¬
тельно точки А можно найти
касательную составляющую
Рк усилия копания (при этом усилие Рн принимают равным нулю).
Тогда
Рк=[Р„А ~ (<Уз+0к+Ж)]//4,	(6.30)
Где Ртяг = Л^тяг^тяг/^тяг-
Эти усилия могут быть реализованы при соблюдении условий
внедрения ковша в грунт и обеспечения устойчивости машины.
Чтобы определить усилие Рк исходя из условий внедрения ковша в
грунт, следует составить уравнение моментов сил, действующих на
рабочее оборудование относительно точки Б:
п Gcl5 + Gple + GK+Tl7—
к	/9-<Wl0	•	(6-31)
Для определения усилия Рк исходя из условия устойчивости
машины рассматривают уравнение моментов сил, действующих на
машину, относительно грани опрокидывания (точка С):
Gxhl + G„/i2— (GK + rlj 4- Gcle, -f- Gpiq)
p.=
(6.32)
^13 — 4'1^14
(Плечи сил показаны на рис. 6.18.)
Отложив по оси абсцисс (рис. 6.19) отрезки, пропорциональные
участкам 1-2, 2-3, 3-4, ..., а по оси ординат — значения Рк, найден-
120

ные по формулам (6.30), (6.31) и (6.32), получим кривые I, II, III.
По кривой I, построенной по данным, вычисленным по формуле
(6.30), определяет возмолнооь копания грунта при установлен¬
ной мощности. Кривая II, построенная по значениям из формулы
(6.31), ограничивает возможность
копания по заглублению ковша, а
кривая III, построенная по данным
формулы (6.32), ограничивает воз¬
можность копания по устойчивости.
Площадь фигуры, ограниченной
осями координат и кривыми I, 11,
III, выражает работу экскаватора в
процессе копания. Удельную энерго¬
емкость копания можно определить
из выражения
К = MylqK,	(6.33)
где % — коэффициент использова¬
ния мощности двигателя; riy=0,8-=-
0,9.
При расчете основных механизмов рабочего оборудования драг¬
лайн определяют длину пути наполнения ковша LH, тяговое усилие
Ртяг и, подъемное усилие Рпол. Важным параметром здесь является
плечо крепления тяговых цепей /3, размер которого определяет воз-
Рис. 6.19. График сопротивле¬
ния копанию грунта на режу¬
щей кромке ковша
Рис. 6.20. Схема к определению тягового и подъемного усилий драглайна:
а — схема работы драглайна; б —схема усилий, действующих на ковш
Ложность движения днища	ковша параллельно забою	(рис.	6.20).
Длину пути	наполнения	ковша можно найти по формуле
Z,H=ZC cos ajcos^ — £т.ц — LK,	(6.34)
Где LT,n — длина тяговых цепей; j33 — угол откоса забоя.
Длину забоя приближенно можно принять равной L„= (Зч- 5)LK.
Величина усилия Рк при значении kn= \ составит
"	(6.35)
L н&р
121

Для драглайнов составляющая сопротивления копанию равна
0,4—0,6 касательной, т. е. ijn = 0,44-0,6.
Масса ковша драглайна, наполненного грунтом, должна быть не
менее величины Рн — при этом условии предотвращается выталки¬
вание его из грунта нормальной составляющей:
П \ Г> \ I П \	+1* (^к + ?пр)
Ок+г >рп> ФЛ > т~ь •	(6.36)
^нЛ-р
Проектируя все силы на направление действия Рт и Ри, находим
их:
Л,г=Лс + 0к+г(5тРв + / cosp3);	(6.37)
/3H=0K4-rcos Р3.	(6.38)
Отсюда
CK+r=^/c°s|33=^i/ycospa.	(6.39)
Подставив выражение (6.39) в (6.37), получим
Ргят = Рк-\ (sin Рз + / C°S Рз)
cos Рз
ИЛИ
^P^Kll+'MtgP. + Z)].	(6.40)
Из суммы моментов сил, действующих на ковш, относительно
точки О находим
Pt,A = °*+t(11cos Pa + ^Sin'Pa),	(6.41)
откуда
,	ФхЯк	(h cos Рз + /2 sin Рз)
3	COS	Рз	Рк [1 +<h (tg Рз +/)]
или
I 	_	,6_42J
tgPa + /+l/4>l
Мощность, потребная для привода тягового и подъемного меха¬
низмов, можно определить из выражений:
iVfi,r=- P™rVt»r- ;	(6.43]
^ГЯГ
 ^
']гЮД
Расчеты показывают, что усилие в подъемном канате при ра¬
боте драглайна РПод= (0,7-^-0,8)Ртяг. При расчетах значения харак¬
теристики условий работы можно принимать по табл. 6 1.
При расчете грейферов за расчетное положение принимают та¬
кое, при котором подъемный канат ослаблен, а замыкающий в этот
122

момент смыкает челюсти. При этом на ковш (рис. 6.21^ действуют
горизонтальные Рк и Рк' и нормальные Рв и Рп' составляющие со¬
противления грунта копанию, а также масса грейфера.
Таблица 6.1
Расчетные значения характеристик условий работы драглайнов
Грунты
Харак герисшка
легкие (I кат.)
средние
(II каг.)
тяжелые
(III каг.)
Угол откоса забоя |3Л, град
Коэффициент разрыхления feP
Объем призмы волочения qnр, м3
Угол наклона стрелы ас, град
45
1,2
О,50К
30
40 4
1,3
О.Зд-к
30
40
1,4
0,2?к
30
Условие равновесия сил, действующих на ковш грейфера, мож¬
но выразить в виде
Рк-Р'к = 0; Ок — Р3 = Рл-{-Р'а,	(6.45)
где
PK=P3D6/(2l),
(6.46)
I — путь перемещения режущей кромки в процессе зачерпывания;
Dc, — диаметр блоков полиспаста.
Соотношение Ри/Р}, для грейфера принимают равным 0,3-f-0,6.
Из выражений (6.45) видно, что усилие заглубления грейфера
равно его весу за вычетом усилия в замыкающем канате. Поэтому
для обеспечения заглубления в материал ковш должен иметь до¬
статочно большую массу. Обычно
ее принимают в килограммах рав¬
ной вместимости ковша грейфера
в литрах.
Расчетное усилие Р3 в замыка¬
ющем канате не должно превы¬
шать массы грейфера с материа¬
лом, иначе в момент замыкания
челюстей :рейфер будет подни¬
маться. При подъеме грейфер ви¬
сит на замыкающем канате, подъ¬
емный канат должен быгь ослаб¬
лен, в противном случае челюсти
ковша откроются. Поэтому уси¬
лие в замыкающем канате долж¬
но быть равно массе грейфера с
грунтом. Кратность замыкающего
полиспаста при этом выбирают с
учетом условия обеспечения необ- рис g.21. Схема к определению уси-
ходимого значения Рк из выраже-	лия	замыкания	грейфера
123

ния (6.46). Зная Р3, можно определить мощность, потребную для
замыкания челюстей:
Л^8—Л'Ра/Лз,	(в	.47)
где у3 — скорость замыкания челюстей; у3 = 0,3-^0,7 м/с; ri3— КПД
механизма замыкания.
Продолжительность поворота рабочего оборудования экскава¬
торов строительной группы из забоя на разгрузку и наоборот со¬
ставляет около 70% времени цикла. Поэтому выбор параметров
поворота во многом влияет на полное время цикла tn, а следова¬
тельно, и на общую производительность машины. С целью ее по¬
вышения желательно сокращать длительность цикла. Верхний пре¬
дел скорости поворота у машин малой мощности ограничен мощно¬
стью двигателя и возможностями машиниста, а у средних и боль¬
ших машин — сцеплением опорной поверхности экскаватора с грун¬
том.
Процесс поворота характеризуют продолжительность поворота
?пов, момент инерции поворотной части экскаватора с груженным
ковшом /г и с ковшом без грунта /п, максимальная угловая ско¬
рость поворота Шмакс, максимальное угловое ускорение еМакс, угол
поворота рп, время разгона tpa3 и время торможения fTop, потребная
мощность Л'цов и наибольший момент двигателя Ммакс.
Моменты инерции вращающейся части зависят от вида и поло¬
жения рабочего оборудования. При определении моментов инерции
принимают наклон стрелы прямой лопаты равным 45°, обратной
лопаты — 60°, драглайна — 30°. При этом рукоять прямой лопаты
горизонтальна и выдвинута на 2/3 своего хода у машин малой и
средней мощности и на 3/4 хода — у машин большой мощности.
Крутящий момент двигателя, потребный для выполнения пово¬
ротного движения,
Л^пов — ^ст+ Л4дин>	(6.48)
где МСт — полный статический момент сопротивления поворотной
части экскаватора при ее вращении относительно вертикальной оси
с установившейся скоростью.
Этот момент можно представить суммой
М„ = Мгр+Мук + Мв,	(6.49)
где -Мтр — момент, создаваемый силами трения в опорно-поворот¬
ном устройстве; Мв — момент от давления ветра на поворотную
часть; Мук — момент, возникающий при установке машины на
уклоне.
Динамический момент сопротивления
»=м;т+м'тн,	(6.50)
где Мди„ — момент, расходуемый на преодоление сил инерции
вращающихся	частей	двигателя, трансмиссии	и	механизма	пово¬
рота; МдИ„	—момент,	расходуемый на преодоление	сил	инерции
124

поворотной платформы с механизмами и рабочим оборудованием
С достаточной степенью точности можно принять
Тогда
П
■^ДИН ^гЕ	акс/^раз>
(6.51)
где /г — момент инерции поворотной платформы с механизмами и
груженым ковшом; е — угловое ускорение; Ц — момент инерции от¬
дельных узлов поворотной платформы оборудования и груженого
ковша относительно оси поворота; соМакс — максимальная угловая
скорость поворота; tv&3 — время разгона.
Зная Мпов, можно определить мощность, потребную на пово¬
рот:
Установленную мощность двигателя нужно выбирать с учетом
совмещения отдельных операций рабочего цикла. Так, при обору¬
довании прямой лопатой совмещается работа подъемного и напор¬
ного механизмов. Общую мощность двигателя необходимо выби¬
рать по наибольшему значению
При оборудовании обратной лопатой и драглайном мощность
привода экскаватора требуется определять исходя из того, что сов¬
мещаются операции подъема и поворота с учетом потребной мощ¬
ности на работу тягового механизма.
В ходовом оборудовании одноковшовых экскавато¬
ров имеется несколько особенностей. Так, продолжительность ра¬
боты его составляет примерно 12% от полного рабочего времени
машины.
Ходовое оборудование одноковшовых экскаваторов работает
иначе, чем оборудование землеройно-транспортных машин, вследст¬
вие эксцентричного расположения его по отношению к ходовой ча¬
сти и переменных нагрузок на поворотную платформу. Менее стро¬
гие требования предъявляют к сцепным свойствам движителей в
связи с небольшими транспортными скоростями в забоях.
У экскаваторов постоянно изменяются нагрузки на ходовое обо¬
рудование в связи с изменением положения рабочего оборудования
по отношению к гусеницам или колесам. Величина давления гусе¬
ниц на грунт может изменяться в широких пределах—от 0,02 до
0,2 МПа, давление колес — от 0,15 до 0,5 МПа.
(6.52)
Nq-^под + N нан
(6.53)
125

Ходовое оборудование проверяют по условию обеспечения прео¬
доления сопротивлений, возникающих при перемещении экскавато¬
ра r забое и на лпугие объекты. Возможные скорости передвиже¬
ния его устанавливают по выбранной мощности привода. Расчетом
проверяют также давление на грунт при наиболее невыгодном экс¬
центричном положении нагрузок (см. гл. 5), которые не должны
превосходить несущей способности грунта.
В задачу статического расчета входит определение
условий устойчивости экскаватора и давлений на грунт при копа¬
нии, повороте и передвижении; кроме того, этим расчетом опреде¬
ляют условия уравновешивания поворотной платформы.
Одностороннее расположение рабочего оборудования экскава¬
тора относительно оси его поворота и нагрузки, возникающие при
копании грунта или погрузочно-разгрузочных работах, приводят к
тому, что равнодействующая всех сил, действующих на поворотную
платформу, может выходить за пределы опорно-поворотного уст¬
ройства. Для снижения нагрузок, действующих на опорно-поворот-
ное устройство, поворотную платформу уравновешивают при вра¬
щении в нагруженном и разгруженном состояниях с помощью про¬
тивовеса. Его рассчитывают для оборудования экскаватора прямой
лопатой и проверяют для других видов рабочего оборудования.
Стремятся к тому, чтобы противовес уравновешивал платформу при
возможно большем числе видов сменного рабочего оборудования.
Если это невозможно, то применяют специальные противовесы для
отдельных групп рабочего оборудования. Массу противовеса опре¬
деляют исходя из условий опрокидывания платформы вперед и на¬
зад.
Возможность опрокидывания вперед поворотной платформы
экскаватора, оборудованного прямой лопатой, проверяют для поло¬
жения, при котором стрела наклонена под углом к горизонту на
35—40°, рукоять горизонтальна и выдвинута на 2/3 своего хода,
ковш наполнен грунтом. Сопротивление грунта копанию не учиты¬
вают, так как считают, что его воспринимает опорно-поворотное
устройство. При этом массу противовеса Gnp можно определить из
уравнения равновесия относительно точки В (рис. 6.22, а):
0,^= [Ок+г ih —а) + Ор [t-2— а) + Ос(/3 — а) — Оп {14 + а)]/{15 4"в)- (6.54)
Возможность же опрокидывания поворотной платформы назад
проверяют для такого положения, при котором стрела наклонена
под углом 55—60° к горизонту, рукоять вертикальна, ковш без грун¬
та находится у пяты стрелы и оперт на грунт. Значение Gnp находят
из уравнения моментов сил относительно точки А (рис. 6.22, б)-:
°ир= [Ос (^ + a] - On {Ц — а)]/(/5 - а).	(6.55)
Принятая величина массы противовеса Gnp.* находится из урав-

При проверке массы противовеса обратной лопаты для случая
опрокидывания вперед предполагают, что груженый ковш вышел
из забоя и экскаватор начинает поворачиваться па выгрузку. Для
случая опрокидывания платформы назад предполагают, что ковш
при максимальном вылете рукояти опущен на землю, его масса
Рис. 6.22. Схема к определению массы противовеса при рабочем оборудовании
прямая лопата:
а — случай опрокидывания вперед; б — то же, назад
полностью воспринимается грунтом, а на платформу действуют по¬
ловина массы рукояти и стрелы. Для обоих случаев составляют
уравнения моментов сил относительно точек А и В (рис. 6.23).
Массу противовеса при оборудовании драглайн проверяют по
тем же зависимостям, что и для прямой лопаты. При проверке на
Рис. 6.23. Схема к определению массы противовеса при рабочем оборудовании
обратной лопатой:
а — случай опрокидывания вперед; в — то же, назад
опрокидывание вперед считается, что груженый ковш поднимается,
стрела наклонена по отношению к горизонту на угол 30°, при опро¬
кидывании назад — ковш опущен на грунт, угол наклона стрелы
составляет 45—50°.
127

Устойчивость экскаватора определяется соотноше¬
нием сил, действующих на рабочее оборудование и конструкцию
машины при наиболее неблагоприятных условиях ее работы, т. е.
тогда, когда помимо собственной массы элементов машины на
зубья ковша действует максимальное сопротивление грунта копа¬
нию.
Устойчивость машины должна быть обеспечена при любом виде
рабочего оборудования. Ее оценивают коэффициентом устойчиво¬
сти kj, определяемым по
формуле
*у = 2ЛУ2ЛГ0) (6.57)
где 2Му — сумма моментов
сил, удерживающих экскава¬
тор от опрокидывания;
1,М0 — сумма моментов сил,
опрокидывающих экскава¬
тор.
При определении устой¬
чивости по основным нагруз¬
кам экскаватора, оборудо¬
ванного прямой лопатой, ис¬
ходят из того, что ось пово¬
ротной платформы перпен¬
дикулярна оси ходовой час¬
ти, рукоять выдвинута на
полный вылет, ковш напол¬
нен грунтом, стрела накло¬
нена к горизонту под углом
35—40°, работа происходит
на горизонтальной площад¬
ке (рис. 6.24).
Расчет устойчивости выполняют по основным нагрузкам, обес¬
печивая при этом &у=1. Необходим также уточняющий расчет, при
котором кроме основных учитывают динамические и ветровые на¬
грузки, а также возможность установки машины на наклонной пло¬
щадке. В этом случае должна быть обеспечена устойчивость при
&у=1,15. Коэффициент рабочей устойчивости определяют из урав¬
нения равновесия сил, действующих на машину относительно точ¬
ки А:
Рис. 6.24. Схема к определению рабочей ус¬
тойчивости экскаватора, оборудованного
прямой лопатой
Gxa + G„p (/g И- а) + Gn (Is "Ь а)
О с (/4-
(6.58)
■a) +Gр(/з — а) + Ок+г (12 — а) + Рк{1Х — а)
Проверять устойчивость машины необходимо также в транс¬
портном положении. Для этого рассматривают условия движения
экскаватора при максимальном уклоне на подъем и спуск. В обо¬
их случаях рабочее оборудование повернуто в сторону движения, а
рукоять вертикальна. При движении машины на подъем угол на¬
клона стрелы принимают в пределах 50—60°, а при движении под
128

уклон — 35—40°. В обоих случаях учитывают давление ветра.
Удельную ветровую нагрузку принимают равной р = 0,25 кН/м2, а
общую силу от действия ветра определяют по формуле
P.=pF,	(6.59)
где F — наветренная площадь стрелы и кабины, м2.
Устойчивость обратной лопаты проверяют по двум расчетным
схемам. В первом случае (рис. 6.25, а) предполагают, что ковш
встретил непреодолимое препятствие при выходе из забоя. Тяговый
Рис. 6.25. Схема к определению рабочей устойчивости экскаватора, оборудован'
ного обратной лопатой
барабан при этом заторможен, и вся мощность двигателя расходу¬
ется на подъем рабочего оборудования.
Второе расчетное положение (рис. 6.25, б) соответствует раз¬
грузке липкого грунта на максимальном вылете ковша.
Устойчивость драглайна (рис. 6.26) проверяют в положении,
соответствующем повороту его на выгрузку. Угол наклона стрелы
аа принимают равным 25—30°. При этом ковш наполнен грунтом и
подтянут к голове стрелы, экскаватор работает на уклоне с углом
3—5°.
Коэффициент устойчивости драглайна определяют по уравнению
равновесия всех сил, действующих на машину относительно точки
А (рис. 6.26):
^	+	Мх	—	Мс	—	Л1СИ
•Мк+Г + jW"+r + Мур
где Л?а — момент от веса поворотной платформы и агрегатов, уста¬
новленных на ней; Мпр—то же, противовеса; Мх — то же, непово¬
ротной платформы и ходовой части; Мс — то же, стрелы; Мси — то
же, силы инерции стрелы; Мк+Г — то же, ковша с грунтом; Мк+г —
5—125
129

то же, от силы инерции ковша с грунтом; Mw — то же, от ветровой
нагрузки.
Опрокидывающие моменты можно определить по следующим
формулам:
Рис. 6.26. Схема к определению рабочей устойчивости экскаватора, оборудован¬
ного драглайном
Мл=Оа cos a (l4-\-a) — Oa sin а/г7;
-М,ф=0[ф cos а {l3-\-a)—Qnj> sin а
MX=GX соеаа — Gx sin а/г4;
Mc=-Gc cos а (l2 — a) — Gc sin ah3;
I
M«={Q<w4g]}lh +
■(I sin v + Acce y) +■
cos Y sin y
;
(6.60)
M,
K-f-r “
M"
= C?K+r cosa (/j —a) — GK+r sin aht;
Oka
On
Ml,
_ pH U •	f>"
'к-Vr	K-fr 1’ K + r
Mw=\y/t6i W = kq2Fit
где со — угловая скорость вращения поворотной платформы; W —
сила давления ветра; k — коэффициент сплошности (для сплошных
стенок &=1; для решетки &=0,4); F — подветренные площади.
Определение реакций в опорно-пово'ротном
устройстве осложняется тем, что распространенные в послед¬
ние годы шариковые и роликовые опорно-поворотные устройства
представляют собой статически неопределимые системы. Экспери¬
ментально установлено, что основная часть нагрузки воспринима¬
ется шариками (роликами), расположенными между продольными
балками поворотной платформы экскаватора в секторе с централь¬
ным углом рц=60° независимо от того, выходит или нет равнодей¬
ствующая нагрузка за пределы опорного контура (рис. 6.27).
130

Равнодействующую сил, действующих на опорно-поворотное
устройство, можно определить по расчетной схеме, показанной на
рис. 6.2». Для этого случая зна¬
чение касательной составляю¬
щей сопротивления грунта ко¬
панию Рк определяют из урав¬
нения равновесия моментов от¬
носительно оси напорного вала
всех сил, действующих на ковш
и рукоять. По значению Рк сле¬
дует определить и Яь'.
^в = [Л(^1 + а)"Ь^к + г(^2+а) +
+ Ор(/3-)-а)-}-Ос (/4-{-а)]/(2а) —
(6.61)
#B={PKVi~a)+0K+t{h-a) -f
а)~\~@с (А~а)]/(2а) —
~[Оа(1в+аИОпр(16 + а)}1(2а)
(6.6 Г)
Среднюю нагрузку на один
шарик (ролик) можно опреде¬
лить по формуле
P—RJn' или Р = р„/п', (6.62)
где п' — число шариков (роли¬
ков) в наиболее нагруженном
секторе опорного круга. Это
число
п'=п$ ц/(2я), (6.63)
где п — количество шариков
(роликов) в опорно-поворотном
устройстве; |3Ц — угол дуги, за¬
ключенный между продольны¬
ми балками; рц=60°.
Рис. 6.27. Схема нагружения опорно-по¬
воротного устройства
Рис 6.28. Схема к определению реакций
в опорно-поворотном устройстве
§ 6.4. Особенности конструкций и рабочие процессы
гидравлических экскаваторов
Рабочее оборудование гидравлических экскаваторов, как пра¬
вило, приводят в действие гидроцилиндры; механизмы поворота ■—
гидроцилиндры или гидромоторы; механизмы передвижения — гид-
s'
131

ромоторы. Рабочие давления в гидравлических экскаваторах ко!
леблются в пределах 10—35 МПа (100—350 кгс/см2).	I
На гидравлических экскаваторах устанавливают 2 3 рабочих
гидронасоса с двумя или тремя независимыми потоками рабочем
жидкости, что позволяет совмещать отдельные операции, сокращай
общую продолжительность цикла. Как правило, совмещают пово-
рудования
рот ковша и поворот рукояти, поворот платформы и подъем стрелы.
Основные элементы широкой номенклатуры сменного оборудо¬
вания гидравлических экскаваторов унифицированы. Один из ва¬
риантов схемы унификации показан на рис. 6.29. Основными эле¬
ментами рабочего оборудования являются коренная часть стрелы 1,
концевая часть ее 3, рукоять 5, гидроцилиндры 2, 4 и 6 подъема
стрелы, рукояти и ковша. Эти элементы сочетаются с рабочими
органами: ковшом обратной лопаты 12, ковшом прямой лопаты 8,
погрузочным ковшом 9, грейфером двухчелюстным 10, грейфером
многочелюстным 7, рыхлителем 11 и др.
Оборудование для планировочных работ в силу специфики
обычно не унифицируют с элементами основного оборудования и
выпускают как специализированное.
Рассмотрим устройство одноковшового гидравлического экска¬
ватора на примере наиболее распространенной неполноповоротной
модели на базе колесного трактора, показанной на рис. 6.30. На
тракторе 10 установлена гидросистема 9 с баком рабочей жидкости
и поворотная колонка 7, которая вращается относительно верти¬
кальной оси гидроцилиндрами 8. С этой колонкой шарнирно соеди¬
нены стрела 6 и гидроцилиндр 1 подъема стрелы. На стреле уста-
132

Рис. 6.30. Неполноповоротный гидравличе¬
ский экскаватор, оборудованный обрат¬
ной лопатой
ловлены рукоять 4 и цилиндр поворота рукояти 2. С рукоятью шар¬
нирно соединен ковш 5, который может поворачиваться гидроци¬
линдром 3. Таким образом, копание может производиться поворо¬
том ковша из пунктирного
положения в положение I
или поворотом рукояти с пе¬
ремещением ковша в поло¬
жения I, ..., V. Чаще всего
при копании обратной лопа¬
той первоначально зарезают-
ся в грунт поворотом ковша,
а затем заполняют ковш,
срезая стружку поворотом
рукояти. Рассматриваемая
модель экскаватора кроме
экскавационного оборудова¬
ния, установленного на пово¬
ротной колонке, имеет буль¬
дозерное оборудование 11,
расположенное впереди
трактора. Бульдозерный отвал поднимается или опускается гидро¬
цилиндром 12.
На рис. 6.31 показана та же модель гидравлического экскавато¬
ра, оборудованного прямой лопатой. Как видно из сопоставления
двух этих рисунков, все элементы рабочего оборудования унифици¬
рованы; для переоборудо¬
вания с обратной на пря¬
мую лопату достаточно
перевернуть на 180° ковш
5, закрепить его жестко
на рукояти 4 оттяжкой 6
и переставить оси крепле¬
ния штоков гидроцилинд¬
ров 2 и 3. При этом гидро¬
цилиндр 3 на обратной
лопате используют для
поворота ковша, а на пря¬
мой лопате — для откры¬
вания днища ковша.
Рассмотрим рабочий цикл обратной лопаты. После выхода ков¬
ша из забоя стрела с рабочим оборудованием и заполненным ков¬
шом поднимается, а поворотная платформа (или колонка) вместе с
рабочим оборудованием поворачивается к месту выгрузки. Выгруз¬
ка происходит при повороте ковша, после чего платформа возвра¬
щается в первоначальное положение и ковш опускается в забой.
Продолжительность полного цикла обратной лопаты без совме¬
щения операций несколько отличается от продолжительности цик¬
ла механического экскаватора:
*Ц = *к + *Р + *с + *п + ^ + *с+*р+*к’	(6.64)
Рис. 6.31. Неполноповоротный гидравлический
экскаватор, оборудованный прямой лопатой
133

где tK — продолжительность поворота ковша при копании; tv — то
же, рукояти при копании; tc— то же, подъема стрелы; t„ — то же,
поворота платформы к месту разгрузки; tn' — то же, поворота плат¬
формы в забой; tc' — то же, опускания стрелы в забой; tv' — то же,
поворота рукояти в рабочее положение; tK' — то же, ковша в рабо¬
чее положение.
Продолжительность каждой операции цикла, связанного с дви¬
жением рабочего оборудования, при полном использовании ходов
гидроцилиндров равно
*1 = У,1ЛЯ, (6.65)
где Vi — объем гидроци¬
линдра (или гидроцилинд¬
ров), выполняющего дан¬
ный элемент цикла; П„ —
расход насоса (или пото¬
ка рабочей жидкости),
приводящего в действие
данный гидроцилиндр.
Продолжительность по¬
ворота платформы опре¬
деляют по выражению
(6.4).
Благодаря многопоточной системе привода машинист может
включать одновременно два или три движения, совмещая их по вре¬
мени. При этом операции, продолжительность которых меньше про¬
должительности совмещаемых с ними операций, можно не учиты¬
вать. Например, если продолжительность поворота ковша меньше,
чем поворота рукояти, а время подъема стрелы — меньше времени
поворота, общую продолжительность цикла при совмещении этих
операций можно выразить так:
^ц —“Мп + О	(6.66)
Принципы действия гидравлической и механической прямой ло¬
паты одинаковы. Разница заключается в том, что все рабочие дви¬
жения гидравлические экскаваторы совершают с помощью гидро¬
цилиндров. Если у механического экскаватора стрела неподвижна
во время рабочего цикла, то у гидравлического она поднимается и
опускается. Ковш опорожняют открыванием его днища, как у ме¬
ханического экскаватора, или поворотом ковша относительно оси
крепления его к рукояти.
Устройство полноповоротного гидравлического экскаватора с
рабочим оборудованием грейфера показано на рис. 6.32. Грунт за¬
черпывается при смыкании челюстей 6 под действием гидроци¬
линдра 5. При этом режущая кромка грейфера перемещается по
траектории /, ..., V, соответствующей неподвижному расположению
точки А. Рукоять 4 соединена гидроцилиндром 3 со стрелой 2, а
стрела 2 гидроцилиндром 1 — с поворотной платформой экскавато¬
ра, благодаря чему напор на грунт создается силой тяжести всего
Рис. 6.32. Гидравлический экскаватор, оборудо¬
ванный грейфером
134

экскаватора. Вследствие этого могут преодолеваться высокие зна¬
чения касательных и нормальных составляющих сопротивления ко¬
панию. После подъема стрелы и поворота платформы гидромото¬
ром 7 грунт выгружается раскрытием челюстей грейфера.
Устройство телескопического планировочного оборудования по¬
казано на рис. 6.33. Рабочее оборудование совершает следующие
движения: поворот ковша 8 гидродилиндром 6\ втягивание и выдви¬
жение внутренней части стрелы 5 по отношению к наружной части
Рис. 6.33. Устройство телескопического планировочного оборудования
стрелы 4\ поворот стрелы относительно собственной оси в обойме
3 при помощи гидроцилиндров 7; качание стрелы в вертикальной
плоскости относительно цапф 9 при помощи гидроцилиндров 2.
При планировке откоса, как показано на рис. 6.33, ковш заглу¬
бляется в грунт поворотом относительно оси, соединяющей его со
стрелой. Равномерная стружка по всей длине откоса снимается пря¬
молинейным телескопическим движением стрелы.
После заполнения ковша стрела поднимается и платформа 1 по¬
ворачивается к месту выгрузки. При обратном повороте платфор¬
мы стрела выдвигается и опускается в забой. Последующий слой
грунта снимается после передвижки экскаватора на новую пози¬
цию. Планировка откоса может производиться при расположении
стрелы перпендикулярно бровке откоса или под некоторым углом
в плане. В последнем случае стрелу поворачивают относительно
своей оси так, чтобы режущая кромка ковша занимала наклонное
положение, параллельное планируемой плоскости.
Продолжительность цикла работы планировщика при совмеще¬
нии операций подъема и опускания стрелы с поворотом платформы
можно определить как сумму
^Ц — ^к-Мр+Ат + С	(6.67)
где tK — время поворота ковша; tp — время рабочего хода телеско¬
135

пической стрелы; tn, ta'—время поворота платформы к месту раз¬
грузки и к забою.
Схема устройства шарнирно-сочлененного планировочного обо¬
рудования показана на рис. 6.34. Это оборудование совершает сле¬
дующие рабочие движения: поворот ковша 1 гидроцилиндром 2;
плоско-поступательное перемещение ковша двухпараллелограмм-
ной рукоятью 3 при помощи гидроцилиндра 7; поворот ковша /
относительно шарнира 9 рукояти в плоскости, перпендикулярной
направлению копания при помощи гидроцилиндров 8\ поворот ру¬
кояти гидроцилиндрами 5; подъем и опускание стрелы 6 при помо¬
щи гидроцилиндров 4.
Подъем и опускание стрелы позволяет планировать горизон¬
тальные площадки выше или ниже уровня стоянки (рис. 6.34). По¬
следовательность выполнения работ шарнирно-сочлененным пла¬
нировочным оборудованием такая же, как и телескопическим.
§ 6.5. Общий расчет гидравлических экскаваторов
Расчет рабочего оборудования гидравлического экскаватора
обычно выполняют в два этапа. Первоначально определяют необ¬
ходимую мощность насоса по заданной производительности и ра¬
бочие размеры оборудования по техническим требованиям. На
втором этапе, исходя из выбранной мощности привода, проверяют
работоспособность рабочего оборудования в различных грунтовых
136

условиях и усилия, действующие на рабочее оборудование при
различных положениях ковша в забое.
Прсдваршсльпи иыиира 1 ь мохцность привода мо^кно по усилию
копания или удельной энергоемкости копания. Произвести расчет
по усилию копания можно тогда, когда известны размеры частей
рабочего оборудования, его конструктивная схема и скорость копа¬
ния. Для выбора мощности двигателя по удельной энергоемкости
копания достаточно знать только продолжительность копания,
определяющуюся в зависимости от продолжительности цикла.
Мощность насоса, затрачиваемая на копание поворотом рукояти
или поворотом ковша,
N = Рмжсъ/г\,	(6.68)
где Рмакс — наибольшее усилие на режущей кромке ковша, опреде¬
ляемое по формулам	(6.12) и (6.13); v — скорость	перемещения ре¬
жущей кромки	ковша	в точке, соответствующей	максимальному
усилию; г] — КПД системы поворота рукояти или ковша.
Для предварительного определения мощности насосов по удель¬
ной энергоемкости копания используют принцип равенства работы,
отданной насосами и затраченной на копание, из которого следует,
что
N=qKkkJ (/!KO1I^pTiTi0),	(6.69)
где г] — КПД системы поворота рукояти или ковша; т]о=0,8-^-0,9 —
коэффициент использования мощности привода.
В предварительном расчете не учитывают затраты энергии на
преодоление сил тяжести рабочего оборудования и грунта, поэтому
для компенсации этих затрат энергии гидронасосы и первичный
двигатель выбирают с запасом.
Расчеты, базирующиеся на использовании понятия удельной
энергоемкости копания, позволяют предварительно определить
объемы гидроцилиндров, обеспечивающих копание грунта (гидро¬
цилиндров поворота рукояти и ковша, рабочего хода планировщи¬
ка, замыкания челюстей грейфера).
Исходя из равенства работ, выполняемых гидроцилиндром и за¬
трачиваемых машиной на копание при заполнении ковша, можно
записать
pFaLnf\-4Q=qKkkJkf,	(6.70)
где р — давление рабочей жидкости гидросистемы; Ьц — рабочий
ход поршня.
Из полученного уравнения определяют потребный рабочий объ¬
ем гидроцилиндра
^u.=-F'aLJX=qKkkJ(pnr\okv).	(6.71)
Аналогично, исходя из определения работы, затрачиваемой на
преодоление сил тяжести, можно определить необходимые объемы
гидроцилиндров подъема стрелы с рабочим оборудованием:
<?ц=MghJpr\,	(6.72)
137

где М — масса рабочего оборудования, кг; йц — высота подъема
центра тяжести рабочего оборудования, м, определяемая по разно¬
сти отметок в верхнем и нижнем положениях его.
Зная необходимый рабочий объем цилиндра q4, можно опреде¬
лить его диаметр Д, и ход поршня Ьц по конструктивным сообра¬
жениям исходя из зависимости
х	qa = nDlLJ4.l	(6.73)
При этом потребная производительность гидронасоса равна
| nH=qa/U	(6.74)
L ..	I
где tр — время рабочего хода цилиндра, с.
Мощность привода гидронасоса
NH=nHp/rь	(6.75)
где Т1 — КПД гидронасоса.
При совмещении операций мощность привода экскаватора со¬
ставит
где 'ENi — сумма мощностей привода насосов, участвующих в сов¬
мещенных операциях.
На современных гидравлических экскаваторах обычно совмеща¬
ют две или три операции (например, подъем стрелы и поворот ру¬
кояти, подъем стрелы и поворот платформы). Во время передви¬
жения экскаватора насосы, приводящие в действие рабочее обору¬
дование, используют для привода передвижения. При этом выби¬
рать производительности насосов следует с учетом обеспечения за¬
трат энергии на передвижение машины с заданной скоростью.
Исходя из предварительно выбранных размеров элементов ра¬
бочего оборудования, гидроцилиндров и гидронасосов, проводят
уточненный проверочный расчет рабочего оборудования. Задача
этого расчета заключается в определении работы копания, обеспе¬
чиваемой машиной, и категории гранта, который может разраба¬
тывать экскаватор. Данные проверочного расчета используют так¬
же для расчета конструкции машин на прочность.
Копать грунт обратной лопатой гидравлического экскаватора
можно поворотом рукояти, как предусмотрено у механического
экскаватора (рис. 6.35), поворотом ковша (рис. 6.36) или совме¬
щенными движениями рукояти и ковша.
Возможности обратной лопаты гидравлического экскаватора
определяют аналогично возможностям механического экскаватора:
по схеме, представленной на рис. 6.35. При этом, исходя из усилия
Рц.р цилиндра рукояти, определяют возможное усилие копания Рк
для положений ковша I—VI. На графике, аналогичном представ¬
ленному на рис. 6.19, откладывают значения Рк и строят кривую /,
затем по условиям устойчивости машины строят кривую II. Кри¬
вую III, ограничивающую усилия копания по «всплыванию» рабо¬
138

чего оборудования, не строят, так как напорное усилие гидравличе¬
ского экскаватора не ограничивается массой рабочего оборудова-
ния.
Сопоставив график реализуемых усилий при копании поворотом
рукояти обратной лопаты гидравлического экскаватора с аналогич¬
ным графиком работы экскаватора с механическим приводом, мож-
Рис. 6.35. Схема усилий, действующих Рис. 6.36. Схема усилий, действующих
на оборудование обратной лопаты npif на обратную лопату при копании по-
копании поворотом рукояти	воротом	ковша
но увидеть, что обеспечиваемые усилия и работа копания при гид¬
роприводе большие из-за отсутствия ограничения по «всплыванию»
рабочего оборудования.
Рассмотрим процесс копания поворотом ковша. Схема усилий,
действующих на ковш, показана на рис. 6.36. Усилие гидроцилинд¬
ра поворота ковша Рцк определяют по формуле
Р^=рпОЦ4,	(6.76)
где р — давление в гидроцилиндре.
Касательное усилие на режущей кромке ковша
Р«=(Р*М ± GK+r/K+r)//i,	' (6.77)
где 1К — плечо действия силы Ра,к относительно оси Б поворота
ковша; 1\ — расстояние режущей кромки от оси £; GK+r — сила тя¬
жести ковша с грунтом; /к+г — плечо действия силы тяжести отно¬
сительно оси Б.
Строя график усилий в последовательности, изложенной выше,
получим значение обеспечиваемой удельной энергоемкости копа¬
ния
&i = ^iT]o/4k,	'	(6.78)
гдеЛ!—обеспечиваемая работа копания; г) = 0,8—0,9.
139

При предварительном расчете и выборе размеров гидроцилинд¬
ра поворота ковша необходимо учитывать, что из-за значительных
реактивных усилий в гидроиилиндрах поворота рукояти и стрелы
возможность копания одним поворотом ковша ограничена; обеспе¬
чиваемая удельная энергоемкость копания поворотом ковша ku как
правило, меньше удельной энергоемкости, обеспечиваемой с по¬
мощью поворота рукояти k.
При копании с совмещением поворотов ковша и рукояти пово¬
рот ковша в процессе копания использовать полностью не удается,
так как при повороте его на определенный угол создается отрица¬
тельный задний угол в процессе копания поворотом рукояти. Обес¬
печиваемую удельную энергоемкость копания в этом случае при¬
ближенно можно определять по выражению
0,5^ + 0.7А.	(6.79)
Значения коэффициентов при k\ и k можно уточнить графиче¬
ским построением исходя из условия, что отрицательного заднего
угла на режущей кромке ковша не будет при повороте рукояти в
любом рабочем положении.
Рассмотрим основные нагрузки, действующие на элементы обо¬
рудования в рабочей плоскости, и ограничения, которые наклады¬
ваются на выбор параметров рабочих гидроцилиндров возникаю¬
щими реактивными усилиями в элементах гидросистемы.
Рассмотрим наиболее характерный случай копания поворотом
рукояти, показанный на рис. 6.35. Реактивное усилие в гидроци¬
линдре поворота ковша /?ц.„ с запасом в большую сторону опреде¬
ляют из предположения, что нормальное усилие Ри=0:
^ц.к=(ЛА+°к+А+Жк>	(6.80)
где 1К — радиус окружности, описываемой режущей кромкой ковша
по отношению к оси Б его поворота; /к+1— плечо действия силы тя¬
жести ковша и грунта по отношению к оси Б\ 1ЦЛ( —плечо действия
реактивной силы ^цк гидроцилиндра поворота ковша.
Реактивное давление в гидроцилиндре поворота ковша
' Л,к = 4/?ц.к/№),	(6.81)
где DK — диаметр гидроцилиндра ковша.
Максимальную величину этого давления, ограничиваемую до¬
пустимыми давлением в трубопроводах и элементах гидроаппара¬
туры, принимают в пределах 1,5—2,0 от номинального давления
гидронасоса. Если давление рц.к превышает допустимое, необходи¬
мо пересмотреть схему рабочего оборудования и ограничить уси¬
лие Рк.
Реактивное усилие в гидроцилиндре поворота стрелы при копа¬
нии поворотом рукояти равно
Ра.с = (PJ'K PJ'H + ^K+r^Kj-r “t" *-Vp “Г Gc/;)//;.x,	(6.82)
где PK — усилие копания; /к' — плечо действия силы Рк относитель¬
но оси В поворота стрелы; Рн — нормальная составляющая усилия
140

копания на режущей кромке ковша, принимаемая с запасом; Рп=-
= 0,4Рк; Gс — масса стрелы и рукояти; 1Н' — плечо действия силы
Рt± оi iiGCiii Cviuiiu иСл и, f-к+г i tp , t-c — плечи действия сил веса ков*
ша с грунтом, рукояти и стрелы относительно оси В; 1Ц,С — плечо
действия усилия цилиндра стрелы относительно оси В.
Реактивное давление в гидроцилиндре поворота стрелы
p' = 4RaJ(nDl),	(6.83)
где Dc — диаметр гидроцилиндра стрелы.
За расчетное положение рабочего оборудования при определе¬
нии реактивного давления в гидроцилиндре стрелы принимают по¬
ложение I на рис. 6.35, при ко¬
тором реактивное усилие гид¬
роцилиндра стрелы является
наибольшим.
При копании поворотом
ковша (рис. 6.36) реактивное
усилие в гидроцилиндре пово¬
рота рукояти определяют из
уравнения моментов всех сил,
действующих на систему ру¬
коять — ковш относительно
шарнира А; реактивное усилие
в гидроцилиндре поворота
стрелы — из уравнения момен¬
тов сил, действующих на рабо¬
чее оборудование относительно
шарнира В. При этом силу Рн
принимают с запасом, Рв =
= 0,4 Рк.
Для оценки возможных ре¬
активных усилий, возникающих при работе обратной лопаты, необ¬
ходимо учитывать случай встречи ковша с непреодолимым препят¬
ствием (камнем, трубой и т. п.) при подъеме рабочего оборудова¬
ния гидроцилиндром стрелы. Максимально возможное касательное
усилие на режущей кромке ковша при этом возникает в положении
V по схеме на рис. 6.37 и равно
Рк = (Л,А - ОсГ - Ор/р- GK+cl’K+ryi'K,	(6.84)
где lc, lc", lv", ZK+r—плечи действия усилий в гидроцилиндрах
стрелы, весов стрелы, рукояти и ковша с грунтом относительно шар¬
нира В; U — плечо действия силы Рк, направленной по касательной
к окружности, описываемой режущей кромкой ковша при повороте
рабочего оборудования относительно шарнира В.
В этом случае реактивное усилие и реактивное давление в гид¬
роцилиндре поворота ковша определяют из уравнения моментов
сил, действующих на ковш относительно шарнира Б\ реактивное
усилие и реактивное давление в гидроцилиндре поворота рукояти —
Рис. 6.37. Схема усилий, действую¬
щих на обратную лопату при встрече
с непреодолимым препятствием
141

из уравнения моментов сил, действующих на систему рукоять —
ковш относительно шарнира А. Давления в гидроцилиндрах огра-
НИЧИРЯЮТ ТЯК ЖР КОК Л'КЯ'ЗЯТТП рт-,ТТТТР
Найденные усилия копания и усилия, развиваемые гидроцилинд¬
рами, позволяют определить усилия, действующие на элементы ра¬
бочего оборудования. Рассмотрим в качестве примера методику
определения этих усилий при копании поворотом рукояти. Усилие,
действующее на рукоять в точке В для случая копания поворотом
Рис. 6.38. Определение усилий, действующих на элементы обратной лопаты:
а — определение усилия, действующего на рукоять в точке Б\ 6—то же, действующих на
рукоять и стрелу в точках Л и В; в — схема усилий, действующих на рукоять; г — то же,
на стрелу
рукояти, по схеме сил, соответствующей положению V на рис. 6.35,
определяют графически по рис. 6.38, а. Способ определения уси¬
лий, действующих на рукоять и стрелу в шарнирах А и В, для то¬
го же расчетного случая показан на рис. 6.38, б. При этом сплош¬
ными стрелками показан многоугольник сил, действующих на руко¬
ять, а пунктирными стрелками — на стрелу. Схема усилий, дейст¬
вующих на рукоять, показана на рис. 6.38, е; схема усилий, дей¬
ствующих на стрелу, показана на рис. 6.38, г. Разложив получен¬
ные усилия на составляющие — вдоль нейтральной оси сечения и
перпендикулярную к нему — находят изгибающие моменты, а так¬
же растягивающие усилия в опасных сечениях стрелы и рукояти.
Копание грунта прямой лопатой происходит при повороте руко¬
яти, как это показано на рис. 6.39. Кромка ковша перемещается по
дуге /,..., VI; усилие Рк в каждой точке траектории определяют из
142

уравнения сил, действующих на систему рукоять — ковш относи¬
тельно точки А, исходя из усилия гидроцилиндра поворота рукояти.
Работоспособность оборудования проверяют аналогично работоспо¬
собности оборудования механического экскаватора (см. график на
рис. 6.9). Она ограничивается условиями мощности привода (кри¬
вая /) и устойчивости машины (кривая II). Площадь, ограничен¬
ная кривыми / и II, выражает реализуемую работу копания. При
этом удельную работу копания, обеспечиваемую прямой лопатой,
определяют по выраже¬
нию (6.25).
Способ определения
усилий в элементах обо¬
рудования прямой лопа¬
той аналогичен рассмот¬
ренному выше определе¬
нию усилий в элементах
обратной лопаты. Для
прямой лопаты с непово¬
ротным ковшом, показан¬
ной на рис. 6.39, расчет
упрощается, так как рас¬
сматривают один слу¬
чай — копание поворотом рукояти и определяют реактивное уси¬
лие лишь в гидроцилиндре стрелы.
Копание грунта гидравлическим грейфером производится замы¬
канием челюстей при помощи гидроцилиндра грейфера, как это
показано на рис. 6.32. Предполагают, что гидроцилиндры 1 и 3 за¬
перты и точка А подвески грейфера, жестко связанная со стрелой
экскаватора, неподвижна. Траектории перемещения режущих кро¬
мок челюстей грейфера при этом предположении построены на
рис. 6.40. При неподвижной точке подвески А нижняя головка грей¬
фера В под действием гидроцилиндра замыкания челюстей прохо¬
дит последовательно положения 1, 2, ..., 6, а режущие кромки че¬
люстей — соответствующие положения Г, 2', ..., 6'. Задавшись со¬
отношением нормальной и касательной составляющих усилий копа¬
ния Р„/Рк, можно найти направления и величины результирующих
усилий на режущих кромках челюстей Р\ и Р2' в любом положе¬
нии челюстей от единичного значения усилия (например, при PIti =
= 1 кН). Для этого случая принимают Р„= (0,3-т-0,7)Рк в зависи¬
мости от плотности грунта.
Графический метод определения усилий в элементах грейфера
при единичном значении усилий Рк1 и соответствующих им значе¬
ний Pi' и Р2' показан на рис. 6.40, б. Для упрощения построения
эпюры сил считают, что вся масса грейфера G сосредоточена в точ¬
ке А. Из многоугольника внешних сил, показанного на графике
жирными линиями, находят усилие P0i — пригрузка грейфера, а
из многоугольника внутренних сил, обозначенного тонкими линия¬
ми,— усилие гидроцилиндра замыкания челюстей Рп, соответст¬
вующее единичным значениям усилия Ркь
Рис 6.39. Схема усилий, действующих на
рабочее оборудование прямой лопаты гид¬
равлического экскаватора
143

Наибольшее фактическое усилие гидроцилиндра, зависящее от
давления гидросистемы,
PT=n[Dl~Dl)pI4,	(6.85)
где £>ц — диаметр цилиндра; Dm — диаметр штока; р — давление в
гидросистеме.
Из соотношения Рг и Рт\ определяют масштаб графика на рис.
6.40, б:
т=Рт/Рл.
(6.86)
5)
Рис. 6 40 Определение усилий, действующих на элементы жесткого грейфера.
а — схема перемещений; б — график усилий
Наибольшее фактическое усилие пригрузки, складывающееся
из силы тяжести грейфера G и прижимающего усилия стрелы Рс,
равно
Ро=тРои	(6-87)
откуда прижимающее усилие стрелы
Pc=mP01-G.	(6.88)
Касательное усилие на режущей кромке грейфера
Рц—тРух.	(6.89)
Отложив	по	оси	абсцисс отрезки 1-2,	2-3,	5-6	и	определив
значения Рк	в	точках 1', 2', ..., 6', можно построить уточненный гра¬
фик изменения усилий копания при замыкании челюстей и найти
площадь А, выражающую работу копания, выполняемую грейфе¬
ром.
Полная удельная энергоемкость работы, выполняемой грейфе¬
ром,
k = 2Ay\0/q,	(6.90)
144

где q — емкость грейфера; г]о = 0,7-^-0,8 — коэффициент использова¬
ния возможностей работы копания.
Разрабатывать грунт телескопическим планировщиком можно
поворотом ковша или втягиванием телескопа стрелы, как эго по¬
казано на рис. 6.41. При копании поворотом ковша его режущая
кромка перемещается из положения / в положение VI под дейст¬
вием усилия Рц.к гидроцилиндра поворота ковша. Расчет обеспечи¬
ваемой удельной энергоемкости при этом выполняют аналогично
расчету обратной лопаты.
Рис. 6.41. Схема усилий, действующих на телескопический планировщик
При копании Телескопическим движением стрелы режущая
кромка ковша перемещается из положения I' в положение VI'. При¬
мем PH = DPK, где £> = 0,4-f-0,6 — соотношение между нормальной и
касательной составляющими усилия копания. При таком предпо¬
ложении величину реакции в опоре Г телескопической части стре¬
лы можно определить по уравнению моментов сил относительно
опоры В для каждого рассматриваемого положения:
Я2=(/УР.К +£>ЛЛ.н — Gc sin а/с — Ок+г sin а/к+г)//,	(6.91)
или
R2=D1Pk~D2,	(6.92)
где Gс, GK+r — массы стрелы и ковша с грунтом; а — угол наклона
1елескопической стрелы к горизонту; 1Р.К, /рн, /с„ /к+г — плечи дей¬
ствия сил Рк, Рн, Gc sin a, GK+rsina относительно опоры В\ I — рас¬
стояние между опорами В и Г в данном положении телескопиче¬
ской стрелы; Dj = (/рк + £>/рн) //; А>= (Gc sin alc + GK+r sin a/K+r)//.
145

Абсолютную величину реакции в опоре В определяют по анало¬
гичному выражению
Р\ = ^Рк — Оа,	(6.93)
где А»=(/;.к 4-£/;.„)//; z?4=(Gc sin а/;+oft+P/;+p)//; /;к, /;_н, /;,
Г т — плечи действия сил Рк, Рн, Ос sin а, (7K+rsina, относитель¬
но опоры Г.
Усилие на режущей кромке ковша равно
Рк = Яг-Ос cotsa — GK+r cos a —^(^j-f ^2).	(6.94)
где ,11 = 0,1 — приведенный коэффициент трения на катках опор те¬
лескопической части стрелы; Рт — усилие, развиваемое гидроцн-
линдром телескопа стрелы.
После подстановки значений R2 и Ri из выражений (6.92) и
(6.93) получим
р _ яг— Gc COS а —Ок+г cos а + (#2 + A)	(g 95)
1 +},(/?! +D3)
Построением, аналогично предыдущему, графика усилий на ре¬
жущей кромке ковша в положениях I, II, .... IV, находим обеспечи¬
ваемую работу копания А и удельную энергоемкость копания k.
При копании поворотом ковша или втягиванием телескопиче¬
ской стрелы возникает реактивное усилие в гидроцилиндре подъ¬
ема стрелы
Я =	+ pJf.H —GJc- GK+rlK+r)/l,	(6.96)
где Рк — касательное усилие копания, определяемое по выраже¬
нию (6.95); Рп — нормальная составляющая усилия копания; Ри~-
= (0,4-^0,6)Рк; /р.к, /ри, /с, /к+г, I — плечи действия сил Pv, PlU Gc,
GK+r, Rc относительно оси А поворота стрелы.
Стрелу рассчитывают как консольную балку, опертую в точке А
и нагруженную усилиями Рк, Р„ и Рс. Усилия на опорах телеско¬
пической части стрелы определяют по выражениям (6.91) и (6.93).
Телескопические планировщики отличаются компактностью ра¬
бочего оборудования, позволяющей выполнять работы в самых
стесненных условиях. Недостатки их заключаются в сложности
конструкции телескопической стрелы и необходимости подвода ра¬
бочей жидкости к прямолинейно перемещающимся рабочим эле¬
ментам. Более просты по конструкции шарнирно-сочлененные пла¬
нировщики, у которых для прямолинейной траектории движения
ковша применены поворотные движения элементов рабочего обо¬
рудования. В качестве примера рассмотрим шарнирно-сочлененное
планировочное оборудование, схема которого показана на рис, 6.34.
Метод определения работоспособности оборудования при копа¬
нии поворотом ковша ничем не отличается от аналогичного расче¬
та, приведенного выше для обратной лопаты. Для выявления рабо¬
тоспособности шарнирно-сочлененного планировочного оборудова¬
ния при прямолинейном передвижении ковша под действием гид¬
роцилиндра двухпараллелограммной рукояти следует первоначаль¬
на

но определить пути перемещения режущей кромки ковша при со¬
ответствующих перемещениях штока гидроцилиндра.
Допустим, что положениям 1, 2	 7	по рис. 6 42 иттокя ги1ро-
цилиндра соответствуют положения 1', 2', ..., Т режущей кромки
ковша и ходам штока U, 12, ..., h соответствуют перемещения
V, /2', W режущей кромки ковша. При этом исходя из принци¬
па равенства работ усилия на ре¬
жущей кромке для каждого из
положений будут равны:
Р*, = Р*Ж	(6-97)
где Рк , — среднее усилие, разви¬
ваемое гидроцилиндром во время
копания на пути I/.
Из ряда значений Рк г- находят
его минимальную величину Р,< мин
и определяют возможную толщи¬
ну снимаемой стружки из соотно¬
шения
Л = ЯКМЙК/(^),	(6.98)
где k —- удельная энергоемкость копания для данного грунта; Ь —
ширина ковша.
Поскольку при планировочных работах требуется выдерживать
постоянную толщину стружки, в зависимости от прочности грунта
можно найти степень наполнения ковша
ka=bhLkvjqK,	(6.99)
где <7к — вместимость ковша; L — длина его хода.
Определение рабочих усилий Рк позволяет найти максимальные
значения реактивных усилий в гидроцилиндрах 2, 3, 6, 13 и нагру¬
зок, действующих на элементы рабочего оборудования.
§ 6.6. Гидравлические приводы одноковшовых экскаваторов
Основными конструктивными элементами гидравлического при¬
вода одноковшового экскаватора являются силовая установка,
включающая первичный двигатель и насосную группу, распредели¬
тельная система в виде золотников и аппаратов управления, гидро¬
цилиндры рабочего оборудования, гидроцилиндры или гидромоторы
механизма управления, гидромоторы хода, следящая система руле¬
вого управления, гидроцилиндры вспомогательных механизмов
(например, аутригеров), системы очистки и охлаждения рабочей
жидкости.
Рассмотрим в качестве примера блок-схему гидропривода, показанную на
рис. 6.43. От насосов рабочая жидкость подается к распределительным блокам
2 к 3. Блок 2 обеспечивает питание гидромотора поворота 6 и механизма пово¬
рота рукояти, а также дополнительного механизма грейфера. Блок 3 питает
гидромотор ходового механизма 9, гидроцилиндры подъема стрелы 10, поворота
ковша 11 и ковша погрузчика 12, замыкания челюстей грейфера 13.
Рис. 6.42. Схема усилий, действующих
на шарнирно-сочлененный планиров¬
щик
147

Кроме основных рабочих насосов на машине установлен вспомогательный
шестеренный насос 14, который через распределители 4 я 5 подает жидкость к
гидроцилиндрам поворота грейфера 16 и поворота колес 15 Отработавшая жид¬
кость чепея гЬитьтры 77 1% 1Q п«т п л-iv 9л "рсдс	2	и	3
могут подавать к механизму хода и поворота рукояти объединенные или раз¬
дельные потоки обоих насосов Такое исполнение гидросистемы позволяет уско¬
рить копание и получить два диапазона скоростей хода.
У сдвоенных насосов 1 имеется общий механизм поворота люлек. При повы¬
шении суммарного давления в магистралях поворотом люлек снижается подача
насосов В случае понижения давления подача повышается и благодаря само¬
регулированию обеспечивается полное использование мощности первичного дви¬
гателя без его перегрузки.
Силовая установка гидравлического одноковшового экскавато¬
ра состоит из двигателя, раздаточной коробки и группы гидрона¬
сосов. При включении двигателя гидрораспределитель находится в
таком положении, при котором напорная магистраль соединена со
сливом и насосы работают вхолостую.
Схема одного из типов силовой установки показана на рис. 6.44.
Раздаточная коробка прикреплена фланцем к картеру двигателя 1.
Вал отбора мощности соединен муфтой с входным валом разда¬
точной коробки. От этого вала движение передается двум шестер¬
ням, соединенным с блоком спаренных насосов 3. Насосы здесь
применены аксиально-плунжерные. При качании люлек подача их
изменяется, угол наклона люлек и соответственно подача насосов
148

Рис 6 44 Схема силовой установки
регулируется суммирующим регулятором 4, к которому подается
давление от напорных магистралей 5 двух насосов.
Внешняя характеристика сдвоенных насосов показана на рис.
6 45 При увеличении давления в напорной магистрали одного из
касосов снижается подача ра¬
бочей жидкости обоими наьо-
сами одновременно.
При равной частоте враще¬
ния насосов, связанных меха¬
нической передачей, на более
нагруженном насосе развива-'
ется большее давление и соот-
вественно реализуется большая
мощность. Таким образом, при
постоянной мощности первич¬
ного двигателя перераспреде¬
ляются потоки мощности меж¬
ду исполнительными органами,
а суммарная потребляемая мощность автоматически сохраняется
стабильной в широком диапазоне за счет изменения рабочих ско¬
ростей.
Поворотные механизмы у полноповоротных и неполноповорот¬
ных экскаваторов существенно различаются. Неполноповоротные
экскаваторы, как правило, по¬
ворачиваются при помощи гид¬
роцилиндров, а полноповорот¬
ные — гидромоторами.
Схема поворотного меха¬
низма, приводимого в действие
гидроцилиндрами, показана на
рис. 6.46. Штоки гидроцилинд¬
ров 1 соединены втулочно-ро-
ликовой цепью 2 со звездочкой
3, сидящей на валу 4 поворот¬
ной колонны. При подаче рабо¬
чей жидкости в надпоршневую
полость одного из гидроцилин¬
дров шток его втягивается, по¬
ворачивая цепью вал поворот¬
ной колонки 4. Второй конец
цепи одновременно перемеща¬
ет шток второго цилиндра.
Реверсирование поворота производится распределителями гид¬
росистемы. В моменты включения механизма или при резких оста¬
новках срабатывают предохранительные клапаны гидросистемы;
таким образом, разгон и торможение машины происходят при по¬
стоянном давлении настройки клапана и соответствующем этому
давлению крутящем моменте. Перепуск рабочей жидкости через
предохранительные клапаны нагревает ее.
Рис. 6 45 Внешняя характеристика
сдвоенных насосов
149

Схема поворотного механизма, приводимого в действие гидро¬
мотором, показана на рис. 6.47. От гидромотора через двух- или
трехступенчатый редуктор 2 движение передается поворотной ше¬
стерне 5. Последняя обегает венец 6, закрепленный на ходовой ча¬
сти машины, и поворачивает платформу 3, размещенную на пово¬
ротном круге 4. Разгон и
торможение поворотной
платформы происходит с по¬
мощью распределителей и
клапанов гидравлической
системы. Платформа в тран¬
спортном положении стопо¬
рится специальными механи¬
ческими фиксаторами.
Гидравлические экскава-
Рис. 6.46. Схема механизма поворота с при- торы выполняются на гусе¬
водом гидроцилиндрами	ничном или пневмоколесном
ходу. Машины одной раз¬
мерной группы на гусеничном и пневматическом ходах имеют, как
правило, унифицированные поворотные платформы со всеми агре¬
гатами. Гусеничные машины могут приводиться в движение при
помощи двух гидромоторов или одного. При наличии двух гидромо¬
торов каждая гусеница приводится своим гидромотором через пере¬
даточный (как правило,
планетарный) редуктор.
Управляют такой маши¬
ной с помощью гидравли¬
ческой аппаратуры. Нали¬
чие гидромоторов обеспе¬
чивает независимое ревер¬
сирование каждой гусени¬
цы. При движении одной
гусеницы вперед, а вто¬
рой — назад машина по¬
ворачивается относитель¬
но собственной оси на
месте, маневренность ее
повышается.
При установке на экскаваторе одного гидромотора хода гусе¬
ницы включаются механически, а поворачивают его стопорением
одной из гусениц.
Гидравлический экскаватор на пневмоколесном ходу может
иметь привод всей ходовой части от одного гидромотора или каж¬
дого колеса от своего гидромотора. При любом из видов привода
поворотом машины управляют рулевым механизмом с гидроуси¬
лителем, включенным в следящую систему с обратной связью (при
ней каждому положению рулевого колеса соответствуют опреде¬
ленные положения ходовых колес).
На рис. 6.48 показана гидрокинематическая схема пневмоколес-
Рис. 6.47. Схема механизма поворота с приво¬
дом от гидромотора
150

ного экскаватора с приводом ходовой части от одного гидромотора.
Двигатель 3 приводит в движение сдвоенные гидронасосы 2. свя¬
занные С ГПДроблХОМ 1> РабиЧДЯ ЖИДКОСТЬ ОТ ОДНОГО НЗ iiacucOI) iipil
помощи распределителей 4 может подаваться к гидромотору 6 ме¬
ханизма поворота 7 или к гидромотору 5 механизма хода. Распре-
Рис. 6.48. Гидрокинематическая схема пневмоколесного экскаватора
делители позволяют также направлять рабочую жидкость от обоих
насосов к механизму хода, что необходимо для обеспечения транс¬
портных скоростей экскаватора. От гидромотора движение пере¬
дается коробке 9, с помощью которой можно получить две скоро¬
сти. Выходной вал коробки передает движение переднему 11 и зад¬
нему 8 мостам ходовой части. Передний мост может отключаться
муфтой 10, что целесообразно делать при движении экскаватора с
высокой скоростью по хорошей дороге во избежание повышенного
износа резины. В механизме передвижения предусмотрена установ¬
ка аварийного тормоза, дополняющего систему гидравлическога
торможения машины.

ГЛАВА 7
ЭКСКАВАТОРЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Экскаваторами непрерывного действия называют землеройные
машины с активными рабочими органами, которые копают грунт_и-_
перемещают его одновременно и непрерывно. Непрерывность рабо¬
чего” процесса и использование всего рабочего времени на экска¬
вацию грунта обеспечивают более высокую производительность
экскаваторов непрерывного- действия по с. р а в шшдю-. л н о к о в ш о -
быми экскаваторами циклщцшсо действия, у которых на экскава-
цию г пун т я яятпячивается не более Г73~"рабочего времени7оста л fa¬
nfare’же 2/3 его расходуются на перемещение раоочего оТюрулова-
ии5Г~й~грутгга.
" Кмёсте с тем экскаваторы непрерывного действия менее уни¬
версальны, чем одноковшовые цикличного действия, и их можно
применять на работах строго определенного характера как по
форме выемки, так и по грунтовым условиям.
Наиболее широко применяют в строительстве многоковшовые
экскаваторы линейного действия для получения протяженных вые¬
мок прямоугольного и трапецеидального сечений. Эти экскаваторы
используют на прокладке нефте- и газопроводов, водопроводных,
канализационных и коммуникационных линий, при сооружении ка¬
налов и водоводов в мелиоративном строительстве.
Пди разработке	строительных	материалов	(глины,
гравия, песка) также применяют экскаваторы непрерывного дей¬
ствия. Преимуществом их на работах этого вида наряду с высокой
производительностью является измельчение добываемого сырья
(особенно глины) до однородной массы, необходимой для после¬
дующих операций ее обработки. Применение экскаваторов непре¬
рывного действия ограничивает наличие в грунте крупных камени¬
стых включений. Линейные размеры включений, как правило, не
должны превышать 7з ширины ковша.
Экскаваторы непрерывного действия различают в зависимости
от характера перемещения и конструкций рабочих органов, типов
привода, транспортирующих органов и ходовой части.
§ 7.1. Классификация и особенности рабочих процессов.
Рабочие и транспортирующие органы
Схема классификации экскаваторов непрерывного действия по¬
казана на рис. 7.1. Различные типы экскаваторов непрерывного
действия отличаются в основном характером перемещения рабочих
органов и их типами. По характеру перемещения рабочего органа
землеройные машины непрерывного действия разделяют на маши-
ны продольного, поперечного и радиального копания.
У машин продольного копания ГНИЩ явление копа-
ния совпадает с направлением перемещения рабочего опганя.
К'Эгой Труппе машин относятся машины с цепными и роторными
рабочими органами, ковшового и бесковшового типов, предназна¬
152

ченные для получения протяженных выемок прямоугольного и тра¬
пецеидального сечения.
N\ я ттт v ч ы Tj,n п^р е ч н п г о копания отличаются тем, что
плоскость движения режущих элементов их~рабочих органов пер-
пендикулярна направлению перемещения этих органов. К этой
группе машин относят машины с цепным рабочим органом ковшо-
Рис. 7.1. Классификация экскаваторов непрерывного действия
вого типа, предназначенные для карьерных, планировочных и ме¬
лиоративных работ.
У рятнн рягтияльнпгр копания плоскости движения режущих'
элементов поворачиваются в процессе работы относительно верти¬
кальной	ним	относятся,	в	первую	очередь,	роторные стрело-
вые экскаваторы, у которых вращающиеся роторы одновременно
поворачиваются вместе со стрелами относительно оси вращения
поворотной платформы. Машины этого типа предназначены для вы¬
полнения вскрышных, карьерных работ и образования крупных
выемок. На экскаваторах непрерывного действия применяют цеп¬
ные и роторные рабочие органы.
Цепной рабочий орган (рис. 7.2) представляет собой цепь 1, на
звеньях которой закреплены ковши или режущие элеме 1ты 2. Цепь
приводится в движение от звездочек 3 верхнего турасного вала и
153

огибает нижний (полевой) турас, выполненный в виде блоков 5,
свободно сидящих на оси. Верхняя ветвь ковшовой цепи опирается
на поддерживающие ролики 4, а нижняя может перемешаться в
жестких направляющих (рис. 7.2, а) или свободно провисать (рис.
7.2, б).
При движении цепи в направляющих ковши движутся прямо¬
линейно к сопротивление копанию, приложенное к режущей кром¬
ке, не может повернуть ковш,— этому препятствуют реакции на
J
Рис. 7.2. Цепной многоковшовый рабочий орган:
и — цепь в направляющих; б — свободно провисающая цепь; в — встреча ковша, закреплен¬
ного на свободно провисающей цели, с препятствием; / — цепь; 2 — ковш; 5 —звездочки
верхнего турасного вала; 4 — верхние поддерживающие ролики; 5 — огибные блоки; 6 — на¬
правляющие
направляющих. При движении цепи в направляющих обеспечивает¬
ся ровная поверхность забоя. Однако при встрече с непреодолимым
препятствием поднимается вся ковшовая рама, которую для этого
устанавливают на гибкой подвеске. Встреча с препятствиями ков¬
шовой цепи приводит к высоким динамическим нагрузкам и нару¬
шает ход рабочего процесса.
При свободно провисающей цепи ковш при копании поворачи¬
вается вместе со звеном цепи, на котором он закреплен, и удержи¬
вается в рабочем положении за счет натяжения цепи. На рис. 7.2, в
показан случай встречи ковша, закрепленного на свободно про¬
висающей цепи, с препятствием. Усилие на режущей кромке созда¬
ет момент РН, который уравновешивается натяжением цепи Рц на
плече Я0, стремящимся повернуть ковш в обратном направлении.
Величина Рц в значительной степени зависит от первоначального
натяжения цепи, определяющего ее свободное провисание. Если
цепь чрезмерно натянута, то плечо h0 окажется малым, а усилие Рц
для воспринятая момента Ph потребуется большое. Все элементы
цепи при этом будут испытывать высокие нагрузки. При недоста¬
точном первоначальном натяжении цепи ковши во время работы
будут поворачиваться на очень большой угол. Это приведет к рыв¬
кам при выходе ковша из забоя, колебаниям цепи и динамическим
1 54

нагрузкам. Поэтому для обеспечения нормального рабочего про¬
цесса весьма важно выдерживать оптимальное нятяжрнир
При свободно провисающей цепи, хотя ровная поверхность за¬
боя не выдерживается, но ковши могут более свободно обходить
непреодолимые препятствия в грунте. При встрече с камнем, как
показано на рис. 7.2, в, ковш отклоняется и обходит его. Такой про¬
цесс повторится несколько раз, пока камень не оголится и ковш не
захватит его.
Учитывая указанные особенности рабочего процесса, цепи с же¬
сткими направляющими применяют для
грунтах без каменистых включений, в
частности на экскаваторах поперечного
копания для разработки глины в карье¬
рах. Свободно провисающие цепи уста¬
навливают на машинах, работающих в
разнообразных грунтовых условиях,
включая грунты с каменистыми включе¬
ниями, в частности на всех траншейных
экскаваторах.
В процессе работы ковш цепного эк¬
скаватора совершает сложное движение:
вместе с цепью он перемещается относи¬
тельно машины, а вместе с машиной — по
отношению к разрабатываемому грунту. Методы определения абсо¬
лютных траекторий и скоростей движения ковшей (или режущих
элементов) описаны ниже.
Во время движения вдоль забоя ковш снимает стружку шири¬
ной b и толщиной hc.
У экскаваторов продольного копания ширина стружки равна
ширине ковша (рис. 7.3); у экскаваторов же поперечного копания
она зависит от скорости перемещения их и всегда меньше ширины
ковша. Если длина забоя будет равна L, то объем снятой стружки
с учетом коэффициента разрыхления kv составит
qc = bhcLkp.	(7.1)
Этот объем должен быть равен объему ковша qK, умноженному
на коэффициент наполнения:
?А bhcLkv.
Отсюда толщина снимаемой стружки
hc=qkH/bLkp.	(7.2)
В бесковшовом рабочем органе режущие элементы закреплены
непосредственно на цепи и срезаемый грунт увлекается ими или
специальными транспортирующими элементами вдоль забоя. В ре¬
зультате движения режущих элементов образуется поток грунт а се¬
чением
F = bh0k3'U,
работы в однородных
Рис. 7.3. Схема заполнения
ковша грунтом
155

где hQ — высота режущих (транспортирующих) лопаток; /г3.п
= 0,3-^0,5— коэффициент заполнения рабочего пространства.
ЛсЛидл	piiBcnCfBa	uuoCIvIGB	Ср^оаСГ*10Г0	II	1	р ЛПСПСрТПруСМОГй
грунта, можно записать
bhcnkp=bhQk3_n,
где п — число режущих элементов, находящихся одновременно в
забое.
Откуда находим допустимую тол¬
щину снимаемой стружки
hz=hQk3.J(nkv).	(7.3)
С превышением толщины снимаемой
стружки рабочее пространство пере¬
полняется, грунт ссыпается обратно
и производительность машины сни¬
жается. Толщину снимаемой струж¬
ки регулируют выбором скорости
перемещения экскаватора.
Роторный многоковшо¬
вый рабочий орган отличает-
ся от цепного тем, что ковши его за¬
креплены на вращающемся роторе,
а не на движущейся цепи. У ротор¬
ного рабочего органа в отличие от
цепного нет большого количества
шарниров, отсутствуют динамичес¬
кие нагрузки, возникающие из-за не-
равномерности скорости движения цепи, более высокий КПД. Бла¬
годаря этому можно применять более высокие скорости копания
и достигать большей производительности. Вместе с тем цепной ра¬
бочий орган для траншейных экскаваторов обеспечивает большую
глубину копания при равных габаритах машины.
На рис. 7.4 показана схема работы многоковшового роторного
рабочего органа продольного копания. Ковши срезают грунт и
поднимают его вверх к месту разгрузки. Для того чтобы грунт не
высыпался из ковшей во время подъема, предусматривается внут¬
ренний защитный кожух. В месте разгрузки кожух прерывается и
переходит в течку 2, направляющую грунт на разгрузочный конвей¬
ер. Ротор вращается с окружной скоростью v0 и одновременно вме¬
сте с экскаватором перемещается со скоростью v3. При этом ниж¬
ний ковш, совершая вращательное движение относительно оси ро¬
тора и поступательное движение вместе с ротором, снимает струж¬
ку, очертание которой заштриховано. Толщина снимаемой стружки
в радиальном направлении — величина переменная. В первом при¬
ближении ее можно определить по формуле
hc = c sin ср,	(7.4)
где с —- подача на один ковш, равная толщине стружки в горизон¬
тальном направлении.
Рис. 7.4. Схема работы многоков¬
шового роторного рабочего органа
экскаватора продольного копания:
1 — ковш; 2 — течка защитного кожу¬
ха; 3 — конвейер; 4 —нижний ковш
15*

Поскольку в горизонтальном направлении толщина стружки на
всей высоте забоя постоянная и равна подаче, общая площадь сни¬
маемой стружки составит F -ch. При отом ииосм снимаемой служ¬
ки с учетом коэффициентов разрыхления и наполнения должен
быть равен объему ковша:
qK=hcbkv/kH,	(7.5)
а подача
c = qKkH/(fibk р).	(7.6)
Конструктивную производительность земле¬
ройных машин непрерывного действия определяют
по выносной способности, под которой понимают наибольший воз¬
можный объем грунта, транспортируемого экскаватором в едини¬
цу времени. Для экскаватора с ковшовым рабочим органом конст¬
руктивная производительность
IJK=qKnkJkp,	(7.7)
где qK — объем ковша; п — число ссыпок в единицу времени.
Для экскаваторов с бесковшовым рабочим органом
nK = vpFpk3'„/kp,	(7.8)
где ур — скорость движения рабочих или транспортирующих эле¬
ментов; Fp — площадь сечения рабочего пространства; k3U — коэф¬
фициент его заполнения.
Техническую производительность землеройной машины непре¬
рывного действия определяют по балансу мощности в заданных
производственных условиях:
Л=(ЛГдв-ЛГо)/2*/.	(7-9)
где Nw — мощность двигателя, используемая длительное время
(обычно 0,8—0,9 от номинальной мощности); N0 — мощность двига¬
теля, расходуемая на затраты энергии, не зависящие от произво¬
дительности (обслуживание систем двигателя, управления, холо¬
стой ход механизмов); Hkt—удельные затраты энергии на копа¬
ние, транспортирование грунта, перемещение рабочего органа и
всей машины, пропорциональные ее производительности.
Выражение (7.9) можно представить в ином виде:
n=(N№-N0)/kQ,	(7.10)
где &0 = 2ki — суммарная энергоемкость производственного про¬
цесса в заданных условиях.
При данной номинальной мощности двигателя производитель¬
ность землеройной машины непрерывного действия зависит от ка¬
тегории разрабатываемого грунта, глубины выемки, дальности от¬
вала и других условий производства работ. Предполагая измене¬
ния переменных факторов, независимыми, можно определить сред¬
157

нюю (ожидаемую) производительность машины на данном объекте
или на совокупности объектов:
1де ко—математическое ожидание суммарной удельной энергоем¬
кости рабочего процесса на данном объекте или совокупности объ¬
ектов.
В качестве транспортирующих органов землерой¬
ных машин непрерывного действия широко используют ленточные
конвейеры. В последние годы наблюдается тенденция к увеличе¬
нию скоростей ленточных конвейеров и применению в ряде случа¬
ев метателей.
Особенностями ленточных конвейеров землеройных машин не¬
прерывного действия являются их малая длина, при которой зна¬
чительную роль приобретают условия разгона грунта на конвейер¬
ной ленте, затраты мощности на разгон грунта, а также использо¬
вание кинетической энергии для увеличения дальности отброса
грунта. Вследствие этих особенностей методы расчета и конструк¬
тивные решения конвейеров землеройных машин существенно отли¬
чаются от общетранспортных. С целью улучшения условий разгона
и увеличения дальности отброса грунта на экскаваторах продоль¬
ного копания применяют дуговые и V-образные конвейеры.
Схемы различных типов конвейеров показаны на рис. 7.5. Пря¬
молинейные конвейеры (рис. 7.5, а) просты по конструкции, но раз¬
гон грунта при этом происходит на наклонном участке, из-за чего
невозможно сообщить ему высокую скорость на малой длине уча¬
стка. V-образный конвейер (рис. 7.5, в) обеспечивает интенсивный
разгон грунта на горизонтальном участке и сбрасывание его под
необходимым углом к горизонту для увеличения дальности вы¬
броса.
Дуговой конвейер (рис. 7.5, б) тоже обеспечивает хорошие ус¬
ловия разгона и выброса грунта. Положительным его качеством
является также возможность перемещения конвейера по дуге в ле¬
вую и правую стороны от оси экскаватора, чем обеспечивается вы¬
брос грунта на любую нужную сторону. Недостаток этого вида
конвейера — конструктивная сложность, особенно при реверсивном
приводе для движения в любую сторону.
n=(NM-N0)/k0,
(7.11)
а)
Рис. 7.5. Схемы конвейеров:
а — прямолинейного; 6 — криволинейного; в — V-образного
158

На рис. 7.6 показана схема прямолинейного ленточного конвей¬
ера, установленного под некоторым углом а к горизонту. Общую
длину конвейера L можно разбить на три зоны: зону загрузки 1Л, в
которой грунт поступает на конвейер, зону разгона 10, на который
грунт разгоняется до скорости ленты, и зону равномерного движе¬
ния грунта длиной L—/3—/0 со скоростью, равной скорости ленты.
В зоне загрузки по мере поступления грунта на ленту количест¬
во его, проходящее через каждое поперечное сечение в единицу
времени, возрастает. На участ¬
ке /0 количество проходящего
грунта сохраняется, но пло¬
щадь поперечного сечения
грунта по мере увеличения при¬
обретенной скорости уменьша¬
ется. На участке L—/3—/0 ско¬
рость и поперечное сечение грун¬
та сохраняются стабильными.
Дифференциальное уравне¬
ние движения элементарной
массы грунта, лежащей на лен¬
те конвейера, имеет вид
dv
dt
= £>•([* cos a— sin а),
(7.12)
Рис. 7.6. Схема движения ^грунта на
ленточном конвейере
где fx — коэффициент трения грунта о ленту.
Разделив переменные и проинтегрировав полученное уравнение
в пределах от v0 до v и от 0 до t, получим
V	t
J dv=g ((л cos а — sin a) j* dt.
Vo	О
Отсюда
•a = t>0-|-g'(tA eos a — sin а)/,	(7.13)
где v0	— скорость	поступления грунта на ленту	конвейера;	v — пе¬
ременное значение скорости элементарной массы грунта.
Учитывая, что v = dl/dt, уравнение (7.13) можно представить в
виде
i	t	t
^dl=g ([J. cos a— sin a) ^tdt-\-vQ Г й/,
о	об
откуда
^ = £(Н' cos а — sin a)t2/2-\-v0t.	(7.14)
Из	выражения	(7.13) найдем значение t, при	котором	элемен¬
тарная масса грунта достигает скорости v:
V — v0
t =
cos a— sin a)
(7.15)
159

Подставив значение t из выражения (7.15) в (7.14), найдем дли¬
ну участка разгона грунта
v2 — vt	-	,
/ =	5	.	(7.1b)
2g (ц cos a — sin a)
Длина участка конвейера, на котором скорость грунта дости¬
гает скорости ленты конвейера и прекращает относительное сколь¬
жение грунта по ленте, будет равна
и2 — Vn	»
10=	2	2	 (7.17)
2g (ц cos а— sin a)
где ол — скорость движения ленты конвейера.
Из изложенного следует, что скорость движения потока грун¬
та и его сечение являются переменными. При этом производитель¬
ность ленточного конвейера землеройной машины определяют с
учетом условий формирования потока грунта в конце зоны загруз¬
ки, которую проходит весь грунт, поступающий на конвейер.
Скорость движения грунта в каждом элементарном слое исхо¬
дя из выражения (7.16) при Uq=0 равна
v=]/‘2gl(i>. cosa — sin а),
где l=hl3lh0 — длина пути разгона в данном слое; ha — высота вы¬
ходного сечения приемной части конвейера.
Рассмотрим условия формирования потока грунта в зоне за¬
грузки. Выделим элементарный участок dl (см. рис. 7.6) на зоне за¬
грузки /3. Из условия непрерывности потока получим элементарную
производительность экскаватора на участке
dfJ—v3bdl=bdhY‘2gl (р cos a — sin а),
где b — ширина загрузочного устройства; v3 — скорость поступле¬
ния грунта в загрузочное устройство; I — расстояние от элементар¬
ного участка до конца зоны загрузки; р— коэффициент трения
между движущимися слоями грунта.
Разделив переменные, получим
bdl/V2gl ({j. cos a — sin a) = bdhjva
или
\bdl[V2gl{v. cosa—sin a) = f bdh/v3.
о	о
Отсюда находим высоту слоя грунта, выходящего из зоны за¬
грузки:
h0 = 2v3l3b/bY2gk{\1- cosa— sin a).	(7.18)
Поскольку v3l3b~n, получим производительность экскаватора
при прямоугольном сечении потока грунта
17= (h0b V2gl3 (р cos a — sin a)
160

I
или H OQlUPM 1ЙЛв
П- Mi/' V%th (I4 fo* a — sin a;,
(7.19)
1'Дв Л* — кочффици»’» i нс|>аьномернос1и скорос1и иоюка грунха.
Для прямоугольного сечения потока грунта в зоне загрузки как
пока кию выше, /ги=0,5; для других конфигураций сечения грунта
оно будет колебаться в пределах 0,5—0,65.
Усилие, необходимое для перемещения ленты конвейера с грун¬
том (рис. 7.7), определяют по выражению
Р=Ог sin a -\-GTkn cosa-J-O^n cos a,	(7.20)
где Gv = gpFL— вес грунта, находящегося на ленте; р — объемная
масса грунта; F — площадь по¬
перечного сечения грунта; kn=
= 0,03-^0,06 — приведенный
коэффициент сопротивления
перемещению ленты на роли¬
ках; Gsl=(gR+gv)2L — сум¬
марная сила тяжести ленты с
роликами; и g"p— удельные
погонные силы тяжести ленты
и роликов (на единицу длины).
Мощность, затрачиваемая
на перемещение ленты конвей¬
ера с грунтом,
Ыл=(Pv/r\)=( l/ri)[‘Ugrp/7Z,sina +
+KvgpL cos а+®(£л +
+gp)2Z.£ncos а].	(7.21)
Учитывая, что Fv = П — производительность конвейера;
L sin a = h— высота подъема грунта; Lcosa=l — длина пути пере¬
мещения грунта по горизонтали, последнее выражение можно пред¬
ставить в виде
Мл=(Я/л) (gpA + Kglp) + (1/rj) (g* -{- g9) vkj.
17.22)
С учетом затраты мощности на разгон грунта Np = При2 полу¬
чим потребную мощность привода конвейера
Wk=(£6/t)) [П(gph -\- k„gplpv2) 2vlk„ (g\, + gp)],	(7.23)
где = 1,2	1,4 — коэффициент, учитывающий затраты мощно¬
сти на перегибы ленты, вращение концевых барабанов и др.
В выражении (7.23) первый его член означает затраты мощно¬
сти на подъем грунта, второй — на перемещение по горизонтали,
третий — на разгон грунта, четвертый — на вращение ленты с ро¬
ликами.
Следует учитывать, что полезно используется лишь половина
энергии, затрачиваемой на разгон грунта, объяснение чему дано
6—125	161

ниже. Для упрощения задачи рассмотрим горизонтальный конвей¬
ер. При разгоне массы т затрачивается работа
Al=mg^1=mgwi)t,	(7.24)
где t — время разгона; v — скорость ленты; / — путь ее за время
разгона.
Ускорение грунта на ленте равно
а=Р/т = mg^lm= ==vjt,
откуда t = v/(g\x).
Подставив значение t в (7.24), получим А\ = mv2.
Масса грунта приобретает кинетическую энергию А2 — mv2/2,
откуда КПД разгона г]р=
=А2/А [ = 0,5. Этим объясняет¬
ся, что затраты мощности на
разгон грунта в выражении
(7.23) определяются как
При2/ (2 • 0,5) = При2.
Грунт сходит с ленты кон¬
вейера, как правило, со скоро¬
стью, равной скорости ленты, и
несет запас кинетической энер¬
гии, благодаря которому увели¬
чивается дальность и высота
выброса грунта.
На рис. 7.8 приведена схема свободного полета грунта. Путь,
проходимый частицей грунта в горизонтальном направлении,
x=vt cos а.	(7.25)
Путь же, проходимый частицей грунта в вертикальном направ¬
лении, равен
y=vt sin a — gt2/‘2.	7.26)
Точка по горизонтали на уровне выброса будет достигнута при
у = 0, чему соответствует условие vts\na^=gt2l2, откуда t = 2v s'ma/g.
Подставив полученное значение t в выражение (7.25), найдем
расстояние выброса грунта по горизонтали
LB = 2v2 sin a cos a/g=v2 sin 2a/g.	(7.27)
Откладыванием координат положения материальной точки при
различных значениях t согласно выражениям (7.25) и (7.26) мож¬
но построить траекторию выброса грунта. Определим, какой угол
наклона к горизонту направления выброса обеспечивает наиболь¬
шую дальность выброса, для чего приравняем нулю первую произ¬
водную значения LB из выражения (7.27):
L'B~v2-2 cos 2a/g=0.
Рис. 7.8. Траектория выброса грунта
162

Отсюда а = 45°, а максимальная дальность выброса грунта
Выброс грунта позволяет увеличить дальность транспортирова¬
ния его без увеличения габаритов и массы машины. При этом, как
следует из выражения (7.27), дальность выброса грунта прямо про¬
порциональна квадрату скорости выброса.
На прямолинейном конвейере для повышения скорости выброса
требуется увеличивать длину разгона, что ограничено длиной кон-
а — лопастной; б—барабанный с подвижным кожухом; в —то же, с неподвижные
вейера. Практически рациональные скорости ленточных конвейеров
не превышают 6—7 м/с, что обеспечивает свободный выброс на рас¬
стояние не более 4—5 м.
Для увеличения дальности выброса грунта при сохранении ком¬
пактной конструкции землеройных машин начали применять спе¬
циальные метательные устройства, или, как их сокращенно газы-
вают, метатели. На рис. 7.9, а показан метатель лопастного типа,
применяемый на траншейных экскаваторах для двустороннего вы¬
броса грунта. Грунт, поступающий сверху на лопасти по направ¬
лению стрелки А, приобретает окружную скорость, равную скоро¬
сти лопастей г»л, и одновременно, вследствие центробежных сил,
относительную скорость о0. Сложение скоростей определяет Еели-
чину и направление скорости выброса v. К преимуществам лопаст¬
ного метателя относится простота и компактность конструкции, к
недостаткам — высокая степень рассеивания частиц грунта, сюдя-
щего с лопастей в разных точках окружности и под разными угла¬
ми выброса.
Для повышения скорости выброса и сохранения плотюсти
струи выбрасываемого грунта, необходимой для прицельного мета¬
ния, были созданы метатели барабанного типа с подвижным ко¬
жухом (рис. 7.9, б) и неподвижным (рис. 7.9, в). Грунт в метатель
такого типа поступает с торца (перпендикулярном плоскости чер¬
тежа). Он захватывается лопастями метателя, разгоняется и под
действием центробежных сил прижимается к кожуху. В той точке,
где наружный кожух прерывается, грунт выбрасывается по каса¬
тельной к окружности барабана.
Преимуществом метателей с подвижным кожухом является ис¬
(Г. 28)
Рис. 7.9. Типы метателей:
6*
163

пользование центробежных сил для увеличения силы трения меж¬
ду лентой и грунтом, благодаря чему грунт приобретает высокую
скорость на котором пути разгона и обеспечивается хорошая при-
цельность метания. К недостаткам таких метателей относятся вы¬
сокие нагрузки, действующие на криволинейную ленту, и сравни¬
тельно сложная конструкция.
Метатели барабанного типа с неподвижным кожухом просты по
конструкции, обеспечивают сравнительно хорошую прицельность
метания; недостаток их — высокий износ кожуха, особенно на аб¬
разивных песчаных грунтах. В связи с общими тенденциями интен¬
сификации рабочих процессов и повышения скоростей следует ожи¬
дать широкого применения метателей на землеройных машинах.
§ 7.2. Цепные траншейные экскаваторы.
Такие экскаваторы относятся к наиболее распространенным
землеройным машинам непрерывного действия. Применяют их_для
проклялки водопроводных и канализационных сетей, линий комму¬
никаций, трубопроводов. качестве рабочих органов на этих экс¬
каваторах применяют св~ободно провисающие цепи с ковшами или
скребками. *	~~
При ковшовом рабочем органе ковши 2, последовательно зачер¬
пывающие грунт, разгружаются при огибании верхнего турасного
вала 1, как показано на рис. 7.10; выгруженный грунт выносится в
отвалы транспортерами 7. Машины этого типа, как правило, имеют
гусеничный ход 8. На раме установлен двигатель 12 с раздаточной
коробкой И, от которой приводятся в действие турасный вал 1 ков¬
шовой цепи 3, ходовой механизм 9 и конвейер 7.
ном и системой наката

Одновременно от раздаточной коробки приводятся в действие
барабаны 10 подъема ковшовой рамы. Под действием этих бяряба-
нов ковшовая рама 4 перемещается на роликах 5 по дуговым на¬
правляющим 6, жестко закрепленным на раме машины. При эгом
рабочий орган поворачивается относительно центра О дуговых на¬
правляющих и одновременно перемещается вперед. При такой си¬
стеме навески уменьшается опрокидывающий момент от веса ков¬
шовой рамы в транспортном положении машины и давление на
грунт распределяется более равномерно. Привод турасного вала
при этом обеспечен цепной передачей, приводная звездочка кото¬
рой совмещена с центром О дуговых направляющих.
В более легких моделях цепных траншейных экскаваторов лет
системы наката, и ковшовая рама 4 при подъеме поворачивается,
как это показано на рис. 7.11, относительно оси 2, совмещенной или
расположенной вблизи верхнего турасного вала 1. При такой си¬
стеме навески изменяется распределение давлений на грунт в ра¬
бочем и транспортном положениях машины, но существенно упро¬
щается система навески и конструкция привода ковшовой цепи.
Траншейные цепные экскаваторы широко применяют в мелио¬
рации для укладки дрен. Для этой цели на ковшовой раме преду¬
смотрено трубоукладочное оборудование 3 в форме желоба, по ко¬
торому трубки опускаются вниз и укладываются в образующуюся
выемку, плотно прижимаясь одна к другой. В тех случаях, когда
необходимо покрыть дренажные трубки фильтрующим материалом,
за желобом устанавливают бункер, по которому этот материал опу¬
скается в траншею. В зарубежной и отечественной практике гон¬
чарные трубки все чаще заменяют пластмассовыми. В этом случае
на машине устанавливают рулон свернутой пластмассовой трубы 5,
который разворачивают по мере отрытия траншеи и хода экскава¬
тора.
Для соблюдения заданного уклона траншейные экскаваторы
снабжены автоматическими устройствами выдерживания глубины
копания. В качестве датчика сигнала используют копирную про¬
волоку, правильность положения которой проверяют нивелирными
165

приборами. Вдоль проволоки перемещается щуп, который подает
сигнал на механизм подъема ковшовой рамы. В последние годы в
is.i'iL'cibc Дс11чикив начали использивать свегивые лучи, в частности
лазерные.
Конструкция цепного траншейного экскаватора со скребковым
рабочим органом, смонтированного на базе колесного трактора,
показана на рис. 7.12. Ковшовая рама 1 вместе со скребковой
цепью 2, шарнирно закрепленной на оси турасного вала 5, подни-
Рис. 7.12. Схема цепного траншейного экскаватора со скребковым рабочим ор¬
ганом
166

мается гидроцилиндром. На этой раме установлены шнековые ст-
валообразователи 3, которые приводятся во вращение движущейся
скреикивий цепью через звездочку, посаженную на валу шнеков.
Схема образования отвалов показана на рис. 7.13. Масса грун¬
та, поднятого скребковой цепью, размещается по оси траншеи впе¬
реди рабочего органа в форме отвала 1. Шнековые отвалообразо-
ватели 2 перемещают грунт из первоначального отвала в боковые.?.
Кроме шнековых отвалообразователей применяют плужковые пас¬
сивного действия. Их располагают
вертикально с наклоном в плане к
продольной оси машины для переме¬
щения грунта из отвала 1 в боковые
по мере движения экскаватора.
Скребковая цепь (см. рис. 7.12)
приводится в движение от вала от¬
бора мощности трактора через кони¬
ческую и цилиндрическую передачи,
расположенные в раме 4 рабочего
органа; рама прикреплена с помо¬
щью фланца к задней стенке короб¬
ки передач трактора 6. Транспорт¬
ные скорости машине сообщаются
через трансмиссию трактора, рабо¬
чие — от гидромотора.
В рабочем режиме при передаче основной мощности двигателя
через вал отбора мощности ходовая трансмиссия отключается от
двигателя и соединяется с гидромотором. Последний питается эт
гидросистемы трактора через дроссель, позволяющий регулировать
количество рабочей жидкости, поступающей в гидромотор; тем са¬
мым бесступенчато регулируется и скорость передвижения экскава¬
тора. В передней части машины установлен отвал 8, поднимаемый
гидроцилиндром 7.
Ниже в качестве примера рассмотрена кинематическая схема
траншейного цепного экскаватора на гусеничном ходу с одномо¬
торным механическим приводом всех рабочих механизмов и гидрав¬
лическим приводом рабочего хода (рис. 7.14).
От вала отбора мощности 1 через валы 2 — 6 приводится ю
вращение верхний турасный вал 7, а через валы 8 — 13 — барабан
дугового конвейера. Для изменения направления движения леты
приводную цепь, соединяющую звездочку на валу 12 со звездоч¬
кой на валу 13, перебрасывают на звездочку на валу 14. Движе¬
ние машины с большими скоростями обеспечивается от вала 5 че¬
рез валы 15, 16, 17, 18. Левую или правую гусеницу включают
фрикционами, находящимися на валу 16.
На валу 8 установлен гидронасос 19, который питает гидро¬
мотор 20. При рабочих скоростях движение ходовому механизму
передается от гидромотора 20 через валы 21 и 22 я далее, как при
транспортных скоростях. Гидронасос 19 соединен с гидромотором Ю
через дроссель, регулирующий количество жидкости, поступающей
Рис. 7.13. Схема образования от¬
валов шнековыми отвалообразова-
телями
167

Рис, 7.14. Кинематическая сдемэ цепного траншейного экскаиатора с гидравлическим приводом рабочего
хода

в гидромотор, что позволяет бесступенчато регулировать скорость
передвижения машины. Следует отметить, что при дроссельном ре¬
гулировании теряется чястъ мощности двигателя, особенна На низ¬
ких «ползучих» скоростях. Но поскольку скорости рабочих пере¬
движений машины невелики и затраты мощности на рабочее пере¬
движение, как правило, не превышают 5% от установочной мощ¬
ности двигателя, на общем балансе мощности эти потери практи¬
чески не сказываются. На более мощных высокопроизводительных
машинах для бесступенчатого регулирования устанавливают насо¬
сы переменной производительности, у ко¬
торых потребляемая мощность соответст¬
вует расходу рабочей жидкости и потери
мощности отсутствуют.
Производительность многоковшового
траншейного цепного экскаватора опреде¬
ляют по выражению
n=qKnkJk р,	(7.29)
где <7К — вместимость ковша; п — число
ссыпок.
В свою очередь, число ссыпок зависит
от скорости ковшовой цепи и расстояния
между ковшами
n=vJLK,
где Уц — скорость ковшовой цепи; Ьк
Из (7.29) и (7.30) получаем
Рис. 7.15. Схема определе¬
ния шага ковшей
(7.30
шаг ковшей.
Г7--
=<7к
(7.31)
Выражение (7.31) показывает, что повысить производительность
можно увеличением объема ковшей, скорости цепи и уменьшением
расстояния между ковшами. Увеличение скорости цепного рабоче¬
го органа, как указывалось выше, ограничивается условиями дина¬
мики и износа. Практически у цепных траншейных экскаваторов
эта скорость не превышает 1 м/с. Шаг ковшей при обычной гра¬
витационной разгрузке через заднюю кромку ограничен условия¬
ми разгрузки. Дл-Я того чтобы грунт не высыпался из переднего
ковша в следующий за ним, необходимо выдержать условие
(рис. 7.15), чтобы время свободного падения грунта с передней ча¬
сти ковша до пересечения с траекторией движения передней кром¬
ки последующего ковша не превышало времени подхода следую¬
щего ковша к этой точке, т. е.
1оК<У5Ш,	(7-32)
где L0 и у— участки пути на рис. 7.15.
Таким образом, из условия обеспечения нормальной работы ков¬
шовой цепи число ссыпок для данной вместимости ковша является
величиной достаточно стабильной, и существенно увеличить произ¬
169

водительности машины можно путем увеличения вместимости ков¬
ша в связи с увеличением массы и габаритов машины.
Траектория движения режущей кромки ковша зависят от дви¬
жения ковшовой цепи по отношению к экскаватору и перемещения
экскаватора по отношению к грунту, как это показано на рис. 7.16,
а. Если обозначить скорость ковшовой цепи через с/ц, а скорость
экскаватора — иэ, то скорость движения ковшей по отношению к
грунту составит
^=^ + ^9-
Рис. 7.16. Схема работы ковшовой цепи
При этом режущая кромка каждого ковша (рис. 7.16, в) сни¬
мает стружку толщиной
8 = esin[3,	(7.33)
где с — подача на один ковш; Р — угол наклона траектории дви¬
жения ковша.
Из рассмотрения картины скоростей, представленной на
рис. 7.16, б, видно, что
tgp= 	.	(7.34)
s г е/ц cos a +v3	v
Как известно, производительность траншейного экскаватора
fl=bhv3,	(7.35)
где b — ширина отрываемой траншеи; h — глубина ее.
Сопоставив это выражение с (7.31), получим уравнение
bhv~
Q«Vя^н
LKk р
170

откуда найдем необходимую скорость движения экскаватора
Va~ LKbhkv\ ■
Из рассмотрения выражений (7.35) и (7.36) следует, что лри из¬
менении глубины отрываемой траншеи скорость экскаватора дол¬
жна изменяться. Выражения (7.31) и (7.36) получены исходя из
предположения о полном использовании вместимости ковшей и
выносной способности экскаватора. Однако это правильно лишь
для случаев работы на наиболее легких грунтах. При работе же на
тяжелых грунтах исходя из баланса мощности привода ковши пол¬
ностью не заполняются и производительность экскаватора сни¬
жается.
Эти обстоятельства обусловливают необходимость обеспечения
широкого диапазона скоростей передвижений траншейных цепных
экскаваторов. При этом, если скорости изменяются дискретно, не¬
избежны неполное использование мощности двигателя и потери воз¬
можной производительности: чем реже ступени передач, тем эти
потери будут большими. Учитывая это, на траншейных экскавато¬
рах с механическим приводом рабочего хода устанавливают слож¬
ные многоступенчатые коробки передач. При бесступенчатом же
изменении рабочих скоростей картина меняется: всегда можно вы¬
брать скорость, соответствующую полному использованию мощно¬
сти двигателя при данной глубине копания в данном грунте. Наи¬
более простое и надежное решение бесступенчатого изменения ско¬
ростей обеспечивается применением гидравлического привода рабо¬
чего передвижения.
Мощность двигателя траншейного экскаватора расходуется на
приводы ковшовой цепи, транспортеров, механизма передвижения
и вспомогательных систем (охлаждение, управление и др.).
Мощность привода ковшовой цепи (см. схему на рис. 7.16) за¬
висит от мощности, расходуемой на копание грунта, его подъем,
перемещение по горизонтали и перемещение ковшовой цепи.
Мощность привода, Вт, расходуемая на копание,
NK=kf7/\,	(7.37)
где k — удельная энергоемкость копания, Н-м/м3; ri4 — КПД при¬
вода ковшовой цепи.
Мощность, Вт, расходуемая на подъем грунта,
Nn=J7?g	+й0)/т]ц,	(7.38)
где р — объемная масса грунта, кг/м3; h — глубина копания, м;
h0 — высота подъема грунта от дневной поверхности до места раз¬
грузки, м.
Мощность, Вт, расходуемая на перемещение грунта по горизон¬
тали,
NT=n?glTflr\ц,	(7.39)
171

где It — длина горизонтальной проекции ковшовой цепи, м; / — при¬
веденное сопротивление перемещению ковшовой цепи или коэффи¬
циент трения грунта по грунту при скребковой цепи.
При определении мощности, расходуемой ковшовой цепью, учи¬
тывают, что составляющие от сил массы G4 верхней и нижней вет¬
вей, направленные вдоль цепи, уравновешиваются, а составляю¬
щие, перпендикулярные направлению движения цепи, — суммиру¬
ются. Тогда мощность, расходуемая на перемещение ковшовой цепи,
N^=2WglTvnma.„,	(7.40)
где W—приведенные сопротивления перемещению цепи; тц. п =
== Шц/Ь — масса цепи погонная с ковшами или скребками, кг/м;
гц — скорость движения цепи, м/с; тц — масса ковшовой цепи с
ковшами, кг; L — общая длина ковшовой цепи, м.
Суммарная мощность привода ковшовой цепи
ЛГк.ц=ЛГк+ЛГи+ЛГг + ЛГц.	(7.41)
Сопротивление передвижению машины складывается из сопро¬
тивления передвижению собственно машины и составляющих уси¬
лия копания. Усилие копания на ковшовой цепи Рц можно опреде¬
лить по выражению
Мощность, необходимая для привода передвижения экскава¬
тора,
A^.ep='w3["*9g'(/ + i) + JD.I(sin ? + /cosP)]u.ep, (7-42)
где m3 — масса экскаватора, кг; / — приведенное сопротивление
передвижению; i — уклон, преодолеваемый экскаватором; Рц— со¬
противление копанию, кг; |5 — угол наклона траектории движения
ковшей к горизонту; v3 — скорость передвижения машины, м/с;
Т|пер — КПД механизма передвижения.
Учитывая, что скорость передвижения экскаватора va = П/F,
м/с, где F — площадь сечения отрываемой траншеи, м2, выраже¬
ние (7.42) можно переписать в виде
^r,ep=/7[OT8g-(/+/) + Pu(sin P + /cosP)]/(.Fiinep). (7.43)
Мощность привода конвейера определяют по выражению (7.23).
Из приведенных выше выражений очевидно, что основная часть со¬
ставляющих баланса мощности прямо пропорциональна производи¬
тельности П. Поэтому суммарную мощность привода можно пред¬
ставить в виде
N=I7k g-j-TVo,	(7.44)
где k0 — приведенная удельная энергоемкость рабочего процесса в
данных условиях; N0 — мощность, затрачиваемая на привод вспо¬
могательных механизмов и холостой ход.
172

Усилие, действующее на ксвшовую цепь,
Р=РС'±РЯ,	(7.45)
где Рст = NK ц/уц — стационарная нагрузка; Рд — динамическая
нагрузка.
Динамическая нагрузка возникает вследствие того, что от дей¬
ствия звездочки турасного вала ковшовая цепь движется с перио¬
дическим ускорением и замедлением скорости.
При равномерном врашении турасной звездочки любая из ее
граней (рис. 7.17) имеет окруж¬
ную скорость v = u>R. Угол пово¬
рота грани относительно оси звез¬
дочки ф==со^. При этом составля¬
ющая скорости, направленная
вдоль цепи, ац=сoR cos cot, а ус¬
корение цепи
ац= 0 ц =(«2/? sin <в/.
Ускорение в точке А при набе¬
гании звена цепи на грань звез¬
дочки аЦА — «и2/? sin р' и, соответ¬
ственно ускорение в точке Б
ацБ=—со2R sin р'.
Учитывая, что ®=2лп, где п —
частота вращения, 1/с, и что синус
половины угла, охватываемого
гранью, равен sinp = LT/2R, по¬
лучим величину изменения ускорения цепи при повороте турасного
вала на одну грань:
a = auA — a„£=40n.2LT.	,7.46)
Это изменение ускорения вызывает динамическое усилие в цепи
Яд=40/пц+1Сп21т,	,7.47)
где тц + к — масса цепи с ковшами, кг.
Из выражения (7.46) следует, что динамические усилия в цепи
прямо пропорциональны квадрату числа оборотов и длине звена
цепи. Поэтому для снижения динамических нагрузок можно при¬
менять мелкозвенные цепи и звездочки большего диаметра с боль¬
шим количеством граней. Из-за этого, однако, увеличиваются кру¬
тящий момент на турасном валу и число шарниров. Поэтому трак-
тически число граней на турасных звездочках принимают п = 6
-г- 8, а длину звеньев — равной высоте ковша.
§ 7.3. Роторные траншейные экскаваторы
Роторный рабочий орган позволяет существенно увеличить ско¬
рость копания по сравнению с цепным в связи со снижением дина¬
V=0OR
Рис 717 Определение динаммеских
нагрузок, действующих на ковиовую
цепь
173

мических нагрузок, трения в шарнирах и более высокого КПД. По¬
этому роторные траншейные экскаваторы являются наиболее про¬
изводительными машинами для прокладки траншей. Их широко
применяют для прокладки нефте- и газопроводов, водопроводов и
на других видах земляных работ — там, где требуется высокий
темп прокладки траншей.
Конструктивные схемы роторных траншейных экскаваторов раз¬
личаются способами соединения рабочего органа с базовым тяга-
Рис. 7.18. Конструктивная схема роторного траншейного экскаватора
чом. Экскаваторы выпускают навесные и полунавесные. Последние
могут опираться на грунт в рабочем положении или в рабочем и
транспортном.
На рис. 7.18 показана схема наиболее распространенного в
СССР типа траншейного роторного экскаватора, смонтированного
на базе серийного гусеничного трактора.
Силовая установка 1 расположена на тягаче 11. Рама 6 рабо¬
чего органа опирается передним концом на ползун 10, перемещаю¬
щийся по направляющим 3, жестко установленным на тягаче. Пол¬
зун перемещается гидроцилиндром 2 через полиспаст. Вторым кон¬
цом рама рабочего органа опирается на рояльное колесо 7, которое
при изменении курса экскаватора поворачивается относительно
вертикальной оси, соединяющей его с рамой. Ковши 9 рабочего ор¬
гана закреплены на двух кольцевых обечайках, которые враща¬
ются на роликах, установленных на раме. Внутри кольцевых обеча¬
ек установлены сквозные конвейеры 5, проходящие внутри ротора.
Привод ротора обеспечивается с помощью шарнирно-сочлененной
цепной передачи 4, которая изменяет положение в пространстве в
зависимости от положения ротора.
При изменении глубины копания ползун 10 перемещается вверх
или вниз по направляющим 3. Соответственно перемещается ротор
174

и зачистное устройство 8. При подъеме ползуна вверх заднее ко¬
лесо будет подниматься по наклонной разрабатываемой поверхно¬
сти дна траншеи до тех пор, пока рама вновь не установится в го¬
ризонтальное положение на новом уровне. При опускании юлзуна
вниз ротор и зачистное устройство опускаются по отношению к зад¬
нему опорному колесу, которое при передвижении машины будет
заглубляться в траншею до тех пор, пока рама не установится на
новом уровне.
Взаимное расположение ротора, транспортера и привода пока¬
зано на рис. 7.19. На раме 5 установлены ролики 6, на которых
вращаются обечайки 7 с закреп¬
ленными на них ковшами 8. На
обечайках закреплены также це¬
вочные венцы 1, с которыми вхо¬
дят в зацепление звездочки 2,
приводимые в действие цепными
передачами 3. Внутри ротора на
раме установлен конвейер 4.
Грунт, поднятый ковшами вверх,
ссыпается на ленту конвейера и
выносится в отвал.
Экскаватор в транспортном
положении может перемещаться
с опорой на заднее колесо (полу-
навесная система) или без опоры
на заднее колесо (навесная сис¬
тема). В последнем случае после
подъема переднего ползуна рама Рис. 7.19. Схема расположена ро-
экскаватора поворачивается отно-	тора’ конвейеРа и привода
сительно шарнира ползуна при
помощи полиспаста, как показано на рис. 7.20, а.
Кроме представленной на этом рисунке системы соединения ра¬
бочего органа с тягачом при помощи ползуна, перемещающегося
по жесткой вертикальной направляющей, применяют систему с на¬
клоняющейся стойкой (рис. 7.20, б) и шарнирно-сочлененную наве¬
ску (рис. 7.20, в). При этих системах навески машина в транспорт¬
ном положении является навесной.
Привод роторных экскаваторов может быть одно- и многомо¬
торным. В качестве примера одномоторного привода с механиче¬
ской трансмиссией рассмотрим кинематическую схему роторного
траншейного экскаватора, показанную на рис. 7.21.
От вала двигателя I движение через дополнительный редуктор 2
передается коробке передач 3, а от нее к бортовым редукторам 4 и
дополнительным редукторам 5, которые приводят в действие звез¬
дочки гусеничного хода. У редуктора 2 имеются два выходных ва¬
ла: быстроходный, соединенный на прямую с валом двигателя (для
обеспечения транспортных скоростей передвижения) и тихоходный
(для рабочих скоростей). Из коробки передач 3 выходит вел от¬
бора мощности, который соединен с раздаточным редуктором 6.
175

В рабочем положении основной поток мощности от раздаточной ко¬
робки через дифференциал 7 и цепные передачи 8 передается звез¬
дочкам привода ротора 11. От валов звездочек движение передает¬
ся реверсивному редуктору 9, а от него через цепные передачи к
приводным барабанам конвейера 10. Привод ротора через диффе¬
ренциал 7 обеспечивает равномерное распределение нагрузок меж¬
ду двумя ветвями цепных передач
и цевочных зацеплений привода
ротора. При таком решении необ¬
ходимо обеспечить поперечную
жесткость ротора для восприня¬
тая несимметрично приложенных
нагрузок к ковшам во время ко¬
пания. Между раздаточным ре¬
дуктором и дифференциалом ус¬
тановлена муфта предельного мо¬
мента, которая срабатывает при
встрече с непреодолимым препят¬
ствием и снижает динамические
нагрузки в трансмиссии.
В качестве примера многомо¬
торного привода дизель-электри-
ческого экскаватора рассмотрим
кинематическую схему на рис.
7.22. От двигателя 1 приводится в
действие генератор 2 через редук¬
тор 3. Одновременно от выходно¬
го вала этого редуктора движение
в транспортном режиме передает¬
ся редуктору хода 5, а от него че¬
рез борт-редукторы 14 — звездоч¬
кам гусеничного хода. В рабочем
режиме редуктор хода приводится
в действие гидромотором 4, пита¬
емым гидронасосом 6 переменной
производительности. Гидронасос
установлен на раздаточном редукторе; на нем же смонтированы
гидронасосы 12 и 13 управления. Привод ротора осуществляется
от электромотора 9 через редуктор 7 с дифференциалом, распреде¬
ляющим поровну поток мощности на левую и правую звездочки
привода цевочных зацеплений. V-образный конвейер приводится в
действие тремя электромоторами 8, 10, 11, из которых один приво¬
дит в действие нижний барабан, а два — верхний.
Установка ковшей на роторе показана на рис. 7.23. К обечай¬
ке 1 приклепаны сегменты 2 цевочного зацепления и козырьки 3
ковшей. Сзади ковши ограничены цепными днищами 4. Эти днища
в верхнем положении ковша прогибаются, встряхиваются, что спо¬
собствует лучшему опорожнению ковшей. Козырьки ковшей осна¬
щены режущими зубьями 5, которые вставлены в гнезда 6. Для
Рис. 7.20. Схемы навесок рабочего ор¬
гана
a — с вертикальными направляющими; б —
с наклонными направляющими; в — шарнирно-
сочлененная
176

Рис. 7 21. Кинематическая схема одномоторного экскаватора с механической трансмиссией

Рис 7 22 Кинематическая схема многомоторного экскаватора с дизель-электрическим приводом

работы на обычных грунтах применяют зубья из легировшных
термически обработанных сталей; для работы на плотных и мерз¬
лых грунтах зубья оснащают пластинками из твердых сплавов.
Порядок расстановки зубьев на ковшах, показанный на рис. 7:2б,
б, выбран такой, чтобы зубья на ковшах чередовались и обе;печи-
вался равномерный крупный скол грунта резцами. Для этого в каж¬
дом ряду число зубьев на каждом ковше ограничено (2—3).
в)
Рис 7 23 Схема установки ковшей на роторе
/—VII — номера ковшей
Производительность экскаватора по грунту в плотном теле со¬
ставит
П =qKnkJkp—qKtipmkJkp,	(7.48)
где п — число ссыпок; пр — частота вращения ротора, \!° т —
количество ковшей на роторе.
Независимо от емкости ковшей и числа ссыпок производитель¬
ность траншейного экскаватора будет равна
I7=vabh.	(7.49)
Сопоставив (7.48) с (7.49), получим зависимость
vBbh=qKnpmkH/kp,	(7.50)
устанавливающую связь между размерами траншеи, скоростью пе¬
редвижения экскаватора, вместимостью ковшей, их количеством и
числом оборотов ротора.
Подача на один ковш
c=vBt,	(7.51)
179

где t — время между ссыпками;
t=nD/mvр,
(7.52)
где D — диаметр ротора; vP— окружная скорость его.
Подставив (7.52) в (7.51) и учитывая, что op=jtDnp, получим
c=vjmnp.	(7.53)
Скорость перемещения режущей кромки ковша является резуль¬
тирующей векторов окружной скорости ротора vp и скорости пере¬
мещения экскаватора уэ. При различных углах поворота ротора ре-
Рис. 7.24. Картина скоростей перемещения ковша
зультирующая этих скоростей будет изменяться по величине и на¬
правлению.
Схема движения ковша показана на рис. 7.24. При перемеще¬
нии ротора на расстояние s? режущая кромка ковша повернется на
угол <т и опишет кривую АВ. Горизонтальная составляющая ско¬
рости
Vr = Vp COS
Вертикальная составляющая скорости
ve=vp sin ср.
Угол наклона результирующей скорости к горизонту
Ур sin tp
i=arctg
Vp COS f + v9
(7.54)
При горизонтальном положении ковша (cp = 90°)
,8=arctg —.
Угол наклона касательной к траектории резания |3 всегда мень¬
ше угла наклона касательной окружности ротора ср в точке распо¬
ложения ковша. Касательная к траектории резания отклоняется от
касательной к ротору на 3—6°, что нужно учитывать при выборе
заднего утла режущей кромки и зубьев ротора.
180

Как следует из рис. 7.24, б, при постоянной подаче а на один
ковш толщина стружки 6 изменяется. С достаточным прибликени-
ем можно написать зависимость 8 — с sin ф. При этом объек сре¬
заемого ковшом грунта q — bch, где b — ширина ковша; «—глу¬
бина копания.
Таким образом, необходимая вместимость ковша
qK=bchkJk р.	(7.55)
Из выражения (7.48) следует, что производительность роторно¬
го траншейного экскаватора тем выше, чем больше число ссыпок
грунта из ковшей. Число ссыпок грунта
зависит от окружной скорости ротора ир.
Скорости движения ковшей у роторных
экскаваторов существенно выше, чем у
цепных, однако они ограничены условия¬
ми гравитационной разгрузки.
Частица грунта в ковше находится под
действием центробежной силы и собствен¬
ного веса (рис. 7.25). При этом в крити¬
ческом (равновесном) состоянии
mg=(mv2p/Rp) sin <р0,
где — радиус ротора; ф0 — угол пово¬
рота ковша в начале зоны разгрузки.
Отсюда критическая скорость	Рис_ 7 25. Схема разгрузки ков-
^p=W?Psin<p0.	(7.56)	шей
Для обеспечения надежного опорожнения ковшей скорость ро¬
тора принимают равной vp = (0,5 -s- 0,6) vKP.
В предварительных расчетах угол начала разгрузки можно при¬
нимать фо = 60°. Правильность выбранных условий разгрузки про¬
веряют построением траекторий свободного падения грунта, кото¬
рую можно определить по выражениям (7.25) и (7.26). Траектория
полета частиц грунта должна обеспечивать надежное попадание их
на отвальный конвейер.
Из условий гравитационной разгрузки окружные скорости рото¬
ров принимают не более 1,8—2,5 м/с. Для дальнейшего повышения
этих скоростей целесообразнее принять бесковшовые рабочие орга¬
ны и инерционный способ разгрузки.
Баланс мощности траншейного роторного экскаватора опреде¬
ляется аналогично рассмотренному выше балансу мощности цепно¬
го траншейного экскаватора. Суммарная мощность первичного
двигателя
^(B=7Vp+7VKOH + 7V„ep+7V0,	(7.57)
где iVD — мощность, потребляемая роторным рабочим органом;
А/кон — то же, конвейером; JVnep — то же, механизмами передвиже¬
ния; N0— то же, на вспомогательные операции и холостой хсд ме¬
ханизмов.
mv2
181

Мощность, потребляемая роторным рабочим органом, Вт, скла
дывается из затрат на копание, подъем и разгон грунта до скоро
сти ротора:
^р=(У7/лР) [k + Pg (—^ Нло) + Р—§—] •	(7-58)
где П — производительность роторного экскаватора, м3/с; k —
удельная энергоемкость копания, Н-м/м3; р — объемная масса
грунта в плотном теле, кг/м3; h — глубина траншеи, м; hQ — рассто¬
яние от дневной поверхности до места разгрузки, м; vp — окружная
скорость ротора, м/с; т]р — КПД привода ротора.
Мощность, потребляемая конвейером, была определена в § 7.1.
Мощность же, потребляемая приводом передвижения, Вт, анало¬
гична определяемой по выражению (7.43):
ЛГпер=Л[да»£(/ + /) + (Ш/®р)(8т рр-}-/ cos Рр)]/0Рт]пер\ (7.59)
где рР — угол наклона к горизонту результирующей сопротивлений
копанию ротором; F — площадь сечения траншеи, м2; П — произ¬
водительность экскаватора, м3/с; т3 — масса экскаватора, кг; / —
приведенный коэффициент сопротивления передвижению машины;
vp — окружная скорость ротора, м/с; k — удельная энергоемкость
копания (см. гл. 3); т]Пер — коэффициент полезного действия приво¬
да передвижения; i — уклон трассы передвижения машины.
§ 7.4. Экскаваторы поперечного копания
Экскаваторы этого типа применяют для разработки грунта в
карьерах, главным образом кирпичных заводов, а также для плани¬
ровки откосов дамб, каналов и тому подобных земляных соору¬
жений.
Экскаваторы поперечного копания имеют, как правило, цепной
рабочий орган с жесткими направляющими. Конструктивная схема
экскаватора поперечного копания показана на рис 7.26.
На ходовой части 9 установлена рама с механизмами 8 подъема
и передвижения, привод 6 ковшовой цепи и разгрузочный бункер 7.
Ковшовая рама 2 имеет характерное П-образнос сечение с направ¬
ляющими 10, по которым перемещается ковшовая цепь. Рама под¬
держивается подвесками. Верхняя возвратная ветвь ковшовой цепи
может перемещаться на поддерживающих роликах 12. От боковых
перемещений раму 2 удерживает качающаяся направляющая, про¬
ходящая через кольцо 11.
Рама 2 подвешена к стойке 4 в точках Л и М двумя полиспас¬
тами, которые приводятся в действие двумя барабанами и могут
включаться одновременно или порознь. При нижнем копании ниж¬
нее планирующее звено 1 жестко соединяют с нижней ковшовой
рамой 2, а верхнее планирующее звено 3 — с верхней ковшовой ра¬
мой 5. Веерное копание происходит при включении только одного
полиспаста и опускании точки Л (рис. 7.27) с первоначального по¬
182

ложения рамы МЛ до конечного. При одновременном опускании
полиспастами подвесок точек Л и М (рис. 7.27, б) обеспечивается
параллельное первоначальному положению МЛ пожененное за¬
глубление нижней рамы относительно оси О турасного вала (верх¬
нее планирующее звено НМ жестко соединено с верхней ковшовой
рамой НО).
При верхнем копании (рис. 7.27, в) верхнее планирующее звено
в точке Н соединяется шарнирно с верхней ковшовой рамой, а ниж¬
няя ковшовая рама поднята. При этом параллельными перемеще¬
ниями подвесок в точках М и Л обеспечивается заглубление ков¬
шовой рамы на толщину уступа h. После того как возможная тол¬
щина уступа h будет снята, передвигают рельсовые пути по отно¬
шению к забою.
Нижнее планирующее звено 1 по отношению к раме 2 может
занимать положение, показанное на рис. 7.27, или его располагают
горизонтально; в первом случае достигается наибольшая глубина
183

копания, во втором — зачистка дна выемки и отсутствие гребеш¬
ков.
Многоковшовые экскаваторы поперечного копания работают в
условиях стационарных карьеров, к которым подводится электро¬
энергия. Поэтому они имеют простую кинематическую схему и мно¬
гомоторный привод. На рис. 7.28 показана такая кинематическая
схема. Подъем и опускание ковшовой рамы производят полиспас¬
тами 1 и 2 при навивке или свивке канатов на барабаны 6 и 21. Эти
барабаны вращаются электродвигателем 11 через редуктор 12. По-
а)	Б)	8)
Рис. 7.27. Схемы работы экскаватором поперечного копания:
а — нижнего веерного; б — нижнего параллельного; в — верхнего
следний имеет два выходных вала, которые соединены с червячны-
ми редукторами 7 и 8.
Редукторы 7 и 8 имеют самотормозящиеся червячные передачи
и, кроме того, снабжены постоянно замкнутыми тормозами. Вслед¬
ствие этого барабаны могут вращаться только при включенном
электродвигателе на подъем или спуск. Редукторы 7 и 8 соединены
с выходными валами редуктора 12 кулачковыми муфтами 9 и 10,
управляемыми рычагами 4 и 5 с рабочего места машиниста. Когда
требуется поднять или опустить ковшовую раму параллельно пер¬
воначальному положению, включают обе муфты 9 и 10\ если же
нужно поднять верхний или нижний конец рамы или повернуть ее
в вертикальной плоскости, включают одну из этих муфт.
Перемещение эскаватора обеспечивается от электродвигателя 13.
К ходовым колесам 17 движение передается через червячный ре¬
дуктор 14, редуктор 15 перемены передач и открытую зубчатую
передачу 16. В редукторе 15 между первым и вторым валами уста¬
новлены зубчатые колеса с различными передаточными отношения¬
ми. Рычаг управления 3 связан с зубчатой муфтой, которая может
включать левую или правую пару шестерен и тем самым изменять
передаточное отношение редуктора 15 и скорость передвижения
экскаватора. Направление движения экскаватора изменяют ревер¬
сом электродвигателя 13.
С механизмом передвижения связан привод барабана 18, на ко¬
торый наматывается кабель, питающий экскаватор электроэнер-
184

и
Рис. 7.28. Кинематическая схема экскаватора поперечного копания

гией. Между выходным валом редуктора 15 и валом кабельного
барабана установлена цепная передача 20, а на звездочке цепной
передачи находится постоянно включенная на небольшой крутящий
момент фрикционная муфта 19, соединяющая звездочку с бараба¬
ном. Передаточные отношения рассчитаны таким образом, чтобы
скорость навивки кабеля всегда опережала скорость передвижения
машины. При движении вперед и свивке кабеля с барабана фрик¬
ционная муфта проскальзывает и сохраняет постоянное небольшое
натяжение кабеля. При
движении назад благода¬
ря более высокой скоро¬
сти вращения барабана по
сравнению со скоростью
передвижения обеспечива¬
ется навивка под натяже¬
нием при незначительной
пробуксовке фрикциона.
Величину прижатия ленты
фрикционной муфты 19
необходимо периодически
регулировать, обеспечивая
достаточную свободу
свивки кабеля.
Ковшовая цепь приво¬
дится в движение (рис.
7.28, б) от электродвига¬
теля 22 через цилиндрический редуктор 23 и верхний турасный вал
24. При отключении электродвигателя положение ковшовой цепи
фиксируется автоматически включающимся электрическим тормо¬
зом. На промежуточном валу редуктора привода ковшовой цепи
расположена муфта предельного момента 25, которая срабатывает
при встрече ковшовой цепи с препятствиями. Чтобы в этом случае
не перегружался электродвигатель, через некоторое время (4—5 с)
срабатывает его защита, и он отключается. Такой конструкцией
исключаются аварийные нагрузки на элементы трансмиссии при
встрече ковшей с непреодолимыми препятствиями.
На рис. 7.28, в, г показаны кинематические схемы привода кон¬
вейера и его подъема. Конвейер приводится в действие электродви¬
гателем 26 посредством редуктора 27, цепной передачи 28 и бара¬
бана 29. Подъем и опускание конвейера производятся электродви¬
гателем 30 через червячно-цилиндрический редуктор 32—33, бара¬
бан 34 и полиспаст 35. Его положение фиксируется тормозом 31.
Схема работы многоковшового экскаватора поперечного копа¬
ния показана на рис. 7.29. Направление абсолютной скорости дви¬
жения ковшей определяется геометрической суммой скорости иц
движения ковшовой цепи вдоль ковшовой рамы и скорости пере¬
движения экскаватора v3. При этом траектория движения ковшей
наклонена под углом р, который определяют по зависимости
tgP=®.H-	(7.60)
Рис. 7.29. Схема экскаватора поперечного ко¬
пания
186

Производительность многоковшового экскаватора по формуле
(7.7) равна
n=qKnkn/kv,
причем
n=vJT.	(7.61)
Вместимость ковша	находят из условия заполнения его на пу¬
ти движения:
qK=bbLkp/kH,	(7.62)
где b — ширина снимаемой стружки; б — толщина ее.
Из условия обеспечения производительности экскаватора при
перемещении его вдоль	забоя следует, что
I7=bLvB.	(7.63)
Приравнивая выражения (7.7) и (7.63) и подставляя в (7.7)
значения qK и л из выражений (7.62) и (7.61), получим
bbLvJT = bLv9
или
b!T=vJvv	(7.64)
В выражении (7.64) для нормальной работы экскаватора должно
быть выдержано условие
b=TvJv^B,	(7.65)
поскольку ширина снимаемой стружки не может превышать шири¬
ну ковша	В.	Если	величина подачи на один	ковш	превзойдет значе¬
ние	В,	то	ковши	будут прорезать отдельные	борозды,	и	при по¬
следующих проходах нарушится нормальная работа экскаватора.
Следует также учитывать, что ковш в точке А не должен ка¬
саться грунта. Форма ковша должна обеспечивать условие
(£-£0)/(2£T)<tgp,	(7.66)
где В0 — ширина задней части ковша; LT — его длина.
Мощность приводов ковшовой цепи экскаватора поперечного ко¬
пания определяют аналогично определению мощности привода ков¬
шовой цепи экскаватора продольного копания. При определении
мощности привода механизма передвижения нужно учитывать бо¬
ковую составляющую сопротивления копанию и боковые реакции
ходовых колес, удерживающие машину в направлении передвиже¬
ния.

ГЛАВА 8
ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫЕ МАШИНЫ
Землеройно-транспортными машинами (ЗТМ) называют маши¬
ны, копающие грунт и затем транспортирующие его к месту уклад¬
ки или в отвал. К таким машинам относят бульдозеры, скреперы,
грейдеры, грейдер-элеваторы и землеройно-фрезерные. Эти маши¬
ны широко используют во всех видах строительства, включая транс¬
портное и гидротехничес¬
кое. С их помощью возво¬
дят насыпи, делают выем¬
ки и котлованы, профили¬
руют земляное полотно,
планируют площади и вы¬
полняют многие виды дру¬
гих работ.
Рабочий процесс зем¬
леройно-транспортной ма¬
шины состоит из следую¬
щих элементов: копания
грунта, его транспорти¬
ровки и выгрузки. Харак¬
терной чертой таких ма¬
шин является то, что эле¬
менты рабочего процесса
выполняются при их дви¬
жении.
В зависимости от кон¬
струкции рабочих органов
землеройно - транспорт¬
ные машины подразделя¬
ют на ковшовые (скрепе¬
ры), ножевые (бульдозе¬
ры, грейдеры и грейдер-
элеваторы) и фрезерные
(землеройно- фрезерные).
Землеройно-транспорт¬
ные машины выпускают
самоходными, а также
прицепными к базовым гусеничным или колесным тракторам (тя¬
гачам). Выпускают также полуприцепные землеройно-транспорт¬
ные машины.
Основные конструктивные схемы ножевых и ковшовых земле-
ройно-транспортных машин показаны на рис. 8.1 с обозначением
распределения сил тяжести по осям.
По мощности силовых установок землеройно-транспортные ма¬
шины подразделяют на машины малой мощности (до 100 кВт),
средней (100—200) и большой (свыше 200). Землеройно-транспорт¬
ные машины могут иметь ручное и механизированное управление;
Рис. 8.1. Конструктивные схемы основных зем¬
леройно-транспортных машин:
1, 2 — бульдозеры гусеничный и колесный; 3 — авто¬
грейдер, 4 — прицепной скрепер; 5 — полуприцепной
скрепер к двухосному тягачу; 6 — полуприцепной
скрепер к одноосному тягачу; 7 — скрепер самозагру¬
жающийся с элеватором; 8 — скреперный поезд из
двух скреперов; 9 — грейдер-элеватор; 10 — цифрами
14, 28, 29, .... 55 обозначены варианты агрегатиро¬
вания машин
188

последнее, в свою очередь, может быть механическое и гидравли¬
ческое.
Эффективность работы землеройно-транспортных машин в зна¬
чительной степени зависит от рельефа местности, климатических
условий, физико-механических свойств и состояния грунта (проч¬
ность, влажность, липкость, абразивность, сопротивление сдвигу,
разрыхляемость). Тяжелые условия работы машин возникают так¬
же при часто чередующихся крутых подъемах и спусках, в случаях
движения по рыхлым и переувлажненным грунтам, а также при ко¬
пании сухих, сильно пылящих грунтов.
Землеройно-транспортные машины должны быть возможно про¬
стыми в обслуживании, ремонте и надежными в работе; обладать
хорошей проходимостью по рыхлым и переувлажненным грунтам и
пескам, иметь высокий коэффициент сцепления ходового устройства
с грунтом, а также достаточную устойчивость как в продольном,
так и в поперечном направлении при движении по косогорам. Все
механизмы и кабину необходимо надежно защищать от проника¬
ния пыли. На рабочих органах машин нужно предусматривать уст¬
ройства для очистки их от налипающего грунта. Эти машины дол¬
жны иметь хорошую проходимость.
Они отличаются высокой маневренностью и мобильностью, про¬
стотой конструкции и обслуживания, включая подготовку к работе.
Непрерывность их цикла обеспечивается тем, что в одном агрегате
может совмещаться землеройное, транспортное и планирующее
оборудование. Благодаря этому землеройно-транспортными маши¬
нами в комплексе можно выполнять большинство основных и вспо¬
могательных земляных работ во всех отраслях строительства.
§ 8.1. Бульдозеры
Бульдозер представляет собой базовый тягач, оснащенный но¬
жевым навесным рабочим оборудованием, в которое входит отвал 3
с ножами 5, толкающие брусья 6, подкосы 7 и гидроцилиндры 2
(рис. 8.2). Отвал изготовляют в виде коробчатой сварной конст¬
рукции с накладками жесткости, приваренными к тыльной стороне.
Толкающие коробчатые брусья 6 передними концами шарнирно
соединяют с проушинами тыльной стороны отвала, а задними — с
упряжными шарнирами 8, плиты которых приварены к балкам гу¬
сеничных тележек трактора. Подкосы соединяют верхнюю часть от¬
вала с проушинами толкающих брусьев; перестановкой подкосов
можно изменять угол резания в пределах 45—60°. Вследствие тру¬
доемкости операций по перестановке подкосов их заменяют гидро¬
цилиндрами.
Бульдозерным оборудованием иногда оснащают другие земле¬
ройно-транспортные машины (автогрейдеры, экскаваторы, погруз¬
чики), у которых это оборудование является вспомогательным.
Бульдозеры могут разрабатывать талые и мерзлые предваритель¬
но взрыхленные грунты. В качестве базовых машин для бульдозе¬
ров чаще всего используют гусеничные тракторы мощностью от 55
189

Рис. 8.2.
до 650 кВт, реже — колесные тракторы или тягачи мощностью 75—
1200 кВт.
Для выполнения подготовительных работ на раму бульдозера
навешивают дополнительные виды рабочего оборудования: кусто¬
резы, корчеватели, собиратели и др. Бульдозеры нередко выпуска¬
ют в комплекте с рыхлителями и канавокопателями, навешиваемы¬
ми сзади машины.
Бульдозер послойно срезает грунт и одновременно перемещает
его волоком по поверхности земли к месту укладки. Бульдозеры
применяют для возведе¬
ния насыпей из грунтов
боковых резервов, разра¬
ботки выемок, грубого
планирования поверхно¬
стей земляных сооруже¬
ний, для засыпки рвов,
\траншей, обваловки со-
f ^ оружений, а также для
подготовительных работ—
валки отдельных деревь-
V,	ев> срезки кустарника,
nottoi70 ^корчевания отдельных
Конструктивная схема	бульдозера с пней и камней. Бульдозе-
неповоротным отвалом	ры используют также для
распределения грунтовых
отвалов при работе экскаваторов и землевозов, образования шта¬
белей сыпучих материалов (песка, щебня) и их подачи к перераба¬
тывающим агрегатам, для снегоочистки, формирования террас на
косогорах, производства вскрышных работ в карьерах.
На базе гусеничных, тракторои тякже серийнр выпускают буль¬
дозеры с поворотным отвалом и универсальные. У бульдозера это¬
го типа вместо толкающих брусьев установлена арочная рама, к
вершине которой шарнирно присоединен отвал (рис. 8.3). Края
отвала удерживают толкатели, соединенные ползунами с боковы¬
ми направляющими рамы. Последняя соединена с кронштейнами
рамы трактора. Отвал поворачивают в плане гидродилиндрами.
Ползуны толкателей при этом изменяют положение на направляю¬
щих рамы и фиксируются закладными штырями. Задние проуши¬
ны толкателей можно переставлять по высоте относительно ползу¬
нов, изменяя таким образом угол резания. Опуская проушину од¬
ного толкателя и поднимая проушину другого, можно произвести
поперечный перекос отвала.
Управляют отвалом с помощью рукоятки гидрораспределителя.
Движением «от себя» отвал опускают и ставят в плавающее по¬
ложение, движением «на себя» поднимают его, движением впра¬
во — правый перекос, влево — левый.
В зависимости от условий работы применяют различные отвалы
бульдозеров (рис. 8.4). У прямого простого отвала (рис. 8.4, а) име¬
ются прямая образующая, небольшие изогнутые боковые щитки и
190

ножи для уменьшения износа щитков. Ножи отвала обычно состоят
из двух частей и снабжены выступающими вперед сменными уг¬
ловыми ножями Такими отвалами разрабатывают крепкие
грунты.
Универсальный отвал (рис. 8.4, б) используют для планировоч¬
ных работ в грунтах с нарушенной структурой.
Рис. 8.3. Бульдозер с поворотным отвалом (вид сбоку и сверху):
/ — ножи; 2 — козырек; 3 — отвал; 4 — гидроцилиндры подъема и опускания отвала; 5 —
направляющие ползуны опорных пальцев; 6 — опорный шарнир; 7— гидроцилиндры пере¬
коса отвала; 8 — направляющие ползунов толкателей; 9 — ползун; 10 — универсальная ра¬
ма; //^—толкатель; 12 — гидродилиндр поворота отвала в плане; 13 — наголовник; 14 —
штырь; 15, 16 — проушины
191

Сферический отвал (рис. 8.4, в) применяют для разработки мяг¬
ких и средней крепости грунтов. Изогнутая в плане форма отвала
предусмотрена для косого резания грунтов, при киторим умень¬
шается сопротивление резанию и можно увеличить на 10—12% дли¬
ну отвала. За счет выступающих вперед концов отвала объем пе¬
ремещаемого грунта увеличивается на 20—25% по сравнению с пря¬
мым отвалом.
Рис. 8.4. Формы отвалов бульдозера:
а — прямой; б — универсальный; в — сферический; г — с боковыми рыхлящими зубьями;
д — совко вый для уборки; е — копоткий толкающий; / — лобовой лист вместе с козырьком;
2 — боков ые щитки; 3 — боковые ножи; 4 — угловые ножи; 5— средние ножи, 6 — открылки;
7 — выдвижные зубья
Оте-ал с рыхлящими боковыми зубьями (рис. 8.4, г) использу¬
ют для разработки крепких каменистых грунтов бульдозерами
большой мощности. Зубья выдвигаются гидроцилиндрами ниже но¬
жей на 20—30 см.
Сов ковый отвал (рис. 8.4, д) имеет боковые щитки, снижающие
потери грунта при перемещении и выступающую вперед часть но¬
жа для лучшего врезания в грунт. Применяют его для разработки
малосв язных грунтов в случае перемещении их на большие рас¬
стояния.
Короткие прямые отвалы (рис. 8.4, е) снабжают амортизатора¬
ми, предназначают для бульдозеров-толкателей, толкающих при
работе землеройно-транспортные машины для получения большего
192

тягового усилия. Толкающие брусья таких отзалов устанавливают
с внутренней стороны гусеничных тележек.
Кроме указанных типов отвалов внедряю! и п^ин^иидсТБи до¬
полнительные виды сменного рабочего оборудования для отделки
откосов насыпей, рыхления грунта, удаления кустарника и др. Ис¬
пользование их значительно повышает универсальность бульдозе¬
ров.
Рабочий процесс бульдозера состоит из операций копания пе¬
ремещения и разравнивания грунта.~Г1ри копании режущая часть
отвал азаглубляется в грунт и бульдозер одновременно движется
вперед. Вырезаемый из забоя грунт накапливается перед отвалом.
(-Ьопмипуя призму грунта, которую называют Ьризмой волочения]
После этого отвал выглубляют и бульдозер перемещает грунт к
месту укладки. Далее бульдозер разравнивает призму грунта не¬
сколько приподнятым предварительно отвалом.^Разравнивать грунт
можно передним и задним ходом машины При транспортировании
грунта часть его теряется. Потери, зависящие от дальности переме¬
щения, могут доходить до 30% и более от объема призмы воло¬
чения.
В зависимости от условий работы, мощности и типа тягача гу¬
сеничные бульдозеры работают на скоростях 2,4—6,0 км/ч, на ко¬
лесных тягачах — 3,5—8,0, а перемещают грунты соответственно на
скоростях 4—8 и 6—12 км/ч (холостой ход— 10—12 и 20—25 км/ч).
Б ул ьдозеры принято классифицировать по следующим призн а -
кам: мппшогти приг^трдя ити тяговому усилию, типу ходового обо¬
рудования, способу установки отвадд, типу привода или управле¬
ния рабочим органом. Классификация бульдозеров по первому при¬
знаку приведена в табл. 8.1.
Таблица 8.1
Классификация бульдозеров по номинальному тяговому усилию
(ГОСТ 7410—70) и мощности двигателей
Типы бульдозеров
Тяговое усилие, кН
Мощность, кВ г
Малогабаритные
Не менее 30
<20
Легкие
30—140
20-^50
Средние
140—200
>50 —100
Тяжелые
200—300
>100—200
Сверхтяжелые
>300
>200
Тяжелые н сверхтяжелые бульдозеры применяют для выполне¬
ния земляных работ больших объемов, а также в районах со слож¬
ными климатическими и грунтовыми условиями; легкие и сред¬
ние — для работ в транспортном, жилищном и сельскохозяйствен¬
ном строительстве.
По типу ходового оборудования ^улытпчрры подразделяют на
гугрнйинП^ и пнрймпк-плррныр В первом случае базовыми машина-
ми являются гусеничные тракторы, а во втором — пневмоколесные
тягачи и колесные тракторы. Бульдозеры на гусеничном ходу име¬
7—125	193

ют высокую проходимость, при этом типе хода тяговое усилие при
одной и той же мощности большее, чем у пневмоколесных. Пнев-
мокплегньтр бплрр мянрвренньт и быстроходны, их ходовая часть в
эксплуатационных условиях более долговечна.
По способу установки отвала бульдозеры разделяют на маши¬
ны с неповоротными » п^°^р^тттими отнялями и универсальные.
К первым относят бульдозеры, у которых в процессе работы "из-
меняется только угол резания, остальные же установочные углы
остаются постоянными. У бульдозеров с поворотными отвалами из¬
меняются углы резания и захвата, у универсальных — все устано¬
вочные углы. Диапазо¬
ны изменения углов ус¬
тановки отвалов пока¬
заны на рис. 8.5 и при¬
ведены в табл. 8.2.
С изменением уста¬
новочных углов меняет¬
ся характер движения
и высота подъема грун¬
та по отвалу.
Бульдозеры с непо¬
воротными отвалами
используют для разра¬
ботки связных грунтов
с ненарушенной струк¬
турой, а с поворотными
отваламр и универсальные — для разработки несвязных грунтов,
выполнения планировочных и снегоуборочных работ, засыпки тран¬
шей, рвов, котлованов и других выемок.
Таблица 8.2
Углы установки отвала бульдозера
Углы установки отвала, град
Тип бульдозера
3axRaia X
зарезания 0
резания а
С неповоротным отвалом
90
0
50—60
С поворотным отвалом
60—90
0
50—60
Универсальный
60—90
3—8
50—60
По типу привода или управления работой рабочего органа раз¬
личают машины с канатно-блочным и гидравлическим управлени¬
ем. У первых работой отвалов управляют с помощью однобарабан¬
ных фрикционных нереверсивных лебедок с канатно-блочными си¬
стемами, приводимыми в действие от валов отбора мощности трак¬
тора, у вторых — одним или двумя гидроцилиндрами.
Для заглубления в грунт рабочее оборудование должно иметь
достаточную массу. У бульдозеров с гидравлическим управлением
отвал заглубляется в грунт принудительно, под действием усилий,
Рис. 8.5. Схема установки отвала бульдозера:
а — поворот отвала в плане; б — поворот отвала в
вертикальной плоскости; 1 — толкающая рама; 2 —
боковой толкатель отвала; 3 — отвал; 4—отвал, по¬
вернутый в плане; 5 — отвал, повернутый в верти¬
кальной плоскости
194

развиваемых гидроцилиндрами. Это позволяет снизить массу от¬
вала, облегчить условия работы машины, уменьшить затраты вре*
мени на набор грунта и повысить производительность машины.
Большинство бульдозеров, выпущенных в последние годы, имеет
гидравлическое управление.
Основным рабочим органом бульдозера является отвал. Произ¬
водительность и потребная величина тягового усилия зависят от
выбора параметров отвала. Геометрическими параметрами отва¬
лов являются показанные на рис. 8.6 угол резания а, угол накло¬
на отвала е, угол опрокидывания г|з0, угол установки козырька i|)K,
задний угол у, высота отва¬
ла Нот, высота козырька #к,
радиус кривизны отвала г,
ширина отвала В0т, длина
прямой части отвальной по¬
верхности а.
Высоту отвала определя¬
ют в зависимости от расчет¬
ной номинальной силы тяги
Рт.н и грунтовых условий,
для которых предназначают
проектируемый ^ бульдозер.
Ее можно найти для бульдо¬
зера с неповоротным отва¬
лом по формуле
ЯОГ=5003//\7Н-5ЯТ.Н;
для бульдозера с поворотным отвалом
ЯОТ=450 уАЯГн-5Ят.н.
Высоту козырька Нк по вертикали принимают 0,1—0,25 от вы¬
соты отвала.
Основные параметры поперечных профилей отвалов бульдозе¬
ров приведены в табл. 8.3.
Таблица 8.3
Параметры отвалов
Отвал
Параметры
неповорогный
поворотный
(универсальный)
Угол резания а, град
50—60
50—60
Угол наклона отвала е, град
75
75
Угол опрокидывания 'фо, град
70—75
60—75
Угол установки козырька фк, град
90—100
90—100
Задний угол у, град
10—15
10—15
Радиус цилиндрической поверхности отвала
г, мм
(0,8-0,9)
Примечание. Длина плоской части отвала должна быть равна ширине ножей.
дозера
7*
195

От угла наклона отвала е в значительной степени зависит фор¬
ма призмы волочения. При малом угле наклона грунт может пе¬
ресыпаться через отвад при большом •—ухудшаются устозия
подъема грунта вверх по отвалу, увеличивается прилипание и энер¬
гоемкость его разработки.
Угол резания а, угол заострения ^ и задний угол Y связаны
между собой зависимостью а — fi + у, что необходимо учитывать
при назначении этих углов и пределов их изменения.
Угол резания а оказывает большое влияние на энергоемкость
процесса резания — при его уменьшении значительно снижается
сила сопротивления резанию Угол заострения (3 в значительной
степени определяет характер изменения удельного давления ножа
на грунт по мере износа его режущей кромки При малом значении
этого угла быстро затупляется режущая кромка ножа.
От заднего угла у сильно зависит конструкция тыльной стороны
отвала, элементы которой (в частности, коробка жесткости) не дол¬
жны касаться поверхности разрабатываемого грунта. Величина уг¬
ла ipo должна быть такой, чтобы грунт не пересыпался через отвал,
что может происходить при завышенном угле
Радиус кривизны г криволинейной поверхности должен обеспе¬
чивать переваливание грунта перед отвалом, чтобы исключить по¬
тери грунта через отвал и снизить энергоемкость разработки грун¬
та Козырек, характеризуемый высотой Як и углом его установки
предохраняет от пересыпания сухих и сыпучих грунтов через отвал.
Ширину неповоротного отвала выбирают в 2,8—3,0 раза больше
его высоты Ширина поворотного отвала на 30—35% больше непо¬
воротного. Вместе с тем ширина отвала должна превышать шири¬
ну базовой машины не менее чем на 100 мм для обеспечения воз¬
можности ее движения в траншее
Силы для преодоления сопротивления копанию грунта следует
определять для наиболее тяжелых условий работы бульдозера, ког¬
да он при копании и перемещении грунта движется на подъем и
призма волочения грунта достигает максимальной величины
(рис 8 7) При этом необходимое тяговое усилие расходуется на
преодоление следующих сопротивлений- грунта резанию, переме¬
щению призмы волочения, трения ножа отвала о грунт, а также при
движении его по отвалу.
Возникающая в конце копания результирующая сил сопротив¬
ления Р слагается из сил -РКои сопротивления копанию и Rneр пере¬
мещению машины (рис. 8 7, д):
P^PKon+Rner	(8-1)
Сила сопротивления копанию грунта бульдозером
Р,оп ===г ^рез ~hPup~hP 1р1 + Л-р2-
Сила сопротивления грунта резанию (рис. 8.7, а, б)
Рре 3 = fepe3£or^	(8-2)
где &рез — удельное сопротивление резанию, кН/м2.
196

Сила сопротивления от перемещения призмы волочения
(рис. 8 7, д).
<Лр= Опр1^2=дПрЯРг (y-2 COS sin &,),	(8.3)
где цг — коэффициент трения грунта о грунт.
Объем грунта в призме волочения Р) зависящий от геометри¬
ческих размеров отвала и свойств грунта, определяют в соответст¬
вии с рис. 8 7, а:
Чпр === •^'пр^от/^пр>
Рис 8 7 Схема к определению силы сопротивления копанию грунта бульдозером
где kp — коэффициент разрыхления (табл 8.4); Fnp — площадь по¬
перечного сечения призмы, равная
_ (^ог-А)г _	(Но,-h)2
^пр—	2	~	2	tg	5
где Яот — высота отвала; б — угол естественного откоса грунта,
град.
Таблица 84
Значения коэффициентов kp
Грунг
Плотность грунта
рг, кг/ч»
Ч
Песок
1600—1700
1,0—1,2
Суглинок
1600—1800
1,2—1,4
Глина
J 700—1800
1,2—1,3
197

Тогда
{Нт~ hf- в,„ Wm-hytB„ .
P	2	tg	bkp	2ft„p
k„v=tgbkv (табл. 8.5).
Таблица 8.5
Значения коэффициентов &пр
Отношение Hor/BQT
Грунты
0,15
0,30
0,3о
0,40
0,45
Коэффициент
*п P
Связные в II—III категории
Несвязные
0,70
1,15
0,80
1,20
0,85
1,2а
0,90
1,30
0,95
1,50
Сила сопротивления от трения ножа по грунту PtPl (рис. 8.7, б)
равна
Лр1 = (^о + Рп) = (<?„ + Л tg V)	(8.4)
где (л — коэффициент трения отвала о грунт; v — угол наклона ре¬
зультирующей силы сопротивления.
Сила сопротивления от трения грунта при движении его вверх
по отвалу (рис. 8.7, в)
PTP2=0„9\>.1cos'ia.	(8.5)
При разработке грунта поворотным отвалом суммарное сопро¬
тивление трению Р' равно (рис. 8.7, г):
Р ^ Ярез + Рнр + Ртр1 + Ртр2+ ^„ер-	( 8.6)
ЗдеСЬ Р'рез = Рреа S1П Я; Р11р = -Рпр SIFI Я; -Р тр = Ртр1 >
Р;р2=Я1р2 sinx + p;2,	(8.7)
где Р"тР2 — сила сопротивления трения грунта при движении его
вдоль отвала,
р;Р2---(/г~ А)- - 9rg№ cos).	(8.8)
# Пр
Силы сопротивления резанию и перемещению грунта, найден¬
ные таким способом, служат исходными данными для определения
необходимой силы тяги и мощности привода базовой машины. При
выборе базы бульдозера необходимо обеспечить условие
Рт > Р-
Производительность бульдозера при разработке и перемещении
грунта определяют по выражению
/7э = 3600?и1ДЛЛр.	М
198

Продолжительность работы машины за цикл можно определить
из выражения
-пер
+-
-пер
-2L
(8.10)
~ к	t/n	Vjc
где — время, необходимое на один разворот; ^ПОв =10 4-15 с;
tu. и — время на переключение передач; ц — 6 -Ь 8 с; ta, п — время
на подъем и опускание отвала за цикл; t0. п = 4 4- 5 с.
На планировочных работах производительность бульдозера
36001„л (Вот sin А — 0,5) kK
&
’ m г/ 	ш
ргтя
0
[&п \
г ^ 1
1
h
1<
Рис. 8.8. Схема
к определению усилии в
элементах рабочего оборудования бульдо¬
зера
J-J  win.l-^or ■3JJJ /v	n	В	j'g	J
ft (^-пл/^раб
где n — число проходов по
одному месту.
Для проведения расчета
деталей и узлов бульдозер¬
ного оборудования на проч¬
ность (отвала, толкающих
брусьев, подкосов и др.) не¬
обходимо знать максималь¬
ные усилия, возникающие в
отдельные моменты работы
машины. Выбрать расчетные
положения можно на основа¬
нии анализа общей схемы
сил, действующих на маши¬
ну, и характера их измене¬
ния по время работы ма¬
шины.
На оборудование бульдо¬
зера во время работы дейст¬
вуют следующие силы (рис. 8.8): масса рабочего оборудования G0,
сила сопротивления копанию РКоп, реакция в упряжном шарнире
/?0, усилие натяжения полиспаста (усилие на штоке гидроцилинд¬
ра) Рц, реакция со стороны грунта R.
Масса рабочего оборудования при канатко-блочном управлении
должна быть достаточной для внедрения ножа отвала в грунт.
В этом случае за расчетные условия принимают следующие усло¬
вия работы: бульдозер движется по горизонтальной поверхности;
отвал лезвием ножа опирается на грунт; канаты подъемного поли¬
спаста не натянуты. В этом положении на отвал действует верти¬
кальная реакция грунта Rn, направленная вверх, и горизонтальная
реакция RK, являющаяся силой трения ножа о грунт, которые мож¬
но определить по уравнениям
RH=k'xB0T;	(8.12)
/?к=ЯА,	(8.13)
где k' —	коэффициент	несущей способности	грунта;	k'	= 50 4-
4- 60 кН/м2; х — ширина	нижней площадки ножа, трущейся	о	грунт;
х = 1,0 -г- 1,5 см.
199

Минимальную по вышеуказанному условию силу тяжести рабо¬
чего оборудования G0 можно определить из суммы моментов сил,
действующих на рабочее оборудование относительно шчки О.
2АТо=0; Gn ми1/3 — RJi -f- RKh, = 0;
Oomhh=/?h(/i~Mi)//3-	(8-14)
Отвал заглубляется при условии G0 > Go мин.
У бульдозеров с гидравлическим управлением в силу принуди¬
тельного заглубления отвала его масса может быть меньше массы
отвала при канатном управле¬
нии, а параметры определяют¬
ся только условиями прочно¬
сти Результирующую силу со¬
противления копанию Р кош
действующих в условиях нор¬
мальной работы, можно разло¬
жить на горизонтальную (каса¬
тельную) Рк и вертикальную
Рн составляющие По опреде¬
ленным значениям Рк и Рн вы¬
полняют расчет на прочность
элементов конструкции (отва¬
ла, толкающих брусьев или ра¬
мы, подкосов и раскосов).
По исследованиям К. А. Ар¬
темьева и Р. И Войцеховского,
точка приложения и направле¬
ние суммарного сопротивления копанию Ркоп зависят от угла реза¬
ния, вида и состояния грунта При нормальных условиях работы
Ркоп приложена на высоте h=0,2 Яот.
За расчетное принимают максимальное значение Ркоп, соответ¬
ствующее упору отвала в непреодолимое препятствие (валун, пень).
Со стороны препятствия на нож действуют нормальная реакция R
и сила трения Ртр = Rui, направленная вверх по касательной (про¬
тивоположно возможному перемещению отвала относительно пре¬
пятствия). Кроме того, на отвал действуют нормальная и касатель¬
ная реакции грунта Rн и Ri на затупленную поверхность ножа.
Силы Рк и Рн (рис. 8 9) можно определить из уравнения
Рис 8 9 Схема сил, действующих на нож
бульдозера при yt.ope в препятствие
Отсюда
р =р
1 Н	*	I/
= /?/COSCf>.
cos [90’-(а + ср)]+/?к;
, sin (а+ ?)-}-#K!
, sin [90° — (а + ср)] — /?н;
Р»=РкоП cos (а + <р) — RH.
(8.15)
(8.16)
(8.17)
200

Наихудший вариант нагружения отвала возникает при приложе¬
нии Рк к кромке его ножа. Максимальное значение Рк можно рас¬
сматривать как сумму статической силы PR г, соответствующей ус¬
ловию буксования движителя, и динамической силы Рк ъ завися¬
щей от инерции масс, а также жесткости препятствия и элементов
конструкции:
^кмакс = у1:>к.с + ^к.,;	(8.18)
^к.с ^г.сц макс ^сцТсц макс’
где Ссц— сцепная масса бульдозера; GC4 = Go — то же, при пла¬
вающем положении отвала; Gсц = Gg + G0 + Рн — то же, при на¬
тянутом полиспасте или запертом цилиндре; фсц — максимальное
значение коэффициента сцепления с грунтом
Действие динамической силы Рк д можно оценить коэффициен¬
том динамичности
kA = PK макс/Лс.с = (Л<.с + Лс.д)/Лс.с = 1 + ^*к. j/Лс.с-
Значение кл можно принимать равным 1,5—2,5.
Совместным решением уравнений (8 16) и (8.17) получено урав¬
нение для определения нормальной силы Рн в виде
Рн= (Рк — Рк) ctg (а -[- ср) —
где ф — угол трения грунта по металлу.
Максимальное значение силы Рн будет при Rn — RK = 0 и ми¬
нимальном угле резания:
Р, макс== Рк макс ctg (a-ftp).	(8.19)
Для расчета элементов канатно-блочной или гидравлической си¬
стем управления бульдозером необходимо знать усилие натяжения
полиспаста 5 (усилие на штоке гидроцилиндра Рц). Сила Рц до¬
стигает максимума в положении резания грунта при натянутых ка¬
натах полиспаста (застопоренном поршне цилиндра подъема). Ее
значение можно определить из суммы моментов сил, действующих
на рабочее оборудование относительно точки О (рис. 8.8):
2-^0 О, Яц чакс == (^с/з ~\~Рк чакс^1 ~f" Рн MaKc^l/^4
ИЛИ
Л* макс3^ {@о^З +Р к макс
[Ai + ^iCtg(a+<p)]})//4.	(8.20)
Для	подъема	отвала	на ходу из рабочего	положения	в	транс¬
портное	к	нему	должна	быть приложена сила	Р'цмакс,	превышаю¬
щая значение силы Рцмакс.'
2Afo=0; MaKC = (00/3-)-C/r/1-f Pc/2-j-PK y^ftj-1-Рн макс^)//4, (8.21)
где Рс — сила сопротивления грунта сдвигу при подъеме отвала.
Значения Gr и Рс определяют из следующих уравнений:
Gr=FB0Tprg;	(8.22)
Рс AciAt/Zot,	(8.23)
201

где F — площадь поперечного сечения грунта (на рис. 8.8 она за¬
штрихована) ; &сц — коэффициент сцепления грунта при сдвиге,
^сц =*40	60	кПа.
При заглублении отвала в грунт сила Рц на штоке гидроцилинд¬
ра должна быть достаточной для преодоления сопротивления грун¬
та R. Значение ее для момента заглубления можно определить так¬
же из суммы моментов сил, действующих на рабочее оборудование
относительно точки О:
^М0=0; Рц=#„ {1Х — !А1Л1)//4 = /г,х/?0Т (1Х —
причем Рц > Rh.
При некоторых значениях усилия подъема трактор может опро¬
кинуться относительно передней кромки гусениц (точка А). Из ус¬
ловия равновесия системы относительно этой точки критическое
значение силы подъема
%Ма = 0; P„'KP=[G6 (16 — /5)]//7.	(8.24)
Отвал может выглубиться без опрокидывания трактора при ус¬
ловии Р'ц макс < Рц. кр. Значение реакции Ro в упряжном шарни¬
ре О, выраженной в виде составляющих Rx и Ry, определяют из
уравнений равновесия сил, действующих на рабочее оборудование:
2-*=0; /?*=Якмакс + ЯцМаксС05Р',	(8.25)
ХУ = 0; Ry= — ^нмакс + ^ц маке Sin Р' — G0.	(8.26)
§ 8.2. Скреперы
Скрепер является ковшовой землеройно-транспортной машиной,
( которая производит послойную разработку грунта, транспортирует
и разравнивает его. При этом возможно частичное уплотнение
грунта.
Скреперами можно разрабатывать грунт до IV категории вклю¬
чительно. Для повышения эффективности работы скреперов с грун¬
тами	III—IV	категорий их предварительно разрыхляют.	Для бо¬
лее	быстрого	наполнения ковша применяют толкачи, увеличиваю¬
щие силу тяги.
Скреперы используют для устройства насыпей из боковых ре-
. зервов, выемок с перемещением грунта в насыпь, возведения пло¬
тин, отрывки котлованов, производства вскрышных, мелиоратив¬
ных и ирригационных работ, а также для упло^'^ия грунта, уло¬
женного в насыпи.
Схема самоходного скрепера, представляющего собой комбина¬
цию одноосного тягача с одноосным ковшовым прицепом, показа¬
на на рис. 8.10. Рабочим органом машины является ковш (рис. 8.11).
Боковым стенкам и днищу ковша для усиления жесткости обычно
придают коробчатую форму. Передняя балка обеспечивает жест¬
кость всей конструкции, к ней присоединяют гидроцилиндры подъ¬
ема и опускания ковша.
202

Стенки ковша скошены для уменьшения налипания грунта.
В плане ковш чаще всего несколько сужается назад (на 2—3°).
Ковши всех скреперов снабжают буферами — пространственными
фермами коробчатого сечения, на которые воздействуют толкачи.
К балкам фермы приваривают кронштейны для крепления оси зад¬
них колес. В буферах устанавливают направляющие балки, по ко-
Рис. 8.10. Конструктивная схема полуприцепного скрепера:
/ — тягач; 2 — ведущие колеса; 3 — сцепное устройство; 4 — гидродилиндры поворота; 5 —
гидроцилиндр подъема ковша; 6 — гидросистема; 7 — передок; 8 — заслонка; 9 — ковш и
задняя рама; 10 — задняя стенка; И — ведомые колеса; 12 — буферное устройство; 13 —
ножи
торым на роликах передвигается задняя стенка. Ножи ковша изго¬
товляют составными, что обеспечивает смену только одной части
при затуплении и поломке. Режущую часть ножа наплавляют твер¬
дыми сплавами для повышения ее износостойкости. Для уменьше¬
ния сопротивления при разработке тяжелых грунтов ковши снабжа¬
ют зубьями.
Заслонка ковша (рис. 8.12, а) предназначена для удержания
в нем грунта. Она также создает условия для наиболее интенсив¬
ного поступления грунта в ковш при наборе. Форма заслонки влия¬
ет на образование призмы волочения и от нее зависит место распо¬
ложения ножа скрепера. Ковш заполняется грунтом лучше, а приз¬
ма волочения получается меньшей при заслонке с более выпуклой
стенкой.
203

В современных скреперах применяют заслонки с наружным и
внутренним креплением рычагов к ковшу. В последнем случае мож¬
но уменьшить габаритную ширину скрепера на 30—40 см. Работой
заслонок управляют с помощью гидроцилиндров.
‘Задняя стенка ковша (рис. 8.12, б) представляет собой короб¬
чатый щит 1, снабженный решеткой и системой подкосов. Стенка
/— боковые стенки; 2— передняя балка; 3 — днище ковша; 4 — задняя балка; 5 — буфер!
5 —втулки шарниров тяговой рамы; 7 — втулки шарниров заслонки; 8 — подножевая плита;
9 — нож
перемещается внутри ковша, выталкивая из него грунт при разгруз-
ке. Для передвижения и центрирования на задней стенке имеются
ролики 3, 4 я 6. Выдвигают заднюю стенку гидроцилиндрами.
Тяговая рама скрепера (рис. 8.12, в), предназначенная для сое-
лине.ния ковша с тягачом, состоит из хобота 2, который соединен
с рамой седельного устройства тягача, трубчатой поперечной бал¬
ки 6 и упряжных тяг 4, охватывающих ковш и соединенных с ним
шарнирами. Ковш поднимают два гидроцилиндра, укрепленные в
кронштейнах 3 хобота. Штоки цилиндров прикреплены шарнирно
в передней части боковых стенок ковша.
Скрепер может выполнять следующие операции: копание грунта
с заполнением ковша, транспортирование и разгрузка его с послой¬
ным укладыванием в сооружение, обратное движение к забою.
204

Скреперы классифицируют по емкости ковша, способу передви¬
жения, схеме подвески ковша, способу его загрузки и разгрузки, по
виду передней заслонки и системе управления.
Согласно ГОСТ 5738—73 и 10055—75 по вместимости ковшей
скреперы подразделены на малые (qK до 4,0 м3), средние (qK =
= 5н-12) и большие (^к=15 и более).
Рис. 8.12. Конструктивные схемы элементов рабочего оборудования скрепера:
а — заслонка; б — задняя стенка; в — тяговая рама
В последние годы наметилась тенденция к увеличению мощно¬
сти двигателей и вместимости ковшей с целью снижения стоимости
разработки единицы объема грунта. С 1950 по 1975 г. вместимость
ковшей у новых марок скреперов в нашей стране была увеличена
в 3 раза, мощность двигателей — в 2,5 раза. В результате в 1,5 раьа
увеличилась производительность, отнесенная к 1 м3 вместимости
ковша.
По способу передвижения различают скреперы прицепные, полу-
прицепные и самоходные. Прицепные одноосные или двухосные
скреперы буксируют в основном гусеничными тракторами, реже
двухосными пневмоколесными тракторами и тягачами (см. рис. 8.1,
поз. 4, 5 и 8). Полуприцепные скреперы (см. рис. 8.1, поз. 5) и са¬
моходные (см. рис. 8.1, поз. 6) перемещают одно- или двухосными
пневмоколесными тягачами или тракторами. Гусеничными тракто¬
205

рами буксируют скреперы с ковшами вместимостью до 25 м3, ко¬
лесными тракторами и тягачами — скреперы с ковшами от 6 до
Полуприцепные и самоходные скреперы отличаются небольшой
удельной массой. Для увеличения сцепной массы с целью повыше¬
ния тягового усилия по сцеплению применяют активные задние оси.
Для этого устанавливают на задней оси скрепера второй двига¬
тель или применяют дизель-электрический привод с мотор-колеса-
Рис. 8.13. Схема способов разгрузки скреперов:
а — свободный; б — принудительный; в, г — полупринудительный; д — скребковый свободный
ми. В Советском Союзе создан опытный образец самоходного скре¬
пера с мотор-колесами и ковшом вместимостью 25 м3.
Ковши самоходных скреперов с одной ведущей осью могут це¬
ликом наполняться только с толкачами, так как для этого у них не
хватает собственной сцепной массы. На группу 6—7 скреперов тре¬
буется один специально оборудованный толкач. Самоходные скре¬
перы с двумя ведущими осями могут разрабатывать малосвязные
грунты без толкачей (они необходимы для разработки тяжелых су¬
глинков и глин).
'•"Цо ^да-йным Н. Я. Хархуты и Н. В. Варламова, рациональная
даль^бсть перемещения грунта прицепными скреперами достигает
бОР'м, полуприцепными — до 5000—8000.
^ По схеме подвески ковша различают скреперы рамной и без¬
рамной конструкции. У первых ковш шарнирно подвешен к специ¬
альной раме, у вторых рамой, опирающейся на ось, является сам
ковш.
Способ загрузки ковша современных скреперов применяют либо
силовой под давлением срезанной стружки грунта, либо свобод¬
ный — с помощью встроенного в переднюю часть ковша скребково¬
го элеватора (рис. 8.13, д). По первому способу ковш преодолевает
4Т) м3.
Д.
206

большие сопротивления. У скрепера со свободной загрузкой скреб¬
ковый элеватор установлен под углом 45—50° взамен передней за¬
слонки. Срезаемый ножом грунт транспортируется в ковш нижней
ветвью элеватора.
Привод элеватора может быть гидравлическим или механиче¬
ским при отборе мощности от основного двигателя или, реже, от ав¬
тономного двигателя, установленного в задней части скрепера.
У таких скреперов масса и мощность силовых установок на 18—
20% больше, чем у обычных, при равной производительности. Эти
скреперы не могут работать в грунтах с каменными включениями.
Хотя элеватор имеет три-четыре скорости (0,5—1,5 м/с), точно со¬
гласовать их с условиями разработки грунта трудно, из-за чего за¬
медляется загрузка и увеличивается ее путь. Поэтому на операции
наполнения таких ковшей времени расходуется на 10—30% боль¬
ше, чем у обычных. К преимуществам скреперов с элеваторной за¬
грузкой относят возможность работы их тонкими стружками по¬
стоянной толщины, что необходимо при планировочных и зачистных
работах, более равномерную загрузку двигателя и разрыхление
грунта.
По способу разгрузки различают скреперы со свободной раз¬
грузкой (вперед или назад), полупринудительной (щелевой или
донной) и принудительной. При свободной разгрузке (рис. 8.13, а)
весь ковш поворачивают на такой угол, при котором грунт высы¬
пается из него под действием собственной силы тяжести.
По полупринудительному способу (рис. 8.13, в и г) ковш раз¬
гружается за счет поворота днища и задней стенки (при этом бо¬
ковые стенки ковша остаются неподвижными). Недостатком сво¬
бодной и полупринудительной разгрузки является неполная раз¬
грузка ковшей при работе в переувлажненных грунтах. При при¬
нудительном способе разгрузки (рис. 8.13, б) грунт выталкивается
из ковша движущейся вперед задней стенкой, что позволяет пол¬
ностью разгружать ковш.
Передние заслонки могут быть плавающими или управляемы¬
ми. В первом случае при разработке грунта заслонка поднимается
давлением призмы волочения, во втором — при помощи подъемно¬
го механизма, блокирующего управление заслонкой и ковшом.
По системе управления рабочими органами различают скреперы
с гидравлическим и канатно-блочным управлением. При гидравли¬
ческом управлении нож ковша заглубляется в грунт принудитель¬
но, а при канатно-блочном — под действием силы тяжести его.
В первом случае улучшаются условия работы в тяжелых грунтах,
сокращается путь загрузки и увеличивается производительность,
грунт не высыпается из-за неполного закрытия заслонки.
При наборе грунта скрепером следует стремиться наиболее пол¬
но заполнять ковш. Степень заполнения его зависит от многих фак¬
торов, из которых основными являются физико-механические свой¬
ства грунта, соотношение между основными размерами ковша, фор¬
ма ковша, конструкция заслонки.
207

я JL
Главным параметром
скреперов является вмес¬
тимость ковша qK. К ос¬
новным параметрам ков¬
ша относят также его ши¬
рину Вк, высоту Як и дли¬
ну LK (рис. 8.14). С умень¬
шением высоты и длины
ковша, увеличением ши¬
рины сопротивление грун¬
та снижается. У скреперов
Рис. 8.14. Основные параметры ковша скрепера С большой вместимостью
его невозможно по транспортным соображениям^ Наиболее прием¬
лемыми для определения внутренних размеров ковшей вместимо¬
стью 10<(7„<25 м3 являются размеры, м, определяемые по форму¬
лам подобия:
где 1Х — длина днища, м; h — длина ковша поверху.
Для сниженния удельных сопротивлений при определении вме¬
стимости ковша <7к К. А. Артемьев рекомендует использовать соот¬
ношение между шириной ковша В„ и высотой Нк равным 1,4—3,0.
Соотношение между длиной ковша Ьк и его высотой по рекомен¬
дации К. А. Артемьева можно принимать:
Совершенствование формы ковшей и режущей кромки скрепера
является предметом дальнейших исследований. Так, Д. И. Федоров
предложил режущую кромку полукруглой формы. Такой ковш луч¬
ше врезается в плотные грунты, уменьшаются путь и продолжи¬
тельность его наполнения.
Сила сопротивления движению скрепера при копании грунта —
величина переменная, она достигает максимального значения на за¬
ключительной стадии заполнения ковша. Этот момент, как наи¬
больший, принимают за расчетный. Потребное для работы тяговое
усилие расходуется на преодоление сопротивления грунта резанию,
сопротивления от трения ножа о грунт, от перемещения призмы во¬
лочения и сопротивления, возникающего при заполнении ковша.
Результирующая сила сопротивлений в конце копания слагается
из сил сопротивления копанию Pvоп и перемещению машины Rneр:
ковша увеличить ширину
Нк = (0,64- 0,68) Удк- ^=(1,20-f- 1,30) у дк;
/х = (0,73 -ь 0,79)	/2=(4,27	-	1,30)	У^,
Вместимость ковша qK, м3	3	6	Ю	15
Соотношение Вк/Як ...	1,7	1,9	2,2	2,5
Высота ковша Нк, м
Отношение LKjHK . . ■
I	1,5	2,0
1,85	1,5	1,4
(8.27)
208

Сила сопротивления грунта копанию скрепером
Я — Р -LЯ 4-Я -I-Я'	'8 28>
“коп — •" рез I ripTr'‘P I за1и
1 I
Сила сопротивления грунта резанию
P^=kpeaFt,	(8.29)
где Fс — проекция площади стружки грунта на плоскость, перпен¬
дикулярную к направлению движения скрепера.
Для прямого ножа
Fc=BJi\
для ступенчатого ножа
/7c=6/i-[-(5H— ft) (/г —с sin а),
где 5,: — длина ножа, равная ширине ковша скрепера; i ис-т дли¬
на среднего выступающего ножа у скреперов с ножом ступенчатой
формы и величина его вылета относительно боковых ножей.
Сила трения ножа о грунт
Ргр~Ря^1 = РЛ^1=\>-1^1к^<=;	С8-30)
ф1=Рв/Як=0,4-ь0,5.
Сила сопротивления перемещению призмы волочения грунта
^пр== d/iipl^Pr 7	(8.31)
«р
Объемы призм волочения в процентах от геометрической вмести¬
мости ковша указаны в табл. 8.6.
Таблица 8.6
Объем призм волочения
Qnp при вместимости ковша, м*
Грунт
6
10
15
Песок
26
28
32
Супесь
22
17
16
Суглинок
10
10
9
-Раина
10
5
5
Грунт, срезанный ножом стружкой определенной толщины, по¬
ступает в ковш (рис. 8.14) и заполняет его заднюю часть до тех
пор, пока поверхность его не займет положение АВ, определяемое
углом внутреннего трения ср. После этого начнет заполняться за¬
слонка до уровня КС, определяемого также углом ср.
Переменное заполнение ковша будет происходить до тех пор,
пока высота грунта не достигнет определенного значения. В мо¬
мент окончания наполнения ковша грунтом этот процесс можно
рассматривать как подъем столба грунта AEDK, сжимаемого при-
209

змами ВАЕ и KDC, сползающими на столб по линии естественного
откоса.
Сила сопротивления заполнению ковша
P3sa=kHt?Tg{Fc-\-BaZHT),	(8.32)
где k — коэффициент, учитывающий силу сопротивления, вследст¬
вие трения поступающей в ковш стружки о грунт, находящийся в
ковше при изменении направления движения стружки на некото¬
рый угол; Яг — высота грунта в ковше, м; Вн — длина ножа.
Для песка k= 1,45-М,85; для супеси k= 1,30+1,50: для суглин¬
ка ^ = 1,20^-1,40; для глины к= 1,15+1,25. Меньшее значение соот¬
ветствует пластичным грунтам и большим глубинам резания, а
большее — сухим грунтам и меньшим глубинам резания и в конце
заполнения ковша.
Зависимость вместимости ковша qK от #г указана ниже.
Геометрическая вместимость
ковша <?к, м3	 6	10	15
Высота грунта в ковше Нк, м . 1,3—1,5 1,8—2,0	2,0—3,0
Коэффициент Z, учитывающий влияние сил трения при движе¬
нии столба грунта внутри ковша, равен:
Z = 0,5 sin 2ср,
где ф'—угол внутреннего трения (tg(p=H2).
Следует отметить, что в заключительной степени заполнения
ковша для сопротивления характерно соотношение
Лез + Л^О.З -f-0,4) р.
Производительность скрепера можно определить по формуле
/7.=3600^А/(/Л),	(3-33)
где t4 — продолжительность цикла, с.
При этом
£р , 4iep	, Ly	,	Lv+Lnep+Ly
*ц —		Г-J.		7,	1	7.	r-"noBi_rn.ni'fon»
"К	^тр	vy
где Ly — длина пути разгрузки скрепера, м; vy, vx — скорость скре¬
пера при разгрузке и обратном ходе, м/с; tn.п — время на переклю¬
чение передач; ^п.п=6+8 с; ^Пов — время на один поворот, tnов =
= 15-ь20 с; ton — время на операции с ковшом, t0п=7+-10 с.
Коэффициенты наполнения ковша скрепера зависят от вида
грунта. При работе в сухом рыхлом песке их принимают равными
0,5—0,7 без толкача и 0,8—1,0 с толкачом, при работе в супеси и
среднем суглинке соответственно 0,8—0,9 и 1,0—1,2, в тяжелом
суглинке и глине — от 0,6—0,8 до 1,0—1,2.
Длину пути наполнения скрепера определяют из выражения
Z,p=^к^н^п/В uh ftp),
где 0,7 — коэффициент, учитывающий неравномерность стружки;
21Q

kn — то же, потери грунта при образовании призмы волочения и
боковых валиков; kn= 1,24-1,6.
Расчет на прочность узлов и деталей скрепера производят для
положений, соответствующих наибольшей нагрузке (конец резания
и транспортирования грунта). Нагрузки при транспортном поло¬
жении груженого скрепера определяют для двух положений: пря¬
молинейного движения скрепера и при повороте. Первое расчетное
положение в движении схематически представлено на рис. 8.15.
^“Хкрепер движется по горизонтальной неровной поверхности.
( Ковш заполнен с шапкой. При определении нагрузок необходимо
учитывать воздействие дина-
: мических нагрузок с учетом
; коэффициента динамичности
№=2).
вертикальную актив¬
ную нагрузку Gc+r включают
массу скрепера с тягачом и
грунтом.
Окружная сила Р0 на ко¬
лесе направлена на преодо¬
ление сил сопротивления ка¬
чению #Шер И R2пер КОТОрые,
в свою очередь, равны
1 пер ==	1 И /?2пер = -^2/, Где
R1 и /?2 — вертикальные реакции на передние и задние колеса.
При движении машины должно быть обеспечено неравенство
^o^-^lnep + ^nep— №~Г Р2) / •	(8.34)
Из уравнения моментов сил относительно точки О можно найти
значение Ri и R2: RiU = Gc+r^/; jR2 = Gc+TkR—R\-
По полученным значениям загрузок несущие и поворотные уст¬
ройства рассчитывают на прочность.	^
Во втором расчетном положении (рис. 8.16) тягач повернут на
90° по отношению к груженому скреперу, у которого заднее колесо
находится в канаве глубиной ft = 0,5rK. Потребное окружное усилие
на ведущих колесах для выезда из препятствия
P0=Poi+Po2,	(8.35)
где Ро1 — сопротивление пррекятьтянито груженой машины: Ро2 —
сопротивление препятствия.ТГри этом P0i = Gc+Tf и Po2 = PiBo/l.
Горизонтальную составляющую 7?1пр реакции препятствия опре¬
деляют по формуле
^inP=^2.iptga^,
где tg а = /2/('"к—h).
Тогда
'^1пр — ^?2пр	“	Ад.
Гк h
Значение j*?2np можно принимать равным /?2.
Рис. 8.15. Схема для определения сил, дей¬
ствующих на скрепер в транспортном поло¬
жении при прямолинейном движении
211

Тогда
Реакция сопротивления движению заднего колеса
fl2=ac+r(/~/i)//.
I — 1\ 1ч
я
1пр
-G
с+г '
I
Гк— п
А-
По полученным нагрузкам рассчитывают тяговую раму и деш-
ли колес скрепера.
Нагрузки на конст¬
рукцию скрепера опре¬
деляют при копании им
грунта. Максимально¬
го значения они дости¬
гают в конце наполне¬
ния и начале подъема
ковша скрепера или
при режиме копания с
вывешенными задними
колесами. В первом
случае скрепер при дви¬
жении по горизонталь¬
ной поверхности опира¬
ется на все колеса,
ковш максимально на¬
полнен грунтом. Рас¬
четная схема для этого
случая представлена на
рис. 8.17.
активные силы: окружное
масса скрепера с грунтом
Рис. 8.16. Схема для определения сил, дейст¬
вующих на скрепер в транспортном положении
при повороте:
а ~ вид сбоку; б — план
На скрепер действуют следующие
усилие Р0, тяговое усилие толкача Ртяг,
Gс+г, реактивные силы — реакции грунта на колеса R\ и R2, силы
для преодоления сопротивления грунта копанию Рк и Рн, силы со¬
противления движению колес Rшер и i?2nep- Кроме того, действуют
реакции грунта на нож скрепера RK и RH, реакции в шарнире креп¬
ления тяговой рамы к ков¬
шу Rx и Rv, а также уси¬
лие на штоке гидроци¬
линдров подъема ковша
Р ц-
Масса ковша скрепера
Ск+Г, меняющаяся по мере
наполнения его грунтом,'
имеет максимальное зна¬
чение в конце наполнения.
Меняется и положение
центра тяжести ковша с
грунтом, зависящее от вы-
ргугы пптт-крмя и nnvpK-яния Рис- 8л7' Схема ДЛЯ определения сил, деист-
соты подъема И опускания вующих на скрепер в конце заполнения и на-
ковша.	Чале подъема ковша
212

Наибольшая сила тяги определяется мощностью двигателя тя¬
гача или условиями сцепления ходового устройства с грунтом. Для
прицепного скрепера силу тяги при расчете на прочность прини¬
мают равной
РТ = РСЦ/£Д = Ст<рСц макс^д)	(8.36)
где фсцмакс — максимальный коэффициент сцепления гусениц (ко¬
лес) тягача с грунтом.
Для полуприцепного и самоходного скрепера расчетная сила
тяги равна
Р' = {Р0накС — #1Пер)*д>	(8-37)
где Романе — максимальное окружное усилие на ведущих колесах.
Тяговое усилие толкача определяют по формуле
^>гяг==г^тТсц макс Аод»	(8.38)
где	&од — коэффициент, учитывающий одновременность	работы
скрепера и толкача; &од=0,8.
Расчетная сила тяги с учетом работы толкача
Рр=Рт + Ртяг.	(8.39)
При резании грунта и наполнении ковша на скрепер действуют
силы со стороны грунта и призмы волочения Рк, Ри, RH и RK. Силу
Рк определяют из уравнения тягового баланса скрепера
Рк = Рр-(Рпр + /?2теР).	(8-40)
где	Рпр — сопротивление перемещению призмы	волочения.
Наибольшее значение Рк будет при минимальных значениях
Рпр и ^2пер- Это возможно при работе скрепера на плотных грун¬
тах, когда призма волочения отсутствует, а сопротивление переме¬
щению колес минимальное.
Результирующая сил Рн и Rn в процессе работы скрепера изме¬
няется по величине и направлению. В начальный момент заглуб¬
ления она направлена вверх, препятствуя заглублению ковша. Ее
значение можно определить по несущей способности грунта и ве¬
личине опорной поверхности ножа по формуле (8.12).
Максимально возможное значение Ru выбирают из условия, что
задние колеса скрепера полностью разгружены и при перемеще¬
нии он опирается на передние колеса и нож ковша. При заглубле¬
нии ножа вертикальная составляющая Рн направлена вниз и увели¬
чивается по мере наполнения ковша. Максимального значения Рл
достигает в начальный момент выглубления ковша, когда давления
на нож снизу нет.
Значение Рн можно найти из условия равновесия сил, действую¬
щих на скрепер (см. рис. 8.17):
2УМВ=0; Rxl-\rRln^h — P0h~Ри1г — Ок+т12~Ртяг/г2=0. (8.41j
2-^ = 0; '0K“b^lnep + ^2nep —^о —Ятяг = 0;	(8.42)
2у=0; Ок+г-Я1-Я2 + ^н=0.	(8.43)
213

После замены в этих уравнениях Яшер и R2пер на Riaep=Rif и
^2пер=-^г/ и их совместного решения находят значения R], R2 и Рн-
При режиме копания с поднятыми задними колесами скрепер
опирается на передние колеса и ножи, укрепленные на подножевой
балке (рис. 8.18). Уравнение сил, действующих на скрепер, в этом
случае можно представить в следующем виде:
2 Ма = 0; GK+ г ( / - /2) - Ртяг/12 -PJi-P^l- 1Х) = 0;
= 0; Рк-\- /?1пер
2у=0; о
= 0;
(8.44)
(8.45)
(8.46)
Совместным решением уравнений (8.44), (8.45) и (8.46) опреде¬
ляют значения Ri и i?H-
В рассмотренных поло¬
жениях скрепера подно-
жевая балка скрепера бу¬
дет работать на изгиб в
горизонтальной плоскости
под действием сил Рк »
RK, а в вертикальной—си¬
лы Рн (RH). При этом на¬
грузка на балку будет
максимальной. Для расче¬
та следует сопоставить
значения, полученные по
разным вариантам, и при¬
нять максимальное.
Усилие в механизме
подъема Рц можно опре¬
делить, рассматривая силы, действующие на заднюю часть скрепе¬
ра (см. рис. 8.17):
к
t
пергГ'
Рн
■с?4
Г
R*
*
9ШШШ
1,
Рис. 8.18. Схема к расчету сил, действующих
на скрепер яри копании грунта с вывешенными
задними колесами
2-/Ис —0; Ок+г (12— к)-\- P^T{h2 — hx) — R2n^hl — R2h~ PJi\
-Л.(/1-/з)+/у4=0.
Значение составляющих Rx
(8.47)
и i!, в упряжном шарнире крепле¬
ния тяговой рамы следует определять из уравнений равновесия
сил, действующих на ковш (см. рис. 8.17):
РХ=РК;	(8.48)
%У=0; Я2 + Ри~Ок+г±Рн(Ри)-Ру = 0.	(8.49)
Скорость подъема ковша скрепера выбирают с таким расчетом,
чтобы обеспечить нормальную работу машины при загрузке. При
этом одновременный отбор мощности на механизмы управления
обычно не превышает 20—30% установленной мощности. Для оп¬
ределения расчетных нагрузок данные, полученные при расчете на
рабочем режиме, следует сравнить с данными, определенными при
транспортном режиме, и выбрать наибольшие значения.
Наибольшее усилие открывания заслонки возникает при раз¬
грузке ковша с шапкой в начальный момент ее открывания. Схема
214

сил, действующих на заслонку, показана на рис. 8.19, а. Из урав¬
нения моментов сил относительно точки О находим
2,Мо = 0; P3ac = С?зас/3-}~Gr/2/7j,	(8.50)
где 0зас — масса заслонки; Gr — масса грунта в ней.
Масса грунта в заслонке Gr зависит от ширины заслонки Взас,
ее высоты Нзас, длины L3ac и формы. Определить ее точно сложно.
Для приближенных расчетов принимают
Gr ^зас^зас-^зас-^засРг^* ’
Рис. 8.19. Схема к расчету разгрузочного устройства скрепера:
а —схема сил, действующих на заслонку; б — схема сил, действующих на заднюю стенку;
в — эпюра давлений
где fe3ac — коэффициент, учитывающий конфигурацию заслонки,
^зас =0,8.
Трение грунта по плоскости АВ не учитывают, так как при по¬
вороте заслонки ее лобовая часть отходит от ковша и связь между
грунтом в заслонке и грунтом в ковше нарушается.
При определении усилия, потребного для принудительной раз¬
грузки ковша скрепера, за расчетное положение принимают нача¬
ло передвижения задней стенки при полной загрузке ковша грун¬
том и открытой заслонке (рис. 8.19, б).
Силу Рр, необходимую для выталкивания грунта, определяют
по формуле
^>p=jDtp + ^)6 + ^>p-	(8.51)
Сила трения грунта о днище ковша
Лр=Ол = ^Лр Tg/k9.	(8.52)
Сила трения о боковые стенки ковша
Рб-2^,	(8.53)
где Еа — активное давление грунта на боковую стенку (рис. 8.19, в),
Е*—0,5//j?Tpr£6£g",
где Яст — высота боковой стенки; к§ — коэффициент бокового дав¬
ления, зависящий от физико-механических свойств грунта, къ =
= 0,64-0,8.
215

Сила сопротивления качению роликов задней стенки по днищ)1
ковша
Pp=Up/p,	(8.54)
где Gp — суммарная нагрузка, действующая на все ролики; fp—-
коэффициент сопротивления качению роликов, /р = 0,10-=-0,15.
По найденным значениям сил, действующих на скрепер, произ¬
водят расчет на прочность его элементов.
§ 8.3. Автогрейдеры
Автогрейдеры предназначают в основном для производства
профилировочных работ при возведении земляного полотна авто¬
мобильных и железных дорог. Автогрейдерами можно выполнять
и ряд других работ: планировать площадки аэродромов и строи¬
тельные; отсыпать насыпи высотой до 0,6 м из боковых резервов,
рыть и очищать кюветы и канавы трапецеидального и треугольно¬
го профиля, отрывать и планировать корыта для дорожных осно¬
ваний; перемешивать грунт, щебень или гравийные материалы с
вяжущими — битумом и цементом, а также разрушать дорожные
покрытия, зачищать и планировать откосы насыпей и выемок; очи¬
щать улицы и дороги от снега.
Автогрейдеры классифицируют по мощности двигателя и по со¬
ответствующей ей массе машины, по количеству осей и типу ко¬
лесной схемы, по типу привода рабочих органов. Главным пара¬
метром этих машин по ГОСТ 9420—69 является их масса, которая
определяет не только основные показатели, но и область примене¬
ния на дорожно-строительных работах.
Привод рабочих органов автогрейдера может быть механиче¬
ским, гидравлическим или комбинированным (пневмогидравличе-
ским). Наиболее распространены автогрейдеры с управлением
объемным гидроприводом.
Колесную схему, характеризующую конструктивную компонов¬
ку машины, обозначают буквами А-Б-В, где А — число осей с уп¬
равляющими колесами; Б — число ведущих осей; В — общее число
осей автогрейдера.
С увеличением числа осей улучшаются планирующие свойства
машины, увеличение числа ведущих колес повышает тяговые воз¬
можности машины, а увеличение числа осей с управляемыми коле¬
сами— ее маневренность. Однако автогрейдеры с колесной форму¬
лой 3X3X3 и 1X3X3 сложны конструктивно, дороги в изготовле¬
нии, в связи с чем выпуск их в настоящее время не превышает 4%
от общего количества
Классификация автогрейдеров по указанным признакам приве¬
дена в табл. 8.7.
Автогрейдер (рис. 8.20) состоит из силовой установки, транс¬
миссии, основной и тяговой рам, рабочих органов, ходовой части и
механизмов управления рабочими органами и ходовой частью.
К последним относят механизмы передвижения, подъема и опуска-*
216

ния правого и левого концов
отвала, его поворота в горизон¬
тальной плоскости, выноса тя¬
говой рамы в сторону, бокового
перемещения отвала, измене¬
ния угла резания, наклона ко¬
лес в вертикальной плоскости
и поворота их в горизонталь¬
ной плоскости. Передняя ось
имеет поперечную балансирную
подвеску. Задние колеса пре¬
дусмотрены парные с продоль-
но-балансирными подвесками,
что позволяет автогрейдеру со¬
хранять хорошие планирующие
свойства при движении но не¬
ровной поверхности.
Рабочим органом машины
является отвал. К нему прила¬
гают иногда сменное оборудо¬
вание в виде удлинителя и от¬
косника, которые нужны для
увеличения ширины захвата
при отделке откосов насыпей.
В комплект автогрейдера вхо¬
дит также кирковщик, который
используется для рыхления
старого покрытия или грунта.
Для выполнения автогрейде¬
ром различных работ изменяют
положение отвала в вертикаль¬
ной и горизонтальной плоско¬
стях.
Передние колеса (у авто¬
грейдеров со всеми управляе¬
мыми колесами и задние) мо¬
гут наклоняться относительно
вертикальной оси, что облегча¬
ет работу машины на косого¬
рах, а при планировании отко¬
сов обеспечивает ее устойчи¬
вость. Изменяют положения от¬
вала в горизонтальной плоско¬
сти вращением поворотного
круга вокруг его вертикальной
оси, а в вертикальной плоско¬
сти — подъемом или опускани¬
ем правого или левого концов
1 яговой рамы. Отвал можно
t"-
00
К
ч
хо
сз
н
еа
св
сс
s
S’
*
S
*9-
s
о
о
л
ч
а*
и га
* л
Л 4
tq л
к
6- X
к 3
2 я
;>»
Р"
К и
ж
^ X
о £
О- £
° 5
<и
X
о
О Д
г	f—
о 5 О
“■S'S
° f- S
и еС s а
> о „
С X о. t-
ъ
S
си
со
О) 03
3 Й
к
X Э-
К S VO
К Ч о
CQ М
5 о.
ЬЙ ®
5 «
н СQ
о
ш
К
X
и
о «=;
о. с
о ^
1=1 X
CR
к
£0
о
е?
и О X
J О-
О) X
S- Я Я
5 П о
2о о
р-н 5
Ь д л
со
X
сч
X
«
сз
к
О? Л
л ч
к £
И £
о *
51
° с
СО О
X *
CS см
XX
— сч
X
eg
<и
3
5=
со" *5
X
00 К
X к00
-	§х
—	geo
со о X
X
^ со
*Х
со
X
со
о
о
ю
о
е=с
о
о
8	“Р
ю	о
о
ю
о
о
t--
о
о
о
сО
о
о
о
I-
со
о
со
о
о
СО
о
о
со
£ *
>С
ю
о
со
о S ^
1Л
)
Is-
1
1
В ИСИ
1
ю
1
ю
I
о
О *
йё
■'Г
сО
СЧ
о
<N
со
о
CN
о
см
к
и
о ^
\о &
О £
217

также выносить в стороны. Для этого тяговая рама, к которой под¬
вешен поворотный круг, специальным гидроцилиндром (или меха¬
низмом) может поворачиваться в горизонтальной плоскости вокруг
вертикальной оси крепления ее передней точки (шарнира). Перед¬
ние колеса автогрейдера могут наклоняться относительно своей оси,
что облегчает работу машины на косогорах. Задние мосты машины
подвешены к основной раме посредством опорных балансиров и ре-
Рис. 8.20. Конструктивная схема автогрейдера:
1 — рыхлитель; 2, 5 — гидроцилиндры; 3, 12 — карданные валы; 4 — основная рама; 6 —
вал рулевого колеса; 7 —кабина; 8 — двигатель; Р —радиатор; 10 — задний мост; 11 — сцеп¬
ление; 13 — коробка перемены передач; 14—отвал; 15 — поворотный круг; 16 — рама пово¬
ротного круга; 17 — цапфа переднего моста; 18 — передний мост
активных штанг, передний мост — посредством шкворня. Наличие
шкворня и балансиров позволяет автогрейдеру плавно передвигать¬
ся по неровной местности.
Основным видом работ, для которых предназначен автогрейдер,
является профилирование земляного полотна последовательными
проходами по планируемой поверхности. Рабочий процесс машины
состоит из операций вырезания грунта и перемещения его вдоль
отвала при движении автогрейдера. Рабочий процесс выполняется
за несколько проходов с различными установками отвала.
Для расширения области применения и увеличения времени
использования машины в течение года автогрейдеры снабжают
сменным рабочим оборудованием различного назначения: бульдо¬
зерным, снегоочистителями плужным и роторным, грейдер-элева-
тором, дорожной фрезой, распределителем цемента.
В качестве силовых установок на автогрейдерах обычно исполь¬
зуют двигатели внутреннего сгорания. В узел трансмиссии входят
многоступенчатая коробка перемены передач, раздаточная короб¬
ка, демультипликатор, главная передача и балансирные редукто¬
ры, что обеспечивает до десяти рабочих и транспортных скоро¬
стей. Выпускают автогрейдеры с гидромеханической трансмиссией,
а также машины с гидромотор-колесами.
218

Основные рамы автогрейдеров изготовляют преимущественно
однобалочные трубчатого или коробчатого сечения. Ось рамы сов¬
падает с продольной осью машины, что дает возможность в широ¬
ких пределах изменять углы установки отвала в вертикальной пло¬
скости и облегчает операцию по его выносу в стороны.
Кроме главного параметра — общей массы машины — автогрей¬
дер имеет ряд основных параметров: мощность двигателя N, силу
тяги Рт, рабочие ираб и транспортные итр скорости, колесную схему,
а также максимальное давление Ри, которое передается через нож
на грунт от массы машины.
Общая масса автогрейдера Ga и сцепная Gcn связаны следую¬
щей зависимостью:
Gcu=Ga',
где £ — коэффициент, равный единице в колесных формулах
3X3X3, 1X3X3, 2x2x2 и 1 = 0,70-^0,75 при формуле 1x2x3.
Максимальную свободную силу тяги грейдера можно опреде¬
лить по сцепной массе
^т = °сц?сц = ^ас<рС11.	(8.55)
Свободное тяговое усилие, в свою очередь, можно использовать
для срезания грунта. Этот случай выражает равенство
t?caGa = Kpe3Fc,	(8.56)
где фсц — коэффициент сцепления.
По уравнению (8.56) можно определить то сечение стружки,
которое можно снять при известной массе машины.
При профилировочных работах ввиду больших площадей сече¬
ния корыта (кювета) их вырезают за п проходов. Если FK— об¬
щая площадь поперечного сечения корыта (кювета), то
Fcn=kcFK,
где — коэффициент, учитывающий неравномерность сечения
стружки при отдельных проходах; £с=1,3; Fk— площадь сечения
корыта (кювета);
n=kJFJF с.
Тогда из уравнений (8.55) и (8.56) можно определить опти¬
мальную массу машины
VvW(??cu«J-
Опыт использования автогрейдеров показывает, что число про¬
ходов для вырезания корыта обычно составляет 6—8. При расчете
сил сопротивления движению автогрейдера следует исходить из
наиболее тяжелых условий работы — копания и перемещения
грунта.
Сила сопротивления копанию грунта автогрейдером
^коп=/зКз+^Р1+лФ+^;Р2+^;Р2-	(8.57)
219

Сила сопротивления грунта резанию
Ярез^резЛт,	(8-58)
где FCT — площадь стружки.
Если стружка грунта вырезается половиной длины отвала, то
Fz=Llh sin
Сила на преодоление трения ножа о грунт
^тр = Р'Л=р.1-'1/3к = ^1ФЛез^отЛ.	(8.59)
Сила на преодоление сопротивления пере¬
мещению призмы волочения
^p=|*2OnpsinX.	(8.60)
Приближенное значение (?Пр можно опреде¬
лить по уравнению
Gnp=prLmg{H0T - 0,25h)2/(2kp tg8),
где б — угол естественного откоса грунта.
Сила трения грунта при движении его вверх
Рис. 8.21. Схема от- ПО отвалУ
вала автогрейдера	Р'тр2=	cos2	а.	(8.61)
Сила трения грунта при перемещении его вдоль по отвалу
/>"p2 = H'l!J‘20npCOSA.	(8.62)
Развиваемое автогрейдером тяговое усилие должно быть боль¬
ше сопротивлений, возникающих при работе машины.
Основными параметрами отвала считают его длину L0T и высо¬
ту Яот. Длина должна обеспечивать вырезание стружки и переме¬
щение ее на необходимое расстояние, а высота — формирование
валика грунта и перемещение его перед отвалом. Параметры отва¬
ла были приведены в табл. 8.7.
Отвалы автогрейдеров изготовляют с радиусом постоянной кри¬
визны (рис. 8.21), величину которого определяют по формуле
г = //от/(cos	cos а),
где а — угол резания; в зависимости от вида работ изменяют в
пределах 30—80°. Обычно принимают а = 30—45°.
Изменяют углы резания отвала вручную.
Чтобы исключить пересыпание грунта за отвал, угол опрокиды¬
вания г|з принимают равным 65—70°. При установке углов должна
быть обеспечено равенство а + и)-Н|5 = я.
Угол захвата Я в зависимости от выполняемых работ обычно-
составляет 30—40° при вырезании грунта, 60—75° — при перемеще¬
нии грунта в сторону и 90° — при планировочных работах.
Угол наклона отвала в вертикальной плоскости 0 (угол заре-
зания) при резании устанавливают в пределах 0—30°.
220

При выполнении планировочных работ на откосах насыпей и
выемок в случае выноса отвала за пределы тяговой рамы он соот¬
ветствует уклону откоса и может достигать 80°.
Размер базы Ь0, колеи В0 и связанного с ними радиуса поворо¬
та автогрейдера гп (рис. 8.22) выбирают такими, чтобы машина
имела наименьшие размеры и можно было маневрировать отвалом.
Следует также учитывать, что чем ближе отвал к задней оси авто¬
грейдера, тем лучше его плани¬
рующая способность.
Расстояние от точки креп¬
ления тяговой рамы к передней
оси до оси вращения отвала	'
определяют из условия полно- ^
поворотности отвала. Поэтому
минимальный размер базы ав¬
тогрейдера
L0Mtia=DK0yTi^Bl+2l,
где I — минимальный зазор ме¬
жду колесом и отвалом; 1=
= 50 мм.
Минимальная длина базы
трехосного автогрейдера долж¬
на быть равной
I'	=	/	1 П /24-/12
о мин о мин “Г кол/ Т 1/ . •	рис 2.22. Параметры автогрейдера
У трехосных машин обычно
L0'= (1,4ч-1,7) Lot, а у двухосных L0= (1,Зч-1,5) L0T.
При одной передней управляемой оси радиус поворота по ко¬
лее переднего наружного колеса равен
Л, Vsin Ркол>
где |5кол — угол поворота наружного управляемого колеса.
Производительность автогрейдера определяют по объему выре¬
занного и перемещаемого грунта в единицу времени, в километрах
спрофилированной дороги или в квадратных метрах спланирован¬
ной площади. Она зависит от основных параметров автогрейдера
(размеров ножа, мощности двигателя, тягового усилия), а также
от условий работы.
При возведении земляного полотна дороги из двустороннего
резерва производительность автогрейдера можно определить
n3 = 3600q0kjtn,	(8.63)
где q0 — объем вырезанного в резерве и перемещенного в тело на¬
сыпи грунта; — время, затраченное на разработку и перемеще¬
ние грунта в объеме q0.
Если работа производится на участке протяженностью Lv, кмг
22%

-то объем грунта, вырезанного автогрейдером за один проход туда
и обратно, составит q = 2- 1000LPFC, м3, а время цикла
/  / I I ' о/
“"рез _Т~‘-пер_Г ^пов’
где /Пов — время разворота автогрейдера в конце участка.
Площадь сечения стружки можно определить по формуле (8.56).
Время вырезания грунта будет равно tve3 = 2Lv/vK, а время переме¬
щения грунта
^нер= 2£11ер/г>1р
где ик=0,83~-1,10 м/с, vTp=
= 1,6н-2,2 м/с.
Производительность ав¬
тогрейдера при профилиро¬
вании можно определить по
формуле
n, = La,kJtu, (8.64)
где /,пл—длина участка про¬
филирования, км; tn — время
профилирования, ч,
4 = ,я/г>„д -Ь4эв(«— 1)/6°.
где п — число проходов, не¬
обходимое для профилирова¬
ния.
Анализ использования
автогрейдеров на строитель¬
стве автомобильных дорог
показал, что на создание заданного профиля земляного полотна
требуется от 10 до 16 проходов.
В процессе работы автогрейдера на его рабочий орган и колеса
действуют силы, величина которых зависит от физико-механиче-
•ских свойств грунта, параметров рабочего органа и технологиче¬
ского процесса работы. На рис. 8.23 показана схема сил, действую¬
щих при копании п перемещении грунта на автогрейдер с наиболее
распространенной колесной формулой 1x2x3. Передние колеса
соединены .с рамой балансирно. Так же установлены левая и пра¬
вая пара задних колес.
При заданной мощности привода машины и скорости передви¬
жения известно суммарное тяговое усилие машины
Р, = 4Р0.	(8.65)
Известна также масса машины Ga. Требуется определить сле¬
дующие неизвестные: Рх, Pv, Pz — составляющие сил, необходимые
для преодоления сопротивления копанию и перемещению грунта
по ножу; R1, R2, Рз— вертикальные реакции грунта, действующие
яа ходовые колеса; Яые?, Л^пер, Язпер — сопротивления движению
колес: Рбь Р^2 — боковые реакции, действующие на колеса.
-е
з гвр
Рр Rznep Pp fynep
Рис. 8.23. Схема к расчету усилий, дейст¬
вующих на автогрейдер
222

Используя положения теории косого клина (см. гл. 3), можно
записать
Рz~DxP х\	(8.66)
Ру — 02Ру.	(8.67)
При известном сопротивлении передвижению
Rim9=fR»	(8-68)
R^V = fRb	(8-69)
Л>з„еР=/^з-	(8-70)
Из условий равновесия системы можно заключить, что
2Ях/ = 0; Р* + 2Я1пер + 2Я2пеР-}-2/?з.ер-4Яо=0;	(8.71)
£Яуг = 0; Я^ + 2Раг-Яа2=0;	(8.72)
2Ягг = 0; Я^Оа-2/?з-2^2-2/?1 = 0;	(8.73)
Яг/3-2Я1-|^+2Я2-^-==0;	(8.74)
2Ж„ = 0; Яг/2 + Оа/4-4Я1/.;=0;	(8.75)
Я,/3 - Pyl2 - 2P61L0 + 2Я1не р -f*- + 2/?2liep -f- = 0.
(8.76)
Формулы (8.66-4-8.76) представляют собой систему 11 уравне¬
ний, решение которой позволяет определить перечисленные выше
11 неизвестных усилий, действующих на автогрейдер во время ра¬
боты. Возможность реализации полученного значения тягового
усилия РТ = 4Р0 следует проверить по условию изменения
4 Ро = (ОЛРг)^-	(8-77)
.Кроме того, необходимо проверить машину на устойчивость.
Для этого горизонтальные силы Pei и Рб2 следует проверить по
условиям сцепления
>°61 = ^3?сц; Р62 = Rtfzu.-
Обычно средние скорости управления рабочими органами авто¬
грейдера соответствуют данным, указанным в табл. 8.8.
Таблица 8.8
Средние скорости движения механизмов автогрейдера
Скорости при управлении
Операции
механическом
гидравчическом
Подъем отвала, см/с
8—18
9—20
Опускание отвала, см/с
6—8
7—9
Подъем кирковщика, см/с
8—13
6—15
Боковой вынос отвала, см/с
2—5
1—4
Наклон колес, град/с
3-5
2—4
223

Величину подъемного усилия определяют для самого невыгод¬
ного положения, при котором отвал заглублен одной стороной, на
него действует максимальная горизонтальная реакция грунта, а
угол захвата равен 90°. Принимают, что сила тяжести отвала, по¬
воротного круга и тяговой рамы сосредоточена в центре тяжести
системы, вертикальная составляющая грунта направлена вниз и
препятствует выглублению отвала. Все эти усилия преодолеваются
одним подъемным механизмом, усилие в котором определяют,
пользуясь расчетной схемой на рис. 8.24:
^ц=0-г.Л + ЛЛ-ад/з,	(8-78)
где GT.p — масса тяговой рамы,
поворотного круга и отвала.
Расчет деталей подъемного
механизма на прочность произво¬
дят для случая вывешивания пе¬
редней оси автогрейдера на отва¬
ле при упоре последнего в твер¬
дый грунт.
Отвал поворачивают в гори¬
зонтальной плоскости только в
поднятом положении. Поэтому не¬
большие усилия, возникающие в
механизме поворота, а также
мощность, расходуемую на пово¬
рот отвала, не рассчитывают.
При расчете деталей поворотного механизма на прочность по¬
лагают, что отвал вынесен в сторону и к его концу приложена мак¬
симально возможная сила Рк, которую определяют по формуле
(8.58). Тогда с учетом коэффициента динамичности kR момент на
поворотном круге находят по формуле
Мпоъ=к,Рк1х,	(8.79)
где I — расстояние от конца отвала до центра поворота круга.
При	работе	автогрейдера на косогоре	и при	планировании от¬
косов насыпей	необходим такой наклон	колес,	который	придает
машине большую устойчивость (рис. 8.25, б). Механизм наклона
колес позволяет изменить угол наклона колес рКол к нормали в
пределах 0—30°.
При отсутствии наклона колес (рис. 8.25, а) появляется состав¬
ляющая Р, которая суммируется с боковой силой Рб = Рб2• Послед¬
няя проявляется при резании грунта. Общая сила, которая переме¬
щает переднюю ось машины вниз по косогору, будет равна
p + P6={Gn/2) sinaM-)-P62,	(8.80)
где Gn — нагрузка на переднюю ось с учетом массы последней.
Если колеса наклонены (Р = 0), то положение машины на косо¬
горе становится более устойчивым.
Рис. 8.24. Схема для определения
усилий подъема отвала автогрейдера
224

Наклон колес осуществляется за счет действия веса машины
а выведение колес из наклонного положения в вертикальное про
изводится гидроцилиндрами.
При выпрямлении колес точка приложения веса передней оси
поднимается на высоту h (рис.
8.25, в):
&КОЛ
h-
(1 — COS Р
кол макс
).
где Ркол макс — максимальный угол
наклона колеса.
Затраченная для выпрямления
колес работа может быть определе¬
на по формуле
А — П h — °1|£>|<ол (1 _ соч 3	)
л	—	2	^	1'^ол макс^»
а необходимая мощность определя¬
ется из выражения
N= Л» ■(1~C0S "кол макс),
2* имгв'г)
(8.81)
где /в — время выпрямления колес,
fE=12 с; т] — к. п. д. механизма
подъема.
§ 8.4. Грейдер-элеваторы
Рис. 8.25. Схема сил, действу¬
ющих на переднюю ось авто¬
грейдера на косогоре
Грейдер-злеватор (рис. 8.26) —
это землеройно-транспортная маши¬
на, используем-ая для послойной раз¬
работки грунта с помощью рабоче¬
го органа в виде ножа или совка и
перемещения его ленточным конвей¬
ером или метателем в отвал или
транспортные средства. Как машины непрерывного действия, грей¬
дер-элеваторы обеспечивают высокую производительность. Приме¬
няют их для возведения невысоких насыпей автомобильных и же¬
лезных дорог из боковых резеровов преимущественно в равнинной
местности, разработки выемок с перемещением вынутого грунта в
отвал, устройства полунасыпей на косогорах с поперечным уклоном
до 12° и рытья небольших каналов для орошения земель.
Грейдер-элеваторами можно разрабатывать грунты I—III кате¬
горий без крупных каменистых включений. Высокой производи-
тельиости грейдер-элеваторов в значительной степени способствует
разделение функций резания и перемещения грунта между рабо¬
чими органами — ножами и транспортерами. Однако их целесооб¬
разно применять лишь на линейных работах при большой протя-
1*125
225

женности участков, где можно обеспечить работу в постоянном
режиме.
По типу рабочих органов различаю г грейдер-элеваторы с дис¬
ковым (сферическим), плоским или полукруглым ножом, с совко¬
вым режущим инструментом и с системой прямых или полукруг¬
лых ножей.
В зависимости от расположения отвальных конвейеров их раз¬
деляют на машины с диагональным и поперечным расположением
конвейеров. Некоторые конструкции грейдер-элеваторов оборудо-
Рис. 8.26. Конструктивная схема полуприцепного грейдер-элеватора:
1 — трактор-тягач; 2~ генератор; 3 — траверса; 4 — рама; S — планировщик; 6 — балка; 7 —
конвейер; 8 — дисковый нож
ваны поворотными конвейерами или имеют транспортирующие
устройства в виде метателей.
Грейдер-элеваторы с системой прямых или полукруглых ножей
и диагональным расположением конвейеров называют стругами и
ими обычно перемещают грунт только в транспортные средства.
По способу перемещения грейдер-элеваторы разделяют на при¬
цепные, полуприцепные, навесные и самоходные. По ГОСТ
7125—76 предусмотрен выпуск грейдер-элеваторов производитель¬
ностью в 400, 630, 1000 и 1600 м3/ч. Основным типом является по^
луприцепной вариант. Навесные грейдер-элеваторы выпускают в
виде сменного навесного оборудования к автогрейдерам.
По типу приводов грейдер-элеваторы разделяют на машины
с механическим, гидравлическим и многомоторным дизель-элект-
рическим приводом. В конструкциях самоходных грейдер-элевато-
ров применяют мотор-колеса.
При работе грейдер-элеватор последовательно проходит по об¬
рабатываемому участку, вырезая грунт и подавая его конвейером
•в транспортные средства или отвал.
Двигаясь за буксирующей машиной, нож опускается и подни¬
мается с плужной балкой гидроцилиндрами, которые позволяют
регулировать сечение снимаемой стружки в зависимости от сопро¬
тивления грунта резанию. Вырезанная стружка грунта отвалива¬
ется на приемную часть конвейера, которая расположена наклон¬
но в плоскости, перпендикулярной оси машины.
226

Конвейер состоит из двух шарнирно соединенных секций, под¬
вешенных в трех точках к раме машины. Угол наклона верхней
секции конвейера и, следовательно, высоту подъема грунта для
разгрузки регулируют гидроцилиндрами соответственно высоте
отсыпаемой насыпи. Нижняя секция конвейера во время работы
поддерживается лыжей, скользящей по грунту. Конвейеры грейдер-
элеваторов снабжают очистительными устройствами в виде шне¬
ков, подвижных и неподвижных
скребков, предназначенных для
снятия налипшего на ленту грун¬
та. Для перевозки конвейер грей¬
дер-элеватора можно складывать,
что сокращает транспортные га¬
бариты машины и повышает ее
устойчивость.
Длину конвейера можно изме¬
нять за счет еъемных вставок, что
позволяет регулировать дальность
бокового перемещения вырезанно¬
го ножом грунта, а также высоту
его разгрузки. Управление рабо¬
чими органами грейдер-элевато¬
ров предусмотрено гидравличес¬
кое. Для приведения в действие
конвейера используют двигатель
внутреннего сгорания или гидро¬
мотор.
Некоторые грейдер-элеваторы
снабжают дополнительными ра¬
бочими органами — планировщи¬
ком и откосником, предназначен¬
ными для зачистки предваритель¬
ной планировки дна резервов и
боковых стенок отрываемых каналов. Откосник устанавливают
вместо ножа.
В последние годы начали применять совковые рабочие органы,
которые позволяют снизить энергоемкость копания и уменьшить
потери грунта при передаче его с режущего рабочего органа на
конвейер.
К основным параметрам грейдер-элеватора относят размеры и
углы установки дискового ножа, а также возможный вылет и вы¬
соту установки конвейера. Дисковый нож вогнут по сфере, а его
режущая кромка образуется конусной заточкой. Обычно применя¬
ют дисковые ножи диаметром Z)H = 600-М 200 мм. Радиус кривиз¬
ны ножа гн устанавливают равным 0,85—1,0 м. Определяют радиус
в соответствии со схемой, показанной рис. 8.27:
Рис. 8.27. Параметры рабочего орга¬
на грейдер-элеватора:
а —установка ножа в вертикальной плос¬
кости; 6 — то же, в плане
ru=DKj (2 sin -j-J.
227

Угол заострения принимают в пределах р= 15ч-20°. Нож уста¬
навливают на плужной балке с учетом угла установки 0 в верти¬
кальной плоскости и угла захвата К в горизонтальной плоскости.
Угол 0 зависит от угла резания а. Оптимальные значения углов а
и А приведены в табл. 8.9. Задний угол у принимают не менее 3°.
Таблица 8.9
Оптимальные значения углов а и %
Грунт
Угол резания а
Угол захвата X
Глинистый
40
40
Суглинистый
50
45
Супесчаный
55
50
Песчаный
60
50
При работе грейдер-элеватора необходимо с наименьшими по¬
терями вырезать грунт и подавать его на конвейер. Последнее усло¬
вие можно выполнить в том случае, если вырезанный пласт грунта
попадает на середину конвейера. Это возможно при выборе рас¬
стояния от наиболее приближенной к конвейеру кромки ножа до
переднего края конвейера по формуле
b*=2BJ3,
где Вя — ширина ленты конвейера.
Зазор между ножом и конвейером должен быть минимальным:
hi = 3-г-6 см. Нож заглубляют в грунт »а глубину h = (0,44-0,5)Z)H.
При таком заглублении и оптимальных ^глах установки ножа се¬
чение стружки Fc колеблется в пределах (0,154-0,30) DH2. Для
средних условий его можно принимать
Fc^0,2Dl
При разработке грунта грейдер-элеватор преодолевает силы
сопротивления перемещению машины Рпер и копанию грунта Ркоп-
Сопротивления, возникающие при трении конвейера о грунт и от
призмы волочения, не учитывают вследствие их незначительности.
Сопротивление грунта копанию
PKon=kFc=Q,2Dlk,	(8.82)
где k — удельное сопротивление грунта копанию; Fc — площадь се¬
чения стружки.
При определении сопротивления перемещению грейдер-элева¬
тора следует учитывать вертикальную составляющую сопротивле¬
ния грунта копанию Рп и массу грунта, находящуюся на конвейе¬
ре: Рн = ^1^коп, где 0(51 — коэффициент, равный 0,4—0,5.
Масса грунта
Qf=njtL£Iv„
228

где П0 — производительность грейдер-элеватора; Ln — длина лен¬
ты конвейера.
Производигельность грейдер-элеватора зависит от способа его
работы и длины участка. При возведении насыпи из двусторонних
резервов производительность его можно определять по формуле
360(Ш££„£ф£в
(8.83)
где ka-
^-/^раб “Ь Аюв
коэффициент потерь грунта, £п = 0,95-^0,98 при системе
прямоугольных ножей, kn=0,90-
коэффициент отклонения
формы ножа от прямоуголь¬
ной; &ф=0,85 для дисковых
ножей, &ф=1,0 для системы
прямоугольных ножей; L —
длина участка разработки,
м; /нов — время, затрачивае¬
мое на поворот, с.
Для случая возведения
насыпи из одностороннего
резерва
-0,95 при дисковом ноже; k$
3600hbLkuk^ka
L/Vpa6 + LIvx 21
нов
(8.84)
где v% — скорость холостого
хода, м/с.
При разработке грунта с
погрузкой его в транспорт
на производительность влия¬
ют перерывы для смены
траспортных средств:
/7а=-
Рис. 8.28. Схема к определению сил, дейст¬
вующих на грейдер-элеватор
3600Л6/.£„£ф£в
(8.85)
£/^раб + ^ПОВ
+ (я — I) tc
где п — число транспортных единиц, погружаемых на данной дли¬
не участка; /с — время, затрачиваемое на смену транспортного
средства, с.
При работе на грейдер-элеватор действуют силы, схема кото¬
рых показана на рис. 8.28. Активными силами являются масса тя¬
гача GT и грейдер-элеватора Ga, масса конвейера с грунтом GK+r
и окружная сила на колесах Р0; реактивными — составляющие со¬
противления грунта копанию Рк, Рн, Рб вертикальные реакции на
колеса Ri и R2, боковые реакции на колеса Pei и Рб2 и сопротивле¬
ния перекатыванию колес R\neр и R2пер¬
еопределить неизвестные силы можно по методикам, изложен¬
ным в § 8.1, 8.2 и 8.3. Значение составляющей сопротивления грун-
т« копанию:
229

для полуприцепного грейдер-элеватора
PK = (Po — Rnev)
(8.86)
для прицепного
Рк={Р1 -^пер) К
где Рт— тяговое усилие на крюке тягача; Рпер— сопротивление пе¬
ремещению машины; 1гя — коэффициент динамичности.
Вертикальную Рн и боковую Рб составляющие сопротивления
копанию можно определить в зависимости от значения
ря=!\хрк, р6=¥р«-
Значения г|3] и \j/, зависящие от положения дискового ножа,
можно определить по углам установки и захвата ножа (см. гл. 3).
По найденным значениям сил производят расчет машины на проч¬
ность, исходя из условия внезапной встречи ножа с непреодолимым
препятствием. При этом рассматривают два варианта: первый, ког¬
да нож опущен на полную глубину; второй — нож находится на
уровне поверхности грунта. Коэффициент динамичности принимают
равным Ад= 1,5.
§ 8.5. Устойчивосн» землеройно-транспортных машин
Землеройно-транспортные машины необходимо проверять на
устойчивость при работе, так как они часто преодолевают значи¬
тельные продольные и поперечные уклоны. Машины могут опро¬
кидываться при перемещении и ра¬
боте на больших уклонах, а-шарнир-
но-сочлененные машины — npii пово¬
роте на горизонтальной площадке.
При больших продольных укло¬
нах машина может остановиться
вследствие ее опрокидывания или
из-за недостаточного сцепления ее
ведущих колес с грунтом ввиду пе¬
рераспределения нагрузок между
осями машины при движении на
подъем.
Опрокидываются нередко при ра¬
боте короткобазовые машины, в
частности бульдозеры на базе колесных двухосных тягачей. В этом
случае кроме массы машины GM должно быть учтено и максималь¬
ное тяговое усилие РТМакс, приложенное к крюку (рис. 8.29).
Расчеты на устойчивость целесообразно вести путем установле¬
ния максимального угла наклона аММакс, при котором машина мо¬
жет опрокинуться. Уравнение моментов сил относительно точки Л
можно составить в виде
Pi мзкс^Ч “f- Gчакс	COS	CtM	маус,
где аММакс — максимальный угол наклона местности.
Рис 8 29 Схема к определению
продольной устойчивости машины
230

Отсюда
Л mqkc^I	(/j	COS	CCM	MaKC	'	^2	^1П	GCM чакс)*
Максимальное тяговое усилие машины по сцеплению
^мФсц cos <хм макс	Рт макс -f- Ом sin aM макс,
где фсц — коэффициент сцепления.
Отсюда
Pj максОм ('Рсц ^
Решив совместно уравнения
(8.87) и (8.89), получим
li—hifc ц
(8.87)
(8.88)
tga,
(8.90)
«мм
акс— sin a
- Cf'
^ г,-Г
м макс)*
h
(8.89)
L ./""
•v.
Gjuj sin
e/Vi/
kj
vh. J I /
* \У
1 Gpj COS
R
д2— h-i
Возможность преодоле¬
ния подъемов зависит от ус¬
ловий сцепления ведущих
колес машины с поверхно¬
стью грунта. С увеличением
угла ам (рис. 8.30) сцепле¬
ние колес ухудшается из-за
уменьшения действующей на
них нагрузки.
Максимальное тяговое
усилие, которое может быть
достигнуто при движении
машины на подъем характеризуется углом фсц при условии сохра¬
нения сцепления ведущих колес с грунтом. Это усилие можно опре¬
делить по формуле
Рт макс	сц*
где R — реакция грунта на ведущие колеса. Значение R определя¬
ют из уравнения моментов сил относительно точки В:
Рис. 8.30. Схема к определению максималь¬
ного угла наклона по условию сцепления
/?=(Ом/1)(/г cos аммакс —Л sin aK
(8.91)
Тогда
макс — (^мТсц/^О (^1 COS Ям макс ^ ^1П CtM Макс)-	(8.9„)
Вместе с тем тяговое усилие, необходимое для движения ма¬
шины, должно быть равно
Рт макс===^м^ {-OS макс~1~^м ®м макс' J (8.93)
Решение уравнений (8.29) и (8.93) даст возможность опреде¬
лить максимальный угол подъема: j ^ t
tpa — А?сц— Lf	(Я	94)
макс	г	,	и	J	’	'
L + <pC4ft
где f—коэффициент сопротивления перемещению машшт h
высота центра тяжести тягача.

При больших углах подъема для самоходной машины типа
скрепера будет невозможно реализовать максимальное тяговое
усилие.
Поперечную устойчивость машины при движении по косогору
следует проверять при одновремен¬
ном ее повороте (рис. 8.31). Разви¬
ваемая в этом случае сила инерции
будет способствовать опрокидыва¬
нию машины. Силу инерции можно
найти из выражения
Р 1=0^1 grn,	(8.95)
■де гп — радиус поворота.
1з уравнения моментов сил от-
__ яос^тельно точки А находим
P/h + Ga(h sin ам МЯ£С)
-(До/2) cos ам мЛс=0,	(8.96)
где Pj ■
НИИ,
Рис. 8.31. С тема к onpi
боковой ус
• сила инерции при торможе-
или
(8.97)
v /гп-\- g (h sin ам Maw;) {В0/2) cos ctM макс—0.
Из уравнения (8.97) можно определить предельное значение
угла аммакс, при котором устойчивость машины не нарушится.
Шарнирно-сочлененные машины, а также смонтированные на
базе одноосных тягачей могут потерять устойчивость при повороте
на горизонтальной площадке.
Наиболее опасен случай пово¬
рота порожней машины, когда
одновременно производится ее
торможение. Потерять устойчи¬
вость она может при нахожде¬
нии оси колес тягача на одной
прямой, проходящей через точ¬
ку контакта заднего колеса с
грунтом (линия опрокидывания
х—х, на рис. 8.32).
Из уравнения моментов сил,
действующих на машину отно¬
сительно х—х, можно написать
выражение
Pjh-\-0Ml — 0nl2-
Тогда условие устойчивости будет иметь вид
fJb
Рис. 8.32. Схема к определению попе¬
речной устойчивости шарнирно-сочленен¬
ной машины при повороте
(8.98)
где Pj — сила инерции, развивающаяся при торможении тягача:
232

/‘ — отрицательное ускорение при торможении; / = Зч-5 м/с2; h-
высота расположения центра тяжести тягача.
Из сопоставления геометрических размеров можно получить
h={BJ2) sin рс — lx cos рс,
где рс — угол складывания.
Тогда условие устойчивости машины при движении по косогор
будет иметь вид
(^"+1) <	51П ?с _ h C°S Рс)' (8'99)
ГЛАВА 9
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ
§ 9.1. Общие сведения
Долговечность и устойчивость земляных сооружений и соору¬
жений, возведенных на грунтовых основаниях, зависят от качества
уплотнения. Уплотнение грунтов — одна из важных операций в
технологическом процессе строительства. Качество уплотнения за-
нисит от правильного подбора и использования уплотняющего обо¬
рудования, определяемого характером грунтов и условиями произ-
подства работ.-Грунты уплотняют в насыпях, на откосах, при за¬
сыпке траншей и котлованов, на больших площадях и в труднодо¬
ступных местах, в стесненных условиях. Для таких разнообразных
условий работы требуются особые машины, которые различаются
как по конструкции, так и по принципу действия. Основная масса
машин предназначена для уплотнения насыпных грунтов.
Процесс уплотнения грунтов включает в себя две идущие па¬
раллельно операции: разрушение существующей структуры грунта'
и создание новой, более устойчивой к различным механическим
воздействиям. Чем менее прочна исходная структура грунта, тем
легче она разрушается и, следовательно, тем эффективнее уплот¬
нение и наоборот. При уплотнении частицы грунта смещаются.
Зто необходимо для наиболее компактной их укладки, вытеснения
жидкой и газообразной фазы и сопровождается уменьшением объ¬
ема и формированием плотной и прочной структуры, способной
Выдерживать нагрузки, связанные с эксплуатацией инженерных
сооружений.
Однократная нагрузка и разгрузка грунта вызывает как оста¬
точные, так и упругие деформации, причем остаточные деформации
значительно превосходят упругие. При многократном действии
нагрузки и разгрузки соотношение упругой и остаточной дефор-
Мнцпй постепенно меняется и, грунт, в конце концов, приходит в
состояние, отличающееся постоянством его упругих свойств.
Если увеличить нагрузку сверх той, при которой упругие свой-
< nui грунта стали постоянными, то в грунте вновь возникнут оста-
| очные деформации, которые при достаточно большом числе повто¬
233

рений нагрузки и разгрузки приведут его в новое стабилизирован¬
ное состояние с большим модулем упругости. Увеличивать нагруз¬
ку можно лишь до тех поп, пока не будет достигнут предел проч¬
ности грунта. С дальнейшим повышением нагрузки появляются
преимущественно деформации сдвига, сопровождающиеся трещи¬
нами и даже разрыхлением сложившейся структуры. Это свиде¬
тельствует о том, что предел прочности грунта превзойден.
Рассматривая процесс накопления необратимой деформации
уплотняемого грунта при однократном или периодическом нагруже¬
ниях, следует иметь в виду, что качественных различий между ними
нет. В обоих случаях при одинаковых силах деформации зависят
от времени (непрерывного или суммарного) действия нагрузок.
Однако при одинаковом общем времени действия нагрузки рост
необратимых деформаций под действием периодического нагруже¬
ния идет несколько быстрее. Объясняется это тем, что во время
периодических разгрузок грунта частично или полностью успевает
восстанавливаться лишь обратимая часть деформации. При этом
несколько изменяется взаимная ориентация частиц грунта и умень¬
шается их самэзаклинивание. Поэтому при повторном нагружении
деформация грунта облегчается.
С учетом этих свойств грунтов уплотнение их машинами произ¬
водят посредством периодически повторяющихся нагружений и раз¬
грузок грунта — так называемых цикличных нагрузок. При
таком режиме работы чередуются изменения напряженного со¬
стояния грунта.
В зависимости от характера нагружений меняются максималь¬
ное значение достигаемого напряжения, скорость его изменения и
время действия нагрузки, т. е. основные факторы, определяющие
эффективность уплотнения.
Характер изменения напряженного состояния под рабочим ор¬
ганом определяет проявление тех или иных свойств грунта. Поэто¬
му в зависимости от вида нагружения различают статические и
динамические воздействия на грунт. Статическое воздей¬
ствие характеризуется сравнительно небольшими скоростями из¬
менения напряженного состояния грунта и происходит оно под
действием постоянной или плавно изменяющейся нагрузки. Такое
воздействие реализуется обычно давлением массивного колеса или
барабана, перекатываемого по поверхности уплотняемого грунта.
При динамическом воздействии на грунт резко изменяется на¬
пряженное состояние его под ударами массивного элемента рабо¬
чего органа вследствие прохождения через грунт ударных волн,
вибрационного воздействия и т. п.
В соответствии с различными воздействиями на уплотняемый
грунт выпускают машины статического (прессование, укатка) и
динамического действия (удар, вибрация, удар совместно с вибра¬
цией). Границы между указанными типами машин часто оказыва¬
ются довольно расплывчатыми. Так, при работе машин статиче¬
ского действия наблюдаются динамические эффекты, которые в
зависимости от конструктивного исполнения машины и режима ее
234

работы могут быть выражены в большей или меньшей степени.
Трудно установить также четкую границу между ударно-вибраци¬
онными и вибрационными машинами Еще сложнее разграничить
ударно-вибрационные и ударные машины.
Вместе с тем, несмотря на некоторую неопределенность в гра¬
ницах, подобная классификация машин дает возможность доста¬
точно правильно оценивать основные факторы воздействия на
грунт.
К машинам статического действия относят прицепные, по-
луприцепные и самоходные катки. Рабочими органами
катков являются металлические вальцы (гладкие, кулачковые, ре¬
шетчатые) или колеса с пневматическими шинами. Вследствие
простых и экономичных средств уплотнения грунтов этими машина¬
ми они получили наибольшее распространение.
Рис. 9.1. Распределение давлений под гладким вальцем:
л — неподвижным; б — движущимся; hQ и ha — обратимая и необратимая части полно*
деформации
Катки с гладкими вальцами применяют давно, начиная со сред¬
них веков, главным образом для уплотнения несвязных грунтов.
Однако в настоящее время вследствие малой глубины уплотнения
(до 20 см) эти катки применяют в основном в качестве рабочих
органов вибрационных машин.
Рабочий процесс катков с гладкими вальцами состоит из мно¬
гократного перекатывания вальцов по поверхности уплотняемого
грунта, т. е. цикличного воздействия на него. Деформации и свя¬
занное с ними уплотнение происходят в результате давления, со¬
здаваемого силой тяжести вальцев.
На рис. 9.1 показаны схемы распределения контактных давле¬
ний на грунт под неподвижным и движущимся вальцами. Для уве¬
§ 9.2. Машины статического действия
235

личения контактного давления внутреннюю полость вальца загру¬
жают балластом через специальный люк, расположенный в тор¬
цовой части. Максимально допустимое контактное давление для
рабочего оогана в виде гладкого вяльца можно вычислить по
формуле
3v,aKc =VpE/R,	(9.1)
где R—радиус вальца; Е — модуль деформации грунта; р — ли¬
нейное давление, определяемое как отношение силы тяжести валь¬
ца с балластом к его ширине.
Опыты показали, что наиболее эффективно грунт уплотняется
при аМякс= (О,8-^О,9)0Г, где аг — предел прочности грунта.
Из механики грунтов известно, что при вдавливании в грунт
штампа поле напряжений под ним характеризуется убыванием по¬
следних по глубине. С глубиной соответственно убывает и дефор¬
мация, что исключает возможность равномерного уплотнения грун¬
та по глубине в пределах зоны действия нагрузки.
Однако в теории машин для уплотнения грунтов при рассмот¬
рении поля напряжений выделяют зону, в пределах которой в про¬
цессе уплотнения деформации грунта распределяются более или
менее равномерно. Эту зону называют активной, а ее глубину —
глубиной активной зоны. В пределах активной зоны реализуется
80—90% всей необратимой деформации, поэтому глубина активной
зоны является одной из важнейших характеристик уплотняющей
способности машин. Глубина активной зоны, а следовательно, и
оптимальная толщина уплотняемого слоя зависят от вида и состоя¬
ния грунта, а также геометрических характеристик штампа.
Для гладких цилиндрических вальцев, по данным Н. Я. Харху-
ты, глубину активной зоны ha в см рекомендуется вычислять с по¬
мощью эмпирических выражений:
для связных грунтов
ha=0,3(W/Wo)VpR;	(9.2)
для несвязных грунтов
ha=0,3(W/Wo)VpR,	(9.3)
где р — линейное давление, кг/см; R — радиус вальца, см; W и
Wо — фактическая и оптимальная влажность грунта, %.
Из выражений (9.2) и (9.3) следует, что толщина уплотняемого
слоя	зависит	от	радиуса вальца и линейного	давления.	Поэтому
для увеличения	ha	следует R и р назначать	как	можно	большим.
Однако значение линейного давления ограничивается пределом
прочности грунта, а эксплуатационные и технологические требова¬
ния ограничивают радиус вальца значениями до 1 м. Этим и объ¬
ясняется мадая глубина уплотнения.
Некоторые кгтки имеют разрезные вальцы. В этом случае на
одной оси располагают два вальца с малым зазором между ними.
Независимое друг от друга вращение обеих половин облегчает
движение машины на поворотах.
236

Ширину вальцев b выбирают обычно по эмпирической зависи¬
мости
(9.4)
где D — диаметр вальца.
Ширина вальцев должна обеспечивать необходимую маневрен¬
ность и устойчивость машины.
Эффективным средством уплотнения связных грунтов являются
кулачковые катки. В отличие от катков с гладкими вальцами на
их поверхности имеются бандажи с укрепленными на них кулач¬
ками (рис. 9.2). Каждый бандаж состоит из 2—3 частей, соединяе-
Рис. 9 2. Прицепной кулачковый каток:
/ — венец; 2 — ящик для балласта; 3 — прицепное устройство; 4 — упор; 5 —рама; 6 —
скребки
мых болтами. Кулачки размещают на поверхности катка в шах¬
матном порядке.
В начале работы кулачки полностью погружаются в грунт, в
связи с чем в контакт с его поверхностью может входить и валец
катка. При погружении кулачков под каждым из них образуется
уплотненное ядро, как бы упирающееся в плотное основание. Так
как на поверхности вальца имеется много кулачков (20—25 шт. на
1 м2), после прохода катка по поверхности грунта на нем остается
соответствующее число «ядер"», расположенных в шахматном по¬
рядке.
При последующих проходах катка грунт уплотняется в проме¬
жутках между ядрами. При каждом проходе кулачки погружаются
н грунт на меньшую глубину и между поверхностью грунтового
слоя и вальцем катка образуется увеличивающийся просвет, ука¬
лывающий на уплотнение укатываемого слоя. Характерные углуб¬
ления, создаваемые кулачками по поверхности грунта, способству¬
ют сдавливанию укатываемых слоев в единый массив и повышают
качество его уплотнения.
Основными параметрами кулачковых катков являются общая
масса катка, его геометрические размеры, а также длина и разме¬
ры контактной поверхности кулачков. Практика показала, что наи¬
более эффективны кулачки длиной не более 25—30 см. При боль¬
шей их длине разрыхляется поверхностный слой. Существенно
237

влияет на эффективность уплотнения также форма кулачков, кото¬
рую выбирают из условия минимального разрыхления при выходе
из грунта. В зависимости от формы кулачки можно разделить на
два типа — реверсивные (симметричные) и нереверсивные (асим¬
метричные) (рис. 9.3). Реверсивные кулачки работают одинаково
при перекатывании вальцев в обе
создают неравномерное давление
движении катка только в рабочем
? 2
Рис. 9.3. Основные
1,2 — нереверсивные;
стороны. Нереверсивные кулачки
на грунт и действуют они при
направлении.
J	4
типы кулачков:
3—8 — реверсивные
Соотношение между длиной кулачка и диаметром вальца оп¬
ределяют по выражению
D=(5,5-t-7,0)lK,	(9.5)
где D — диаметр вальца; /к — длина кулачка.
Если допустить, что в грунт внедряется один ряд кулачков,
массу катка можно определить по контактному давлению
m=a0FnJg,	(9.6)
где F — опорная поверхность кулачка; пк — число кулачков в ряду
на образующей вальца; сг0 — расчетное контактное давление.
Прицепные кулачковые катки используют как одиночные, так
и в сцепе нескольких. При сцепе из двух катков иногда первым
устанавливают кулачковый, а вторым гладкий. Для достижения
необходимого уплотнения грунта кулачковые катки перемещаются
по одному месту обычно до шести — восьми раз.
Кулачковыми катками уплотняют только связные грунты. Для
уплотнения как связных, так и несвязных грунтов используют
катки на пневматических шинах, имеющие несколько
колес, установленных в один ряд (рис. 9.4).
Подвески колес предусматривают жесткие и независимые.
У катков с жесткой подвеской ось колес укрепляют на про¬
дольных балках рамы, которую размещают обычно над колесами.
На раме устанавливают кузов для балласта. Основной недостаток
катков такой конструкции—перегрузка отдельных колес при дви¬
жении катков по неровной поверхности. В результате укатываемая
238

полоса неравномерно уплотняется по ширине, а отдельные элемен¬
ты катка перегружаются. Этих недостатков не имеют катки с не¬
зависимой подвеской колес (рис. 9.5), при которой каждое колесо
может перемещаться в вертикальной плоскости независимо от
остальных. Каждая секция таких катков жестко связана с балласт-
1 2
А	/
	4~
Л “
-5 А 5
Рис. 9.4. Прицепной каток на пневматических шинах с независимой подвеской
колес:
1 — запасное колесо; 2 — балластные блоки; 3 — рама катка; 4— дышло; 5 — колеса
ным ящиком или платформой. Балластом могут служить грунт или
бетонные блоки.
Контактные давления на поверхности грунта, а следовательно,
и характер напряженного состояния под колесами определяются
размерами шин, давлением воздуха в них рш и нагрузкой на коле¬
со Р. Эти параметры и являются
главными.
Пневматические шины имеют
сравнительно небольшую ширину,
поэтому при уплотнении грунт под
ними отжимается в сторону. Воспре¬
пятствовать отжатию может боковая
пригрузка, которую создают сосед¬
ние колеса, причем тем эффектив¬
нее, чем будет меньшим зазор меж¬
ду ними. Поэтому колеса нужно
ставить ближе друг к другу. Однако
при слишком частом расположении
колес увеличивается их число при постоянной ширине полосы уп¬
лотнения. Это, в свою очередь, снижает нагрузку на каждое колесо
или повышает общую массу катка, что также нежелательно. Опыт
эксплуатации катков с пневматическими шинами показывает, что
наиболее эффективным является зазор, значение которого можно
вычислить с помощью эмпирического выражения в зависимости от
ширины шины
/ш = (0,4-*-0,6)*ш,	(9.7)
где /ш — зазор между шинами; Ьш — ширина профиля шины.
Рис. 9.5. Принципиальная схема
независимой подвески колес при¬
цепного катка на пневматических
шинах
239

Зная массу катка, число колес и давление в шинах, можно вы¬
числить глубину активной зоны с приемлемой для практики точ¬
ностью по выражению
h&=0,2{WIWo)VP^,	(9.8)
где Р — нагрузка на колесо Н (кг); рш — давление воздуха в ши¬
нах, кг/см2; 0,2 — множитель, учитывающий жесткость шины.
Катки на пневматических шинах в отличие от катков с жестки¬
ми вальцами можно транспортировать с объекта на объект своим
ходом.
Сила тяги, необходимая для перемещения машин статического
действия по поверхности уплотняемого грунта, должна быть до¬
статочной для преодоления сопротивлений, возникающих при ра¬
боте.
Коэффициент сопротивления перекатыванию принимают: ka =
= 0,15-f-0,20 для гладких катков; /гп = 0,204-0,22 для катков на пнев¬
мошинах; &п = 0,254-0,30 для кулачковых катков.
При одинаковых массах катков различных типов наибольшие
тяговые усилия требуются для перемещения кулачковых катков.
По мере уплотнения грунтов коэффициенты сопротивления дви¬
жению катков несколько выравниваются, снижаясь до значений
&п = 0,064-0,08.
§ 9.3. Машины динамического действия
Основным недостатком катков статического действия является
их большая масса, потребная для нормальной работы. Эту массу
можно значительно снизить при том же уплотняющем эффекте,
если рабочие органы машин выполнить
вибрирующими.
Вибрационные катки выполняют
прицепными и самоходными. Чаще все¬
го в виброкатках применяют центро¬
бежные вибровозбудители с круговой
вынуждающей силой. Их приводят в
действие от двигателя внутреннего сго¬
рания самоходного катка или специ¬
ально установленного на раме прицеп¬
ного катка двигателя привода возбуди¬
теля. Односекционный (т. е. с одним
вальцом на оси) прицепной виброкаток
и его кинематическая схема показаны
на рис. 9.6.
У самоходных виброкатков вибри¬
рующими выполняют обычно ведущие
вальцы. Металлоемкость виброкатков
в 3—4 раза меньшая, чем катков стати¬
ческого действия. При этом нужное
уплотнение слоя грунта достигается
а!
Рис. 9.6. Прицепной вибраци¬
онный каток:
1 — двигатель; 2 — муфта сцепления;
3— клиноременная передача; 4 —
венец; 5 —дебаланс
240

меньшим числом проходов, так как виброкатки наряду со статиче¬
ским оказывают на грунт и вибрационное воздействие.
Сущность его заключается в том, что периодические возмуще¬
ния, передаваемые от вибратора в грунт рабочим органом, интен¬
сифицируют перестройку сложившейся структуры грунта, в резуль¬
тате чего получается более плотная упаковка грунтовых частиц.
Максимальное контактное давление о макс вибрирующего валь¬
ца на грунт равно примерно половине максимального статическо¬
го контактного давления, вычис¬
ленного с помощью (9,1). Однако
линейное давление р, входящее в
него, нужно определять с учетом
действия вынуждающей и инерци¬
онных сил:
°макс ~ 0,5 Змакс. (9.9)
Оптимальную скорость движе¬
ния виброкатка, км/ч, при кото¬
рой обеспечивается необходимая
для уплотнения повторность при¬
ложения нагрузки, рекомендуется
определять для связных грунтов
по формуле
'И=0,2у1/г,	(9.10)
где п — частота колебаний, Гц.	1
Для уплотнения несвязных грунтов и гравийно-песчаных мате¬
риалов в стесненных или недоступных для других машин местах
применяют вибрационные плиты. Кроме плит в комплект
оборудования входят вибратор, двигатель, система . подвески и
механизм управления. Для привода вибраторов на вибрационных
плитах чаще всего используют двигатели внутреннего сгорания —
дизельные или карбюраторные. По принципиальной схеме эти
устройства могут быть одно- и двухмассными. В первом случае
вибратор и двигатель установлены непосредственно на плите. Во
втором случае на плите монтируют лишь вибратор, а двигатель
устанавливают на специальную раму, соединенную с плитой упру¬
гими элементами (рис. 9.7). В этом случае в колебательное дви¬
жение приводится лишь нижняя часть, тогда как верхняя, подрес¬
соренная, не колеблется, но воздействует на грунт общей массой
статического давления.
К основным параметрам виброплит относят геометрические
размеры опорной плиты I и Ь, массу машины т, вынуждающую
силу Р, развиваемую вибратором, частоту колебаний и мощность
двигателя.
Опорные плиты изготовляют литыми или сварными и для по¬
вышения жесткости оснащают ребрами. Опорные плиты могут
иметь прямоугольную и тарельчатую форму с гладкой, волнистой
и вогнутой поверхностью.
Рис. 9.7. Виброплита:
/ — клиноременная передача; 2 — двига¬
тель; 3— уплотняющая плита; 4 — деба¬
лансы
241

Длину плиты I находят из соотношения
/=тп//гпр ад,
(9.11)
где v — скорость передвижения; ппр — число проходов; и — угло¬
вая скорость вращения дебалансов, ш = 2лп; п — частота колеба¬
ний плит, Гц; пп — число повторностей приложения нагрузки, не¬
обходимое для уплотнения грунта до требуемой плотности.
Для обеспечения требуемого уплотнения и удобства обслужи¬
вающего машину оператора, скорость передвижения виброплиты
v назначают не более 0,25—0,33 м/с, а число проходов япр=3-=-5.
В зависимости от массы плиты
частота колебаний может ме¬
няться в пределах от 20 до
60 Гц. Обычно пи принимают
равным 1,5-102-т-4-102. Нижний
предел относится к пескам оп¬
тимальной влажности, верх¬
ний — к супесчаным грунтам.
Ширина контактной пло¬
щадки виброплиты b должна
быть на 5—15% меньше длины
I.	Зная геометрические харак¬
теристики контактной площад¬
ки, возможно определить массу машины
m=abllg,	(9.12)
где о — требуемое давление на грунт. Для влажных песков а=
= Зч-4 Па, для песков средней влажности о=6-М0 Па, для су¬
песчаных грунтов — 10—20 Па.
В зависимости от массы вибрационные плиты разделяют на
легкие — до 500 кг, средние — 500—1500 кг и тяжелые — более
1500 кг. Более часто в строительстве применяют легкие вибро¬
плиты.
Колебания виброплит могут быть круговыми или направлен¬
ными, причем вынуждающая сила в случае направленных коле¬
баний бывает направлена вертикально или под некоторым углом
к горизонту. В последнем случае появляется горизонтальная со¬
ставляющая Р вынуждающей силы, под действием которой виб¬
роплита может передвигаться сама. Конструкция вибровозбудите¬
ля обеспечивает возможность на ходу изменять направление вы¬
нуждающей силы с целью реверсирования движения, а иногда
позволяет изменять скорость самопередвижения или интенсивность
вертикальных колебаний (рис. 9.8).
Сила тяги самопередвигающейся плиты равна горизонтальной
составляющей вынуждающей силы:
Р=РХ cosa sin wt,	(9.13)
1де Р] — амплитудное значение вынуждающей силы; м — угловая
скорость дебаланса; a — угол наклона вынуждающей силы к го¬
ризонту.
Рис. 9 8. Принципиальная схема само¬
движения виброплиты
242

В свою очередь
Рх = 2Р0=2тУг,
(9.14)
где Р0 — амплитуда вынуждающей силы одного дебаланса; та —
его масса; г — радиус вращения центра масс дебаланса.
Самопередвижение плиты возможно в том случае, когда
Р>РС,	(9.15)
где Pc = kG — сопротивление перемещению плиты; G — сила тя¬
жести машины; &=0,5ч-0,6 — коэффициент сопротивления пере¬
мещению плиты.
Самопередвигающиеся виброплиты наиболее распространены,
но кроме них используют ручные плиты, прицепные и перестав¬
ляемые краном.
Многосекционныевиброуплотнители представляют
собой виброплиты, устанавливаемые в один или два ряда на са¬
моходное шасси. Иногда многосекционные виброуплотнители при¬
меняют в качестве сменного оборудования к автогрейдерам,
каткам статического действия и другим машинам. Для подъема
и опускания плит используют гидравлическую систему.
Характер колебаний рабочего органа вибрационной машины
зависит от частоты приложения вынуждающей силы, свойств грун¬
та и соотношения между вынуждающей силой и массой рабочего
органа.	^ \_
Если амплитудное значение вертикальной составляющей вы¬
нуждающей силы вибратора намного меньше силы тяжести рабо¬
чего органа, колебания последнего носят гармонический характер.
Воздействия на грунт в этом случае будут чисто вибрационными,
т. е. периодические нагружения и разгрузки грунта будут чередо¬
ваться с частотой приложения вынуждающей силы. При этом
контакт между грунтом и рабочим органом нарушаться не будет.
Такой режим возможен лишь при малых значениях амплитуд ко¬
лебаний, так как только тогда грунт может рассматриваться как
упругое тело.
Однако малым амплитудам колебаний рабочего органа соот¬
ветствуют малые значения вынуждающей силы, а следовательно,
и малые значения контактных давлений. Для увеличения же кон¬
тактных давлений до технологически необходимых требуется уве¬
личивать вынуждающую силу, а следовательно, и амплитуду
колебаний рабочего органа. В результате увеличивается амплиту¬
да деформаций грунта. По мере роста этих деформаций и вызван¬
ных ими структурных изменений, связанных с уплотнением, режим
колебаний грунта отклоняется от упругого, причем тем сильнее,
чем значительнее деформации. Это приводит к отставанию дефор¬
мации грунта от соответствующих движений рабочего органа,
«следствие чего колебания последнего совершаются с отрывом от
\плотняемой поверхности.
Такие колебания характеризуются периодическими ударами
рабочего органа о поверхность грунта и называются ударными.
243

Именно в этом режиме работают вибрационные машины, применя¬
емые в настоящее время в строительстве.
Иногда применяют машины, рабочие органы которых работают
в безотрывном режиме. В этих случаях грунт уплотняю!, напри¬
мер, ударами бойка по наковальне, расположенной на плите. Та¬
кие машины, построенные на основе динамических систем, движе¬
ние которых сопровождается ударным взаимодействием составля¬
ющих элементов, называют виброударными. Одна из принци¬
пиальных схем подобной машины показана на рис. 9.9.
Вибрационные и виброударные машины характеризуются срав¬
нительно большой частотой приложения нагрузок, вызывающих
тиксотропные изменения в грунте, ко¬
торые уменьшают сопротивление сдви¬
гу и способствуют перестройке его
структуры для оптимального уплотне¬
ния грунта.
Эти машины следует отличать от
машин ударного действия, при
работе которых пассивный рабочий ор¬
ган в виде плиты или молота периоди¬
чески соударяется с поверхностью
грунта. Во время удара кинетическая
энергия рабочего органа полностью или
частично передается уплотняемому массиву и в значительной части
расходуется на развитие необратимой деформации, т. е. на уплот¬
нение грунта. Частота ударов сравнительно невелика — она обычно
не превышает десяти в 1 с. При такой частоте тиксотропные изме¬
нения в грунте практически не происходят, однако в паузах между
отдельными ударами грунт успевает разгрузиться, что усиливает
эффект последующего удара.
Машины ударного действия называют также т р а м б у ю щ и-
м и. Их применяют для уплотнения связных и несвязных грунтов,
грунтов в естественном залегании и мерзлых, в условиях зимнего
строительства. Трамбующими машинами можно уплотнять грунты
в слоях до 80 см, что очень важно при возведении насыпей, пло¬
тин, дамб и других сооружений.
К основным параметрам машин ударного действия относят
массу рабочего органа, скорость в момент начала его удара, а
также размеры контактной поверхности в плане. Масса ударной
части рабочего органа трамбующей машины в процессе удара за
конечный промежуток времени 7=0,01-7-0,1 с изменяет скорость
от некоторого начального значения vx до конечного v2. Вследствие
изменения этой скорости изменяется реакция грунта Ргр. Взаимо¬
связь между этими величинами устанавливают с помощью извест¬
ного из механики соотношения между изменением количества дви¬
жения и импульсом силы:
г
m(vx — v2)=z j PTVdt.	(9.16)
о
Го~фГ?
Рис. 9.9. Виброударная плита:
1 — вибровозбудитель; 2 — плита;
3 — боек; 4— наковальня
244

Если принять, что нарастание реакции грунта в процессе удара
зависит от времени линейно, максимальное значение контактного
давления можно найти по формуле
амакс =^kmvJTF,	(9.17)
где Т — продолжительность удара, т. е. время, за которое кине¬
тическая энергия рабочего органа переходит в другие виды энер¬
гии; k — эмпирический безразмерный коэффициент, учитывающий
неодновременность достижения максимального давления и нуле¬
вой скорости ударной массы. По данным Н. Я. Хархуты, &=1ч-2;
F — площадь контактной по¬
верхности рабочего органа.
В момент удара скорость
рабочего органа может быть
равна скорости его свободного
падения или превышать ее
вследствие работы соответству¬
ющего механизма. Например, в
пневматических молотах удар¬
ная часть за счет сжатого воз¬
духа получает дополнительное
ускорение. Из многообразия
возможных конструкций наибо¬
лее распространены машины,
рабочими органами которых яв¬
ляются периодически поднимаемые и сбрасываемые грузы. Эти ма¬
шины разделяются по характеру привода ударной части на маши¬
ны с механическим приводом и такие, в которых рабочий орган
поднимают сжатым воздухом или продуктами взрыва горючей сме¬
си (пневмо- и взрывотрамбовки).
Чаще всего используют машины с канатным механическим
приводом. К ним относят трамбующие плиты, поднимаемые и сбра¬
сываемые кранами или экскаваторами. Поднимать и сбрасывать
плиты, масса которых обычно находится в пределах 2—5 т, можно
по направляющим и без них. При этом используют подъемную
лебедку, растормаживание которой приводит к свободному паде¬
нию трамбующей плиты. Работа этих устройств связана с боль¬
шими динамическими нагрузками, которые преждевременно выво¬
дят из строя такие дорогостоящие и сложные машины, как краны
и экскаваторы. Поэтому трамбующие плиты на кранах и экскава¬
торах применяют главным образом в стесненных условиях, когда
использовать другие уплотняющие машины невозможно.
Динамические нагрузки на элементы конструкций базовой ма¬
шины можно значительно уменьшить, если вместо подъема лебед¬
кой поднимать трамбующие плиты с помощью механизма криво-
шипно-полиспастного типа (рис. 9.10).
Общий вид трамбовочной машины с кривошипно-полиспастным
механизмом подъема и сбрасывания трамбующих плит показан
на рис. 9.11. Рабочими органами этой машины служат массивные
Подъьм
8. м. г
Падение
Рис. 9.10. Кривошипно-полиспастный
механизм подъема и сбрасывания
плит:
н. м. т. —нижняя мертвая точка; в. м. т —
то же, верхняя
245-

плиты, устанавливаемые в один ряд позади трактора. Эти плиты
поднимают и опускают по трубчатым направляющим. При проходе
по грунту такой машины остается уплотненная полоса, ширина
которой равна примерно ширине
-2
Рис. 9.11. Трамбующая машина:
гусеничного хода трактора, а
глубина уплотнения может
достигать 1,2 м. Плиты из¬
готовляют из чугуна.
Производитель¬
ность средств уплот¬
нения грунта, т. е. пло¬
щадь, прорабатываемую той
или иной машиной в едини¬
цу времени, можно опреде¬
лить по общей формуле
J— трамбующие плиты; 2 ~ направляющие;
3 — кривошипно-полиспастный механизм
п ~ (Ь~СУ- kK
Лир
(9.18)
где b — ширина рабочего органа машины; с — ширина перекры¬
тия уплотняемых полос; v — рабочая скорость движения рабочего
органа (машины); ппр— число проходов по одному участку; къ —
коэффициент использования по времени (^в=0,8ч-0,9).
ГЛАВА Ю
МАШИНЫ ДЛЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ
До возведения земляных сооружений их трассы или площадки
должны быть подготовлены для развертывания на них строитель¬
ных работ. К подготовительным работам относятся:	расчистка
территории или полосы от леса и кустарника; удаление пней, кор¬
ней, крупных камней, а иногда растительного слоя; предваритель¬
ное рыхление тяжелых глин, суглинков и каменистых грунтов, ко¬
торые неэффективно разрабатывать землеройными машинами.
Для выполнения этих работ применяют специальные машины:
кусторезы, корчеватели-собиратели и рыхлители.
§ 10.1. Кусторезы
Кусторезы предназначены для срезания кустарника и мелко¬
лесья на уровне земли при расчистке земельных участков большой
площади или протяженности. Максимальный диаметр срезаемых
деревьев — 20—40 см.
По типу рабочего органа кусторезы классифицируют: на но¬
жевые и фрезерные, по виду управления рабочим оборудованием —
с гидравлическим и канатным управлением. Наиболее распрост¬
ранены ножевые двухотвальные кусторезы с прямыми и пилооб¬
разными ножами и гидравлическим управлением.
Кусторез (рис: 10.1) состоит из базовой машины, отвала с
ножами, толкающей рамы и системы управления. Сварная толка¬
246

ющая рама коробчатого сечения упряжными шарнирами соединена
с пальцами рамы гусеничных тележек трактора. С отвалом эта
рама соединена шаровым шарниром и двумя пружинными амор¬
тизаторами, с помощью которых отвал может изменять положение
относительно толкающей
рамы, приспосабливаясь к
рельефу местности.
Рабочим органом кус¬
тореза является клинооб¬
разный отвал; он состоит
из треугольной рамы с
каркасом, закрытым с бо¬
ков двумя вертикальными
листами, а сверху и сни¬
зу —■ двумя наклонными.
Носовая часть отвала за- рис jq j Конструктивная схема кустореза:
КЗНЧИВаеТСЯ КЛЫКОМ, КО-	/_ базовая машина; 2 — ограждение трактора; 3 —
торый Предназначен ДЛЯ	гидроцилиндр подъема рабочего органа;	4 — универ-
 	J\	и	сальная толкающая рама; 5 —съемная	шаровая го*
рЭСКЭЛЫВЙНИЯ ЛН£И И рЗЗ~	ловка;	6	—	рабочий	орган
резания стволов, лежащих
поперек пути.
Кабина машиниста, двигатель и гидропривод предохранены от
падающих деревьев ограждением, выполненным из стальных труб.
Подъем и опускание отвала производятся с помощью гидроцилин-
дров.
В процессе работы кустореза отвал, опущенный на поверх¬
ность земли, скользит по ней, срезая деревья и кустарник по поло¬
се, равной ширине за¬
хвата отвала. Со сторо¬
ны дерева на рабочий
орган в точке касания
лезвия ножа действует
реактивная сила R (рис.
10.2), равная по вели¬
чине и противополож¬
ная по направлению тя¬
говому усилию тракто¬
ра Рт.
Силу R можно раз¬
ложить на составляю¬
щие
Pck=R sin ау;
Pp=/?cosay> (10.1)
где ау — половина угла
установки ножей в пла¬
не; обычно ау=30°.
Сила Рок, перпенди¬
кулярная лезвию ножа,
Рис. 10.2, Схемы к расчету кустореза:
1 — нож; 2 —шаровая головка; 3 — универсальная
толкающая рама; 4— срезаемое дерево
247

•скалывает дерево, сила Рр действует вдоль лезвия ножа и перере¬
зает его. Перемещению ножа относительно дерева под действием
силы Рр противодействует сила трения
(10-2J
где ji| — коэффициент трения ножа о древесину; (Хх = 0,25.
Очевидно, что при работе кустореза должно соблюдаться не¬
равенство Рр>Ртр, в противном случае нож завязнет в древесине.
Суммарный момент сил, стремящийся повернуть кусторез от¬
носительно его центра тяжести, равен
м,юв=рсл~(рр+р[Р)/2,	(10.3)
где /) и /2 — соответственно длина плеч.
Суммарный момент сил сцепления гусениц с грунтом, удержи-
®ающий кусторез от поворота,
Жу=(Ом/2)<рсц50,	(10.4)
где G4 — масса кустореза; <рСц — коэффициент сцепления гусениц
трактора с грунтом.
При MY>MnoB обеспечивается прямолинейность движения
•трактора.	За	расчетное тяговое усилие Рт при	расчетах	на	проч¬
ность принимают	максимальную силу тяги по	сцеплению	Рт Сц с
учетом коэффициента динамичности kR, равного 1,5—2,0.
рг=рт. с А.	(Ю.ч)
Из уравнения моментов сил относительно точки крепления тол¬
кающей рамы к раме гусеничной тележки (точки О) определяют
-усилие, необходимое для подъема отвала
Ра=(0& + 00^*)/15,	(Ю.6)
.где	Gр	—	масса	рамы; /3, /4 и /5 — соответственно длина плеч;
Go+к —	масса	отвала с дерном и кустарником.
Массу (вес) кустарника и дерна можно определять по макси¬
мальному объему материала, набираемого перед отвалом по фор¬
муле, аналогичной (8.6).
Производительность кустореза, м3/ч, определяют по формуле
/7Э= [ 1000 B3v Pl6 (£в+ п^^бО) J/л,	(10.7)
тде В3 — ширина захвата; П\ — число поворотов в конце участка;
— время на один поворот; п — число проходов по одному месту.
§ 10.2. Корчеватели
Эти машины предназначены для корчевки и уборки пней диа¬
метром до 50 см, расчистки участков от камней, корней, удаления
сваленных деревьев и срезанного кустарника. Ими можно также
рыхлить грунт.
Корчеватель, являющийся навесным оборудованием к тракто¬
ру, представляет собой решетчатый отвал с зубьями. Рабочее обо¬
248

рудование корчевателя устанавливают на универсальной раме,,
укрепленной на гусеничных тележках трактора (рис. 10.3). На ра¬
мс молено монтировать рабочее оборудование различных машин
(бульдозеров, кусторезов, погрузчиков). Рабочее оборудование
корчевателя приводится в действие гидроприводом.
Для удаления выкорчеванного кустарника, пней и камней при¬
меняются корчеватели-собиратели с отвалами, имеющие мелкие'
зубья. Сплошную корчевку пней с отряхиванием растительного
грунта с выкорчеванных
пней или корневой систе¬
мы можно вести корчева¬
телями с рабочими орга¬
нами роторного тина, при¬
меняемыми в мелиоратив¬
ном строительстве. Сопро¬
тивление, возникающее
при работе корчевателя,
определяют по формуле
W=Wt + W2i-W3, (10.8)
где Wx — сопротивление
движению машины (см.
§ 5.7); W2 — то же, грунта
рыхлению; Ц73 — то же,
перемещению кустарника,
пней, деревьев, камня по
грунту.
Сопротивление грунта рыхлению
W2= (0,75 — 0,8) £р£ругнеп>	(Ю-9)
где kp' — удельное сопротивление грунта рыхлению, для дерново¬
го покрова и грунтов без корней ^'=10-^25 кПа; для грунтов со
значительным содержанием камня, корней &Р'=60-М00 кПа; Вр—
ширина рыхления; /гр — его глубина; кяеп — коэффициент неполно¬
ты рыхления, учитывающий уменьшение затрат энергии вследст¬
вие того, что часть грунта остается неразрыхленной.
Сопротивление волочению кустарника, корней и камней
W3=0KfKk'0,	(Ю.Ю)
где GK — масса (вес) кустарника, пней, корней, камней, переме¬
щаемых отвалом; fK — коэффициент сопротивления перемещению
корней, пней, камней, /к=0,6-f-0,7; k0'— коэффициент, учитываю¬
щий одновременную корчевку нескольких пней или камней, k0'=
= 1,3-Ы,5.
Корчеватель может работать при условии, что номинальная
сила тяги больше суммы сопротивлений, возникающих при работе.
При расчете навесного оборудования на прочность за исходную
величину принимают расчетную толкающую силу, которую опре¬
деляют по формуле, аналогичной (10.5). При расчете зубьев кор-
Рис. 10 3. Конструктивная схема корчева¬
теля:
/ — базовая машина; 2 — гидроцилиндр подъема
рабочего органа, 3 — зубья; 4 — отвал; 5 — уни¬
версальная толкающая рама
249

«евателя принимают, что максимальная сила приложена на конце
зуба.
Убирать камни корчевателем можно различными способами"
1) толкающим усилием, развиваемым базовой машиной, при ко¬
тором на зуб действует реакция РТ = РК (рис. 10.4, а); 2) подъем¬
ным усилием, создаваемым гидроцилиндром (рис. 10.4, б). При
этом на зуб действует сила
Ян=Окам(/10//9)*от)	(10.11)
Рис. 10.4. Схемы нагрузок на рабочее оборудование корчевателя при уборке
камней:
а — перемещением машины; б — подъемом отвала
где GKaM — масса камня; /ю и Iэ соответственно длина плеч; kQT —
коэффициент сопротивления камня отрыву, &от= 1,25-4-1,30.
Камни убирают также одновременным толканием базовой ма¬
шины и подъемным усилием гидроцилиндра. При этом на зуб дей¬
ствуют силы Рк	и	Рн.	В	последнем случае зуб	наиболее нагружен.
Изгибающий момент	от	действующих	сил	в	сечении	I—/ (рис.
10.4, б) будет равен:
+	(Ю.12)
где 18 — длина плеча.
Усилие подъема рабочего оборудования Рц и сжимающее уси¬
лие в подкосе Рпод можно определять по схеме, показанной на
рис. 10.4, а. Для корчевателей, смонтированных на тракторах,
максимальное усилие РЦМакс проверяют по условию устойчивости
трактора при опрокидывании его вокруг точки А (рис. 10.4, а)
под действием этого усилия:
ЛмаксСЛг	(Ю.13)
Максимальное значение Рц определяют следующим образом.
Исходя из равновесия сил, действующих на систему трактор — ра-
-бочее оборудование при опрокидывании трактора вокруг точки А,
составляют уравнение моментов сил относительно этой точки и
250

находят значение силы Рп', необходимой для удержания отвала в
неподвижном положении:
(10.14)
(размеры 1\—/5 показаны на рис. 10.4, а).
Далее, рассматривая равновесие сил, действующих на рабочее
оборудование, составляют уравнение моментов относительно точки
О и находят значение Рц, при котором трактор может опроки¬
нуться:
Рыхлители применяют для послойного рыхления грунта и не¬
которых горных пород на отдельные куски или глыбы с размерами,
удобными для погрузки или последующей разработки. С помощью
рыхлителей можно удалять из грунта крупные камни, взламывать
различные покрытия и разрабатывать мерзлый грунт. Рыхлить
грунт механическим способом обычно экономически выгоднее, чем
буровзрывным.
Рабочим органом рыхлителя являются стойки-зубья, погружае¬
мые в грунт и рыхлящие его при движении машины. До недавнею
времени эти машины выпускали только прицепными. Они имеют
большую массу, облегчающую внедрение зубьев в грунт, но мало-
маневренны и малопроизводительны — могут работать с базовыми
тягачами без дополнительных видов рабочего оборудования.
В последние годы выпускают только навесные рыхлители, сво¬
бодные от указанных недостатков. Их масса передается на базо¬
вый трактор, чем увеличивается тяговое усилие его по сцеплению.
Эти рыхлители имеют большую маневренность; их можно агрега-
тировать с бульдозерным или погрузочным оборудованием, что
повышает универсальность машины.
Рыхлители можно навешивать на трактора различных классов,
чем обеспечивается выполнение разнообразных работ. Глубина
рыхления изменяется в пределах 0,4—1,0 м, иногда даже до 1,5 м.
Навесные рыхлители соединяют с базовой машиной по трехзвен¬
ной или четырехзвенной схеме подвески. Разновидностью четырех¬
звенной подвески является параллелограммная.
Трехзвенная подвеска (рис. 10.5, а) отличается простотой кон¬
струкции и малой металлоемкостью. Вместе с тем существенный
недостаток ее — зависимость угла резания зубьев от их заглубле¬
ния; он изменяется от максимального в начале заглубления до
минимального на полной глубине рыхления.
Четырехзвенная подвеска рыхлителя (рис. 10.5, б), хотя и бо¬
лее металлоемка, но применяют ее чаще, так как угол резания
остается почти постоянным, что увеличивает срок службы нако¬
Р д—(Р Ji^r PKh-\-G0l2)ih’
(10.15)
|-де I, — длина плеча.
§ 10.3. Рыхлители
251

нечников рабочих органов. Существенным преимуществом такой
•подвески является и то, что рабочий орган при опускании на грунт
отодвигается от базового тягача, вследс1вие чею исключается за¬
клинивание кусков породы между рабочим органом и гусеницами
-трактора. Четырехзвенная подвеска позволяет разрушать грунт
при подъеме рабочего органа, что невозможно при подвеске трех¬
звенной.
аг — трехзвенного; б — четырехзвенного; 1 — наконечник; 2 — стопорное устройство; 3 —
стойка; 4 — флюгер; 5 —балка; 6 — рабочая балка; 7 — нижняя тяга; 5 — верхняя тяга;
9 — гидроцилиндр; 10 — опорная рама
Рабочее оборудование крепят к раме базового трактора или
к корпусу его заднего моста. Крепление к балкам гусеничных те¬
лежек менее рационально из-за повышенной металлоемкости,
увеличения габаритов машины, усложнения обслуживания ходо¬
вой части и из-за плохого прохождения комьев разрушенного грун¬
та или породы под охватывающей рамой.
В зависимости от назначения рыхлителя и вида выполняемых
работ число зубьев может быть от одного до пяти. На тяжелых
работах при рыхлении горных пород и мерзлых грунтов применя¬
ются однозубые рыхлители; для рыхления обычных тяжелых грун¬
тов можно применять пятизубые рыхлители. Зубья выполняют
прямыми или изогнутыми и обычно снабжают съемными наконеч¬
никами. Подъем и заглубление рабочего органа производятся
гидроцилиндрами.
Основными параметрами рыхлителя являются: наибольшее тя¬
говое усилие базовой машины по сцеплению Рт Сц, наибольшая
глубина рыхления Ар, число зубьев z, ширина наконечника стойки
Ьн, угол резания а, расстояние lv от низшей точки рамы до опор¬
ной поверхности машины при максимальной глубине рыхления
/гр, расстояние lIf от наконечника зуба в крайнем нижнем положе¬
нии до оси ведущей звездочки трактора.
Рис. 10.5. Конструктивные схемы навесных рыхлителей:
252

Главным параметром, определяющим работу рыхлителя, явля¬
ется номинальное тяговое усилие базовой машины (трактора) по
сцеплению; его определяют на плотном грунте при скорости 2,5—■
3,0 км/ч и буксовании не более 7%. Для увеличения тягового уси¬
лия трактора при рыхлении очень плотных, мерзлых и скальных
грунтов на траки устанавливают специальные грунтозацепы, по¬
зволяющие полностью реализовать мощность двигателя по сцеп¬
лению.
Максимальную глубину рыхления, зависящую от класса базо¬
вого трактора, выбирают в соответствии с данными табл. 10.1.
Таблица 10.1
Параметры и показатели навесных рыхлителей в зависимости
от класса тракторов
Номинальное
тяговое усилие базового трактора, кН
Параметры
30
60
100
150
250
Количество зубьев
Вылет от оси под¬
1—5
1—3
1—5
1—3
1—3
вески la, мм
Наибольшая глуби¬
на рыхления от опор¬
ной поверхности Лр,
450—800
600—1000
700- 1400
800—1500
1000—1900
мм
200—500
350—700
40Q—1000
500—1200
600—1500
По данным ВНИИстройдормаша, оптимальную глубину рыхле¬
ния грунта определяют из отношения
ЛР.о/Ьн=3,5 -г- 4,0.	(10.16)	-
Параметры рыхления следует определять исходя из этих оп¬
тимальных условий. Наименьшая глубина рыхления за один про¬
ход должна на 20—30% превышать толщину стружки бульдозера
или скрепера, в комплекте с которым работает рыхлитель.
Зубья рыхлителя размещают симметрично относительно про¬
дольной оси машины. Угол резания а выбирают исходя из условий
обеспечения прочности наконечника рыхлителя и оптимального
заднего угла у: при небольшом опускании зубьев рекомендуется
принимать не менее 45° при заднем угле не менее 8°.
Расстояние /р должно быть таким, чтобы рама рыхлителя сво¬
бодно проходила над разрыхленным грунтом при любой глубине
рыхления. Для тракторов с тяговым усилием до 100 кН включи¬
тельно это расстояние составляет не менее (0,654-0,75) НрМакс, с
усилием больше 100 кН— (0,33-^0,60)/гр макс.
Минимальное расстояние /Нмин назначают из условия свобод¬
ного выпирания грунта перед зубом и для того, чтобы исключить
заклинивание его под гусеницами. В зависимости от класса трак¬
тора /Нмин= (1,5-г-2,0)Лрмакс. Высоту подъема зубьев определяют
из условия обеспечения заднего угла въезда рв, который должен
быть не менее 20°.
253

В процессе рыхления скального и мерзлого грунтов периодиче¬
ски изменяются силы сопротивления рыхлению, причем нагрузки
снижаются в момент отделения крупных кусков грунта от массива.
После рыхления мерзлого грунта наконечник рыхлителя образует
прорезь характерного сечения (рис. 10.6): верхняя ее часть зна¬
чительно шире наконечника, а нижняя соответствует форме его
передней части.
о)
5)
о,г
о А
о,в
Л\
лЧ, \
°'- V
\ ч
ч
Г' 'о
Д
\ 4
о
-го 45
-ю
и с
Рис. 10.6. Характерная форма поперечного сечения реза при рыхлении (а) и рас¬
пределение температур грунта по глубине для различных климатических зон (б):
/ — в Восточной Сибири, г. Нерчинск; 2— то же, г. Якутск; 3-
восибирск); 4 — в северо-восточном Казахстане; 6 — в Воркуте;
европейской территории СССР
- в Западной Сибири (Но-
7 — в Центральной части
Верхняя трапециевидная зона прорези начинается несколько выше ее дна
и имеет развал с наклоном стенок к горизонту, который зависит от физико-ме¬
ханических свойств грунта и глубины рыхления. В среднем, угол наклона ра¬
вен 45°.
Исследованиями ВНИИстройдормаша установлен характер разрушения
грунта в прорези. Верхняя ее часть имеет рваную поверхность без признаков
пластических деформаций, что подтверждает предположение о преобладании рас¬
тягивающих напряжений в этой зоне в момент предельно напряженного состоя¬
ния грунта. В нижней части прорези уровень грунта снижается, и он уплотняется
наконечником.
Среднее значение горизонтальной составляющей сопротивле¬
ния грунта рыхлению Рк определяют по формуле
0,5£ВА	(10.17)
где tip — глубина рыхления; hi — глубина зоны развала грунта;
Ьн — ширина наконечника рыхлителя; ар — предел прочности грун¬
та	при	растяжении;	km — удельное сопротивление	вдавливанию
наконечника в грунт,
kM=2UvVW\,	(10.18)
где Т1 — средняя температура грунта в слое (h—hi); Т2 — то же,
в слое h.
Значения Т} и Т2 определяют по графику (рис. 10.6, б).
Вертикальную или нормальную составляющую сопротивления
грунта рыхлению можно определить по усилию
Pn = PKCtg( а + ?),	(10.19)
где <р	— угол	трения	грунта по материалу наконечника	рыхлителя.
254

Усилие Рн при установившемся процессе рыхления и остром
наконечнике зуба рыхлителя направлено в массив грунта, т. е. ра¬
бочий орган как бы затягивается в грунт. При затуплении нако¬
нечника зуба и появлении площадки износа во время заглубления
несущая способность грунта может оказаться больше усилия, при¬
кладываемого к зубу. В этом случае Рн будет направлено вверх.
Тяговое усилие базовой машины по сцеплению Рт.сц должно
быть больше или равно сумме сопротивлений W, действующих на
рабочий орган при разработке грунта:
P^a>W.	(10.20)
Величину тягового усилия по сцеплению Рт.сц можно опреде¬
лить по формуле
Рг.сц= (o6+G0+e; + Ря) ?сп,	(10.21)
где Ge — масса трактора; G0 — бульдозерного оборудования; G0'—
рыхлителя.
При этом необходимо учитывать направление нормальной со¬
ставляющей Рн. В случае затягивания зуба эта составляющая уве¬
личивает сцепное усилие трактора, в случае выталкивания —
уменьшает.
Силами сопротивления перемещению разрыхленного грунта
перед зубом можно пренебречь вследствие их незначительности.
Поэтому сумма сопротивлений W будет равна:
W = (G6 + Q0 + G'0 + Pa)(f±i)+PK,	(10.22)
где G0' — масса рыхлителя; фсц — коэффициент сцепления гусе¬
ничного движителя с грунтом [в (10.21)]; i — уклон местности.
При встрече рабочего органа рыхлителя с трудно преодолимым
препятствием могут возникнуть динамические нагрузки, в несколь¬
ко раз превышающие тяговые усилия базовой машины. Эти нагруз¬
ки необходимо учитывать при расчете металлоконструкции навес¬
ного оборудования. Для определения максимальных динамических
нагрузок Рт.д с достаточной для инженерных расчетов точностью
можно пользоваться зависимостью
Рт.я~Рт.са^л>	,	(10.23)
где &д — коэффициент динамичности.
По данным ВНИИСтройдормаша, значение коэффициента ди¬
намичности возрастает от 1,5 до 3,6 при изменении скорости рыхле¬
ния от 0,6 до 1,2 м/с.
Максимальное усилие заглубления в грунт зуба рыхлителя
определяют из условия вывешивания базового трактора относи¬
тельно ребра А (рис. 10.7, а).
Из условия равновесия БМа = 0 можно записать
п'	G(,l 1 + G0(l +I2) — 0оЦ
(размеры I, U, 12, /3, U показаны на рис. 10.7, а).
(10.24)
255

Усилие подъема зуба рыхлителя Рц определяют из условия оп¬
рокидывания базового трактора относительно ребра В при макси¬
мальной глубине рыхления (рис. 30.7, б). Условие равновесия
обеспечивается уравнением 2Л1В=0, откуда
Pa = PB=[G0(l+l4) + G6l5-G'j2\/l3.	(10.25)
Рис. 10.7. Схемы к расчету усилий на зубьях рыхлителя:
а — при заглублении; б — при подъеме
Реакции в шарнирах закрепления и усилия в стержнях навески
можно определять исходя из следующих соображений. При за¬
глублении зуба рыхлителя во всех расчетных положениях действу¬
ют сочетания нагрузок, показанные на рис. 10.8, а: тяговое усилие
базовой машины Аг.сц, сила сопротивления грунта заглублению
Рн' и сила тяжести рыхлителя G0'.
Рис. 10.8. Схемы к расчету усилий в стержнях рыхлителя:
а—при заглублении; б — при подъеме
При подъеме зубьев рыхлителя во всех расчетных положениях
действуют следующие силы (рис. 10.8, б): тяговое усилие базовой
машины Рт.сц, вертикальная составляющая сопротивления грунта
256

pi.,
л-
s)
  I1 щ н сила тяжести рыхлителя G0'. При расчете прини
составляющие сил сопротивления рыхлению прило
t,..nUw рыхлителя.
Hhit’ реакции в шарнирах закрепления навесного оборудо-
| I и усилия в его стержнях определяют при подъеме и заглуб-
ш /уба па различной глубине рыхления, в том числе и в начале
■■II I уЛленин.
Производительность рыхлителя в значительной степени зависит
от прочности разрабатываемого грун¬
та, организации и технологии работ.
Применяют две технологические
схемы рыхления грунта: челночную
(рис. 10.9,а) и продольно-поворотную
(рис. 10.9, б). В первом случае грунт
рыхлят параллельными проходами до
края площадки без разворота. В исход¬
ное положение трактор возвращается
задним ходом. Такую схему применя¬
ют при небольших размерах разраба¬
тываемых площадок, когда разворот
трактора затруднен или время разво¬
рота больше времени холостого хода.
По второй схеме грунт рыхлят парал¬
лельными проходами с поворотом
трактора в конце каждого хода. Такую
схему применяют при большей протя¬
женности участков рыхления, при которой относительная затрата
времени на повороты минимальна.
Эксплуатационную производительность рыхлителя, м3/ч, опре¬
деляют по формуле
/
/
/
/
■
/
/
/
■н
i
<=».
, -j
ea.
-J
/
1L
1
iL
I
I
т*
1
1
1
Рис. 10.9. Технологические схе¬
мы работы рыхлителя:
а — челночная; б — продольно-пово¬
ротная
£р.х/Ю00краб + ^пов/3600
(10.26)
где иРаб — скорость рабочего хода, км/ч; hv — глубина рыхления;
Lp.x — длина рабочего хода в одну сторону; ^Пов — время одного
разворота в конце участка с учетом выглубления зубьев; tn0h=
= 15-г-20 с.
Ширина захвата при рыхлении
#3= *„еР [Mp4- 2Ар tg м-* (-Z - 1)],	f	10.27)
где йгшр — коэффициент перекрытия, /г1ТСр=0,75; Ь„ — ширина зуба;
Z —количество зубьев; рс —угол скола по вертикали, {5С=15-М5°
(меньше при рыхлении мерзлых грунтов и скальных пород, боль¬
ше при рыхлении талых грунтов); s — шаг зубьев.
Расстояние между соседними полосами рыхления I следует
выбирать такое, чтобы зубья рыхлителя не попадали в ранее по¬
лученные прорези.
9—125
257

ГЛАВА 11
БУРОВЫЕ МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
Буровые машины предназначены для проходки скважин в грун¬
тах. Скважины бурят при взрывной разработке мерзлых и плотных
грунтов, для исследования физико-механических свойств грунтов,
при водопонижении, бестраншейной прокладке подземных комму¬
никаций и т. п. В последние годы распространено бурение для
устройства фундаментов из буронабивных свай и опор, которые
часто позволяют в 10—15 раз сократить объемы земляных работ
по сравнению с обычными фундаментами и в 2—4 раза снизить
их трудоемкость.
В зависимости от назначения скважины бурят различных диа¬
метров (40—2000 мм) и длины (0,5—100 м). Наибольшие разме¬
ры обычно имеют скважины, предназначенные для прокладки
труб под автомобильными и железными дорогами.
Вследствие различия в размерах прокладываемых скважин,
механических характеристиках разрабатываемых грунтов и в ус¬
ловиях работ буровое оборудование изготовляют самых разнооб¬
разных конструкций.
§ 11.1. Классификация оборудования
По назначению буровое оборудование подразделяют на буро¬
вые машины и станки, предназначенные для бурения скважин, и
на устройства для бестраншейной прокладки труб. Буровыми ма¬
шинами и станками можно бурить любые грунты, в том числе
скальные и плотные; бестраншейным способом прокладывают тру¬
бы в грунтах I—III категорий.
Разделение бурового оборудования на указанные группы объ¬
ясняется существенными различиями в размерах и формах сква¬
жин, проходимых этими типами машин, а также различиями в
технологии работ.
Процесс бурения состоит из операций разрушения породы на
дне скважины и удаления ее. Наиболее распространены механи¬
ческие способы разрушения грунтов, при которых от действия
рабочего органа буровой машины создаются местные напряжения
в грунте, превосходящие предел его прочности. Механическое раз¬
рушение грунтов можно производить ударным, вращательным и
ударно-вращательным способами.
Под ударным понимают такой способ бурения, при котором
процесс разрушения породы в забое происходит при внедрении в
нее инструмента со значительной начальной скоростью, т. е. с за¬
пасом кинетической энергии. Рабочий инструмент может свободно
падать на дно скважины или погружаться в нее под действием
специального органа ударника.
Ударник, наносящий удары по рабочему инструменту, погру¬
жается в скважину вместе с ним или остается на поверхности
грунта. При погружаемом ударном инструменте скорость бурения
258

не зависит от глубины скважины. Во втором случае рабочий ин¬
струмент наращивают с углублением скважины, вследствие чего
в ходе бурения изменяется соотношение между массой ударника
и инструмента и в конечном счете уменьшается скорость бурения.
При вращательном способе бурения грунт разруша¬
ется вследствие сжатия его давлением (осевым усилием) резцовой
головки бура, режущая кромка которого внедряется в грунт под
влиянием окружного (вращательного) усилия бура, уплотняющего
грунт перед режущей кромкой и скалывающего (срезающего) его
частицы. При бурении каждая точка режущей кромки совершает
поступательное и вращательное движение и все деформации и раз¬
рушения происходят одновременно.
При ударно-вращательном способе бурения вращаю¬
щемуся инструменту периодически передаются ударные импульсы,
направленные по его оси. Эффект разрушения при ударно-враща¬
тельном бурении получается больший, чем при разрушении грунта
суммарным ударным и вращательным воздействием, что объясня¬
ется сложным динамическим взаимодействием грунта и инстру¬
мента.
К механическим относят также способ образования скважины
вдавливанием в нее рабочего инструмента путем сжатия поверхно¬
стного слоя.
Применяют также гидравлические, термические и электрофи¬
зические способы бурения скважин.
При г идравлическом способе бурения грунт разрыхля¬
ется или разрушается струей воды, подаваемой под давлением.
В случае разработки мягких грунтов это давление сравнительно
невелико. Для бурения плотных пород используют тонкую струю
воды давлением до 1000 МПа. Недостатками гидромеханизирован¬
ных установок для разработки мягких грунтов являются большой
расход воды, небольшие скорости проходки, трудность разработки
плотных глинистых грунтов. При проходке скважин под дорожны¬
ми насыпями могут образовываться каверны, что не допускается
техническими условиями.
Способ термического бурения скважин основан на
том, что высокотемпературная газовая струя, имеющая большую
(нередко сверхзвуковую) скорость, быстро передает тепло породе,
в результате под действием термических напряжений она разру¬
шается. Один из основных недостатков термических буров состоит
в том, что уровень возникающего при их работе шума значитель¬
но превышает допустимый.
Электрофизические способы бурения в принципе
весьма эффективны, однако их разработка еще не закончена,
вследствие чего применяют их мало.
При звуков ом способе бурения энергия колебания сердечни¬
ка магнитострикционного вибратора передается по буровому ин¬
струменту, который эффективно разрушает горную породу.
Электроимпульсный способ бурения основан на ис¬
пользовании энергии высоковольтных импульсов разрядов в жид¬
9*
259

кой среде. Возникающие во время разрядов гидравлические и ка¬
витационные удары разрушают горную породу.
Ириэлек тромагнитном способе бурения порода нагре¬
вается и разрушается под действием электромагнитных волн вы¬
сокой частоты.
Взрывной способ бурения скважин предназначен для про¬
ходки их главным образом в особо крепких породах, основан на
взрывании в забое непрерывно поступающих по рабочему инстру¬
менту жидких взрывчатых веществ или поочередно подаваемых
микрозарядов в ампулах. Рабочий инструмент при этом вращается
вокруг продольной оси, покрывая все сечения скважины. Отделяю¬
щиеся при микровзрывах частицы породы выносятся из скважины
газообразными продуктами взрыва.
Очистка скважин от породы при всех способах ее разрушения
может вестись непрерывно или циклично. В первом случае сква¬
жины очищают шнеками, скребками, продувкой сжатым воздухом,
промывкой водой. При цикличной очистке часто применяют чер¬
паки, ковши, желонки.
§ 11.2. Конструкции буровых установок
Буровые установки разделяют на буровые машины, имеющие
собственный источник энергии, и буровые станки, снабжаемые
энергией от внешних источни¬
ков. Их можно монтировать на
автомобилях, тракторах, авто¬
прицепах, некоторые же из ус¬
тановок не имеют ходового обо¬
рудования.
Установки ударно-канатно-
го бурения, являющиеся уста¬
ревшими конструкциями,вслед¬
ствие простоты и надежности
применяют и в настоящее вре¬
мя. Так, на строительстве
БАМа используют станки УКС-
ЗОМ, которые при массе буро¬
вого оборудования 2500 кг мо¬
гут бурить скважины диамет¬
ром 920 мм и глубиной в десят¬
ки метров.
Буровой инструмент и буро¬
вая штанга установок (рис.
11.1) подвешиваются к канату.
Канат проходит через головные
блоки, а также блоки, установ¬
ленные на балансире, и лебед¬
ку. Балансир с помощью шату¬
на качается при вращении ба-
лансирной шестерни. Во время
Рис. 11.1. Схема станка ударно-канатно¬
го бурения:
1, 13 — выносные опоры; 2 — силовая установ-
ка; 3 — балансир; 4—блок балансира; 5 —• го¬
ловной блок; 6 — канат; 7 — вертлюг; 8 — за¬
мок; 9 — канат желонки; 10 — желонка; 11 —
буровая штанга; 12 — буровой инструмент;
14 — шатун; 15 — балансирная шестерня; 16 —
лебедка подъема желонки; 17 — подъемная
лебедка; 18 — ходовое устройство
260

качания его передним конец периодически поднимается и опускает¬
ся; соответственно этому опускается или поднимается и буровой
инструмент Высота падения инструмента равна амплитуде колеба¬
ний балансира, несколько увеличиваясь за счет упругости каната и
эластичности посадки головного блока (часто его закрепляют на
пружинах).
Очищают скважины периодически с помощью желонки и ста¬
кана. Последний имеет обратный клапан и заполняется измельчен¬
ным грунтом при погружении; желонку опускают в скважину
вместо бурового инструмента после каждых 30—70 см проходки.
Производительность установок ударно-канатного бурения, рав¬
ная в среднем 1 м/ч, уменьшается с увеличением глубины скважи¬
ны вследствие увеличения времени на замену бурового инструмен¬
та желонкой.
Скорость проходки скважин можно определить, рассматривая
работу А, затрачиваемую на бурение. Как известно, работа А, Дж,
пропорциональна объему разрушенной породы q:
A=-k%q.	(11.1)
Для работы станка в 1 с справедливо равенство
(Отд+ тшт) gffIIOAi»6= А„я Д к®б/4,	(11.2)
где mд	—	масса	долота, кг; тшт — то же, буровой	штанги;	Япод —
высота	подъема	бурового инструмента из скважины,	м;	(Об — час¬
тота ударов бурового инструмента в 1 с; DCK — диаметр скважины.
Отсюда скорость бурения, м/с,
«я
15£элО?„
Я,ю/об.	(11.3)
Скорость проходки скважины можно выразить также через
мощность двигателя станка Мл. Так как секундная работа станка
в кН-м численно равна его мощности, выраженной в кВт, то
{тА-\-тШТ) °Н 110Л<«6=WдТ)л,	(11.4)
где г|д — КПД долбежного механизма.
Тогда из выражения (11.2) получим
N^\v=k4aD2Q}tv6IA.	(П.5)
В конечном виде
v6=4NAr\Jk3nDlK.	(И-6)
Широко применяют в строительстве перфораторы, которыми
можно бурить скважины малых диаметров, глубиной до 12—15 м
в породах любой крепости. Перфораторы изготовляют ручные, ко¬
лонковые и телескопические. Ручной перфоратор, имеющий массу
до 20—25 кг, при работе удерживает руками один рабочий.
Колонковыми перфораторами массой 85—100 кг можно бурить
скважины в любых направлениях. При работе их закрепляют на
261

вертикальных, наклонных или горизонтальных колонках, буровых
каретках и других приспособлениях с помощью шарнирно-стержне¬
вых устройств-манипуляторов.
Телескопические перфораторы, буровые части которых состав¬
ляют одно целое с поддерживающими телескопическими стойками,
имеют массу 30—50 кг. Применяют их в строительстве мало — в
основном для бурения снизу вверх. .
Принцип устройства перфораторов всех типов одинаков. В цилиндре перфо¬
ратора помещен поршень-ударник. Сжатый воздух, поступающий в цилиндр,
автоматически подается то с одной, то с другой стороны поршня-ударника, кото¬
рый вследствие этого совершает частые возвратно-поступательные движения.
В конце прямого движения поршень наносит удар по хвостовику буровой штан¬
ги. При обратном ходе поршень-ударник при помощи храпового механизма по¬
ворачивается на небольшой угол, поворачивая при этом сопряженную с ним
буровую штангу. В результате каждый следующий удар наносится по иному
месту буримого грунта и эффективность бурения повышается. Периодически сжа¬
тый воздух направляют не под поршень-ударник, а в продольный канал буровой
штанги и бура. Воздух при этом продувает и очищает скважину от продуктов
бурения. Некоторые перфораторы имеют, кроме того, промывочное устройство,
с помощью которого в скважину подается вода. Перфораторы снабжают устрой¬
ствами, гасящими вибрации и глушащими шум.
В строительстве в основном применяют ручные перфораторы,
которыми можно бурить скважины глубиной до 3—4 м и диамет¬
ром 35—50 мм.
В настоящее время увеличивается применение буровых устано¬
вок, в которых удары по рабочему оборудованию наносят дизель¬
ные или вибрационные молоты. Эти молоты обычно используют
как погружные, т. е. при бурении их опускают в скважину с про¬
движением забоя, чем обеспечивается постоянство соотношения
соударяющихся масс. Буровым органом такой установки служит
труба, на которой закреплены коронка и ножи. К верхней части
трубы прикреплен шабот молота, по которому наносит удары его
ударная часть.
Очищают скважины непрерывно или периодически. Для этого
в буровую трубу вставляют другую очистную. В образовавшийся
между трубами кольцевой канал подают сжатый воздух, унося¬
щий из скважины буровой шлам через очистную трубу. Такие
установки применяют обычно для бурения шпуров в мерзлых грун¬
тах со скоростью 0,2—0,3 м/мии.
Несмотря на различие конструкции установок ударного буре¬
ния, принцип внедрения инструмента в породу у них один — дина¬
мический удар. Одинаковы и факторы, определяющие эффектив¬
ность их работы: величина энергии удара и скорость движущихся
масс в момент удара, частота ударов.
Для станков ударно-канатного бурения основным способом
повышения эффективности разрушения следует считать увеличение
массы ударных частей. У перфораторов эту массу нельзя увели¬
чивать, поскольку есть предел увеличения массы всего перфорато¬
ра, главное направление здесь — повышение скорости движущихся
масс в момент удара. При этом число ударов иногда доводят до
1800—2600 в минуту и более. Если же оно превышает 2000, эффект
262

разрушения породы за один удар снижается, что может привести
к снижению скорости бурения.
Энергия удара существенно влияет на скорость бурения. Напри¬
мер, при ее увеличении в 1,5 раза скорость бурения возрастает
примерно в 2 раза. Значительно влияет на эффект разрушения
угол заточки инструмента. В тех случаях, когда он меньше угла,
образующегося в породе скола, инструмент погружается глубоко,
скалываемые частицы получаются более крупных
размеров, и КПД бура повышается.
В установках вращательного (ша¬
рошечного) бурения рабочими буровыми
органами являются шарошки, алмазные буры или
разнообразные буровые коронки. Шарошечное
долото (рис. 11.2) состоит из 3—4 лап, на кон¬
сольных осях которых на роликовых или шарико¬
вых подшипниках смонтированы конусы-шарош¬
ки. На конусах имеется несколько рядов зубьев,
разрушающих породу при вращении долота, ук¬
репленного на штанге.
Способ шарошечного бурения применяют для
самых разнообразных пород, начиная с весьма
крепких и мерзлых. Бурить скважины можно с
продувкой сжатым воздухом, промывкой водой
или воздушно-водяной смесью. Очищать же сква¬
жины можно одновременно с бурением или при
его перерывах.
Сжатый воздух для продувки подается через
отверстие в шарошечном долоте. Продукты буре¬
ния выносятся из скважин под действием боль¬
шой плотности восходящего потока воздуха. С
увеличением подачи воздуха значительно увели¬
чится скорость бурения, так как лучше очищается
забой скважин. Расход воздуха примерно прямо пропорционален
диаметру долота.
Для свободного прохода частиц измельченной породы под дей¬
ствием воздушного потока необходимо иметь между штангой и
стенками скважины зазор 8—25 мм. Воздух, подаваемый в сква¬
жину для удаления продуктов бурения, кроме того, охлаждает
рабочий инструмент, без чего бурить было бы практически невоз¬
можно. Именно перегревом инструмента при бурении пород осо¬
бой крепости вследствие большого осевого усилия объясняется
неприменимость вращательного бурения для этих пород.
При удалении из скважин бурового шлама шнеками минималь¬
ные затраты энергии бывают при соотношении шага витков шнека
и диаметра бура, близком к единице. При оптимальном шаге вит¬
ков шнека частота его вращения должна быть не менее 40—60
об/мин в зависимости от крепости породы и степени ее увлажне¬
ния. Наиболее эффективно бурение проходит при максимально
допустимом осевом давлении на шарошечное долото по условиям
Рис. 11.2. Шарошечное
долото. Вид сбоку и
снизу
263

прочности конструкции. Во всех случаях величина давления на
забой должна превосходить сопротивление породы сжатию по
площади контакта долота с породой.
Значительно повышается скорость бурения при увеличении
частоты вращения бурового инструмента с 60—80 до 150—250
об/мин при неизменном осевом давле¬
нии. С дальнейшим увеличением скоро¬
сти вращения эффективность бурения
без повышения осевого давления не
увеличивается.
Алмазное бурение производят с по¬
мощью коронок, на которые прикреп¬
лены мелкие алмазы. Частота враще¬
ния коронки 300—3000 об/мин при осе¬
вом давлении 3—7 кН (300—700 кг).
В начале работы частота вращения ко¬
ронки и осевое усилие должны быть
небольшими, в процессе приработки ал¬
мазов их постепенно увеличивают. При
алмазном бурении обязательно промы¬
вают скважины, так как алмазы при
работе нуждаются в интенсивном ох¬
лаждении.
Преимуществами алмазного буре¬
ния являются постоянство скорости бу¬
рения независимо от его глубины, пра¬
вильность и постоянство сечения сква¬
жин, компактность оборудования.
При вращательном бурении приме¬
няют также плоские, резцовые, фрезер¬
ные и буровые коронки.
Плоские коронки имеют слабосфе¬
рические поверхности, армированные
твердыми сплавами. Резцовое долото,
имеющее обычно два плоских лезвия
из твердых сплавов, похоже па обыч¬
ную перку для сверления больших отверстий в древесине. Фрезер¬
ная коронка представляет собой торцовую фрезу с вертикальной
осью.
Установки для вращательного бурения с различными рабочими
органами монтируют на экскаваторах (рис. 11.3), автомобилях,
тракторах и специальных шасси. К голове стрелы экскаватора
прикреплена шарнирно стойка, нижний конец которой тоже шар¬
нирно соединен с экскаватором посредством рамы. На стойке ук¬
репляют навесное буровое оборудование, в состав которого вхо¬
дят: каретка, привод, буровые колонки и очиститель. Привод
состоит из электромотора и редуктора, выходной вал которого
соединен с буровой телескопической штангой.
Буровая колонка состоит из нескольких секций трубчатого се¬
Рис. 11.3. Схема установки
вращательного бурения:
1 — оголовок;	2— стойка;	3 ~
отклоняющий ролик; 4 — карет¬
ка; 5 — привод; 6 — буровая ко¬
лонка; 7 — очиститель; 8 — шнек;
9 — буровая колонка; 10 —• пере¬
хват для удержания буровой ко¬
лонки от падения в скважину;
// — винтовой домкрат;	12 —
связь; 13	экскаватор
264

чения, вдвигаемых друг в друга при необходимости. К нижней
секции прикреплены шнек и буровая коронка. Грунт, разрушаемый
буровой коронкой, подается ею на шнек, который периодически
поднимается наверх. Вокруг его верхней части замыкают лопасти
очистителя, прикрепленного к стойке, как к направляющей. При
вращении буровой колонки очиститель, подобно гайке, движется
вниз по виткам шнека и очищает его.
В рассматриваемой конструкции давление на буровую колонку
создается силой тяжести рабочего оборудования. В некоторых ус¬
тановках осевое давление на буровую колонку создают гидравли¬
ческими цилиндрами.
Скорость проходки при вращательном бурении можно опреде-
лить по формуле
V=k() (Poz|Чбур>	(11-7)
где Рос — осевое давление, Я; ств — предел прочности породы, Па
(кг/см2); LH — длина режущей части инструмента, см;.кв — коэф¬
фициент внутреннего трения, который зависит от свойств породы.
Определяют его непосредственно перед бурением.
Мощность двигателя буровой установки, кВт,
Л^Л^ + Л^ + ЛГз,	(11.8)
где jVi — мощность, затрачиваемая на разрушение породы; Л/г —■
то же, на подъем породы из скважины; N3 — то же, на сообщение
буру поступательного движения.
Слагаемые мощности двигателя, входящие в формулу (11.8),
равны:
■Ni=%c0/t1b);	(П-9)
Ar2=^cPg'^rA(V,n„);	(11.Ю)
#з=Лс*б(1 /л,.),	(ii.li)
где qc — объем породы, разрушенной за 1 с, м3/с; р — плотность
породы,	кг/м3;	Яг — высота подъема грунта	из	скважины,	м; т)в —
КПД механизма	вращения бура; т]п — то	же,	подачи	бура; kT —
коэффициент, учитывающий расход мощности на преодоление сил
трения поднимаемой породы о стенки скважины; рос — осевое
давление бура.
Объем породы, разрушаемой в 1 с, м3/с,
qc=nDlKv6/4,	(11.12)
где £>ск — диаметр скважины, м.
Скорость проходки скважин при заданной величине мощности
привода N из формул (11.8) —(11.12) составит:

Продолжительность бурения одной скважины определяют по
формуле
tb=HJ3600иб,	(11.14)
где Нск — глубина скважины, м; ve — средняя скорость бурения,
м/с, определяемая из выражения (11.8) при h = HcJ2.
Вращательное бурение наиболее часто применяют в условиях
строительства. Объясняется это простотой, легкостью, дешевизной,
универсальностью и экономичностью средств бурения, удобством
монтирования бурового оборудования
на транспортных средствах.
При ударно-вращательном
бурении необходимы значительно
большее, чем при других способах бу¬
рения, окружное усилие и удельное
давление лезвия на породу в забое
скважины. В этих случаях и при боль¬
шом числе ударов (2000—4000 в мину¬
ту) инструмент внедряется в породу со
скоростью 0,3—0,5 м/мин и более. Ра¬
бочим инструментом при таком буре¬
нии являются трехперые буровые ко¬
ронки (рис. 11.4).
Способом ударно-вращательного
бурения можно проходить скважины в
очень крепких породах (IX и X групп),
однако стоимость работ при этом полу¬
чается относительно высокой, в основ¬
ном из-за недостаточной стойкости инструмента. Машины ударно¬
вращательного бурения чаще всего применяют для бурения в под¬
земных выработках, в строительстве же их используют сравнитель¬
но редко.
Методом термического бурения скважин разрабаты¬
вают наиболее крепкие породы, в основном кристаллической струк¬
туры, где механические способы бурения дают низкую производи¬
тельность или не применимы. Этим способом можно прожигать
скважины диаметром до 450—500 мм и глубиной до 20—25 м.
Термическое бурение производят рабочим инструментом, пред¬
ставляющим собой горелку, работающую по типу камер сгорания
реактивных двигателей. В горелке при сгорании керосина в газо¬
образном кислороде температура достигает 3000° С. Из горелки
раскаленные газы выбрасываются через сопло со сверхзвуковой
скоростью и направляются на разрушаемую поверхность.
Вследствие высокой температуры и сверхзвуковой скорости
истечения огневых струй тепло быстро передается к нагреваемой
поверхности, в количестве до (9—50)-106 кДж/м2. При такой ин¬
тенсивности нагревания можно разрушать хрупкие горные породы
не плавлением, а растрескиванием от термических напряжений.
В результате образования сетки трещин с поверхности разрушае¬
Рис. 11.4. Рабочий орган
ударно-вращательного бу¬
рения:
а —двухперая коронка; б —
трехперая коронка
266

мой породы отделяются мелкие частицы (тонкие чешуйки, зерна)
которые легко удаляются из скважины с выходящим газовым по*
током. При разрушении горной породы вследствие термических
напряжений крепость ее не лимитирует процесса огневого бурения.
Схема устройства газовой горелки термического бурения пока¬
зана на рис. 11.5. По трубкам кислород и керосин подводят через
распыляющие устройства к камере сгорания. Для охлаждения
кислородно - керосиновых
установок применяется
вода, подаваемая в по¬
лость, которая при выходе
из горелки превращается
в пар.
Продукты сгорания
(раскаленный газ) выбра¬
сывается наружу через
сопло, в котором они раз¬
гоняются до сверхзвуко¬
вой скорости. Парообра¬
зование в скважине уве¬
личивает количество га¬
зов, выходящих из сква¬
жины, почти в 4 раза, что
облегчает выброс разрушенных частиц наружу.
Там, где затруднительно обеспечить термическое бурение газо¬
образным кислородом, применяют горелки, в которых окислителем
служит сжатый воздух, а топливом — бензин.
Термическим способом скважины бурят с помощью станков с
рабочим органом в виде термобура или ручным буровым инстру¬
ментом. Ручные термобуры имеют сравнительно небольшую массу
(5—8 кг) и удобны для бурения скважин глубиной до 1,4—1,5 м
и диаметром 40—80 мм.
Конструкции станков для термического бурения проще, чем для
других способов, так как эти станки сообщают вращательное и по¬
ступательное движение, а также направляют сравнительно легкий
рабочий инструмент. При вращении бура с частотой 6—30 об/мин
порода равномерно разрушается по всему забою. Иногда в нижней
части рабочего инструмента помещают резцы, которые дополни¬
тельно разрушают породу. Такой способ бурения называют термо¬
механическим.
Универсальные сборные инструменты удобны тем, что позво¬
ляют устанавливать на одном агрегате комбинации из нескольких
горелок, обеспечивающие бурение скважин различного диаметра
от 80 до 450 мм.
Существенное преимущество термического способа заключает¬
ся также в том, что с его помощью можно расширить любую часть
скважины на 100—200 мм приемом замедления подачи бура в
нужном месте. Это важно при устройстве скважин для взрывных
работ.
5
Рис. 11.5. Схема устройства горелки для тер¬
мического бурения:
/ — топливо; 2—окислитель; 3 — вода; 4 — камера
сгорания; 5 — раскаленный газ; 6 — сверхзвуковая
струя газа
267

Скорость термического бурения более высокая, чем при любом
другом способе. Для мерзлых грунтов она составляет 8—20 м/ч, а
для крепких каменных пород 4—20 м/ч, уменьшаясь с увеличением
диаметра скважины. Масса и стоимость бурового оборудования,
отнесенная к 1 м пробуренной скважины, при термическом буре¬
нии во много раз меньшие, чем при всех остальных способах.
Стоимость же материалов, расходуемых при бурении, значительно
выше.
В заключение отметим, что термический и термомеханический
способы бурения мерзлых и очень плотных грунтов, а также про¬
сверливания отверстий в бетоне, обработки каменных материалов
(например, стесывания граней бордюрных камней) являются
перспективными, хотя они пока недостаточно разработаны.
§ 11.3. Машины для бестраншейной прокладки труб
При применении способа бестраншейной прокладки подземных
коммуникаций под автомобильными и железными дорогами не
нарушается движение транспорта, сохраняется целостность зем¬
ляного полотна, покрытий и верхнего строения дорог. Поэтому
экономический эффект от использования такого оборудования до¬
статочно высок.
Машины для бестраншейной прокладки труб разделяют на две
основные группы: для прокладки малых (диаметром 100—500 мм)
и больших (диаметром 600—2000 мм) скважин. Из машин первой
группы чаще всего применяют пневмопробойники, рабочие органы
которых вдавливаются в грунт ударами с помощью специальных
ударников. Возвратно-поступательное движение ударника проис¬
ходит под действием сжатого воздуха.
В последние годы серийно выпускают пневмопробойники для
проходки скважин диаметром от 80 до 600 мм. Длина скважин,
зависящая от их диаметра, может достигать 30—40 м. Скорость
проходки в пределах 1,5—8 -м/ч уменьшается с увеличением дли¬
ны скважины.
Пневмопробойник состоит из ударного узла, стартового устрой¬
ства, расширителей, удлинителя. Корпус ударного узла (рис. 11.6)
является рабочим органом, образующим скважину. Корпус пере¬
мещается вперед под действием ударов, которые ударник наносит
по его переднему внутреннему торцу. Обратному перемещению
корпуса под действием реактивных сил препятствуют силы трения
между его наружной поверхностью и грунтом. Направление уда¬
ров ударника можно изменять, что позволяет реверсировать дви¬
жение корпуса.
Работает ударник под действием сжатого воздуха, подводимого
к пневмопробойнику по шлангу. Воздух направляется поперемен¬
но к разным концам ударника с помощью золотника.
Удлинитель, представляющий собой отрезок направляющей
трубы и повышающий точность проходки скважин, соединен с
корпусом ударного узла по конической поверхности.
268

Для образования скважин диаметром больше диаметра корпу¬
са делают несколько проходов ударным узлом, устанавливая на
корпусе при каждом проходе расширители увеличивающихся диа¬
метров. Расширитель, представляющий собой сварной цилиндр с
конической головной частью, устанавливают на головной части
корпуса ударного узла. Для забивания в скважину труб к удар¬
ному узлу прикрепляют насадку, соединяемую с трубой. На перед¬
нюю часть трубы надевают конусный наконечник.
До начала работ на трассе скважины подготавливают приям¬
ки — входной и приемный. Во входной приямок устанавливают
Рис. 11.6. Ударный узел с удлинителем:
I — шланг; 2— корпус; 3 — золотник; 4 — ударник; 5 — удлинитель
стартовое устройство, ориентированное по направлению скважины
с помощью уровня и визирного шнура. Стартовое устройство,
предназначенное для запуска ударного узла в грунт, состоит из
рамы, пневмоцилиндра с прижимным станком, опорных костылей
и кранов управления пневмосистемой. Устройство закрепляют в
приямке с помощью опорных костылей, после чего на него укла¬
дывают ударный узел. Пневмоцилиндр стартового устройства сво¬
им прижимным станком подает ударный узел к забою приямка.
После этого включают пневмосистему ударного узла, и его корпус
начинает вдавливаться в грунт. Работу начинают без удлинителя,
который устанавливают на извлеченном ударном узле после про¬
ходки 2,5—3 м скважины.
Аналогично производят работу с расширителями и по забивке
труб. Расход пневмопробойником сжатого воздуха при давлении
0,6—0,7 МПа (6—7 ат) не превышает 8 м3/мин.
В машинах для проходки скважин большого диаметра приме¬
няют различные типы рабочих органов.
Машины, работающие методомпродавливаниягрунта,
вдавливают в него трубы с помощью силовых установок, состоя¬
щих из нескольких гидравлических домкратов с усилием на штоке
каждого 150—500 т. Домкраты упираются в деревянные, металли¬
ческие или бетонные стенки, устанавливаемые во входных приям¬
ках. Вдавливаемая труба перемещается в приямке по направляю¬
щим. На переднем конце прокладываемой трубы укрепляют ло¬
бовую обделку-нож, облегчающую вдавливание.
Грунт, поступающий в трубу в виде цилиндра, разрабатывают
механизированным способом или вручную и удаляют из забоя.
Механизированная разработка грунта сравнительно сложна, и
производят ее обычно с помощью совков и скребков. Значительно
269

чаще применяют машины с ручной разработкой грунта, которые
можно изготс)ВЛЯТЬ в мастерской строительной организации. Про¬
изводительность механизированных установок 10—18 м/см, руч¬
ных — значитСЛЬН0 ниже.
Величину усилия, необходимого для внедрения труб, выбирают
с учетом их диаметра (усилие возрастает приблизительно прямо
пропорционально диаметру), вида грунта и способа его удаления
из трубы, а также длины про¬
давливаемой трубы.
Усилия продавливания
значительно уменьшаются
при разработке грунта на
линии кромки ножа, укреп¬
ленного на трубе. Так, при
продавливании трубы диа¬
метром 1000 мм длиной 30 м
в глинистом грунте оно рав¬
но 1,6 МН, а при разработке
грунта на 2 м сзади кромки
ножа усилие составляет 2,1
МН (210 т). При разработке
песчаных грунтов по второ¬
му варианту усилие вдавли¬
вания требуется значительно
большее, чем в глинистых.
Для нашего примера оно
равно 2,7 MI-J- При разработке грунта у кромки ножа вид грунта
мало влияет величину усилия. С увеличением длины проклады¬
ваемой трубы усилие значительно возрастает.
Машины, работающие методом горизонтального бу¬
рения, применя1°т чаще остальных. Возможно одновременное или
раздельное бурение и прокладка труб с непрерывным или циклич¬
ным транспортированием грунта.
На рис. 11-7 показана схема машины с непрерывным транспор¬
тированием грунта, производимым шнеком и отдельной проклад¬
кой труб. ПрС>Цесс бурения грунта этой машиной аналогичен про¬
цессам сверления- Рабочее оборудование машины с помощью опор¬
ных. роликов опирают на раму и подают на забои вручную
штурвалом иЛи с помощью специального привода. Организация
работы этих машин аналогична описанной выше для пневмопро¬
бойников.
Трубу протаскивают после очистки скважины от грунта и из¬
влечения машины из приямка.
Машины такого типа могут бурить скважины диаметром до
500—600 мм, длиной до 35—40 м со скоростью 5—8 м/ч. Эти ма¬
шины непригодные для работы в слабых и неустойчивых песчаных
грунтах, а та!<же в скальных и водонасыщенных. Кроме того, сква-
жикы, пробуренные ими, могут значительно отклоняться от за¬
данного направления.
г/ J
пЗг
yrW
г
J-J 1
1
г 11 12.
Г Т 1
и
\
г 1	«
Рис. 11.7. Схема шнековой машины горизон-
талрного бурения:
I — рама; 2 — опорные Ролики; 3 — главный вал
со шпинделем; 4шнек; 5 — режущая головка;
6, 7 — сменные ш£стеРни; s ~ электродвигатель;
9 — привод главно!*0 вала:	W	—	привод	подачи;
II — ходовой винт- 12 ~ штурвал ручной подачи;
13 —fорпус редуктора
270

Машины с совмещенными процессами бурения и прокладки
труб (рис. 11.8) обеспечивают более высокое качество работ
Транспортирующими органами у них обычно служат безопорные
свободно плавающие шнеки, размещенные в прокладываемых тру¬
бах. Такой шнек состоит из нескольких секций, наращиваемых в
процессе прокладки труб. На первой секции шнека устанавливают
режущую головку, которая разрабатывает грунт по диаметру тру¬
бы. При этом создается серпообразный зазор между наружной
А
Рис. 11.8. Схема машины горизонтального бурения с совмещенным бурением
и подачей труб:
Ь’ к' 4,а5,	14’	17	~	звездочки;	3,	16	-червячные редукторы; 6 - ку¬
лачковая муфта, 7— барабан; « — трос; 9 — неподвижный блок; 10 — ренЙ'Щая головка;
прокладываемые трубы; 12 — шнек; 15 — опорный ролик
стенкой трубы и сводом скважины, благодаря чему значительно
уменьшаются усилия подачи труб в скважину.
Шнек и трубу подают в скважину с помощью каретки, получаю¬
щей нажимные усилия от ходового винта, или используя полис¬
пасты, как показано на рис. 11.8.
Режущая головка машины состоит из державки, на которой
укреплены зуЬья, армированные твердыми сплавами. Ъ^/btih. тгр-а
вращении перекрывают все сечения скважины и равномерно раз¬
рабатывают грунт.
Производительность машин с совмещенным бурением и про¬
кладкой труб более высокая, чем у машин с раздельно выполняе¬
мыми операциями.
К рассматриваемой группе машин относят также скребковые.
В скребковой машине передняя секция трубы — инвен¬
тарная, т. е. ее не оставляют в скважине после окончания работы.
В этой секции устанавливают режущий рабочий орган и его при¬
вод. Рабочий орган состоит из забурника и ротора. Пр!1 вращении
271

он вырезает и измельчает грунт, после чего он падает на нижнюю
часть инвентарной секции.
Удаляют грунт из секций скребковым конвейером (транспор¬
тером). Скребки прикрепляют к бесконечной втулочно-роликовой
цепи, которая с помощью приводного редуктора и кривошипного
механизма совершает возвратно-поступательное движение вперед
и назад. При движении вперед скребки свободно отжимаются и
проскальзывают над грунтом, оставляя его на месте. При обрат¬
ном движении скребки под действием собственной массы, заняв
вертикальное положение, загребают грунт, оставленный смежными
скребками, и передвигают его ближе к заднему концу трубы.
Скребковые машины сравнительно просты по устройству и имеют
небольшую массу. Их производительность составляет 2—3 м/ч.
Машинами с гидромеханизированными процес¬
сами разработки и удаления грунта чаще всего разрабатывают
его одновременно двумя способами: механическим разрушением и
размывом струей воды, вытекающей под напором. На конце про¬
кладываемой трубы укрепляют буровую колонку. При вращатель¬
но-поступательном движении трубы буровая колонка выреза¬
ет керн грунта, который разрыхляется затем ножами. Одно¬
временно грунт размывается струей воды и в виде пульпы
стекает из трубы на дно котлована. Напор рабочих органов на
грунт обеспечивается гидравлическим или канатным механизмом.
Бода подается к рабочему органу по промывочной трубе, поме¬
щенной внутри прокладываемой трубы.
Гидромеханические установки расходуют 120—150 м3/ч воды
при ее напоре 0,1—0,20 МПа (18—20 м). Скорость бурения —
1,5—8 м/ч. Эти машины нельзя применять для прокладки трубо¬
проводов под железнодорожными насыпями ввиду опасности раз¬
мыва насыпи.
Буровы еустановкисцикличнымудалениемгрун-
т а обычно имеют в качестве рабочего органа винтообразный нож,
который режет и разрыхляет грунт перед прокладываемой трубой.
Внутри трубы помещают транспортирующее устройство, чаще
всего ковш. После того как труба продвигается вперед на 10—15
см, ковш врезается в разрыхленный грунт. Затем ковш, не пол¬
ностью заполненный грунтом, отводится немного назад. Такой
цикл движения ковша повторяется. Для того чтобы грунт пол¬
ностью заполнил ковш, в инвентарной передней секции трубы
перемещается клапан, качающийся на неподвижной оси. Этот кла¬
пан при движении ковша вперед прижимается к передней части
грунта, находящегося в ковше, перемещая его в заднюю часть
ковша. При движении ковша назад клапан приподнимается, сво¬
бодно пропуская под собой грунт в ковше. Полностью наполняется
ковш за 3—4 цикла. Разгружают ковш при помощи разгрузочно¬
го клапана аналогичного загрузочному. Трубу подают в забой
канатным механизмом.
Эти установки применяют, главным образом, для проходки
скважин большого диаметра. Скорость проходки скважины опи¬
272

санными установками обычно не велика — 3—5 м/ч. Основные
преимущества машин с цикличным удалением грунта — возмож¬
ность проходки иротнженныл скважин (длиной до 90—100 м), я
также сменная производительность примерно на 30—50% боль¬
шая, чем у других типов машин этого назначения.
Машины для бестраншейной прокладки труб выпускают само¬
ходные и несамоходные. Первые монтируют на гусеничных трак¬
торах, вторые поддерживаются во время работы кранами или их
устанавливают на неподвижных рамах.
Для уменьшения сил трения грунта по металлу трубы, которые
являются главными составляющими сопротивления вдавливанию
труб, диаметр скважин принимают на 50—70 мм больше диаметра
прокладываемых труб. Кроме того, с этой целью иногда поверх¬
ность труб покрывают полиэтиленом, глинистыми или глинисто¬
нефтяными растворами.
§ 11.4. Перспективы развития оборудования
Как показал опыт, повышать производительность буровых ус¬
тановок путем увеличения их мощности или применением двигате¬
лей с большим крутящим моментом не всегда рационально, так
как машины получаются громоздкими и тяжелыми. Более целе¬
сообразно предусматривать системы регулируемого привода, обес¬
печивающие работу при практически постоянной загрузке двига¬
теля независимо от изменения величины внешнего сопротивления
(резания и транспортировки грунта, проталкивания в скважину
труб и т. п.).
Все шире применяют в буровых установках бесступенчатое ав¬
томатическое регулирование режимов их работы. При этом ско¬
рость бурения меняется в зависимости от физико-механических
свойств грунта, диаметра и глубины бурения. Проще всего такое
регулирование обеспечить использованием гидропривода. Гидрав¬
лические буровые установки позволяют также уменьшить число
сложных механических передач, а также облегчить выпуск уни¬
фицированного бурового оборудования и универсальных буровых
станков с монтажом рабочих органов в различных местах базы
этих станков — сзади, сбоку, спереди, на поворотном круге. Таким
образом, применение гидропривода является одним из важных
направлений развития бурового оборудования.
Для повышения эффективности рабочего процесса применяют
новые методы разработки грунта (электрофизические, термичес¬
кие и др.) и совершенствуют средства механического бурения. По
последнему направлению создают новые конструкции резцов, отыс¬
кивают их рациональную геометрию, применяют более прочные и
износостойкие материалы.
Специалисты различных стран много внимания уделяют вопро¬
сам улучшения транспортирования грунта и бурового шлама. Так,
в США и Канаде для очистки забоя скважин при бурении скаль¬
ных и мерзлых грунтов применяют только сжатый воздух. Практи¬
10—125
273

ка показала, что на скорость проходки скважин в мерзлых грунтах
оказывает влияние система продувки скважин — прямая и обрат-;.;
ная. При прямой продувке сжатый воздух бодается в скважину
через полость буровой штанги и каналы шарошечного долота и
выходит через кольцевой канал между стенкой скважины и бу¬
ровой штангой. При обратной продувке воздух движется в обрат¬
ном направлении: в забой через кольцевой канал, а обратно —•
через канал в штанге.
При прямой продувке скважин продолжительность контакта
воздуха с ее стенками значительно большая, чем при обратной
(скорость восходящего потока воздуха, уносящего буровой шлам,
меньше скорости нагнетаемого чистого воздуха). В результате это¬
го стенки скважин обычно оттаивают и грунт обваливается. Вслед¬
ствие этого диаметр скважин увеличивается, что уменьшает ско¬
рость восходящего потока воздуха, которая может оказаться не¬
достаточной для выноса шлама, и бурение прекращается.
Для избежания всех этих последствий в последние годы при
бурении мерзлых грунтов начали применять системы обратной
продувки скважин или охлажденный сжатый воздух для продувки
скважин.
В новых машинах для бестраншейной прокладки труб грунт
чаще всего транспортируют непрерывно — с помощью шнеков,
ковшовых элеваторов, скребковых транспортеров и т. п. Однако
при увеличении диаметра труб снижается устойчивость забоя.
Вследствие этого грунт может защемлять трубу, проталкиваемую
в скважину, из-за чего увеличивается сопротивление ее перемеще¬
нию. Кроме того, в затрубном пространстве образуются каверны
и возможна недопустимая просадка. Для предотвращения этого
теперь начали применять режущие головки с регулируемым поло¬
жением относительно инвентарного звена. При бурении в неустой¬
чивых грунтах режущие головки размещают внутри инвентарных
звеньев. При этом процесс бурения по своей сущности становится
аналогичным продавливанию с непрерывной транспортировкой
грунта.
При таком процессе повышается устойчивость забоя, исключа¬
ется возможность обрушения и не образуются пазухи за стенками
прокладываемой трубы. Однако при этом увеличивается лобовое
сопротивление грунта вдавливанию трубы и повышаются силы
трения ее о стенки скважины. Чтобы уменьшить силы трения
грунта, на инвентарном звене в головной его части устанавливают
обечайку с отверстиями, через которые наружную поверхность
трубы смазывают антифрикционным материалом (например, со¬
лидолом).
Новейшие буровые машины различного назначения часто ос¬
нащают устройствами для введения в забой скважин смазочных
и поверхностно-активных веществ, что сильно повышает эффек¬
тивность процесса бурения скважин.
Основными задачами при конструировании перспективных бу¬
ровых машин кроме указанных выше являются улучшение их транс¬
274

портных качеств, а также увеличение возможностей манипулиро¬
вания рабочим оборудованием с установкой его в различных
положениях без перемещения базовой машины. Все это уменьшает
вспомогательное время при ведении буровых работ.
ГЛАВА 12
ОДНОКОВШОВЫЕ ПОГРУЗЧИКИ
§ 12.1. Назначение и классификация погрузчиков
Одноковшовый погрузчик состоит из базовой машины и рабо¬
чего оборудования шарнирно-сочлененного типа. В комплект
сменных рабочих органов погрузчика входят несколько типов ков¬
шей, захваты для работы со штучными грузами, бульдозерный
отвал и др.
Одноковшовые погрузчики с ковшовым оборудованием широко
применяют для разработки карьерных сыпучих и мелкокусковых
материалов с погрузкой их в транспортные средства, для послой¬
ной разработки грунта, перемещения его и отсыпки в отвал, а
также выполнения погрузочно-разгрузочных и транспортных работ
с различными сыпучими материалами.
Одноковшовые погрузчики со сменными рабочими органами
используют для погрузки и разгрузки контейнеров, лесоматериалов,
выполнения планировочных работ и др.
По основному параметру — номинальной грузоподъемности,
кН,— одноковшовые погрузчики разделяют на малогабаритные
(менее 5), легкие (5—20), средние (20—40), тяжелые (40—100)
и большегрузные (более 100).
Погрузчики классифицируют также по типу ходового оборудо¬
вания, базовой машины, расположению, типу и приводу погрузоч¬
ного оборудования. По типу ходового оборудования погрузчики
подразделяют на гусеничные и колесные. Вследствие более высо¬
кой мобильности и транспортабельности наиболее распространены
колесные погрузчики. Гусеничные погрузчики используют при ра¬
боте на грунтах со слабой несущей способностью, а также на взор¬
ванных скальных грунтах, где необходимо реализовать большие
усилия на ковше и где шины быстро изнашиваются.
По типу базовой машины различают погрузчики на специаль¬
ных базовых шасси и тягачах, погрузочных модификациях про¬
мышленных тракторов и промышленных модификациях тракторов
общего назначения.
Специальные шасси и тягачи создают в расчете на агрегати¬
рование с ними погрузочного оборудования. У них более рацио¬
нальная компоновка узлов и агрегатов, однако погрузчики на базе
собственных шасси экономически целесообразны только при боль¬
шой серийности их выпуска или при создании машин специального
назначения, где в качестве базы невозможно применить тракторы.
Погрузчики выпускают с полуповоротным, перекидным п фриц-
ю*	т

тальным рабочим оборудованием. При полуповоротном оборудо¬
вании предусмотрена боковая разгрузка ковша в направлении раз*
работки материала. При перекидном же оборудовании материал
разгружается назад, а фронтальное оборудование обеспечивает
разгрузку ковша со стороны разработки материала. Преимущест¬
венно распространены в нашей стране и за рубежом одноковшо¬
вые фронтальные погрузчики.
§ 12.2. Конструктивные схемы и основные параметры
Погрузчики на пневмоколесном ходу (рис. 12.1, а) монтируют¬
ся обычно на четырехколесных, двухосных специальных шасси с
жесткими рамами и поворотными колесами или с шарнирно-соч¬
лененными рамами. Ходовое оборудование имеет колесные схемы
2x4 и 4X4, а также балансирную подвеску одного из мостов
(обычно заднего) для постоянного опирания на грунт всех четырех
колес. С этой же целью в машинах с шарнирно-сочлененными ра¬
мами предусматривают дополнительные горизонтальные шарниры.
Рабочее оборудование погрузчика состоит из стрелы, рабочего
органа, механизмов подъема стрелы и поворота рабочего органа.
Навешивают погрузочное оборудование на трактор через специ¬
альный портал, на заднюю навеску трактора нередко устанавли¬
вают рыхлитель, используемый для предварительного рыхления
грунта, разрабатываемого погрузчиком.
^'"'""'Одноковшовые погрузчики являются машинами цикличного дей¬
ствия. В течение одного цикла погрузчик последовательно выпол¬
няет следующие основные операции: заполняет ковш и поднимает
его в транспортное положение, а после передвижения к месту
разгрузки поднимает ковш в положение разгрузки. Далее проис¬
ходят поворот и разгрузка ковша, опускание его в транспортное
положение, после чего погрузчик передвигается к месту загрузки
ковша. Некоторые из элементов цикла (например, опускание ков¬
ша и движение погрузчика к месту загрузки) можно совмещать.
В зависимости от физико-механических свойств разрабатыва¬
емого (погружаемого) материала применяют различные способы
заполнения ковша (рис. 12.2). При раздельном способе (рис. 12.2,
о) ковш внедряется в грунт под действием напорного усилия хо¬
дового оборудования машины. После окончания этой операции ма¬
шинист поворачивает ковш, внедренный в материал, заполняет
его и поднимает стрелу с ковшом в транспортное положение.
Преимущество данного способа работы заключается в его про¬
стоте, однако он применим только для работы с легкими (насып¬
ными) материалами, так как при значительных сопротивлениях
грунта напорного усилия машины не хватает для достаточного
внедрения ковша и он заполняется лишь частично.
К разновидностям данного способа погрузки относят послойную
разработку грунта относительно тонкими стружками (скреперный
способ), что обеспечивает хорошее заполнение ковша при работе
на достаточно прочных грунтах.
276

Рис. 12.1. Одноковшовые фронтальные погрузчики:
а — на базе специального колесного шасси с жесткой рамой и поворотными колесами;
б — на базе гусеничного трактора; i — рабочий орган — ковш; 2 — механизм поворота ков¬
ша; гидроцилиндры; 3 — механизма поворота ковша; 4— механизма подъема стрелы; 5--
шасси; 6 — портал; 7 — трактор; 8 — рыхлитель

При совмещенном способе ковш заполняется под действием
напорного усилия ходового оборудования при одновременном
подъеме стрелы и повороте ковша. На практике совмещают опе¬
рацию внедрения ковша с подъемом стрелы (экскавационный спо¬
соб, рис. 12.2, б) или операцию внедрения ковша с его поворотом
В)
Рис. 12.2. Способы заполнения ковша:
а — раздельный; б — совмещенный — внедрение ковша с подъемом стрелы и поворотом ков¬
ша; в — внедрение ковша с подъемом стрелы
и подъемом стрелы (рис. 12.2, в), в результате чего ковш заполня¬
ется лучше и сокращается продолжителььность цикла. Совмещать
операции можно при установке отдельных насосов для подъема
стрелы и поворота ковша или в случае применения делителей по¬
тока. Совмещенный способ, требующий высокой квалификации
машинистов, особенно эффективен при автоматизированных сис¬
темах управления погрузчиками.
Для того чтобы грунт не высыпался при подъеме и опускании
рабочего оборудования, используют рычажные механизмы пово¬
рота ковша параллелограммного или антипараллелограммного
278

типа, а также применяют гидравлические следящие системы, обес
печивающие подачу жидкости в соответствующую полость гидро¬
цилиндра ковша для сохранения нужного угла запрокидывания.
Базовое шасси или трактор, предназначенные для навески по¬
грузочного оборудования, характеризуются массой, мощностью
установленного двигателя N№, рабочими vv и транспортными утр
скоростями передвижения, размерами движителя и его маневрен¬
ностью (В0, L0, гп и др.)-.
Тяговые расчеты машины (см.
§ 5.6) выполняют для различных ре¬
жимов работы: заполнения ковша,
передвижения погрузчика с грузом
в различных условиях, а также без
груза. Для этого необходимс
знать массу базового шасси или тя¬
гача и задаться номинальной грузо¬
подъемностью QHom погрузчика и
массой его рабочего оборудования
Go.
Величину напорного усилия при¬
нимают для колесных погрузчиков
■Рнап=0,5-=-0,6 GT, для гусеничных
^нап—0,7-г-1,0 GT. При этом мощ¬
ность двигателя должна быть доста¬
точной для обеспечения рабочей
скорости ар=0,5-н1,0 м/с, тран¬
спортной скорости с грузом ит.г=
= 1,0-^-3,0 м/с и то же, но без груза ут = 3,0-=-10,0 м/с (меньшие
значения указаны для машин на гусеничном ходу).
Разгрузка ковша, обеспечиваемая поворотом ковша на выгрузку
(«от себя»), определяет следующие основные параметры погруз¬
чика: высоту разгрузки Я2, вылет кромки ковша L, углы разгруз¬
ки ер и запрокидывания е3 ковша (рис. 12.3).
Для обеспечения эффективной совместной работы погрузчиков
и автомобилей-самосвалов их параметры должны быть взаимо¬
увязаны. Известно, что материал (грунт) в кузове автомобиля
распределяется равномерно, если режущая кромка ковша при его
разгрузке находится от борта на расстоянии не менее 1/3 ширины
кузова. Исходя из этого и учитывая необходимость загрузки ав¬
тосамосвалов с шапкой, вылет кромки ковша принимают равным
£ = 0,333£К + Д1,	(12.1)
где Вк — ширина кузова автосамосвала; AL = 0,14-0,25 м — расстоя¬
ние от погрузчика до автосамосвала (зазор безопасности).
Высота разгрузки самосвала
Я2=// + ДЯ = Я + 0,333£к1ёР,	(12.2)
где Н — высота борта самосвала, р — угол естественного откоса
погружаемого материала.
Рис. 12.3. Схема погрузки грунта
в автосамосвал
279

Для уменьшения потерь материала при транспортировании
значения угла р принимают минимальными. Для нормальной ра¬
боты с различными грунтами и материалами механизм поворота
ковша должен при максимально поднятом ковше обеспечивать
Ер^50° и £з>40°.
Номинальную грузоподъемность погрузчика QH0M выбирают в
зависимости от статической опрокидывающей нагрузки Q, прило¬
женной в центре тяжести ковша при его максимальном вылете
(рис. 12.4).
Исходя из момента начала потери устойчивости при RB = 0, на¬
ходим
Q = (От/т — G010)/Iq. (12.3)
Номинальная грузоподъем¬
ность машины
Qhom=QM, (12.4)
где k — понижающий коэффи¬
циент, значения которого выби¬
рают из условий работы ма¬
шины.
Как было указано, одноков¬
шовые строительные погрузчи¬
ки черпают материал при сов¬
мещении операций напора и
подъема. Для такой схемы работы необходимо на режущей кром¬
ке ковша обеспечить достаточное усилие резания; в нашей стране
для этой группы машин принято k=2.
Для тех случаёв, когда нет необходимости черпать материал
(погрузчики штучных грузов, лесопогрузчики и др.), значения k
можно снижать. Для этих машин номинальную грузоподъемность
определяют из условий устойчивости их на всех режимах работы.
Окончательно установить грузоподъемность погрузчика можно
лишь после выполнения всего комплекса расчетов, определения па¬
раметров рабочего оборудования и его массы, нагрузок на ходовую
часть, массы базовой машины и т. д.
Номинальную грузоподъемность одноковшовых строительных
погрузчиков устанавливают в соответствии с ГОСТ 12568—67
«Погрузчики одноковшовые строительные» равной 2, 3, 4, 6 и 10 т.
§ 12.3. Выбор параметров рабочего оборудования
Номинальная вместимость gw основного ковша, м3, определя¬
ется по формуле
^ном — Фном/Рг^р*	(12.5)
где рг — объемная масса материала (грунта); kp — коэффициент
разрыхления.
280 '
Рис. 12.4. Определение грузоподъем¬
ности погрузчика

Ковш (рис. 12.5) обычно имеет плоское днище, переходящее
по радиусу в заднюю стенку с козырьком. Вертикальные боковые
стенки и днище усилены накладками, имеющими режущие кром¬
ки. При разработке кусковых материалов на режущей кромке
днища устанавливают съемные зубья. Днище и заднюю стенку
усиливают ребрами, продольными и поперечными связями. Внут¬
реннюю ширину ковша Вк принимают на 50—150 мм больше ши¬
рины базового трактора или шасси.
Расчетный радиус поворота основного ковша г определяют по
эмпирической формуле
r=VqmJ(0,45	0,65)	Вк.
(12.6)
Используя расчетный ра¬
диус поворота основного
ковша, по эмпирическим
формулам определяют его
основные параметры (рис.
12.5); условную длину дни¬
ща /д, условную длину зад¬
ней стенки U, радиус сопря¬
жения задней стенки с дни¬
щем г0, высоту козырька hK,
высоту шарнира крепления
ковша к стреле hm, угол ме¬
жду днищем и задней стен¬
кой у2, угол наклона режущих кромок боковых' стенок 73, угол ме¬
жду задней стенкой и козырьком yi-
После определения геометрических размеров основного ковша
его номинальную вместимость определяют по формуле
<7„ом=^к —(2/3) hlb,	(12.7)
где F — площадь поперечного сечения ковша (на рис. 12.5 она
заштрихована); Вк — внутренняя ширина ковша; hK — высота ко¬
зырька; b — зев ковша.
Номинальная вместимость основного ковша одноковшового
строительного погрузчика должна быть не менее предусмотренной
ГОСТ 12568—67 для данного типоразмера.
Размеры рычажной системы определяют по основным парамет¬
рам рабочего оборудования и координатам точки подвески стрелы,
которые зависят от конструктивных особенностей и компоновки
базовой машины. Точки крепления гидродилиндров и параметры
рычажной системы выбирают по конструктивным соображениям.
После построения схемы рабочего оборудования проверяют его
кинематику при нескольких положениях стрелы.
Исходными данными для выбора и расчета гидрооборудования
служат наибольшее давление в гидросистеме Рмакс= (10^-30)
МПа, ограничиваемое предохранительным клапаном, усилие на
х 6rJVIU
/
Рис. 12.5. Параметры основного ковша
281

штоках, ход и скорость движения штоков исполнительных гидро
цилиндров.
Усилие на штоках гидроцилиндров ковша зависит от конструк
ции рабочего оборудования. Если в момент поворота ковша стрел
не опирается на опорные лыжи, то выглубляющее усилие РВыг
определяют из условия продольного опрокидывания машины от¬
носительно ребра под осью опорных колес (точка О рис. 12.6):
Явыг=((7Л-^о)/Л-	(12.8)
Если же стрела имеет
опорные лыжи, прини¬
мают
Рвыг=(2,0ч-3,0)рном. (12.9)
Усилие на штоке гид¬
роцилиндра поворота ков¬
ша определяют по выра¬
жению
^д.к1- (^выг^'л ~Ь
+ОА)/(«ц,^).	(12.10)
где GK — вес ковша; пц.п—
число гидроцилиндров по¬
ворота ковша, дцп=1ч-2;
г'п, *к—мгновенные передаточные отношения механизма поворота
ковша для силы РВыг и веса ковша; г]п—КПД механизма поворо¬
та ковша; Т1п=0,8-И),85.
Мгновенные передаточные отношения механизма поворота
ковша
hh .	• _hh_
hh	к hh
Плечи k, ■ ■ -,к показаны на рис. 12.6.
Усилия на штоках гидроцилиндра стрелы Рц,с определяют по
подъемному	усилию	Рпод,	которое	вычисляют	исходя	из	условия
потери устойчивости	машиной. По	усилиям	гидроцилиндров	и	ра¬
бочему давлению определяют диаметры гидроцилиндров.
Следует отметить, что для наиболее распространенных схем
рабочего оборудования плечо гидроцилиндра подъема стрелы в
верхнем положении ковша минимально. Поэтому следует прове¬
рить достаточность выбранного диаметра цилиндров для подъема
груза QH0M на высоту Н при рабочем давлении.
Величины подач насосов привода рабочего оборудования Па
рассчитывают на основе выбранных параметров гидроцилиндров и
требуемых скоростей движения рабочего органа:
Рис. 12.6. Схема к расчету гидроцилиндров
1П = -
(12.11)
/7Н>
^с«с	РкРкПк
(12.12)
*К'|Н
где Fc, FK — площади поршней гидроцилиндров стрелы и ковша;
282

«с, «к — число гидроцилиндров стрелы и ковша; vc, vK — скорости
режущей кромки ковша при работе гидроцилиндрами стрелы и
ковша (сс = 0,5 м/с; aK=0,5-f-l,0 м/с); riH - объемный КПД на¬
соса.
Мгновенные передаточные отношения механизмов подъема
стрелы и поворота ковша:
/с=/3//4;
Если расчетный расход (подача) отличается от расхода насоса,
установленного на базовом шасси, определяют фактические ско¬
рости при подъеме стрелы и повороте ковша и в случае необходи¬
мости принимают меры к их снижению.
§ 12.4. Расчеты на прочность
Расчеты рабочего оборудования и силовых элементов базовых
тракторов и шасси проводят для самых неблагоприятных сочета¬
ний внешних нагрузок, приложенных к крайнему зубу или к краю
режущей кромки ковша. За первый расчетный случай (рис. 12.7,
а) принимают случай удара края ковша о труднопреодолеваемое
Рис. 12.7. Основные расчетные положения одноковшовых погрузчиков
283

препятствие при движении его по горизонтальной поверхности.
Гидроцилиндры рабочего оборудования при этом заперты.
Вторым расчетным положением (рис. 12.7, б) считают вывеши¬
вание погрузчика на направляющих или передних колесах при
внедрении ковша в штабель и обеспечении гидроцилиндрами по¬
ворота ковша максимального выглубляющего усилия на режущей
его кромке. В третьем расчетном случае (рис. 12.7, в) рассматри-
Рис. 12.8. Схема к расчету рабочего оборудования:
/ — ковш; 2 — стрела; 3 — поворотная тяга; 4 —коромысло
вают вариант вывешивания погрузчика на ведущих или задних
колесах при внедрении машины в штабель и усилиях в гидроци¬
линдрах стрелы, достаточных для опрокидывания погрузчика
назад.
В отдельных элементах рабочего и ходового оборудования опас¬
ные напряжения могут возникнуть при других сочетаниях внешних
нагрузок. Так, для расчетов узлов и деталей подвески колес сле¬
дует рассмотреть случай наезда колеса на препятствие; буксирное
устройство нужно рассчитать на нагрузки, возникающие при
движении машины с высокими скоростями.
Расчет узлов и деталей рабочего оборудования производят по
усилиям, получаемым на основе силового анализа с учетом реаль¬
ных размеров и мгновенных передаточных отношений рычажной
системы. В расчетах принимают, что передняя кромка ковша при
внедрении в грунт расположена под углом 5° к горизонту, парные
гидроцилиндры соединены параллельно и воспринимают одинако¬
вые усилия, КПД механизма 100%.
Усилия в гидроцилиндрах определяют (рис. 12.8) по следующим
уравнениям:
284

^Ц.к  {^yiny “1~ f^X^UX ^кЛс)/^К>
Рц.с“ (-^y^3“h Rxh?>~{~Qd\0 ^к^°п.к^б)!(^с.Ц)^
/л/л	/irt/п	/о/п
(12.13)
(12.14)
(12.15)
(Размеры плеч /2, • •Лз показаны на рис. 12.8). Расчет коромысла
4 стрелы ведут по максимально возможному усилию гидроцилинд¬
ров поворота ковша с учетом динамического характера приложе¬
ния нагрузки.
Поворотную тягу 3 проверяют на устойчивость от продольного
изгиба по максимальному усилию, возникающему при запрокиды¬
вании ковша и вывешивании погрузчика на режущей кромке ков¬
ша. Расчет стрелы 2 производят для всех расчетных положений:
Металлоконструкции стрел являются, как правило, статически не¬
определимыми системами. Величины моментов и поперечных сил
находят, раскрывая неопределенность с помощью известных спо¬
собов строительной механики.
Вследствие того что одноковшовые погрузчики обеспечивают
высокую технико-экономическую эффективность погрузочно-раз-
грузочных работ, эти машины широко используют в строительст¬
ве; в будущем ожидается еще большее развитие и применение их.
На одноковшовых погрузчиках получат широкое распростране¬
ние мотор-колеса, армированные, износоустойчивые шины со спе¬
циальным рисунком протектора и возможностью регулирования
давления, гидрооборудование с рабочим давлением 25—30 МПа,
системы, обеспечивающие надежную и долговечную работу машин
в условиях низких и высоких температур.
В последние годы погрузчики оснащают, универсальным и спе¬
циальным сменным рабочим оборудованием и быстросменными
рабочими органами, создаются малогабаритные погрузчики, обес¬
печивающие механизацию земляных работ малых объемов, и боль¬
шегрузные машины грузоподъемностью 25 т и более для работ в
крупных карьерах.
Объем разработки мерзлых грунтов быстро увеличивается в
связи с расширением строительства в северных и северо-восточных
районах нашей страны — там, где зимний период продолжается
6—7 месяцев.
В связи со значительной прочностью мерзлых грунтов разра¬
батывать их машинами, применяемыми в обычных условиях, не¬
возможно без предварительной подготовки забоя или замены ра¬
бочих органов. Предварительная подготовка забоя заключается в
предохранении грунта от промерзания укрытием, оттаивании, на¬
резании щелей, взрывном и механическом рыхлении, а также фи¬
ГЛАВА 1 i
МАШИНЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
285

зическом или химическом способах разупрочнения грунта. Если
грунт надежно предохранен от промерзания, его можно разраба¬
тывать в зимнее время обычными землеройными машинами. Стои¬
мость укрытия грунта теплоизоляционными материалами (шлаком,
торфом, соломой, опилками, снегом, пенопластом и т. п.) незна¬
чительна, трудоемкость также невелика. Недостаточно широко
применяют этот метод из-за сложности соответствующего планиро¬
вания и организации работ на строительной площадке, а также
трудности предохранить слои утеплителя от случайного разру¬
шения.
Оттаивание мерзлых грунтов (огнем, паром, горячей водой, по¬
верхностными и глубинными электродами) целесообразно приме¬
нять для небольших объемов работ, или при выполнении их в стес¬
ненных условиях. Для оттаивания грунта расходуется много энер¬
гии (3—9 кВт/м3), и при сравнительно небольшой трудоемкости
оно имеет высокую стоимость.
Для подготовки мерзлых грунтов к экскавации чаще других
применяют механический способ их разрушения. Основными груп¬
пами машин, работающих по этому способу, являются навесные
рыхлители, машины для нарезания щелей и разработки траншей,
оборудование ударного и вибрационного действия.
Конструкция и расчет навесных рыхлителей описаны в § 6.3.
Для рыхления мерзлых грунтов можно использовать рыхлители на
тракторах с тяговым усилием 150 кН (15 т) и более. Обычно навес¬
ные рыхлители, рабочие органы которых неподвижны относительно
машин (статического действия), целесообразно применять на боль¬
ших участках работ, так как из-за большой глубины рыхления мерз¬
лых грунтов за один проход при малых площадях участков следую¬
щие за рыхлителем машины будут загружены недостаточно.
Мерзлый грунт рыхлится послойно, и на эффективность работы
рыхлителя особенно влияет прочность промерзшего слоя, завися¬
щая от температуры и влажности грунта. При температуре грунта
ниже —15° С применять статические рыхлители обычно не рекомен¬
дуется. Наиболее целесообразно рыхлить грунт за один проход на
глубину промерзания; в этом случае мерзлый грунт взламывается
при наименьших затратах энергии. Навесной рыхлитель может ра¬
ботать так при толщине слоя промерзания не более 0,3—0,5 м.
Убирать разрыхленный грунт следует сразу вслед за рыхлени¬
ем, так как он быстро смерзается и разрабатывать его Скреперами
или бульдозерами невозможно. Перед началом работы рыхлителя
с площадки удаляют снежный покров, благодаря чему увеличива¬
ется сцепление тягача с грунтом.
Для работы при отрицательных температурах применяют как
обычные машины, так и в северном исполнении. Обычные машины
после проведения определенных мероприятий, могут, как правило,
успешно работать до температуры —25° С. При более низких тем¬
пературах следует использовать машины в северном исполнении, се¬
рийный выпуск которых! отечественным машиностроением возрас¬
тает.
286

При проектировании таких машин необходимо предусматривать
режущие элементы и детали ходового механизма, повышенной из¬
носостойкости, более прочные детали и узлы машин в зонах кон¬
центрации напряжений. При расчете размеров сопрягаемых дета¬
лей нужно учитывать температурные изменения размеров деталей,
так как перепад температур достигает 80—100° Металлы, приме¬
няемые для изготовления машин, при температуре —60° С должны
обладать достаточной, не ниже (20-i-30) 104 Н-м/м2, ударной вязко¬
стью. Сварные конструкции отечественных узлов изготовляют из
низколегированных сталей, например, 09Г2С(М), 15ХСНД и т. п.
При выполнении указанных требований обеспечивается доста¬
точная надежность работы землеройных машин в северном испол¬
нении при температуре до —50° С. Для успешной эксплуатации зи¬
мой обычных машин проводят подготовительные мероприятия.
К ним относятся теплоизоляция и обогрев топливных баков и аппа¬
ратуры, смена смазочных масел и топлива на зимние марки, утеп¬
ление кабины машиниста, установка аккумуляторных батарей.
При использовании машин в северном исполнении или специ¬
ально подготовленных коэффициенты их использования по времени
установлены значительно меньшие, чем при нормальных условиях.
§ 13.1. Машины для разработки траншей
и нарезания щелей в мерзлых грунтах
Машины для рытья траншей и нарезания щелей разрабатывают
мерзлый грунт резанием — снимая рабочими органами стружки не¬
большой толщины. Вследствие этого энергоемкость рабочего про¬
цесса получается большая, а про¬
изводительность машин невы¬
сокая.
Щели в мерзлом грунте наре¬
зают для укладки кабеля, трубо¬
проводов малого диаметра, а так¬
же для послойной разработки
грунтов. В первом случае ширина
щели определяется технологичес¬
кими требованиями, во втором —•
она должна быть минимальной,
так как нарезанные щели только
разделяют массив на блоки (рис.
13.1), вследствие чего грунт мож¬
но удалять одноковшовым экска¬
ватором. Размер блоков должен соответствовать размерам ковша
экскаватора, а глубина прорези в сезонномерзлом грунте составля¬
ет не менее 0,7—0,8 от глубины промерзания. Ниже этого уровня
прочность замерзшего грунта значительно уменьшается и обычно
его можно разрабатывать экскаватором. При небольшой ширине
щели средняя энергоемкость процесса в 3—5 раз меньшая, чем при
разработке сплошного массива мерзлого грунта резанием.
Рис. 13.1. Схема нарезки щелей в
толще мерзлого грунта:
h — глубина промерзания; d—шаг нарез¬
ки щелей
287

Основными рабочими органами для нарезания щелей служат
баровые устройства, дисковые и кольцевые фрезы. Схема баровой
(врубовой) машины показана на рис. 13.2. В нес входят базовая
машина 4, гидроцилиндр подъема 3, трансмиссия 2 и баровый ра¬
бочий орган 1.
В качестве базовых машин используют тракторы с ходоумень-
шителем (минимальная скорость — 30 м/ч) или цепные траншей¬
ные экскаваторы. С помощью гидропривода можно регулировать
усилие прижатия резцов к за¬
бою. При наличии нескольких
рабочих органов целесообразна
устанавливать гидроцилиндры
на каждый из них, что позволя¬
ет нарезать одну или несколько
щелей одновременно.
Баровый рабочий орган со¬
стоит. из рамы и бесконечной
цепи со сменными резцами.
Цепь опирается на часто уста¬
новленные направляющие ро¬
лики, не дающие ей свободно
провисать и позволяющие по¬
лучить достаточное напорное
усилие. Одним комплектом резцов можно нарезать щели длиной
800—1000 м. Быстрый выход из строя резцов и баровой цепи — один
из важнейших эксплуатационных недостатков баровых машин.
Принцип работы баровой машины подобен принципу работы
цепного траншейного экскаватора. При движении цепи рабочий ор¬
ган опускается на грунт и постепенно врезается до необходимой
глубины. Разрушенный грунт выносится на поверхность цепью.
В результате сочетания перемещения машины и движения цепи
зубья срезают стружку и прорезают щель.
К основным конструктивным параметрам баровых машин отно¬
сят длину рабочего органа, ширину щели, скорости движения баро¬
вой цепи и перемещения машины, число одновременно прорезаемых
щелей, максимальное тяговое усилие, усилие подъема (перевода в
транспортное положение) и опускания (прижатия к забою) рабо¬
чего органа.
Длину рабочего органа L принимают с учетом глубины прореза¬
емой щели Нщ, максимальной высоты приводной звездочки над
поверхностью грунта Я0 и угла наклона щ (рис. 13.2):
1* = {Нах-\-Нй)соъа6.	(13.1)
Чем меньше угол аб, тем лучше используется сцепной вес тяга¬
ча для создания наибольших усилий подачи.
Ширину нарезаемой щели Вщ задают в зависимости от техноло¬
гического назначения машины. Для прокладки кабеля необходима
щель шириной 0,23—0,3 м, для послойного же рыхления грунта —
Рис. 13.2. Принципиальная схема ба¬
ровой землеройной машины
288

минимальной ширины (обычно 0,12—0,15 м). Ширина прорези од*
ного резца Ь зависит от числа линий резания п:
b=BJn,	(13.2)
где п принимают в пределах 5—9.
Толщину стружки определяют, с одной строны, в зависимости
от ширины резцов Ь:
А=(1,8-г-2,5)*,	(13.3)
а с другой она зависит от скорости передвижения машины анало¬
гично многоковшовым цепным экскава¬
торам (см. гл. 10). Отсюда определяют
оптимальную скорость передвижения
машины. Необходимое тяговое усилие
■'°тяг=-/0п + ^?пер)	(13-4)
где Рп — необходимое усилие прижа¬
тия; RBev — суммарная сила сопротив¬
ления перемещению тягача.
Скорость движения режущей цепи
Ураб задают в пределах 0,6—2,3 м/с.
Наиболее эффективны при резании
мерзлых грунтов скорости 1—1,5 м/с.
Мощность двигателя определяют
так же, как и для многоковшовых цеп¬
ных экскаваторов.
Фрезерные машины создают на ба¬
зе гусеничных тракторов или роторных
траншейных экскаваторов. Их конструктивная схема, как и прин¬
цип работы, аналогичны роторным экскаваторам (рис. 13.3). Основ¬
ным отличием является небольшая (до 270 мм) ширина отрываемой
щели и небольшая по сравнению с диаметром фрезы глубина щели,
которая ограничена условиями выноса разрушенного грунта на по¬
верхность.
При расчете фрезерных машин силу резания определяют как
для элементарных режущих профилей (см. гл. 3), а мощность, не¬
обходимую для привода фрезы, — как мощность роторного много-
ковшого экскаватора (см. гл. 10).
Соотношение толщины стружки и ширины резца выбираются в
тех же пределах, что и для баровых машин. Для уменьшения энер¬
гоемкости процесса целесообразно применять удлиненные резцы,
что увеличивает объем скалывания грунта, уменьшая тем самым
удельное усилие резания. По экспериментальным данным, опти¬
мальная скорость резания диско-фрезерных маЩин находится в
пределах 2,0—2,5 м/с.
На эффективность буровых и фрезерных рабочих органов влия¬
ют скорости резания и подачи, геометрия зубьев и их рациональная
расстановка. Резцы нужно устанавливать так, чтобы предыдущие
обеспечивали последующим работу в условиях полублокированного
289
Рис. 13.3. Схема фрезерной ма¬
шины:
I — гусеничный трактор; 2 — крон¬
штейн; 3—гидроцилиндр подъема;
4 — фрезерный рабочий орган

или свободного резания. Примеры расстановки резцов на цепных
рабочих органах показаны на рис. 13.4. В связи с разнообразными
прочностными свойствами мерзлых 1рунтов необходимо предусмат¬
ривать возможность изменять скорости рабочих органов в широком
диапазоне, лучше всего бесступенчатым способом, обеспечивающим
наибольшую производительность машины.
Траншеи в мерзлом грунте отрывают большей частью цепными
и роторными траншейными экскаваторами специального назначе¬
ния или обычными со смен¬
ным рабочим оборудовани¬
ем. Обычные траншейные
экскаваторы по ряду причин
(ограниченная мощность
силовой установки, высокие
скорости резания, большая
скорость рабочего хода, не¬
достаточная прочность и из¬
носостойкость резцов или
зубьев, а также рабочих ор¬
ганов и трансмиссии и пр.)
менее эффективны, чем спе¬
циальные для разработки
мерзлых грунтов.
Траншейные экскаваторы
для отрывки траншей в мер¬
злых грунтах, обеспечиваю¬
щие рабочие скорости от 6
до 400 м/ч, могут разрабаты¬
вать траншеи глубиной до 3
и шириной 0,6—1,5 м при
среднем удельном усилии ре¬
зания от 30 до 500 Н/см2
(30—50 кг/см2). В последние
годы появилась тенденция
увеличивать удельное усилие на грунт, что обеспечивает работоспо¬
собность машин на мерзлых грунтах с прочностью, соответствую¬
щей 100—200 ударам плотномера ДорНИИ. Для увеличения диапа¬
зона регулирования скорости движения машины оборудуют ходо-
уменьшителем или дополнительной коробкой скоростей.
Вследствие того что для разрушения мерзлого груша требует¬
ся весьма значительное среднее давление рабочего органа на грунт,
необходимо сосредоточивать усилие на минимальной площади. Для
этого рабочие органы оснащают зубьями и клиньями. Зубья (рис.
13.5)	устанавливают в шахматном порядке. При наличии зубьев и
клиньев зубья прорезают в грунте щели, а остающиеся целики
грунта скалываются клиньями, что значительно снижает энергоем¬
кость резания.
Серьезный недостаток таких машин — невозможность разра¬
ботки мерзлых грунтов с каменистыми включениями размером бо¬
61.
Угол наклона резца
Рис. 13.4. Примеры расстановки резцов на
цепных рабочих органах
290

лее 0,04—0,15 м. К преимуществам их следует отнести получение
измельченного грунта, пригодного для обратной засыпки.
Расчет машин для отрывки траншей в мерзлых грунтах произ¬
водят по методике, принятой для расчета экскаваторов непрерывно¬
го действия. Необходимо учитывать, что согласно эксперименталь¬
ным данным оптимальное соотношение толщины h и ширины b
стружки грунта для сезонномерзлых грунтов равно 2,0, для вечно¬
мерзлых—2,25. Ширину струж¬
ки, срезаемой одним резцом,
принимают минимальной исхо¬
дя из условия его прочности;
обычно она равна 0,03—0,05 м.
Угол резания по тем же сообра¬
жениям выбирают 45—65° при
заднем угле 7—15°.
Мощность привода бесков-.
шового рабочего органа мож¬
но определить по формуле
ЛГ=ЛЛ/3,6,	(13.5)
где П — производительность
экскаватора, м3/ч; k — удельное
сопротивление резанию мерзло¬
го грунта, Н/см2 (кг/см2).
Рабочий орган цепного
траншейного экскаватора для
разработки мерзлого грунта
может состоять из чередующих¬
ся резцов, прорезающих щели,
и клиньев, входящих в щели и рис 13 5 Расстановка зубьев и клиньев
Скалывающих целики.	на	роторных рабочих органах:
Средняя величина сопротив-	,	_	зубья.	,	_	клинья
ления разрушению мерзлого
грунта сколом kCK и резанием kv
k=\kvBv + kCK {В - Bv) кялув,	(13.6)
где В — ширина траншеи; Вр — ширина полосы грунта, удаляемой
резанием; Bv — bxnx\ bt — ширина режущих зубьев; — число их;
В—Вр — ширина скалываемых целиков; В—ВР = Ь2П2, где Ь2 — ши¬
рина скалывающих зубьев; «2 — число их; &д.б— коэффициент, учи¬
тывающий деблокирование целиков; при полублокированном реза¬
нии он равен 0,75, при свободном — 0,5.
Удельное сопротивление резанию можно определить также по
эмпирической формуле, полученной во ВНИИЗеммаше:
k(p, ск)= 185 какш (1 -[- 0,0004с) (1 + 1,575 Bhxnjn), (13.7)
где ka — коэффициент, зависящий от угла резания; при а = 55°
ka=\\ km — коэффициент, зависящий от степени заполнения зубь¬
ями ширины забоя; для режущих зубьев km.v = BvjB\ для скалыва¬
29$

ющих зубьев кш-ск= (В—Вр)/В;
число ударов плотномера
ДорНИИ; Li —длина забоя, Li = tfT/sinctp; Ят — глубина траншеи;
ар — угол наклона рабочего органа к горизонту; пс — число ссы¬
пок в 1 мин зубьев, находящихся на одной линии резания, пс =
= 60ицfd3, иц — скорость движения цепи; d3 — шаг зубьев.
При определении напорного усилия, развиваемого гидроцилин¬
дром, необходимо учитывать, что для мерзлых грунтов соотношение
силы резания Рр и напора Ра равно:
/уЯн=1-^1.2.	(13-8)
Это соотношение указывает на то, что требуются значительные
усилия для прижатия рабочего органа к забою.
§ 13.2. Машины, рыхлящие мерзлый грунт способом отрыва
Как отмечалось в § 2.4, мерзлый грунт легко разрушается рас¬
тягивающими усилиями. Поэтому наиболее выгодным с энергети¬
ческой точки зрения представляется разрушение мерзлых грунтов
отрывом. Машины, основанные на таком принципе разрушения,
прикладывают к грунту нагрузку, направленную в сторону откры¬
той поверхности. Исследо¬
вания и производственные
испытания показали, что
способ разрушения мерз¬
лого грунта растяжением
достаточно эффективен.
Рабочие органы, раз¬
рушающие мерзлый грунт
растягивающими усилия¬
ми, работают по двум схе¬
мам: с завинчивающимся
анкером и с внедрением
клина на границе замер¬
зания. В первом случае
(рис. 13.6, а) в грунт за¬
винчивают до определен¬
ной глубины анкерное устройство. Затем усилием, направленным
вдоль анкера, от поверхности отрывают конусообразные глыбы
грунта, которые одновременно разрыхляются. Усилие может быть
как статическим, так и динамическим. При наличии открытого за¬
боя анкер (рис. 13.6, б) заглубляет клин, вдавливаемый тяговым
усилием, развиваемым винтовым наконечником, до скола грунта в
сторону открытой поверхности.
Для внедрения клина в грунт на границе замерзания необходи¬
мо предварительно подготовить забой в виде уступа, из которого
начинает работать машина. Обычно такой рабочий орган (рис. 13.7)
устанавливают на трактор вместо отвала бульдозера. В этом слу¬
чае клин заглубляется тяговым усилием трактора, а скол грунта
происходит при подъеме клина гидроцилиндром. Усилие РПод на
Рис. 13.6. Винтовой рабочий орган:
1 — штанга; 2 — упорный подшипник; 3 — клин;
винтовой наконечник
292

подъем клина несложно рассчитать исходя из прочности грунта на
разрыв огр, глубины промерзания #п и угла скола грунта г|). При
этом прочность грунта стр нужно принимать равной прочности
промерзшего слоя при средней температуре Тср. Но так как клин
внедряется на границе за¬
мерзания, то
Tcv=Tr/2, (13.9)
где Тг — температура по¬
верхности, ° С.
Это указывает на пер¬
спективность применения та¬
ких машин, воздействующих
на мерзлый грунт, начиная
от границы промерзания, где
он наименее прочен по срав¬
нению с более прочным по¬
верхностным слоем.
Для машин с винтовыми
рабочими органами угол наклона винтовой лопасти ф] обычно при¬
нимают по среднему диаметру DCp=0,71 D в пределах 19—21°, чем
обеспечивается минимальная энергоемкость отрыва грунта от мас¬
сива. Шаг винтовой линии d (рис. 13.8) при этом составляет при¬
мерно 0,8 D. Диаметр винтового анкера D находят по формуле
£>=54 ^/Ж,	(13.10)
где N — мощность привода вращения
штанги анкера.
Крутящий момент, необходимый для
завинчивания винтовой лопасти, опреде¬
ляют с учетом коэффициента сопротивле¬
ния грунта вдавливанию, коэффициента
трения по грунту, а также геометричес¬
ких размеров и формы анкера.
Число оборотов винтового анкера мо¬
жет составлять 30—90 об/мин. Макси¬
мальное значение напорного усилия Рн>
необходимого для погружения анкера на
глубину, достаточную для начала завин¬
чивания, равно:
Pn=MKp/Rcptg(<?l + <?),	(13.11)
где i?Cp — средний радиус винтовой лопа¬
сти; ф! — средний угол подъема винтовой
лопасти; ф — угол трения о грунт.
Глубина отрыва грунта h0 не может
превышать некоторого предела, после ко¬
торого отрыв его анкером не обеспечива¬
ется; при малой же глубине энергоем¬
Рис. 13.8. Винтовой рабо¬
чий орган
Рис. 13.7. Разрушение грунта клином, внед¬
ряемым на границе замерзания:
h — глубина промерзания; / — трактор; 2 —рама;
3 — гидроцилиндр; 4 — клин
293

кость процесса резко возрастает. Оптимальную глубину h0 опре¬
деляют по формуле
Л0= лО tg cp2/tg (<р2 + cpi) — d/2,	(13.12)
где ф2 — угол наклона винтовой лопасти в зоне отрыва грунта.
Осевое усилие, необходимое для отрыва грунта от массива, ус¬
танавливают по выражению
P=DlhQaf/2,4,	(13.13)
где ар — временное сопротивление грунта разрыву.
Машины, рыхлящие мерзлый грунт отрывом, пока применяют
редко и их не изготовляют серийно. Объясняется это, в частности,
сложностью организации этих работ.
§ 13.3. Машины для ударного разрушения мерзлых грунтов
Мерзлый грунт может разрушаться при соударении рабочего
органа машины с грунтом, если кинетическая энергия его в значИ'
тельной степени преобразуется в энергию деформации грунта. От
места соударения в грунте распространяется волна, вызывающая,
в конечном счете, разрушение грунта. Основная причина разруше¬
ния —■ появление наряду со сжатием под рабочим органом растя¬
жения контактной поверхности в прилегающем районе. В резуль¬
тате в мерзлом грунте появляются трещины, опережающие начало
скалывания. При забивании в грунт клина появляется, кроме того
расклинивающее усилие. При наличии свободной поверхности, в-
направлении которой происходит скол, это вызывает разрушение-
грунта в основном растяжением.
Исследования ударного разрушения грунта основаны на волно¬
вой теории удара, согласно которой действие ударной нагрузки
постепенно передается всему нагруженному телу. Деформации’ и
напряжения перемещаются в среде в форме волны, распространяю¬
щейся в грунте со скоростью от нескольких сот до 3000—5000 м/с.
В твердом теле возникают как продольные, так и поперечные вол¬
ны, вызывающие в нем нормальные и касательные напряжения.
Скорость распространения продольных волн
с=ущ~	л13-14)
где Е — модуль упругости грунта; рг — его плотность..
Скорость распространения поперечных волн
с1=УЩ?ЛТ+1Ч	-(13.15)
где ц — коэффициент Пуассона.
Амплитудное значение давления р или обратного ему по знаку
напряжения а для продольных волн равно:
р= — о— — Х<осрг,	(13.16)
где X и со — амплитуда и частота колебаний частиц грунта в упру¬
гой среде.
294

Для поперечных волн
/>!= —х= —XuiCi рг.
(13.17)
Скорости же продольного и и поперечного Vy смещения частиц
грунта будут равны:
Так как скорости продольной и поперечной волн относятся друг
к другу примерно как 2 : 1, а прочность грунта на сжатие и разрыв
как 5:1, становится ясным, что при ударных нагрузках грунт раз¬
рушается преимущественно вследствие растягивающих напряже¬
ний.
Рис. 13.9. Конструктивные схемы клиновых рыхлителей:
а — с падающим рабочим органом; б — с забиваемым рабочим органом; в — для послой¬
ного рыхления грунта
Скорость соударения рабочего органа с грунтом обычно значи¬
тельна и ударное разрушение имеет в большинстве случаев хруп¬
кий характер (см. § 3.3). На машинах для ударного разрушения
мерзлых грунтов устанавливают падающий (рис. 13.9, а) или заби¬
ваемый (рис. 13.9, б) рабочий орган. Падающие рабочие органы
свободно подвешиваемые к подъемным канатам экскаваторов, име¬
ют форму клина, шара или конуса или перемещаются в жестких
направляющих. В первом случае эффективность работы машины
снижается из-за ненаправленных ударов, наносимых в различные
точки заб'я. Пр ' эт<:-л : лач ел;'и,., ча^ .	,	и рассеивается в
массиве грунта в виде упругих волн, вредно воздействующих на ок¬
ружающие сооружения.
Во втором случае рабочий орган, имеющий обычно форму клина,
движется в жестких направляющих, что позволяет наносить после¬
довательные удары в одну точку. Хотя значительная часть энергии
рассеивается в массиве грунта, клин погружается вследствие скола
значительного объема грунта в сторону забоя. Для нанесения пов¬
торного удара клин извлекают из грунта, на что дополнительно
расходуется энергия, особенно при глубоком рыхлении. В обоих
у=о/Ргс; ®!==т/ргсх.
(13.18)
К
295

случаях базовая машина испытывает значительные динамические
нагрузки, преждевременно выводящие ее из строя.
Так как забиваемые рабочие органы, имеющие форму клина, на¬
ходятся в постоянном контакте с грунтом лишь до его скола, энер¬
гия на извлечение их из грунта не расходуется. Клин 4 и ударная
масса 1 разделены; на ударной массе имеется боек 2, а на клине
наковальня 3. Клинья можно забивать не только механическими
молотами, но и дизель-, вибро-, пневмо- или гидромолотами.
При забивании в мерзлый грунт клинового рабочего органа раз¬
рушение грунта происходит в результате статического внедрения в
него лезвия инструмента. Чем меньше угол заострения клина, тем
меньшее вертикальное усилие требуется для его погружения и воз¬
никает тем большее расклинивающее усилие. При повторных уда¬
рах такой клин с большой силой удерживается в грунте, поэтому
угол заострения для падающих клиньев должен быть несколько
больше приведенных значений. Чаще всего его принимают равным
25—30°, а для разрушения мерзлых грунтов повышенной хрупко¬
сти— 30—35°. Если имеется дополнительная сила, отрывающая
грунт при забивке в него клина, угол заострения целесообразно при¬
нимать 7—10°.
Схема определения сил для нахождения сопротивления внедре¬
нию рабочего органа и расклинивающего усилия показана на рис.
13.9,	а; для этого случая
где Рв — усилие внедрения клина; J?H — реакция грунта, нормаль¬
ная к поверхности клина; Ртр— сила трения клина о грунт; |3—
угол заострения клина; ф — угол трения клина о мерзлый грунт,
Ф=25-^-30°; Рн и Р„ — усилия.
Процесс скола мерзлого грунта можно разделить на две стадии:
внедрение клина, в результате чего появляются уплотненное ядро
и первые трещины, направленные к открытой поверхности забоя;
распространение трещин в глубину и к открытой поверхности забоя
со скалыванием некоторого объема грунта.
Скалывание грунта ударом может производиться не только вер¬
тикальным погружением клина до необходимой глубины., с после¬
дующим перемещением его на определенный шаг для следующего
погружения, но и при непрерывном послойном рыхлении грунта
(рис. 13.9, в). В первом случае доля времени на непосредственное
рыхление составляет не более 30% времени рабочего цикла, тогда
как во втором случае производится непрерывное рыхление грунта.
Конструктивно такие машины значительно сложнее, что сдержива¬
ет их практическое применение.
(13.20)
296

Послойно рыхлить грунт можно также роторным рабочим орга¬
ном ударного действия (рис. 13.10). Этот рабочий орган состоит из
массивной ступицы-ротора 1, на который по окружности радиуса R
на осях 3 подвешены ударники 2. При свободном вращении рото¬
ра ударники под действием центробежной силы размещаются ра¬
диально по отношению к нему. При ударе о грунт ударник скалы¬
вает часть грунта, расходуя кинетическую энергию, запасаемую за
время между ударами. В зависимости от свойств грунта регулиру¬
ют шаг скола d, который за¬
висит от частоты вращения
ротора со и скорости переме¬
щения Упер. За один проход
машины разрыхляется слой
грунта толщиной h.
При ударе о грунт удар¬
ник отклоняется назад (рис.
13.10), поворачиваясь к ро¬
тору относительно оси креп¬
ления. Для нормальной ра¬
боты необходимо, чтобы к
моменту следующего удара
он занял радиальное поло¬
жение, которое обеспечивает
оптимальный угол встречи
ударника с грунтом. Иначе
говоря, периоды движения
ударного инструмента и ро¬
тора должны быть равными,
чтобы ударник имел макси¬
мальный запас кинетической
энергии.
Преимущество роторных рабочих органов ударного действия
заключается в возможности разработки грунтов любой крепости с
полной реализацией подводимой к ударникам мощности, которая
ограничивается, однако, стойкостью ударного инструмента. Недос¬
татки этих рабочих органов: неравномерность вращения ротора, а
также большие динамические нагрузки на элементы трансмиссии и
ротора.
Энергоемкость разрушения мерзлого грунта ударным рабочим
органом зависит от многих факторов. К основным параметрам, вли¬
яющим на эффективность работы машины, относят энергию и часто¬
ту ударов, форму и размеры рабочего органа, КПД передачи клину
энергии ударной массы, состояние забоя и физико-механические
свойства грунта.
Работа единичного удара А должна превышать минимальную
величину, необходимую для разрушения мерзлого грунта. Обычно
при расчете Ориентируются на работу, отнесенную к длине лезвия
клина Ап или к максимальной площади поперечного сечения части
клина ЛуД) внедряемой в грунт. При угле заострения 7—10е рек о-
Рис. 13.10. Схема роторного рабочего
органа ударного действия:
R — радиус осей ударников; D — диаметр ра¬
бочего органа; — скорость перемещения ма¬
шины; со—частота вращения ротора; d — шаг
скола; h — глубина рыхления
297

мендуется Лп=5-^10 кДж/м; при угле заострения 25—30°—Ап =
= 20-^25 кДж/м.
Удельная работа удара зависит не только от угла заострения,
но и от того, падающий или забиваемый клиновой рабочий орган
рассчитывают. Для падающего клина Луд = 300-^400 кДж/м2, для
забиваемого — /4УД = 80-М50 кДж/м2 с учетом КПД передачи энер¬
гии от ударной массы клину. С увеличением работы единичного
удара увеличивается скорость внедрения клина, т. е. производи¬
тельность машины.
При достаточной работе единичного удара производительность
машины будет зависеть от числа ударов в единицу времени. Поэто¬
му необходимо предусматривать максимально возможную частоту
ударов. Обычно частота ударов для машины с падающим клином
составляет 0,1—1,5 Гц при работе, затрачиваемой на один удар,
40—150 кДж, а для машин с забиваемым клином — 1 —10 Гц при
работе одного удара 1,5—40 кДж.
Наиболее эффективны для разрушения грунта клинья долотооб¬
разной формы с острыми гранями. Даже небольшое скругление гра¬
ней, на практике появляющееся через 0,5—3 ч контакта клина с
грунтом, увеличивает энергоемкость в 1,4—2 раза. При угле заост¬
рения 7—10° работы на погружение клина расходуется примерно в
3 раза меньше, чем при угле 30°. Однако из-за малого объема грун¬
та, вытесняемого таким клином, скол обеспечивается только при
малом шаге перемещения клина. Поэтому к рабочему органу надо
прикладывать дополнительную «отрывающую» силу, которую мож*
но обеспечить при определенном креплении рабочего органа.
При забивании клина реакция грунта /?,„ нормальная к поверх¬
ности клина, может сместить рабочий орган в сторону забоя (рис.
13.9,	а). Если направляющая забиваемого клина закреплена в
двух точках, эта сила вредно воздействует на базовую машину.
При креплении направляющей в одной точке обеспечивается отрыв
большого объема грунта, и энергоемкость процесса оказывается
наименьшей.
Ширина рабочего органа (клина) b должна быть достаточно
большой, чтобы отделить значительный объем грунта за один цикл
работы машины, с целью увеличения же погонной работы удара
она должна быть минимальной. Шаг забивки клина d, как показа¬
ли исследования, зависит от ширины клина. Наиболее часто шири¬
ну рабочего органа b принимают в пределах 0,15—0,5 м, а шаг за¬
бивки колеблется от d= (\^г2)Ь при неподготовленном забое до
d= (Зч-5)Ь в условиях забоя, подготовленного на глубину не меньше
глубины рыхления. Практически шаг рыхления не превышает 0,8—-
1,0 м. Если одновременно забивают несколько клиньев, расстояние
между ними dK, зависящее от ширины клина Ь, выбирают в преде¬
лах й?к/6 = 2ч-2,5. При совместной работе нескольких клиньев энер¬
гоемкость процесса несколько снижается.
Передача энергии от ударной массы mt клину массой т2 зави¬
сит в основном от соотношения масс этих тел. Чем больше соотно¬
шение mi/m2, тем выше КПД передачи энергии в грунт. Обычно
298

отношение тфщ принимается не менее 3—5. Наличие статической
нагрузки снижает энергоемкость разрушения мерзлого грунта^
поддерживает в нем напряженное состояние в период между удара¬
ми и улучшает предударный контакт клина с грунтом.
Таким образом, машины ударного разрушения обеспечивают
оптимальное нагружение мерзлого грунта, вызывающее отрыв
крупных кусков грунта. Однако при малой частоте ударов практи¬
чески полностью гасятся упругие волны, возникающие в грунте
после удара. Из-за невозможности точно определить оптимальный
шаг скола нерационально тратится энергия, базовые машины испы¬
тывают значительные динамические нагрузки, быстро выводящие
их из строя.
Машины ударного действия с падающими грузами могут рабо¬
тать при глубине промерзания до 1,5 м; при этом число ударов, не¬
обходимое для скола грунта, составляет, однако, не менее 40. По¬
этому более целесообразно применять их при глубине промерзания
0,3—0,5 м. Машины с забиваемыми клиньями могут эффективно
разрабатывать мерзлый грунт при значительно большей глубине
промерзания — до 0,8—1,3 м.
§ 13.4. Вибрационные машины для разработки мерзлых грунтов
Способы вибрационного и виброударного разрушения мерзлых
грунтов отличаются от способа ударного разрушения сравнительно
большой частотой силовых импульсов при меньшей их энергии.
Обычно механизмы, вызывающие колебания рабочего органа, обес¬
печивают частоту 8—120 Гц при энергии одного импульса от 0,1 до
30 кДж. Рабочие органы землеройных машин, у которых инстру¬
мент движется не только вместе с рабочим органом, но и относи¬
тельно него, называют активными. Активизация рабочих органов
позволяет подводить к забою дополнительную энергию, увеличива¬
ющую производительность и эффективность рабочего процесса.
В зависимости от схемы крепления вибратора на рабочем орга¬
не различают три типа таких машин (рис. 13.11): вибрационные,
виброударные и частоударные. Вибрационный рабочий орган (рис.
13.11, а) состоит из вибратора 2, который жестко закреплен на ра¬
бочем инструменте 1. Под действием синусоидальной вынуждаю¬
щей силы рабочий орган совершает колебания, передающиеся ин¬
струментом грунту. Более эффективны вибраторы направленного
действия, которые обычно, применяют для активизации рабочих ор¬
ганов землеройных машин.
Виброударный рабочий орган (вибромолот) производит как
вибрационное так и ударное воздействие на грунт. Он состоит из
вибратора (рис. 13.11, б) и рабочего инструмента, соединенных
пружинами. При движении вибратора под действием вынуждаю¬
щей силы пружины вначале запасают энергию, а затем отдают ее
инструменту, увеличивая силу соударения бойка и наковальни. Ре¬
жим работы вибромолота зависит от регулировки механизма. Чис¬
ло ударов может быть равным частоте колебаний вибратора или
299

быть меньше ее. Это число в значительной степени зависит от за¬
зора х между бойком и наковальней, который может быть положи¬
тельным, нулевым или отрицательным (боек прижимается к нако¬
вальне с определенной силой).
Когда вибратор и рабочий инструмент (рис. 13.11, в) не соеди¬
нены, на грунт передаются частоударные нагрузки. По данным ис¬
следований, такие рабочие органы несколько менее эффективны,
чем виброударные.
Вибрационные маши»
ны, как и ударные, обес*
печивают динамическое
воздействие на мерзлый
грунт. Вибрация уменьша¬
ет и трение рабочего ор¬
гана о грунт, и трение ме¬
жду кусками разрушенно¬
го грунта. Сила, необходи¬
мая для внедрения инст¬
румента в грунт, при пра¬
вильно выбранных пара¬
метрах процесса значи¬
тельно меньшая, чем для
резания без вибрации в
2—3 раза.
Так как за большую часть периода колебаний энергия аккуму¬
лируется вибратором, а длительность импульса при воздействии на
грунт невелика, мощность, развиваемая при нагрузке механизмом,
в несколько раз превышает среднюю потребляемую. Динамическое,
воздействие, значительная скорость приложения нагрузки, импуль¬
сное излучение запасенной энергии в наибольшей степени отвеча¬
ют требованиям к рабочим органам машин, предназначенным для
разрушения мерзлого грунта, прочного и хрупкого.
В связи с уменьшением сил резания появляется возможность
уменьшить массу рабочего органа и мощность двигателя машины,
или увеличить скорость рабочего процесса. Если при статическом
резании мощность тягача равна мощности, необходимой на преодо¬
ление сопротивления грунта и потерям в передачах, т. е.
^т®пер=Л> ез'^вн+Л'п.	(13.21)
где Рт — тяговое усилие тягача; ипер — скорость перемещения тяга¬
ча; Ррсз — усилие резания; ивп — скорость внедрения рабочего ин¬
струмента в грунт; Nu — потери мощности на перемещение рабоче¬
го органа и машины, то при вибрационном резании, с учетом умень¬
шения силы сопротивления внедрению рабочего органа в грунт бу¬
дем иметь
/\.Аер+^=ЯрЛн+ЛГ,в,	(13.22)
где Рт в — тяговое усилие тягача при наличии вибрации; NB —
мощность, потребляемая вибратором; Рр.в — усилие резания при
Рис. 13.11. Схемы рабочих органов виброма¬
шин:
а — вибрационного; 6 — виброударного; в — часто¬
ударного; /—-вибратор; 2 — боек; 3 — наковальня;
4 — рабочий инструмент; 5, 6 — пружины
300

наличии вибрации; Nn.B— потери мощности в приводе вибратора
на перемещение рабочего органа и машины.
Из последних двух уравнений получаем
(Ят — Рт J 0пер — NB= (Ррез — Яр в) +(Nn — ЛГП.В).
Отсюда, без учета потерь в передачах, тяговое усилие при виб¬
рационном резании уменьшится на величину
(Р?~рг.п)=^ + (Л>ез -PpJ — •	(13.23)
^пер	^лер
Из этой формулы видно, что тяговое усилие можно уменьшать
более значительно путем увеличения мощности вибратора и сниже¬
ния скорости движения рабочего органа. При увеличении отноше¬
ния vBHjvnep тяговое усилие при вибрационном резании также
уменьшается, что указывает на целесообразность относительного
увеличения колебательной скорости инструмента.
Рабочий инструмент внедряется в грунт только часть периода
колебаний. При обратном движении режущей кромки усилие реза¬
ния РРез или необходимое тяговое усилие Рт уменьшается до нуля.
Таким образом, среднее тяговое усилие будет меньше усилия реза¬
ния. Для того чтобы инструмент внедрялся, необходимо соблюдать
условие
Явн+Рт>Ррез,	(13.24)
где Рвн	вынуждающая сила вибратора.
Как показали исследования, чем больше отношение Рви1Рт, тем
эффективнее протекает процесс вибрационного разрушения. То же
самое справедливо и для отношения Рвн/Ррез. Эффективность виб¬
роразрушения грунта характеризуется коэффициентами
8=(/>p,3-Pp.J//>peB= 1 - PJP^-	(13.25)
При отношении Рвн/Ррез= 1 эффективность динамического раз¬
рушения получается в 5—6 раз меньшая, чем при РВн/Ррез = 4.
Как явствует из (13.23), величина Рт—Рт.в, а следовательно, и
динамический эффект уменьшаются с увеличением скорости рабо¬
чего органа Одер или, точнее, отношения vnepIXa>, где X — амплиту¬
да колебаний; ю — угловая частота колебаний, равная
co=2nv; vK=Xu),	(13.26)
где v — частота колебаний, vK — колебательная скорость.
При увеличении отношения unepMt от ОД Д° коэффициент S
определяемый по (13.25), уменьшается (при Рв.н/Рт = 4) от 0,85 до
0,25, т. е. в 3—4 раза. При этом тяговое усилие, необходимое для
перемещения рабочего органа, увеличивается в 5 раз.
Исходя из сказанного, для высокопроизводительной работы
вибрационной землеройной машины необходимо, чтобы отношение
^пер/Ук было достаточно малым; рекомендуется принимать илер/ик<
<0,7.
30t

При обычных скоростях рабочих органов землеройных машин,
когда Упер= 0,2-^-0,6 м/с, минимальная колебательная скорость vK
должна быть 0,3—0,9 м/с. Кроме того, вынуждающая сила вибра¬
тора должна быть равна силе сопротивления грунта при статиче¬
ском резании или превышать ее. Вынуждающая сила у наиболее
часто применяемых центробежных дебалансах вибраторов с нап¬
равленными колебаниями (рис. 13.12) равна:
Лш^дбсо2,	(13.27)
Рис. 13.12. Схема центробежного дебалансного вибратора с направленными ко¬
лебаниями:
1 — дебаланс; 2— вал; 3 — корпус
где тя — масса дебалансов; е — эксцентриситет массы (расстояние
от оси вращения дебаланса до центра тяжести).
Амплитуду колебаний рабочего органа определяют по выраже¬
нию
X=(m„e/mB)k,	(13.28)
где k — коэффициент, зависящий от условий работы и конструк¬
ции рабочего органа; k^.\\ тв — масса вибрирующих частей.
Из формул (13.27) и (13.28) видно, что для увеличения Рва и X
необходимо увеличить массу и эксцентриситет дебалансов. Однако
при этом уменьшается технически возможная частота колебаний.
Частота воздействия на грунт должна быть такой, чтобы в период
между ударами упругие деформации грунта не успевали полно¬
стью восстанавливаться, т. е. в нем накапливались напряжения.
Это позволило бы уменьшить рассеивание энергии в массиве
грунта.
Так как в формуле (13.27) угловая частота принята во второй
степени, с увеличением массы и эксцентриситета вынуждающая си¬
ла заметно не изменится. Если же увеличивать частоту колебаний,
302

то из условия выбора подшипников и прочности конструкции необ¬
ходимо уменьшать массу и эксцентриситет дебалансов. При этом
уменьшается и амплитуда X, так как отношение тя/тв становится
меньшим. Кроме того, с увеличением мощности дебалансного вибра¬
тора неизбежно будет увеличиваться масса его корпуса, т. е. и тв.
Исходя из сказанного вибраторы, наиболее часто применяемые для
активизации рабочих органов землеройных машин, не могут обес¬
печить необходимой энергии и частоты силовых импульсов.
У кривошипно-шатунных вибраторов (принципиальная схема их
показана на рис. 13.13) нет потерь энергии на приведение в коле¬
бания массивного корпу¬
са; амплитуда и частота
на первый взгляд могут
быть весьма большими.
Вынуждающую силу
вибратора определяют по
формуле (13.27), причем
в этом случае тл — масса
колеблющихся частей; / —
длина кривошипа. Ампли¬
туда колебаний инстру¬
мента равна длине криво¬
шипа.
Ускорение рабочего органа
а = еш2 [cos oi/ —|— (<?//) cos 2w/],	(13.29)
где I — длина шатуна.
Ускорение рабочего органа может быть настолько большим, что
инерционные силы, действующие с частотой, достаточной для раз¬
рушения мерзлых грунтов без полного снятия напряжений между
последовательными ударами, превысят величины, допускаемые по
прочности элементов механизма. Увеличить прочность конструкции
можно только путем увеличения массы, т. е. инерционной силы.
Кроме того, подшипники в шарнирах вибратора не обеспечивают
продолжительного срока службы механизма.
Дебалансные и кривошипно-шатунные вибраторы рассчитывают
таким образом, чтобы частота их вынужденных колебаний в 2—4
раза отличалась от частоты собственных колебаний. В противном
случае, при резонансе, вибратор может разрушиться из-за большой
нагрузки. Невозможность работы вибраторов в резонансном режи¬
ме резко снижает КПД их обоих типов. Кривошипно-шатунные
вибраторы удобнее встраивать в рабочие органы машин; они зна¬
чительно проще по конструкции.
К необходимым качествам вибраторов, встраиваемых в актив¬
ные рабочие органы землеройных машин, относят большую мощ¬
ность на единицу объема и массы, отсутствие подшипниковых уз¬
лов и больших движущихся инерционных масс, высокий КПД (не
ниже 0,5), незначительную передачу колебаний базовой машине,
способность работать в резонансном режиме.
Рис. 13.13. Схема кривошипно-шатунного ви¬
братора:
/ — кривошип; 2 —шатун; 3 — рабочий орган
303

При наличии этих качеств у вибраторов энергоемкость вибра¬
ционного разрушения мерзлых грунтов может быть наименьшей по
сравнению с другими способами.
Увеличить частоту колебаний при сохранении энергии одного
силового импульса можно применением в качестве механизма ак¬
тивизации магнитострикционных вибраторов. Явление магнито-
стрикции заключается в изменении размеров тела в переменном
магнитном поле. С этой целью для изготовления вибраторов при¬
меняют никель, пермаллой, пермендюр, альфер и другие металлы,
которые имеют наибольший коэффициент магнитострикции (наи¬
большие относительные деформации).
Такие вибраторы в отличие от рассмотренных выше могут ра¬
ботать в резонансном режиме, что позволяет при незначительной
потребляемой мощности получать сравнительно большую амплиту¬
ду смещения режущей кромки. При частоте колебаний 5 кГц и
амплитуде 3-10-4 м никелевый магнитострикционный вибратор
потребляет 4 кВт-ч энергии для получения вынуждающей силы
80 кН (8 т). В этих вибрйторах нет движущихся частей, что повы¬
шает их механический КПД; кроме того, они сравнительно ком¬
пактны и весьма надежны.
Диапазон частот, в котором целесообразно применять магнито-
стрикционные вибраторы, достаточно широк — от 400 Гц до 20 кГц.
При частоте 5 кГц в мерзлом грунте накапливаются напряжения,
под действием которых в нем образуются микро- и макротрещины
на некотором расстоянии от рабочего органа. Вследствие этого
рыхлительное оборудование можно устанавливать на тягачах не
только тяжелого класса, но и среднего.
Баланс мощности рыхлителя с активным рабочим органом сос¬
тавляют для определения мощности Ns (13.22), которую можно
затратить на привод механизма активизации:
N=NR-NT'B-NH-Nn,	(13.30)
где Nn — мощность двигателя тягача; Мт в — мощность, затрачива¬
емая на создание тягового усилия при наличии вибрации; NH — то
же, гидропривода, #н= (0,084-0,1)^;	—	потери мощности в
трансмиссии тягача,	—rinep); т)Пер — КПД трансмиссии.
Эффективная мощность механизма активизации равна
где т]в — КПД механизма активизации.
У пневматического привода т]в не превышает 0,2; у гидравличе¬
ского привода и дебалансных вибраторов riB^0,35; у кривошипно¬
шатунных вибраторов г|в = 0,2-т-0,4, у магнитострикционных вибра¬
торов г]в = 0,45—0,65.
Машины с активными рабочими органами в последние годы ус¬
пешно используют в строительстве. К таким машинам относят рых¬
лители с гидрозахватными и гидропневматическими молотами, на¬
вешиваемыми на тягачи, и одноковшовые экскаваторы, ковши с
пневмо- и гидромолотами и т. п. Схемы нескольких машин с актив¬
ными рабочими органами показаны на рис, 13.14.
304

Рассмотренные в данной главе машины могут быть усовершен¬
ствованы и успешно применяться для разрушения и экскавации
мерзлых грунтов. Из сравнения машин, работающих различными
способами, по энергоемкости процесса (резание — 4,5—5,45 кВтХ
Хч/м3, удар — 0,55—0,8 кВт-ч/м3, вибрация — 0,4—1,65 кВт-ч/м3
Рис. 13.14. Машины с активными рабочими органами:
—ковш экскаватора с гидромолотами; 1 — гидромолрт; 2—распределитель; 3 — трубопро¬
вод; 4 — ковш; б — виброрыялитель с кривошипно-шатунным вибратором; / —шатун; 2—
привод вибратора; 3, 4 — гидроцилиндры изменения угла резания; 5 — тягач; 6 — зуб рых¬
лителя; 7 — кривошип
ударный отрыз — 0,2—0,3 кВт-ч/м3) следует, что наиболее перспек¬
тивными можно считать машины, обеспечивающие динамическое
нагружение — ударные, ударно-вибрационные и вибрационные.
Для их успешного технологического применения необходимо уве¬
личить срок службу механизмов активизации рабочих органов и
значительно уменьшить динамические нагрузки на базовые ма¬
шины.
Физичег'.-./гё способы (термический, звуковой, ультразвуковой)
после завершения экспериментальных исследований могут в значи¬
тельной степени увеличить эффективность процесса разрушения
мерзлых грунтов и позволить создать принципиально новые ма¬
шины большой производительности.
ГЛАВА 14
МАШИНЫ ДЛЯ ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Гидромеханизация — особый вид механизации земляных работ,
при котором все операции процесса (разработка, транспортировка
и укладка грунта) или некоторые из них выполняют с помощью во¬
ды. При этом от забоя к месту укладки подается смесь грунта и
воды, называемая пульпой. Этот непрерывный процесс обеспечива¬
ет комплексную механизацию земляных работ.
Преимущества гидромеханизации земляных работ состоят в вы¬
сокой производительности оборудования и труда с подачей грунта
на большие расстояния, возможности разработки грунта из-под во¬
ды, естественного уплотнения укладываемого намывом грунта и в
11—125
305

возможности разделения его на фракции. Необходимо, однако, учи¬
тывать, что производительность и стоимость гидромеханизирован¬
ных земляных работ в з»ачительной мере зависят от местных ус¬
ловий. Эффективность гидромеханизации понижается, когда уро¬
вень отвала оказывается выше уровня места разработки грунта, а
также при высокой стоимости электроэнергии в данной местности
и значительном удалении источника водоснабжения от разрабаты¬
ваемого забоя. Кроме того, способ гидромеханизации применим не
для всех групп грунта. Плохо поддаются такой разработке грунты,
содержащие большое количество камней, а также плотные глини¬
стые.
Различают два способа гидромеханизации земляных работ —
закрытый (подводный) и открытый. При закрытом способе приме¬
няют плавучие землесосные установки, снабженные всасывающей
трубой, которую опускают на дно водоема. Водяным потоком, вса¬
сываемым землесосом, захватывают со дна грунтовые частицы и
образовавшуюся пульпу перекачивают по трубам к месту отвала,
где частицы оседают, а вода уходит из них.
При открытом способе грунт размывают гидромониторами.
К ним под напором, создаваемым обычно центробежными насоса¬
ми, подают воду, которая и размывает грунт, обращая его в пуль¬
пу. Пульпа стекает к месту отвала самотеком по канавам и лот¬
кам, чаще же ее подают принудительным способом по трубам под
напором, создаваемым грунтовыми насосами.
С учетом этих двух способов оборудование для механизации ра¬
бот тоже подразделяют на две группы: для землесосных и для гид¬
ромониторных работ. Особую группу составляет вспомогательное
оборудование.
В первую группу входят землесосные снаряды (автономные и
с питанием от береговых энергетических систем), во вторую — гид¬
ромониторы, насосные и землесосные установки. Водозоды и пуль¬
поводы, а также перекачивающие землесосные установки включают
в обе группы. К вспомогательному оборудованию относят плавучие
краны, трубоукладчики, бульдозеры, транспортные тракторы, бук¬
сирные суда и др.
Наиболее распространен в строительстве землесосный способ,
которым выполняется более 95% всех гидромеханизированных ра¬
бот.
Такой способ широко применяют при намыве территорий, воз¬
ведении намывных сооружений и выемке котлованов в гидротехни¬
ческом строительстве, для добычи и переработки песчано-гравий-
ных материалов.
Трудоемкость работ и удельный расход электроэнергии при гид¬
ромониторном способе более высокие, чем при землесосном. Только
в особо благоприятных природно-геологических условиях гидромо¬
ниторный способ может дать высокие технико-экономические пока¬
затели. Размывать грунт гидромонитором можно также при погру¬
жении опускных колодцев и кессонов, что значительно увеличивает
скорость их опускания.
306

§ 14.1. Оборудование для землесосных работ
Землесосный снаряд представляет собой землеройную машину
непрерывного действия, предназначенную для разработки грунта
в подводном забое и перемещения его к месту укладки. Это плаву¬
чий агрегат, оборудованный рядом специальных устройств (рис.
14.1). К ним относятся грунтозаборное устройство, предназначен¬
ное для непрерывного отделения грунта от массива забоя, грунто¬
вый насос, всасывающий и перекачивающий пульпу, всасывающий
Рис. 14.1. Схема землесосного снаряда:
1 — грунтозаборное устройство; 2 — лебедка; 3 — напорный пульпопровод; 4 — свайный ход;
5 — плавучий пульпопровод; 6 — грунтовой насос; 7 — всасывающий пульпопровод; 8 —.
корпус
пульпопровод - трубопровод, соединяющий грунтозаборное уст¬
ройство с грунтовым насосом, напорный пульпопровод, предназна¬
ченный для соединения грунтового насоса с игровыми пульпопро¬
водами.	‘	■■
Землесосный снаряд имеет также устройство для рабочих пере¬
мещений, обеспечивающее непрерывный контакт грунтозаборного
устройства с разрабатываемым грунтом (оперативные лебедки и
свайное оборудование). Силовые установки снаряда используют
для приведения в действие грунтового насоса (главная машина),
дизель-электрические установки — для приведения в действие ме¬
ханизмов рабочих перемещений, для освещения, водоснабжения и
бытовых нужд.
Грунтозаборные устройства могут быть двух типов:
для непосредственного всасывания без предварительного разрых¬
ления грунта и с каким-либо рыхлителем, повышающим интенсив¬
ность грунтозабора. Основной частью этого устройства является
наконечник, в зев которого при работе грунтового насоса поступа¬
ет вода. Скорость движения воды возрастает с приближением к зе¬
ву наконечника, достигая в его плоскости 1,5—2 м/с. Струи воды,
попадающие на грунт, размывают его и увлекают во всасывающее
отверстие; в грунте образуются фильтрационные потоки, увлекаю¬
щие частицы грунта.
11*
307

Зону, в пределах которой частицы грунта перемещаются в сто¬
рону всасывающего отверстия, называют сферой всасывания. Обыч¬
но она распространяется не более чем на 1 м от зева наконечника.
Способ непосредственного всасывания грунта из-под воды дос¬
таточно эффективен при разработке неслежавшихся песков. Поэто¬
му грунтозаборные устройства большинства земснарядов, предназ¬
наченных для работы в плотных и связных грунтах, оснащают раз¬
рыхлителями, которые разрушают грунт непосредственно перед
всасывающим отверстием. По принципу действия разрыхлители
Рис. 14.2. Схема всасывающего наконечника:
/ — всасывающая труба; 2 — всасывающий патрубок; 3 — сопла; 4 коллектор; 5 — труб*
для подачи воды
можно разделить на два класса — гидравлические и механические,
Устройство и принцип действия гидравлического рыхлителя
(одного из типов) показаны на. рис. 14.2. Такие разрыхлители про¬
сты по устройству и н&дежны в эксплуатации, однако они эффек¬
тивны лишь прй работе в гравелистых грунтах.
Для разработки связных грунтов применяют механические рых¬
лители (фрезерные, роторно-ковшовые, вибрационные и т. п.), наи¬
более распространенными типами которых являются фрезерные.
При вращении они отделяют от дна водоема грунтовую стружку,
увлекаемую потоком воды во всасывающую трубу. Эта труба вхо¬
дит внутрь фрезы, а подача грунта к всасывающему отверстию
обеспечивается соответствующим наклоном ножей. Конструкции
фрез весьма разнообразны.
Схема фрезерного рыхлителя приведена на рис. 14.3.
Фрезу укрепляют на конце вала, идущего от двигателя. Мощ¬
ность двигателя рыхлителя обычно составляет 25—50% мощности,
потребляемой грунтовым насосом. Скорость резания его—1,25—
1,5 м/с, что при диаметре рыхлителя 2 м соответствует частоте вра¬
щения 12—14 об/мин.
В результате движения грунтозаборного устройства, оснащенно¬
го фрезерным рыхлителем, удаляется стружка грунта, поперечное
сечение которой на рис. 14.3 заштриховано. После этого землесос¬
ный снаряд подают вперед на расстояние /п, а грунтозаборное уст¬
308

ройство перемещают в обратном направлении. Рыхлители враща¬
ются в одном направлении; поэтому при перемещении их в одну
сторону грунт срезается ножами снизу вверх или вподрез. При об¬
ратном движении грунт срезается сверху вниз — внакат. Работа
вподрез несколько эффективнее, так как при вращении фрезы раз¬
рыхлитель прижимается к дну прорези.
При работе внакат рыхлитель, при попадании на камень или
участок с плотным грунтом, может приподняться и катиться по его
Рис. 14.3. Схема фрезерного рыхлителя:
/ — фреза; 2— всасывающее отверстие; 3 — всасывающая труба; 4 —ножи; 5 — ребра сту¬
пицы; 6 — направление перемещения фрезы
поверхности. Вследствие этого при резании внакат производитель¬
ность землесосного снаряда получается меньшая, чем в первом
случае.
Водогрунтовую смесь всасывает грунтовый насос или, как его
называют, землесос. Он представляет собой центробежный насос,
состоящий из корпуса и вращающегося в нем рабочего колеса, ко¬
торое укреплено на валу двигателя. Основное отличие грунтовых
насосов от центробежных для перекачки чистой воды заключается
в том, что их конструкция рассчитана на пропуск крупнообломоч¬
ных и абразивных материалов.
Схема устройства насоса приведена на рис. 14.4. К всасывающе¬
му пульпопроводу присоединяют патрубок насоса, прикрепленный
к насосу по оси рабочего колеса. Рабочее колесо состоит из лопас¬
тей и двух дисков. Диск, расположенный со стороны входного пат¬
рубка, имеет отверстие, через которое пульпа поступает на лопас¬
ти крыльчатки. Второй диск оснащен ступицей, насаженной на ко¬
нец вала. С противоположной от всасывающего патрубка стороны
корпус насоса закрывают крышкой, которую снимают лишь при
осмотре или замене рабочего колеса. Сальниковое уплотнение,
предотвращающее просачивание воды из насоса, находится между
Ступицей и задней крышкой корпуса — там, где проходит вал.
В результате вращения рабочего колеса пульпа, заполняющая
внутреннюю полость корпуса, отбрасывается от центра насоса к
концам лопастей и направляется в отливной канал. Вследствие это¬
го в центральной части насоса образуется зона пониженного давле¬
309

ния, в которую под влиянием атмосферного давления устремляет¬
ся пульпа от всасывающего патрубка.
Внутреннюю поверхность корпуса насоса, соприкасающуюся с
частицами грунта, защищают от износа прочной облицовкой из
марганцовистой или хромоникелевой стали. Облицовывает также
всасывающий патрубок.
Для обеспечения исправной работы грунтового насоса система¬
тически проверяют состояние облицовки и зазоры между рабочим
колесом и корпусом. Из¬
ношенные части облицов¬
ки восстанавливают или
заменяют.
Размещать грунтовый
насос можно на палубе
землесосного снаряда или
в трюме, а также на несу¬
щей конструкции грунто¬
заборного устройства ни¬
же поверхности воды.
Вследствие этого длина
всасывающего пульпопро¬
вода, т. е. участка, распо¬
ложенного между грунто¬
заборным устройством и
грунтовым насосом, зави¬
сит от расположения пос¬
леднего. Обычно грунто¬
вые насосы размещают в
трюме, вблизи уровня воды. В этом случае глубина разработки,
определяемая атмосферным давлением, не превосходит 7—8 м.
В последнее время широко распространены землесосные снаряды,
в которых насосы расположены вблизи заборного устройства (пог¬
ружные насосы )• При этом у всасывающего патрубка может возни¬
кать иногда незначительное положительное давление. Это обеспе¬
чивает устойчивую работу грунтового насоса на высоких консис¬
тенциях пульпы при большой глубине разработки.
В процессе работы всасывающий пульпопровод с грунтозабор¬
ным устройством должен иметь возможность подниматься и опус¬
каться, т. е. совершать рабочие движения в вертикальной плоскости,
а также изменять свое положение относительно корпуса землесос¬
ного снаряда и располагаемого в нем участка напорного пульпо¬
провода. Конструкция их соединения должна обеспечивать возмож¬
ность таких движений и вместе с тем герметичность. Гибкие соеди¬
нения выполняют в виде металлического шарового шарнира, а ино¬
гда в виде специального резинового рукава. Шланговые резиновые
соединения уменьшают гидравлические потери в пульпопроводе,
монтировать их значительно проще, чем шаровые, однако послед¬
ние более износоустойчивы и надежны.
Напорный пульпопровод землесосного снаряда обычно состоит
Рис. 14.4. Грунтовой насос:
1 — лопасти; 2 — всасывающий патрубок; 3, 5 — диски
рабочего колеса; 4 — корпус; 6 — трубка для подачи
воды; 7— ступица; 8 — вал; 9 — сальниковое уплот¬
нение; 10 — крышка корпуса; /i —отливной канал.
Стрелками показаны направления движения пульпы
310

;из двух основных участков — внутреннего, находящегося внутри
снаряда, и внешнего, плавучего, поддерживаемого на поверхности
водоема с помощью поплавков, понтонов и т. п. Звенья плавучего
пульпопровода соединяют между собой, а также с внутренним уча¬
стком напорного пульпопровода с помощью гибких устройств, что
обеспечивает всему снаряду необходимую подвижность и маневрен¬
ность.
Плавучие пульпопроводы предназначают для транспортировки
водогрунтовых смесей к месту укладки, причем дальность транс¬
портирования может достигать нескольких километров. Процесс
перемещения пульпы по пульпопроводу называют рефулировани-
ем. Рефулировать можно почти все виды грунта; гравелистые же и
каменистые грунты перемещать таким способом нецелесообразно
вследствие сильного износа грунтового насоса и пульпопровода.
При перемещении грунтов на небольшое расстояние в некоторых
случаях можно обойтись без плавучего пульпопровода. Пульпу мож¬
но выбрасывать на расстояние 30—40 м в виде струи через кониче¬
скую насадку или на расстояние до 15 м непосредственно с конца
укороченного пульпопровода. Однако на выброс пульпы через на¬
садки затрачивается очень много энергии: по сравнению с транспор¬
тированием пульпы обычным пульпопроводом для перемещения ее
выбросом нужен напор в 15—20 раз больший. Поэтому использо¬
вать конические насадки целесообразно лишь там, где плавучий
пульпопровод применить нет возможности.
Рабочие перемещения землесосных снарядов должны обеспечи¬
вать движение грунтозаборного устройства в горизонтальной пло¬
скости. При этом движение должно осуществляться по заданным
траекториям с регулируемой скоростью, без холостых ходов, т. е.
движения грунтозаборного устройства по выработанным участкам
забоя.
В последние годы применяют три способа рабочих перемещений
земляных снарядов: канатный, свайно-канатный и свайный. Каждый
способ может осуществляться по нескольким схемам в зависимости
от характера работ, выполняемых земснарядом. В соответствии с
этими схемами земснаряд с грунтозаборным устройством может
перемещаться поступательно вдоль своей продольной оси или попе¬
рек нее; может совершать веерное движение, поворачиваясь относи¬
тельно неподвижной точки или, оставаясь на месте, поворачивать в
горизонтальной плоскости грунтозаборное устройство и т. д. Боль¬
шая часть землесосных снарядов с грунтозаборным устройством в
процессе работы движутся по дугам окружностей. Их центрами
служат сваи, опущенные в грунт.
В состав свайного устройства входят две сваи, расположенные
в кормовой части снаряда, и лебедки, с помощью которых он со¬
вершает повороты. Сваи поднимают и опускают в грунт поперемен¬
но, что дает возможность поворачивать землесосный снаряд отно¬
сительно их поочередно.
На рис. 14.5 сплошными линиями показано первоначальное по¬
ложение снаряда П у правой бровки разрабатываемого участка.
311

Снаряд поворачивается вокруг сваи с помощью натягиваемых тро¬
сов, соединенных с якорями. В это время фреза разрабатывает
грунт на площади ленты, после чего снаряд переходит в положение
Л (у левой бровки). Затем при помощи напорного механизма зем¬
лесосный снаряд оттал-
2В	кивается	от сваи, про¬
двигается вперед на шири¬
ну одной ленты и совер¬
шает рабочий ход в обрат¬
ном направлении. Такие
веерные перемещения
грунтозаборного устройст¬
ва или землесосного сна¬
ряда называют папильо-
нированием (в переводе с
французского — порхание
бабочки).
§ 14.2. Остойчивость
землесосных снарядов
Оборудование разме¬
щают на землесосном сна¬
ряде в соответствии с тех¬
нологической целесооб¬
разностью, чтобы обеспе¬
чить удобство и безопас¬
ность	эксплуатации.
Вследствие того что зем¬
лесосный снаряд является
плавучим агрегатом, при
размещении на понтоне
оборудования необходимо
обеспечивать его остойчивость, т. е. способность понтона сопротив¬
ляться крену и возвращаться из этого состояния в начальное поло¬
жение. В противном случае возможна авария снаряда на плаву.
Для того чтобы понтон плавал в вертикальном положении, необ¬
ходимо центр его масс с0 располагать на средней вертикальной оси
(рис. 14.6).
Зная водоизмещение снаряда, т. е. объем воды, вытесненной
его понтоном, а также форму подводной части и осадку, можно
найти координаты центра водоизмещения, т. е. центра масс подвод¬
ной части. Водоизмещение определяют как отношение массы m
понтона с оборудованием к плотности воды р:
9=от/Р.	(14.1)
При симметричной прямоугольной форме понтона его осадку,
т. е. заглубление на плаву, можно найти по формуле
Т = qj(Lb),	(14.2)
где L и Ь — длина понтона и его ширина.
Рис. 14.5. Способ лапильонирования с рабо¬
чим свайным ходом:
а—план; б—положение напорной сваи в проре¬
зи корпуса; Я, Л — положение земснаряда соот¬
ветственно у правой и левой бровок; С—среднее
положение снаряда; /— VII — папильонажные лен¬
ты; J—/V —положения напорной сваи; 2В — ши¬
рина разрабатываемого участка; / — напорная
свая; 2 — прикольная свая
312

Если понтон накренить на угол а, то его центр водоизмещения
переместится из точки W в точку Wi, причем сила водоизмещения
равная силе тяжести понтона, пересечет ось плавания (линию, про¬
ходящую через центр масс и центр водоизменения) в точке k, кото¬
рую называют метацентром.
При этом появляется пара сил, момент которой, называемый
статическим моментом остойчивости, равен:
Мс =Oh sin а,
h — расстояние
(14.3)
между центром
СТ
где G — сила тяжести понтона
масс и метацентром, назы¬
ваемое метацентрической
высотой.
Из формулы (14.3)
видно, что для характе¬
ристики остойчивости дан¬
ного плавучего тела дос¬
таточно определить его
метацентрическую высоту.
Эту высоту определя¬
ют по формуле
— Усаj И4-4)
где г — расстояние между
центром водоизмещения и
метацентром, называемое
метацентрическим радиу¬
сом.
Перемещение центра масс однородного тела относится к пере¬
мещению центра масс части этого тела, как объем этой части к объ¬
ему всего тела. На основании этого можно написать
Рис. 14.6. Схема к определению
вости понтона
остоичи-
WWJCC^qJq,
(14.5)
где —объем ONNx (рис. 14.6), заключенный между начальным
положением ватерлинии и положением последней после крена;
СС—-расстояние между центрами масс объемов ONNi и OSSi.
Заменив в уравнении (14.5) перемещения, параллельные друг
другу, их горизонтальными проекциями, получим
г sm а
СхСг
(14.6)
Если принять длину понтона равной L, можно определить объ¬
ем
9х=( 1/2) (62/2) tg а (1/2) L=(L&2/8) tg а.	(14.7)
При малых углах крена можно принять
tga^sina; CjCj г» (4/3){Ь/2).
313

Подставив эти значения в уравнение (14.6), получим формулу
для определения метацентрического радиуса
r=Lb3j{2q=lajq,	(14.8)
где /в — момент инерции площади ватерлинии относительно про¬
дольной оси.
Чем больше метацентрическая высота, тем больше статический
момент остойчивости, выравнивающий накрененный плавучий объ-
. ект. Для плавсредств, работающих или буксируемых при тихой
погоде, допускается (0,20-^0,25) м. Увеличить метацентриче-
скую высоту можно понижением центра масс понтона путем уклад¬
ки на его днище балласта.
Знать характеристики остойчивости необходимо для определе¬
ния нагрузки Р, которую можно разместить на борту понтона на
расстоянии I от его средней вертикальной оси при заданном угле
крена. Исходя из формулы (14.3), получим для этой цели выраже¬
ние
Мкр=Р1 <^M„=Gh sin а,	(14.9)
где Мкр — кренящий момент.
Отсюда
Р< Oh sin ct//.	(14.10)
§ 14.3. Производительность и мощность привода
землесосного снаряда
Производительность землесосного снаряда может меняться в
широких пределах в зависимости от характера грунта в забое, рас¬
стояния и высоты, на которые перекачивается пульпа. От характе¬
ра грунта зависит интенсивность грунтозабора, а следовательно, и
консистенция пульпы, перекачиваемой насосом.
Производительность Я землесосного снаряда определяют как
произведение расхода пульпы Яп за 1 ч на ее консистенцию р (от¬
ношение объема грунта в плотном теле, содержащегося в данном
объеме пульпы, к ее объему), т. е.
Л*=Пар.	(14.11)
При движении пульпы по пульпопроводу она оседает, и кон¬
центрация грунта по высоте потока не является одинаковой. При
этом часть грунта перемещается в нижней части потока не только,
во взвешенном состоянии, но и перекатывается по пульпопроводу.
С ростом консистенции пульпы, т. е. содержания в ней грунта,
в нижней части пульпопровода может образоваться мертвый слой,
не участвующий в движении. Этот слой утолщается по мере насы¬
щения пульпы грунтом; площадь проходного сечения трубы умень¬
шается так, что пульпопровод может оказаться заполненным грун¬
том почти по всему сечению, и движение пульпы прекратится.
Скорость движения пульпы, при которой начинается образовы¬
ваться мертвый слой, называют критической. На перемещение пуль¬
314

пы с такой скоростью требуете^ наименьшая затрата энергии, по¬
этому при эксплуатации землесосной техники необходимо стремить¬
ся к поддержанию в пульпопроводах скоростей, близких к крити¬
ческим.
При работе снаряда на песчаных грунтах скорость движения
пульпы v, м/с, рекомендуется задавать с помощью эмпирического
выражения
v=4,53/d,	(14.12)
где d — диаметр трубопровода, м.
При работе на гравелистом грунте скорости увеличивают на
20%. При заданном диаметре трубопровода сопротивление пере¬
мещению пульпы, а следовательно, необходимый напор растут про¬
порционально квадрату скорости и прямо пропорционально длине
трубопровода. Вместе с тем с увеличением диаметра и массы тру¬
бопровода возрастает стоимость производства работ. Поэтому пра¬
вильный выбор характеристики трубопровода имеет большое эко¬
номическое значение. Суммарный напор, необходимый для переме¬
щения пульпы по трубопроводу,
Я = /Уг+Яв+Я0,	(14.13)
где НГ — ЬГ1Т — напор, потребный для перемещения пульпы по гори¬
зонтали; HB=hpng — то же, для подъема пульпы на высоту h\ Н0 —
то же, для преодоления местных сопротивлений трубопровода в
местах поворотов, стыков и т. п.: Ьт — удельное сопротивление тру¬
бопровода; /т — длина его по горизонтали; рп — плотность пульпы,
кг/м3; g — ускорение земного тяготения, м/с2.
Мощность двигателя N, затрачиваемую на приведение в дейст¬
вие грунтового насоса и, следовательно, на перемещение пульпы,
находят по формуле
N=?agnuHM,	(14.14)
где Пп — расход пульпы, м3/с; Я — напор насоса, м вод. ст.; ti —■
КПД насоса.
При данной мощности двигателя расход Пп уменьшается с уве¬
личением напора N.
§ 14.4. Гидромониторы
I
Основным оборудованием для выполнения гидромониторных ра¬
бот служат гидромониторы — устройства, предназначенные для
формирования компактной водяной струи. Они превращают потен¬
циальную энергию воды, подаваемой по напорному трубопроводу,
в кинетическую энергию струи и направляют ее в нужную точку за¬
боя. В результате действия струи грунт разрушается и, смешиваясь
с водой, образует пульпу.
Гидромонитор (рис. 14.7) состоит из неподвижного нижнего ко¬
лена и верхнего, которое можно поворачивать вокруг вертикальной
оси благодаря вертикальному шарнирному устройству. Подвижное
315

колено с помощью шарового шарнира соединено со стволом, несу¬
щим на конце насадку. Оси шарниров взаимно перпендикулярны.
Шаровой шарнир дает возможность поворачивать ствол гидромо¬
нитора в вертикальной плоскости на угол около 25= вниз и около
50° вверх от горизонтального положения. Воду подводят к нижне¬
му колену, из которого она поступает в верхнее колено, а через
ствол и насадку в виде компактной струи выбрасывается наружу.
Рис. 14.7. Гидромонитор ГМН-250С:
а — общий вид гидромонитора; б — вертикальный шарнир гидромонитора; / — нижнее коле¬
но; 5 —обойма; 3 —* шарикоподшипник; 4 -—кольцо; 5 — крышка сальника; 6, 9 — стяжные
болты; 7 — фланец верхнего колена; 8 — верхнее колено; 10— шарнирное устройство; //—
шаровой шарнир; /2 — ствол; 13'—насадка; 14 — сальник
Гидромониторы питают водой с помощью насосных установок.
Обычно насосную станцию компонуют из двух или больше центро¬
бежных насосов. Проточную часть гидромониторов (нижнее и верх¬
нее колена, ствол, насадка) проектируют так, чтобы компактную
струю воды можно было создать с наименьшими гидравлическими
потерями. С этой целью внутренней полости ствола придают конус¬
ность в 3—5° в направлении движения потока. Кроме того, внутри
ствола устанавливают ребра-успокоители, параллельные его оси.
Эти ребра служат для гашения вращательного движения воды и
уменьшения вихревых токов в струе.
Вертикальный шарнир гидромонитора должен препятствовать
утечке воды и отрыву верхнего колена от нижнего и, кроме того,
обеспечивать поворот ствола с наименьшими усилиями. Из несколь¬
ких типов вертикальных шарниров, наиболее эффективной в насто¬
ящее время признана конструкция с сальниковым уплотнением
(рис. 14.7). На нижнее колено навинчено кольцо, застопоренное
винтами. К фланцу верхнего колена на болтах крепится обойма,
разрезанная по диаметру на две половины, также соединяемые
между собой болтами. В зазор между наружной поверхностью
обоймы верхнего колена и кольцом, навинченным на нижнее коле¬
но, укладывается сальник, уплотняемый прижимной крышкой.
Такая конструкция обеспечивает необходимую герметичность
соединения и позволяет поворачивать ствол на 360°. Усилия, отры¬
316

вающие верхнее колено от нижнего, воспринимаются шарикопод¬
шипником. Шаровой шарнир гидромонитора также уплотнен саль¬
ником.
Гидромониторы монтируют обычно на металлических салазках
(сварных или штампованных) или на самоходных шасси (гусенич¬
ных или шагающих). В зависимости от этого их подразделяют на
переставные и самоходные. В строительстве наиболее широко ис¬
пользуют переставные гидромониторы, которые перемещают в пре¬
делах площадки тракторами или переставляют грузоподъемными
кранами.
Грунт, размытый гидромонитором, может подаваться к месту
укладки по канавам и лоткам. Такое безнапорное самотечное тран¬
спортирование можно применять лишь в тех случаях, когда мест¬
ность имеет уклон в сторону нужного направления движения пуль¬
пы. Такой способ транспортировки применяется довольно редко.
При напорном транспорте, применяемом наиболее широко, пуль¬
па самотеком поступает в приямок, называемый зумпфом, который
устраивают у места стоянки гидромонитора. Из приямка пульпа
засасывается грунтовым насосом (землесосом), подается в напор¬
ный пульпопровод, по которому транспортируется к месту укладки.
§ 14.5. Производительность гидромониторов.
Действующие нагрузки
Под производительностью гидромонитора по грунту понимают
объем грунта, размываемого им в единицу времени. Производи¬
тельность по грунту находят по формуле
f7=nB/qyv,	(14.15)
где Лв — водопроизводительность (рабочий расход воды);	—
удельный расход воды для размыва и перемещения грунта.
Водопроизводительность определяют по скорости v истечения
струи из насадки монитора и площади F выходного отверстия на¬
садки
na=vF.	(14.16)
Скорость истечения жидкости из насадки определяют по фор¬
муле
v=<?V2gH~,	(14.17)
где ф — коэффициент расхода, равный 0,9—0,93; g — ускорение
земного тяготения; Н — рабочий напор у насадки.
Площадь выходного отверстия насадки
F=aD2! 4,	(14.18)
где D — диаметр насадки.
С учетом двух последних выражений	водопроизводительность
гидромонитора будет равна:
Яв=ср(я£>2/4)К2177:	(14.19)
317

Рабочий напор Я у насадки гидромонитора определяют по на¬
пору питающего центробежного насоса с учетом гидравлических
потерь в проточной части гидромонитора. Эти потери напора, оп¬
ределяемые обычно по данным прямых замеров, колеблются в пре¬
делах 1 — 12 м при изменении расхода воды от 60 до 300 л/с.
При выборе водопроизводительности гидромониторных устано¬
вок необходимо учитывать, что производительность по грунту од¬
ного мощного гидромонитора будет превышать производительность
нескольких гидромониторов той же суммарной производительно¬
сти. Следует иметь в виду, однако, что при большой частоте пере¬
движек гидромониторов, определяемой конфигурацией забоя, ра¬
бота небольших гидромониторов может оказаться более эффектив¬
ной, так как передвижка крупных мониторов весьма трудоемка.
Особенность рабочего процесса гидромонитора заключается в
том, что элементы машины не находятся в контакте с разрабаты¬
ваемым грунтом. Поэтому рабочие нагрузки определяются не свой¬
ством грунта сопротивляться разрушению, а параметрами водного
потока, проходящего через проточную часть гидромонитора, и ха¬
рактером выбрасываемой струи.
Усилия, возникающие в гидромониторах от движения потока че¬
рез проточную часть, можно определить по формулам гидравлики,
применяемым для расчета водоводов. Знать эти усилия необходи¬
мо для назначения толщины стенок проточной части, радиуса зак¬
ругления колен и т. п.
Другая группа усилий, определяемая реакцией выбрасываемой
струи, стремится опрокинуть гидромонитор и подвергает изгибу
элементы его конструкции.
Реактивную силу водяной струи находят по изменению ее им¬
пульса
где pc=>mv — импульс струи; т — масса воды; v — скорость струи.
Дифференцируя выражение (14.20), получим
р=ю£Щ + т£1. .	(14.21)
dt	dt
Поскольку скорость струи при установившемся режиме работы
гидромонитора постоянна, второй член правой части выражения
(14.21)	равен нулю. Тогда
т. е. реактивная сила водяной струи равна произведению ее скоро¬
сти на изменение отбрасываемой массы воды. Однако'
где Пв — рабочий расход воды, т. е. водопроизводительность мони¬
тора; р — плотность воды.
р dPc
dt ’
(14.20)
(14.22)
(14.23)
318

С другой стороны, из выражения (14.16) имеем
v=njF.
(14.24)
Подставив последние два выражения в уравнение (14.22), по¬
лучим значение реактивной силы
P=f7l?/F.	(14.25)
Реактивная сила водяной струи существенно влияет на тип уп¬
равления гидромониторами. Мониторами с небольшими рабочими
расходами воды допускается управлять вручную посредством ры-
чага-водила. Для управления же вручную крупными моделями тре¬
буются значительные уси¬
лия. В этих случаях для об¬
легчения ручного управления
гидромониторами предусмат¬
ривают специальное приспо¬
собление — дефлектор (рис.
14.8), который представляет
собой короткую насадку,
шарнирно - соединенную со
стволом гидромонитора.
При повороте дефлектора
ось вылетающей струи от¬
клоняется от оси ствола мо¬
нитора на некоторый угол.
Возникающую при этом ре¬
активную силу Р можно раз¬
ложить на две составляющие; одна из них Рi направлена вдоль оси
ствола и воспринимается опорой гидромонитора, а другая Р2, пер¬
пендикулярная оси ствола, поворачивает ствол в сторону своего
действия. Значения силы Р2 даже при небольших углах поворота
дефлектора (а=2~3°) достаточно для поворота ствола. На поворот
дефлектора не требуются большие усилия, и он производится рабо¬
чим вручную.
Гидромониторы с ручным управлением следует устанавливать
на большом расстоянии от фронта забоя, чтобы их не заваливало
грунтом. Вследствие значительного удаления монитора от забоя су¬
щественно снижается кинетическая энергия струи, в связи с чем
приходится увеличивать рабочий расход и напор. Это увеличивает
дальнодействие монитора, но утяжеляет его и усложняет управле¬
ние.
Оптимальное расстояние между гидромонитором и рабочим от¬
косом забоя должно обеспечивать безопасную работу при обруше-.
нии грунта, а мощность струи при встрече с грунтом должна быть
не меньше необходимой для размыва. Первое требование определя¬
ется выражением
£м„н = *А	(14.26)
где h — высота забоя; kT — коэффициент, зависящий от грунта; для
Рис. 14.8. Схема дефлекторного управления
гидромонитором:
/ — ствол; 2 — рычаг дефлектора; 3 — дефлектор;
4 — водяная струя
319

песчаных грунтов kr=0,8, для глинистых &г=1,0; для лёсса
kr= 1,2.
Максимальное расстояние от гидромонитора до рабочего откоса
забоя принимают обычно равным
ZMaKC=0,3Z,	(14.27)
где L	— максимальная	дальность полета	гидромониторной	струи.
В соответствии с законами гидравлики
L = 2<?2H sin 2а,	(14.28)
где Я	— напор	у	насадки, м вод. ст.; ср — коэффициент	скорости
истечения, принимаемый равным 0,96—0,98; а — угол наклона
струи к горизонту.
Эффективность разработки грунта можно повысить использова¬
нием гидромониторов ближнего боя, которые по конструкции и сис¬
теме управления можно размещать в непосредственной близости у
забоя. Гидромониторами с повышенным давлением струи на грунт
управляют дистанционно. Наиболее распространены гидравличе¬
ский и электромеханический типы дистанционного управления.
Гидравлическая система позволяет управлять гидромонитором
с пульта, удаленного на расстояние до 50 м. На пульте устанавли¬
вают масляный насос с электродвигателем и распределительное
устройство. Для поворота вокруг вертикальной оси, а также для
подъема и опускания ствола предусматривают гидроцилиндры.
Электромеханическое управление гидромонитором производится
с помощью электродвигателя через редуктор.
В горизонтальной плоскости гидромонитор поворачивают с по¬
мощью червячной пары, а ствол в вертикальной плоскости (в ша¬
ровом шарнире) —посредством винтовой пары. Такой привод ос¬
нащают концевыми выключателями, отключающими его в крайних
положениях. Гидромониторы с дистанционным управлением обору¬
дуют приспособлениями для автоматического реверсивного поворо¬
та в горизонтальной плоскости.

ПРИМЕР РАСЧЕТА
ОДНОКОВШОВОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭКСКАВАТОРА,
ОБОРУДОВАННОГО ОБРАТНОЙ ЛОПАТОЙ
Приводим ниже пример основных расчетов гидрвлического од¬
ноковшового экскаватора, выполненных по методике, принятой в
учебнике с привлечением материала, изложенного в гл. 3—6. Циф¬
ровой материал заимствован из выполненного ВНИИСтройдорма-
шем и Ленинградским экскаваторным заводом расчета экскавато¬
ра модели ЭО-3322 третьей размерной группы по ГОСТ 22894—77.
Исходные данные для расчета следующие:
Категории разрабатываемых грунтов	 I—III
Вместимость ковша, м3, для грунтов:
I—II категории	 0,5
III категории	 0,4
Продолжительность цикла при копании	в	отвал, с . . .	16
Частота вращения поворотной платформы,	1/с	 0,94 (9 об/мин)
Наибольшая глубина копания, м	 4,2
Наибольшая высота выгрузки, м	 4,7
Наибольшая скорость передвижения,	км/ч	 18
Наибольший преодолеваемый уклон, рад	 0,383 (22°)
Номинальное рабочее давление в гидросистеме, МПа .	16 (160 кг/см2)
Определение мощности двигателя и параметров гидрооборудо¬
вания. Мощность насосов по удельной энергоемкости копания опре¬
деляем по формуле (6.69):
ДГ  ЧкККн
^КОП ^р^копг||ф
Принимаем: коэффициент разрыхления грунта /Ср=1,3; коэффи¬
циент наполнения ковша /Сн =1,1; время копания tKOn=0,3tn=
= 0,3-16 = 5,0 с; КПД системы поворота рукояти или ковша г]Коп=
= 0,8; КПД использования мощности привода т]пр=0,8.
Подставим эти данные, определим мощность, необходимую при
копании грунтов II категории:
NU——ЧкК Кк—= О'5'300000'1,1 = 39700 Вт^;40 кВт.
^кон АГр^коп^пр	5,0-1,3-0,8-0,8
Мощность для грунтов III категории составит
■/уП1 = 0,4‘400 000• 1,1 = 42300 Вт=42 з кВт.
5,0-1,3-0,8.0,8
Мощность привода насоса найдем по формуле (6.75):
Nx= Nul/i\a=42,3/0,9=47 кВт
(здесь Т1н=0,9 — КПД насоса).
321

Исходя из необходимой мощности, выбираем дизельный двига¬
тель марки СМД-14 мощностью 55 кВт при частоте вращения
1700 об/мин.
В дальнейших расчетах проверим достаточность установленной
мощности для совмещения операций, обеспечения требуемой дина¬
мики поворота и необходимых ходовых качеств. Рабочий объем
гидроцилиндра поворота рукояти определим исходя из равенства
работ по формуле (6.71):
-.FaLa = {nDljA) La— ЧкКК? — 0.5.300 000.1,1 __
<7ц =
/>КрТ]копТ)пр	16-106.1,3-0,8-0,8
= 1,75-Ю-2 м3.
Приняв по ОСТ 22-1417—79 ход поршня £ц=1,25 м, определим
диаметр гидроцилиндра
Du= 2 у qJ{xLn)= 21/1,75- Ю~2/(л-1,25) = 0,133 м.
Принимаем по ОСТ 22-1417—79 ближайший большой диаметр
цилиндра /)ц=0,14 м= 140 мм.
Определим далее необходимую подачу насоса для обеспечения
потребного времени копания
Q—qJ^K0„= 1,75-10—2/50=0,35• 10-2 м3/с = 210 л/мин.
На основе рекомендаций гл. 6 о необходимости для совмещения
операций применять на экскаваторе два-три рабочих насоса или
один сдвоенный насос с двумя независимыми потоками рабочей
жидкости принимаем по передаваемой мощности и подаче сдвоен¬
ный регулируемый аксиально-поршневой насос марки 223.25 испол¬
нения I. Характеристика этого насоса следующая: максимальный
рабочий объем 2x107 см3; давление номинальное— 16 МПа; мак¬
симальное— 25 МПа; диапазон регулирования — 2,4; частота вра¬
щения — 1700 об/мин.
Характеристика регулирования подачи насоса в зависимости от
давления приведена на рис. П.1. По подаче насоса и рабочему
давлению выбираем распределители, клапаны, фильтры и другие
элементы гидрооборудования.
Расчеты рабочего оборудования. До выполнения расчетов рабо¬
чего оборудования при
конструктивной проработ¬
ке его определяют потреб¬
ные размеры для обеспе¬
чения заданных парамет¬
ров. На основании полу¬
ченных данных произво¬
дят эскизную компоновку
экскаватора, определяют
положение всех основных
Рис. П.1. Характеристика регулирования	сборочных единиц, уста-
подачи насосов 223.25	навливают	их массу, коор-
322

динаты центров тяжести и статические моменты относительно глав¬
ных осей. Для удобства использования полученных результатов их
сводят в таблицы.
Таблица П.1
Веса, координаты центров тяжести и статистические моменты
основных сборочных единиц экскаватора
Наименование сбо¬
Вес О
Координаты центра тяжести,
м
Статистические моменты,
кН»м
рочных единиц
кН
X
У
Z
мх
Му
Mz
Поворотная
платформа с меха¬
низмами
51,7
— 1,194
—0,038
1,58
61,79
—19,4
81,7
Ходовое обору¬
дование
47,55
0,555
0
0,615
26,4
0
29,28
Стрела с гидро¬
цилиндрами стре¬
лы и рукояти
16,25
2,1
0
3,7
34,12
0
61,15
Рукоять с гидро¬
цилиндром ковша
4,62
5,5
0
4,3
25,4
0
19,87
Ковш
5,2
6,4
0
2,7
33,28
0
14,04
Грунт в ковше
7,6
6,4
0
2,7
48,64
0
20,52
При расчете данных, приведенных в табл. П.1, принято следую¬
щее положение главных осей; ось X проходит на уровне опорной
поверхности по следу продольной оси экскаватора и направлена в
сторону переднего моста; ось Z направлена вверх по оси вращения
поворотной платформы, ось У направлена влево. Координаты цент¬
ров тяжести сборочных; единиц рабочего оборудования указаны в
этой таблице применительно к положению, показанному на рис.
П.5.
Вес экскаватора составляет G3=125 320 кН (12,532 т).
Основными задачами расчета рабочего оборудования являются:
определение усилий копания на режущей кромке (зубьях) ковша,
а также нагрузок на рабочее оборудование, поворотную платформу
и ходовое оборудование и др.
Необходимое касательное усилие на режущей кромке ковша оп¬
ределим по формуле (3.29):
PK—kbh=kF.
Исходя из равенства объема ковша и снимаемой стружки qKkн=
= IkotiF^р> откуда F = (jKkn/(lKOnkp).
Путь копания /коп определим по формуле
/коп=2я/^р/360.
В соответствии с расчетной схемой рис. П.2 угол поворота ру¬
кояти рр=120°, /кв = 29 м. Отсюда
40п=2л-2,9-120/360 = 6,1 м.
323

Для грунтов II категории при qK=0,5 м3,	&р=1,3	будем
иметь
/?п = -'5—1 ’-=0,0695 м2 = 6,95-10-2 м2.
6,ы,3
Для грунтов III категории
/?1119AiLlL—0,0555 м2=5,5-10-2 м2.
6,1-1,3
Необходимое касательное усилие на режущей кромке ковша
для грунтов II категории будет равно
Р” = 3 • 105- 6,95 • 10-2= 20 850 Н (20,85 кН);
для грунтов III категории
Я”1 —4-105-5,55- 10-2=22 200Н (22,2 кН).
Гидравлическими одноковшовыми экскаваторами, оборудован¬
ными обратной лопатой, грунт копают двумя способами: поворотом
рукояти (при неподвижной стреле) или поворотом ковша (при не¬
подвижных стреле и рукояти).
Определим возможные усилия на режущей кромке ковша при
копании поворотом рукояти. При расчете принимаем, что гидро¬
цилиндр рукояти развивает постоянное рабочее усилие в зависи¬
мости от номинального рабочего давления:
Л*.р=А>аб^ц.р= 16-106я-0,142/4==24,6- 104Н=246 кИ.
Из суммы моментов относительно точки В на рис. П.2 найдем
касательное усилие на режущей кромке ковша по усилию цилиндра
рукояти:
рк=(1 //?) [Рц.р/ц.р - (QJ*+ок+г1*+г)].
Плечи сил определяем графически по рис. П.2.
Результаты расчета приведены в табл. П.2, а график зависимо¬
сти Pv = f{lKon) — на рис. П.4.
Касательное усилие, возникающее на режущей кромке ковша,
ограничивается реактивными давлениями Рр в цилиндрах стрелы и
ковша, а также условиями устойчивости.
Радиус копания равен 1КВ = 2,9 м.
Далее определим реактивное давление, возникающее в цилин¬
дре ковша при копании поворотом рукояти, исходя из суммы мо¬
ментов относительно точки С (рис. П.З).
Рк = ±(Т1'т~Ок+/к+г).
Из суммы моментов относительно точки D имеем
Т1г—Рак /1ЬК; T=PIlJ^Jlr.
324

Результаты расчета усилий на режущей кромке ковша при копании
поворотом рукояти
325

Отсюда, зная Рч.к=Рр-Рц-к, получим
Я,=
1 ( РрРи..к1ц.к1т	,
 	°к+г1
я V
' V
к+г Ь
Р'У-
(PKR+GK+TlK+r) 1Г
F ц.^ц.к^т-
Учитывая, что при копании ковш находится в положении Зк
(рис. П.З), определим наибольшее реактивное давление, возникаю¬
щее в цилиндре ковша для расчетного положения Зр:
[(46380-1,05 +8200-0,46)0,^=15>Ь10в Па=15,1 МГ1а<
р =-
1 р макс —
153,7-10-4-0,30-0,22
<[ЯР]=25 МПа (250 кг/см).
Рис. П.2. Схема к определению касательных усилий на режущей кромке ковша
экскаватора при копании поворотом рукояти:
1 — ось вращения поворотной части машины
326

Таким образом, в рассматри¬
ваемом примере касательное уси¬
лие на режущей кромке ковша
при копании поворотом рукояти
не ограничивается реактивным
давлением в цилиндре ковша.
Возможное касательное усилие на
режущей кромке ковша в некото¬
рых случаях ограничивается ре¬
активным давлением в гидроци¬
линдрах стрелы. (Число цилинд¬
ров привода стрелы обычно равно
двум.)
Расчет ведем при условии
Рн=0, что приводит к некоторо¬
му запасу. Из суммы моментов
относительно точки А (см.
рис. П. 2) имеем
2Яц.с/ц,с = 2PpFuJuX=PJKA + GJc + Gp/p1 + Ок+ЛЛ+г.
Отсюда
PJ* + ос/сЛ + oplp + ок+г/кл+г
Рр~	2	Fu.c/u.c
Расчеты производим для всех положений, показанных на рис.
П.2. Эти расчеты показывают, что в рассматриваемом примере ре¬
активные давления в гидроцилиндрах стрелы не ограничивают ка¬
сательные усилия на режущей кромке ковша при копании поворо¬
том рукояти.
В заключение находим возможное усилие на режущей кромке
ковша по устойчивости экскаватора относительно точки D (см. рис.
П.2), принимая ky=l, т. е. МУ = М0. Удерживающий момент будет
равен:
Му=Оп.п (Агп.п-]-а)-)-Од. (Хх-\-а).
Опрокидывающий момент при Рн = 0 определяют по формуле
М0=Рк (I? ~ а) + Ок+г (/ КА+Г- а) + Ор (I ? -а) +
+ C?c(Z;-a)=/>K(*K-a) + 2Af0.
Возможное касательное усилие на режущей кромке ковша опре¬
деляют по формуле
(Л*0-2^о)/(*«-*)■
Расчеты проводят для положений 5Р—7Р, так как в остальных
положениях устойчивость обеспечивается.
Рис. П.З. Схема к определению каса¬
тельных усилий на режущей кромке
ковша при копании поворотом ковша
32?

Расчеты показывают, что в данном случае касательные усилия
на режущей кромке ковша при копании поворотом рукояти не ог¬
раничиваются устойчивостью экскаватора.
В тех же случаях, когда Рк ограничивается реактивными давле¬
ниями в цилиндрах ковша, стрелы или условиями устойчивости, на
графике (рис. П.4) вносят необходимые коррективы. Заштрихован¬
ная площадь на рис. П.4, ограниченная координатными осями и
кривой 2 изменения усилия Рк на режущей кромке ковша, выража¬
ет работу А, которую экскава¬
тор может реализовать в про¬
цессе копания.
Работу А можно определить
по формуле
17
А= '
и
■ j' PKdlKon.
Рис. П.4. Изменение усилия Рк в про¬
цессе копания
Зная, что путь копания ме¬
жду расчетными точками тра¬
ектории составляет 1,016 м, вы¬
числим работу А приближенно
как сумму работ:
А—Аг + ... -j- А6
22 072 + 39 020
1,015+...+
28 870 + 21 365
1,015—224,2 кН-м.
Удельную энергоемкость копания при использовании ковша
вместимостью <7Ш = 0,4 м3 найдем по формуле (6.78):
k= Ar\/qK= 224,2 • 0,8/0,4= 448,4 кН -м/м3.
Следовательно, машина может разрабатывать грунты до III ка-
/тёгории включительно. С ковшом вместимостью ^к=0,5 м3 машина
обеспечивает удельную энергоемкость копания k = 358 700 кН-м/м3
и может разрабатывать грунты I—II категорий.
Аналогично определяют возможные величины касательных уси¬
лий на режущей кромке при работе поворотом ковша. Схема дейст¬
вующих сил показана на рис. П.З. Исходя из определенных выше
действующих нагрузок, выполняют расчеты элементов рабочего
оборудования (ковша, рукояти и стрелы) на прочность.
Расчеты на устойчивость. Такие расчеты выполняют для не¬
скольких расчетных положений, как показано в гл. 6. В качестве
примера проведен расчет устойчивости экскаватора для одного из
положений при повороте его с груженым ковшом на выгрузку. Экс¬
каватор (рис. П.5) стоит на уклоне 5° в сторону стрелы, поворот¬
ная платформа установлена поперек ходового оборудования, ковш
с грунтом на наибольшем вылете подвернут с помощью гидроци¬
линдра ковша под рукоять.
328

Центробежные силы, возникающие от поворота платформы, оп¬
ределим по формуле
F = тгш2= (Gr/g)( пп/30)2= Gm2 • 92/( g • 302)=0,0904 Gr,
где G — масса сборочной единицы, Н; g — ускорение силы тяже¬
сти, м/с2; п — частота вращения поворотной платформы, об/мин;
г — расстояние от оси вращения поворотной платформы до центра
тяжести соответствующей сборочной единицы, м (см. табл. П.1).
г=Ух2-\- у2
Действующие центробежные силы будут равны:
на поворотную платформу с механизмами
^„.п—0,0904-51,7-1,195=5,58 кН;
на стрелу с гидроцилиндрами
/^=0,0904-16,25-2,1 = 3,09 кН;
на рукоять с гидроцилиндром ковша
/=•„=0,0904-4,62-5,5=2,3 кН;
на ковш с грунтом
FK+r=0,0904-12,8-6,4= 7,02 кН.
Удерживающий момент определим по выражению
Му = G„,„ [(ХП'Л + В) cos 5° - Zn.n sin 5°] +
+ QX[B cos5° —Z, sin 5°] + Fn.„ZnJ„
где В — расстояние от оси вращения до ребра опрокидывания; В =
= 1,15 м.
После подстановки получим Му= 179,353 кН-м.

Опрокидывающий момент находим по выражению
М0=Ос l(te-B) cos 5° + Zc sin 5°] + /rcZc+
+ 0p[(/p-5) cos 5° + Zp sin 5°] + JFpZp+
4"^к+г [(4+г~ B)cos 5° + ZK+r sin 5°]-)-K+rZK+r.
В итоге получим M0 = 152,86 кН-м.
Коэффициент запаса устойчивости найдем по формуле (6.57):
ky = My/M0= 179,35/152,86= 1,18> [ky\= 1,15.
Аналогичным образом определяют устойчивость экскаватора
для других расчетных положений. Для случаев недостаточной ус¬
тойчивости вводят дополнительные противовесы, изменяют условия
опирания (например, путем установки выносных опор).
Далее при расчете определяют по материалам гл. 5 нагрузки на
колеса экскаватора в транспортном положении, при копании и по¬
вороте на выгрузку. По полученным данным подбирают шины в со¬
ответствии с ГОСТ 8430—60.
В заключение проводят тяговые расчеты для трех основных рас¬
четных случаев: при движении экскаватора по асфальтированному
шоссе, по грунту строительной площадки и в случае преодоления
им наибольшего подъема. Расчеты эти ведут в соответствии с ука¬
заниями гл. 5.

ЛИТЕРАТУРА
1. Дорожные машины. Часть 1. Машины для земляных работ/Под ред.
А. А. Бромберга. М., 1972.
2. Одноковшовые экскаваторы и самоходные краны с гидравлическим при-
водом/Под ред. И. Л. Беркмана. М., 1971.
3; Ветров Ю. А. Резание грунтов землеройными машинами. М., 1971.
4‘. Домбровский Н. Г. Экскаваторы. М., 1968.
5. Домбровский Н. Г., Панкратов С. А. Землеройные машины. Ч. 1. Одно¬
ковшовые экскаваторы. М., 1969.
6. Домбровский Н. Г., Картвелишвили Ю. Л., Гальперин М. И. Строительные
машины. М., 1976.
7. Домбровский Н. Г. Многоковшовые экскаваторы. М., 1972.
8. Зеленин А. Н., Баловнев В. И., Керов И. П. Машины для земляных работ.
М., 1975.
9. Зеленин А. Н. Основы разрушения грунтов механическим способом.
М., 1968.
10. Строительные машины. Справочник, ч. 1/Под ред. В. А. Баумана.
М., 1976.
11. Справочник конструктора дорожных машин/Под ред. И. П. Бородачева.
М., 1973.
12. Ульянов Н. А. и др. Самоходные колесные землеройно-транспортные ма¬
шины. М., 1976.
13. Федоров Д. И. Рабочие органы землеройных машин. М., 1977.
14. Хархута Н. Я. Машины для уплотнения грунтов. М., 1973.
15. Хархута Н. Я., Капустин М. И., Эвентов И. М. Дорожные машины/Под
ред. Н. Я. Хархута. Л., 1976.
16. Цытович Н. А. Механика грунтов. М., 1973.
17. Машины для земляных работ/Под ред. Ю. А. Ветрова. Киев, 19#1.

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автогрейдеры
— классификация 216
— производительность 221
— тяговый расчет 219
—• элементы конструкций 218
Бульдозеры
— общий расчет 195
— производительность 198
— рабочий процесс 193
— тяговый расчет 196
— элементы конструкций 189
Буровые установки
— вращательного бурения 263
— канатно-ударного бурения 260
— термтесжотс) Прения 1£>1
— ударно-вращательного бурения 266
Вибрационные катки для уплотнения
грунтов 240
Вибрационные плиты для уплотнения
грунтов 241
Гидравлические одноковшовые экска¬
ваторы
— конструкция 132
- привод основных механизмов 147
—родолжительность цикла 135
— рабочие процессы 133
— расчет основных механизмов 137
Гидромониторы
— конструкция 315
— рабочий процесс 318
Гидромуфты 62
Гидрообъемные трансмиссии 64
Гидротрансформаторы 63
Г рейдер-элеваторы
— производительность 229
— рабочий процесс 226
— устойчивость 232
Грунты
— мерзлые 28
— резание 39
— особенности физико-механических
свойств 21
— способы разрушения 32, 51
Дальность отбрасывания грунта ме¬
тателем 163
Движители машин
— сопротивление перемещению 95
—• сопротивление повороту 97
— тяговые возможности 91
Землеройно-транспортные машины
— классификация 188
— устойчивость 230
Землесосные снаряды
— принципы устройства 307
— производительность 314
— рабочий процесс 310
— остойчивость 312
Катки для уплотнения грунтов
— кулачковые 237
— пневмоколесные 238
— с гладкими вальцами 235
Копание грунта
— расчет сопротивлений 45
— физика процесса 41
— энергоемкость 47
Корчеватели 248
2А.6
Маневренность машин 80
Машины для бестраншейной проклад¬
ки труб
 с раздельным бурением и про¬
кладкой 270
■ с совмещенным бурением и про¬
кладкой 271
Машины для земляных работ
— классификация 7
— маневренность 11
— направления развития 15
— производительность 12
— технико-экономические требова-»
ния 10
Машины для разработки мерзлых
грунтов
— буровые 288
— вибрационные 299
— ударного действия 294
— фрезерные 289
Механические одноковшовые экскава*
торы
— выбор параметров 124
— кинематические схемы 111
— продолжительность цикла 113
— рабочий процесс 107
— расчет основных механизмов 114
— элементы конструкций 103
Многоковшовые экскаваторы попереч¬
ного копания
— конструкция 182
— производительность 187
Одноковшовые погрузчики
— конструктивные схемы 276
— общий расчет 279
— основные параметры 280
— рабочее оборудование 276
— способы разработки грунтов 277
33)2

Одноковшовые экскаваторы
— классификация 100
•— статический рлгчот 126
— устойчивость 128
Перфораторы 261
Пневмопробойники 268
Привод машин
— внешние характеристики 56
— гидравлический 59
— требования 54
— электрический 58
Режимы работы машин 55
Рыхление грунта клином
— сопротивления 296
— физика процесса 295
Роторные траншейные экскаваторы
— конструкции 174
— мощность привода 181
— производительность 179
Рыхлители 251
Системы управления
— гидравлическая 69
— пневматическая 70
Скреперы
— общин расчет 208
— рабочий прс’ВДсс 206
— тяговый расчет 213
Трамбующие уплотняющие маши¬
ны 244
Уплотнение грантов, физика процес¬
са 236
Ходовое оборудование
— гусеничное 74
— давление на грунт 86
— пневмоколес?н9е 77
Цепные траншейные экскаваторы
— конструкций 164
— мощность привода 171
— производительность 169
Экскаваторы непрерывного действия
— производительность 157
— рабочий прокис 154
— средства транспортирования грун¬
та 158

ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие	 3
Глава 1. Общие сведения о машинах для земляных работ	 5
§ 43^ Классификация машин	 (Т)
§ 1.2.	Общие требования к машинам и их основные технико-экономи¬
ческие показатели	 10
§ 1.3.	Направления развития машин для земляных работ	 15
Глава 2. Грунты как объект воздействия рабочих органов машин в про¬
цессе их разработки	 17
§ 2.1. Общие понятия о сцеплении в грунтах	 18
§ 2.2. Физико-механические свойства грунтов	 21
§ 2.3. Принципы классификации грунтов	 25
§ 2.4. Особенности физико-механических свойств мерзлых грунтов . .	28
Глава 3. Взаимодействие рабочих органов с грунтом	 32
§ 3.1. Способы деформации и разрушения грунта	 32
§ 3.2. Резание и копание грунта	 39
§ 3.3. Особенности разрушения прочных и мерзлых грунтов	 51
Глава 4. Приводы машин для земляных работ	 54
§ 4.1. Характеристика приводов и силовых установок	 wo)
§ 4.2. Силовое оборудование	 (52
§ 4.3. Трансмиссия	 ЩФ
~ s § 4.4. Системы управления	 67
— pasio^. Ходовое оборудование
—- расу, ^ Гусеничное ходовое оборудование	.•	 (74
I щто»^ 2#	Пневмоколесное ходовое оборудование	 QJ)
§ 5.3.	Маневренность машин	 80
§ 5.4.	Давление ходового устройства на грунт	 86
§ 5.5.	Тяговые возможности движителя и сопротивление передвиже¬
нию машин	 91
§ 5.6.	Тяговые расчеты	 95
Глава 6. Одноковшовые экскаваторы
§ 6.1.	Классификация и виды рабочего оборудования	 99
§ 6.2.	Основные элементы конструкции механических экскаваторов.
Рабочий процесс 	 103
§ 6.3.	Общий расчет механических экскаваторов. Выбор и	расчет ос¬
новных параметров	 114
§ 6.4.	Особенности конструкций и рабочие процессы гидравлических
экскаваторов 	 131
§ 6.5.	Общий расчет гидравлических экскаваторов	 136
§ 6.6.	Гидравлические приводы одноковшовых экскаваторов	 147
Глава 7. Экскаваторы непрерывного действия	 152
§ 7.1.	Класификация и особенности рабочих процессов.	Рабочие и
транспортирующие органы	 152
§ 7.2.	Цепные траншейные экскаваторы	 164
§ 7.3.	Роторные траншейные экскаваторы	 173
§ 7.4.	Экскаваторы поперечного копания	 182
334

Стр,
Глапа 8 ^гмпоронпо транспортные машины	 Ijjtf
§ 8 1. Бульдозеры	 (JHjJ
§ 8.2. Скреперы	 (232,
§ 8.3. Автогрейдеры	 ШД
§ 8.4. Грейдер-элеваторы	 225
§ 8.5. Устойчивость землеройно-транспортных машин	 230
Глава 9. Машины для уплотнения грунтов	 233
§ 9.1. Общие сведения	 233
§ 9.2. Машины статического действия	 25е)
§ 9.3. Машины динамического действия	 240
Глава 10. Машины для подготовительных работ	 2-Ш
§ 10.1. Кусторезы
§ 10.2. Корчеватели	 (5-1Я
§ 10.3. Рыхлители	 ЦмС
Глава 11. Буровые машины и оборудование	 25Й
§ 11.1. Классификация оборудования	 2Г>Й
§ 11.2. Конструкции буровых установок	 2П'1
§ 11.3. Машины для бестраншейной прокладки труб	 268
§ 11.4. Перспективы развития оборудования	 273
Глава 12. Одноковшовые погрузчики	 275
§ 12.1. Назначение и классификация погрузчиков	 275
§ 12.2. Конструктивные схемы и основные параметры	 276
§ 12.3. Выбор параметров рабочего оборудования	 280
§ 12.4. Расчеты на прочность	 28,3
Глава 13. Машины для разработки мерзлых грунтов	 285
§ 13.1. Машины для разработки траншей и нарезания щелей в мерз¬
лых грунтах	 287
§ 13.2. Машины, рыхлящие мерзлый грунт способом	отрыва	 2
§ 13.3. Машины для ударного разрушения мерзлых	грунтов
§ 13.4. Вибрационные машины для разработки мерзлых грунтов . . .
Глава 14. Машины для гидромеханизации земляных работ
§ 14.1. Оборудование для землесосных работ	 307
§ 14.2. Остойчивость землесосных снарядов	 Н!2
§ 14.3. Производительность и мощность привода землесосного снаряда 314
§ 14.4. Гидромониторы	 315
§ 14.5. Производительность гидромониторов. Действующие нагрузки .	317
Пример расчета одноковшового гидравлического экскаватора, оборудован¬
ного обратной лопатой	 ".Ч
Литература	 ■"!
Предметный указатель	 332

Николай Георгиевич Гаркави,
Владимир Иосифович Аринченков,
Владилен Васильевич Карпов,
Залман Еремеевич Гарбузов,
Альберт Иванович Батулов,
Виктор Михайлович Донской
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Редактор издательства А. П. Мартынов. Мл. редактор Г. К. Ионова.
Переплет художника В. Н. Хомякова. Художественный редактор
Т. А. Дурасова. Технический редактор Н. В. Яшукова. Корректор
Р. К. Косинова
ИБ № 2900
Изд. № СТР—366. Сдано в набор 11.02.82. Подп, в печать 01.06.82. Т-12302.
Формат 60X90Vie. Бум. тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать
высокая. Объем 21 уел. п. л. 21,12 уел. кр.-отт. 22,40 уч. изд. л.
Тираж 20 000 экз. Зак. № 125. Цена 90 коп.
Издательство «Высшая школа», Москва, К-51, Неглинная ул., д. 29/14
Московская типография № 8 Союзполиграфпрома при Государственном
комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торгов¬
ли, Хохловский пер., 7.