Портал о строительстве и ремонтных работах

Архивы за 06.10.2014

7.1. Общая характеристика рабочего процесса.

Классификация и рабочие органы машин для земляных работ

Земляные работы являются составной частью строительства боль­шинства инженерных сооружений. Они включают в себя: отрывку кот­лованов, траншей и мелиоративных каналов; возведение насыпей, пло­тин; устройство закрытых проходок в грунте в виде шахт и туннелей под различные подземные сооружения; бурение горизонтальных, наклон­ных и вертикальных скважин при бестраншейной прокладке трубопро­водов под насыпями железных и шоссейных дорог, для установки свай­ных опор в плотных грунтах, для закладки зарядов взрывчатых веществ при разработке грунтов взрывом и т. п.

По характеру рабочего процесса, составу операций и последова­тельности их выполнения земляные сооружения делят на выемки и насыпи. Выемка образуется в результате удаления излишков грунта за ее пределы, а насыпь — путем отсыпки грунта, внесенного извне, с его послойным уплотнением. Последняя операция обусловлена необходи­мостью восстановления плотного состояния грунта в насыпи, которое было им утрачено при отделении от массива вследствие разрыхления. Удаленный из выемок грунт укладывают в отвалы, а для отсыпки насы­пей его доставляют из карьеров или резервов, расположенных вблизи сооружаемой насыпи. Если выемки чередуются с насыпями, как, напри­мер, в дорожном строительстве, то извлекаемый из выемок грунт обыч­но используют для отсыпки насыпей. Для каждой из перечисленных технологических схем производства земляных работ — выемка-отвал, резерв-насыпь — характерны операции отделения грунта от массива, его перемещения и отсыпки. При возведении насыпей добавляется опе­рация уплотнения грунта, а общей для насыпей и выемок является пла­нировочная операция, которой эти инженерные сооружения доводятся до проектных размеров. При планировке срезаются выступы и засыпа­ются впадины подобно разработке резервов и отсыпке насыпей, но только в размерах микрорельефа планируемой поверхности. Ту же структуру рабочего процесса имеет разработка карьеров строитель­ных материалов (песка, гравия и т. п.), а также добыча полезных иско­паемых открытым способом. Отличие заключается в том, что ни выем­ка (забой), ни отвал не являются инженерными сооружениями, а плани­ровку дна карьера (подошвы забоя) выполняют лишь для удобства пе­

редвижения по нему машин и подготовки устойчивого основания для их работы.

Отделение грунта от массива — разрушение — является основной операцией процесса его разработки. Наибольшее распространение в строительстве (около 85 % от общего объема земляных работ) получил механический способ разрушения грунтов, при котором грунт отделяет­ся от массива вследствие контактного силового воздействия на него зем­леройного рабочего органа. Энергоемкость этого способа составляет 0,05­0,6 кВт. ч/м3. Прочные грунты и горные породы разрушают взрывом с использованием взрывчатых веществ, которым закладывают в специ­ально пробуренные скважины. Этот способ наиболее дорогой, но позволя­ет существенно сократить сроки производства работ. Около 12% грун­тов разрабатывают гидромеханическим способом путем отделения грунта от массива струей воды под высоким давлением или в сочетании с механическим способом. Энергоемкость процесса составляет 0,15-2 кВт. ч/м3.

Рабочие органы машин, предназначенные только для отделения грунта от массива механическим способом, используют лишь в случае разработки весьма прочных грунтов на стадии их предварительного разрыхления. Большей частью рабочие органы также перемещают и отсыпают грунт в отвалы, насыпи или транспортные средства, выпол­няя эти операции после отделения грунта от массива и его захвата или совмещая полностью или частично перечисленные операции во време­ни. Грунт может перемещаться к месту отсыпки только за счет движе­ний рабочего органа или за счет перемещения всей машины. В конст­рукциях землеройных машин непрерывного действия завершающую стадию транспортирования грунта выполняет специальный транспор­тирующий орган, например типа ленточного конвейера. Отсыпают грунт путем освобождения от него рабочего или транспортирующего органа в конце транспортной операции. В случае гидромеханической разра­ботки грунт переносится к месту намыва в потоке воды, а при взрыв­ном способе отбрасывается в стороны расширяющимися газами, обра­зующимися вследствие взрыва. Грубую планировку земляных по­верхностей выполняют теми же землеройными рабочими органами путем более четкой координации их движения, а для точной планировки при­меняют специальные рабочие органы или машины. Уплотнение грунта заключается в компактной укладке его частиц, вследствие чего умень­шается объем грунта и увеличивается его плотность. Для этого приме­няют специальные машины и оборудование. Частично грунт может
уплотняться также перемещающимися по его поверхности транспорт­ными средствами.

В общем комплексе работ на строительном объекте земляные ра­боты чаще всего выполняют раньше других. В этом случае им предше­ствует подготовка строительной площадки: удаление камней, срезка кус­тарника, корчевка пней, планировка и засыпка ям и т. п. Большую часть этих работ выполняют землеройными машинами, оборудованными спе­циальными рабочими органами. В связи с этим машины для подгото­вительных работ рассматривают вместе с машинами для земляных ра­бот. К подготовительным работам также относят предшествующее раз­работке рыхление прочных и мерзлых грунтов.

Машины для земляных работ классифицируют по назначению, ре­жиму работы, степени подвижности и другим признакам. Классифика­ция по назначению условна, поскольку приводы, ходовые устройства и другие структурные элементы современных машин позволяют исполь­зовать одну и ту же их базовую часть для работы с различными видами сменного рабочего оборудования, нередко различного по назначению. Универсальность машин существенно расширяет область их примене­ния, способствует их лучшему использованию по времени, особенно в условиях небольших объемов однотипных работ, выполняемых строи­тельной организацией, более эффективной организации технического обслуживания. Универсальные машины классифицируют по основным видам выполняемых ими работ, определяемым по технико-эксплуатаци­онным, экономическим и другим соображениям. Различают землерой­ные машины для отрывки и перемещения грунта в пределах зоны дося­гаемости рабочего оборудования (одно- и многоковшовые экскаваторы), землеройно-транспортные машины для послойной разработки грунта и перемещения его на большие расстояния (бульдозеры, скреперы, грейде­ры, грейдер-элеваторы), машины для подготовительных работ, машины и оборудование для уплотнения грунтов, для бурения скважин, в том числе в прочных и мерзлых грунтах при их разрушении взрывом, оборудова­ние для гидромеханической разработки, а также машины и оборудование для разработки грунта в особых условиях. Машины для планировочных работ относятся к группе землеройно-транспортных машин и частично к экскаваторам (экскаваторы-планировщики).

По режиму работы рассматриваемые машины бывают цикличного и непрерывного действия. К последним относятся многоковшовые экс­каваторы, некоторые виды землеройно-транспортных машин, оборудова­ние для гидромеханической разработки грунтов, а также некоторые виды

машин для работы и особых условиях. Остальные машины работают в цикличном режиме, выполняя операции рабочего цикла последовательно или с их частичным совмещением во времени.

Рис. 7.1. Основные виды рабочих органов машин для земляных работ: а — зуб рыхлителя; б, в, г, д, ж — экскаваторные ковши прямой и обратной лопат, драглайна, погрузчика, грейфера, планировщика; з — ковш скрепера; и — отвал бульдозера.

По степени подвижности машины для земляных работ относятся большей частью к передвижным самоходным или прицепным, за исклю­чением некоторых видов оборудования для уплотнения грунтов, бурения скважин под взрыв, оборудования гидромеханизации, а также некоторых машин и оборудования для работы в особых условиях. Эти машины длительное время работают на одной строительной площадке, они не имеют собственных ходовых устройств и по этим признакам относятся к полустационарным. По другим признакам на машины для земляных работ распространяются положения, приведенные ранее в общей клас­сификации строительных машин.

Рабочие органы, с помощью которых грунт отделяется от массива (зубья ковшей, бульдозерных отвалов, рыхлителей — рис. 7.1), называют землеройными. В конструкциях землеройных и землеройно-транспорт­ных машин, рабочий процесс которых состоит из последовательно вы­полняемых операций отделения грунты от массива, его перемещения и отсыпки, землеройные рабочие органы совмещают с транспортирующи­ми — ковшами (экскаваторы, скреперы) или отвалами (бульдозеры, грей­деры), называя первые ковшовыми, а вторые — отвальными. Ковшовый рабочий орган представляет собой емкость с режущей кромкой, осна­щенной зубьями (рис. 7.1, б—г, е) или без них (рис. 7.1, д, ж, з). Ковши с режущими кромками без зубьев чаще применяют для разработки мало­связных песков и супесей, а ковши с зубьями — в основном для разра­ботки суглинков, глин и прочных скальных грунтов. В режиме разработ­ки грунта ковш перемещается так, что его режущая кромка или зубья внедряются в грунт, отделяя его от массива. Разрыхленный грунт по­ступает в ковш для последующего перемещения в нем к месту разгрузки. Отвальные рабочие органы оборудуют в нижней части ножами (рис. 7.1, и), в этом случае их называют ножевыми. Для разрушения более прочных грунтов на ножи дополнительно устанавливают зубья. Рабочий процесс отвального рабочего органа аналогичен описанному выше.

Погрузочно-разгрузочные машины в строительстве применяют для погрузки штучных и сыпучих грузов, выгрузки их из транспортных средств, а также для перемещения и складирования в пределах строительной площадки. Они представляют собой преимущественно самоходные колес­ные или гусеничные подъемно-транспортные машины.

По принципу выполнения рабочих операций погрузочно-разгрузоч­ные машины делят на машины цикличного и непрерывного действия. Первые являются универсальными и могут применяться в различных условиях благодаря наличию многих видов рабочего оборудования; вто­рые применяют на объектах с большим объемом работ по погрузке, пе­ремещению и выгрузке сыпучих строительных материалов, а также там, где рабочий процесс должен быть непрерывным.

В зависимости от назначения погрузочно-разгрузочные машины разделяют на погрузчики для штучных грузов — автопогрузчики и для сыпучих грузов — одно — и многоковшовые погрузчики.

Для выгрузки материалов из железнодорожного подвижного со­става используют разгрузчики узкоспециального назначения различных

конструкций, например, со скребковым, бурофрезерным, всасывающим ра­бочими органами. Устройство и принцип работы пневматического разгруз­чика цемента были рассмотрены в п. 6.5.

Автопогрузчики. Основным видом рабочего оборудования авто­погрузчиков является вилочный захват, который подводят под груз или штабель из отдельных мелких грузов, установленный на подставках. С помощью вилочных погрузчиков перегружают и транспортируют штуч­ные железобетонные изделия, поддоны с кирпичом, оборудование, длин­номерные пиломатериалы, профильный металл.

Вилочные автопогрузчики изготовляют на базе автомобильных уз­лов (мостов, коробок передач, рулевого управления, тормозных устройств и др.) с двигателями внутреннего сгорания или с электродвигателями, работающими от аккумулятора. Все агрегаты (рис. 6.30, а) монтируются на ходовой раме, которая опирается на передний 12 и задний 11 мосты погрузчика. В отличие от обычного автомобиля у вилочных погрузчиков двигатель и управляемые колеса располагаются сзади, а ведущий мост со сдвоенными пневмоколесами — спереди. Это обусловлено тем, что передняя часть погрузчика воспринимает нагрузку от рабочего оборудования и груза. Ходовое оборудование погрузчиков приспособлено для работы на площадках с твердым покрытием. Заднее расположение управляемых колес создает погрузчику хорошую маневренность.

Подъемная часть погрузчика — грузоподъемник (рис. 6.30, б) состо­ит из шарнирно укрепленной на раме погрузчика основной вертикаль­ной рамы 2, выдвижной внутренней рамы 4 и грузовой каретки 8 с вилочным захватом 5. Для надежного захвата груза основная рама подъем­ника может отклоняться вперед от вертикальной плоскости на угол 3-4°, а для обеспечения устойчивости в транспортном положении — на 12-15° назад, что осуществляется с помощью двух гидравлических ци­линдров. Выдвижная рама перемещается по направляющим основной рамы гидравлическим цилиндром 1. Корпус гидроцилиндра опирается на нижнюю поперечину основной рамы, а поршень 3 и шток 10 шарнир­но связаны с верхней балкой выдвижной рамы 6. Одновременно по направляющим рамы перемещается грузовая каретка с помощью обрат­ного цепного полиспаста. Последний образован двумя пластинчатыми цепями 9, перекинутыми через звездочки 7, установленными на верхней балке подвижной рамы 6. Концы цепей закреплены на основной раме и на грузовой каретке. Благодаря этому грузовая каретка движется с удво­енной скоростью и проходит путь в два раза больший, чем ход выдвиже­ния штока гидроцилиндра.

Рис. 6.30. Вилочный автопогрузчик: 1 — гидроцилиндр; 2 — верти­кальная рама; 3 ~ поршень; 4 — внутренняя рама; 5 — вилочный захват; 6 — выдвижная рама; 7 — звездочка; 8 ~ грузовая каретка; 9 — цепь; 10 — шток; 11 — задний мост; 12 — передний мост.

Поступательное движение штоков гидроцилиндров рабочего обо­рудования вилочного автопогрузчика создается давлением жидкости насосов, приводимых во вращение двигателем автопогрузчика. Для умень­шения усилий управлении в систему управляемых колес подключен специальный гидроусилитель рулевого управления. Для привода гидро­усилителя рулевого управления установлен насос. Управление гидро­усилителем сблокировано с рулевой колонкой и осуществляется автома­тически.

Вилочные погрузчики выпускаются грузоподъемностью 3-5 т с высотой подъема груза до 6 м и скоростью перемещения с грузом до 20 и без груза до 40 км/ч. Автопогрузчики оборудуются различным съем­ным рабочим оборудованием: грейфером (схватом) для бревен, ковшом для сыпучих грузов, крановой стрелой и другими приспособлениями, рас­ширяющими область их применения. Так, для работы с длинномерными
грузами, с которыми обычный погрузчик не приспособлен работать, при­меняют автопогрузчики с боковым расположением грузоподъемника. Грузоподъемник поворачивается относительно продольной оси, а длинно­мерный груз вилочным захватом укладывается на боковые кронштейны вдоль машин и в таком положении транспортируется в узких проходах складов.

Одноковшовые погрузчики. Основным рабочим органом одно­ковшового погрузчика является ковш, используемый для разработки, по­грузки и перемещения сыпучих мелкокусковых материалов и грунтов I и II категорий. Главным параметром одноковшовых погрузчиков явля­ется грузоподъемность. По грузоподъемности их разделяют на малогаба­ритные (до 0,5 т), легкие (0,6-2,0 т), средние (2,0-4,0 т), тяжелые (4,0- 10 т) и большегрузные (более 10 т).

В зависимости от ходового оборудования погрузчики могут быть гусе­ничными и пневмоколесными. Гусеничные погрузчики имеют высокую про­ходимость и развивают большее напорное усилие, пневмоколесные — боль­шую маневренность и высокие транспортные скорости. В качестве базовых машин для погрузчиков применяют специальные пневмоколесные шасси, гусеничные и колесные промышленные тракторы погрузочных модифика­ций или тракторы общего назначения. Специальные пневмоколесные шас­си состоят из двух шарнирно соединенных между собой полурам. Шарнир­ное сочленение полурам позволяет осуществить погрузку-разгрузку с ми­нимальным маневрированием за счет взаимного поворота полурам на угол до 40° в плане в обе стороны от продольной оси машины.

Погрузочные модификации тракторов промышленного типа изго­товляют с учетом установки на них погрузочного оборудования и рабо­ты с ним. Его располагают на базовой машине спереди или сзади отно­сительно двигателя. Силовые передачи гусеничных и колесных тягачей, а также специальных шасси выполняют гидромеханическими с трехско­ростной коробкой перемены передач (три скорости вперед и три одина­ковые скорости назад). Такая передача приспособлена для частого ре­версирования движений при автоматическом переключении передач и наиболее полно отвечает рабочему режиму одноковшовых погрузчиков.

По способу разгрузки рабочего органа различают погрузчики: с передней разгрузкой (фронтальные погрузчики), с боковой разгрузкой (полуповоротные), с задней разгрузкой (перекидной тип погрузчика). Наиболее распространены в строительстве фронтальные и полупово­ротные погрузчики на пневмоколесном и гусеничном ходу с объемным гидроприводом погрузочного оборудования.

Рис. 6.31. Одноковшовый фронтальный погрузчик: а — схема конструкции; б — кинематическая схема погрузочного оборудова­ния; 1 — ковш; 2 — повортные тяги; 3 — коромысла; 4 — стрела; 5 — гидроцилиндр ковша; 6 — портальная рама; 7 — гидроцилиндры стрелы.

Фронтальные погрузчики. Они обеспечивают разгрузку ковша со стороны разработки материала. Погрузочное оборудование шарнир­но крепится к портальной раме 6, жестко установленной на основной раме базовой машины (рис. 6.31). Оно состоит из рабочего органа, стре­лы, рычажного механизма и гидроцилиндров двустороннего действия, рабочий орган погрузчика — ковш /, установлен на стреле 4 и управляет­ся рычажным механизмом, состоящим из двух пар коромысел 3 и пово­ротных тяг 2, приводимых в движение двумя гидроцилиндрами 5 поворо­та ковша. Подъем и опускание стрелы осуществляются двумя гидроци­линдрами 7. Гидравлический привод рабочего оборудования позволяет плавно изменять скорости в широких пределах и надежно предохранять его от перегрузок.

Рабочий процесс фронтального погрузчика, оборудованного ковшом, состоит из следующих операций: перемещение погрузчика к месту набора материала с одновременным опусканием ковша, внедрение ковша в мате­риал напорным усилием машины, подъем ковша со стрелой, транспортировка материала к месту разгрузки и разгрузка ковша опрокидыванием.

Полуповоротные погрузчики (рис. 6.32). В отличие от фрон­тальных эти машины обеспечивают разгрузку ковша и сменных рабочих органов впереди и на обе стороны на угол до 90° от продольной оси. Это сокращает время на развороты и позволяет использовать их для работы в стесненных условиях.

Рис. 6.32. Полуповоротный одноковшовый погрузчик: а — схема конст­рукции; б — кинематическая схема механизма вращения платформы.

Конструктивно полуповоротные погрузчики отличаются от фрон­тальных тем, что погрузочное оборудование монтируется на поворотной платформе 1, которая, в свою очередь, через опорно-поворотное устрой­ство 2 опирается на ходовую раму 3 базовой машины. Вращательное движение поворотная платформа получает с помощью двух горизонтально расположенных гидроцилиндров 4, штоки которых соединены между
собой пластинчатой цепью 5, огибающей звездочку 6 поворотной плат­формы. Кроме основного ковша одноковшовые погрузчики оснащаются многими видами сменного и навесного оборудования: ковшами увели­ченной и уменьшенной вместимости, грейферными двухчелюстными ков­шами, ковшами с боковой разгрузкой, поворотными захватами, использу­емыми для погрузки в транспортные средства и складирования штучных и длинномерных грузов, лесоматериалов, установки столбов и др. Неко­торые виды такого сменного и навесного оборудования представлены на рис. 6.33.

Техническая производительность одноковшовых погрузчиков (м3/ч) определяется с учетом физических свойств разрабатываемого материа­ла и условий работы. При работе с сыпучими материалами

я„, = 3600 *m> (6Л9)

‘чкр

где q ~ вместимость ковша, м3; кн — коэффициент наполнения ковша;

/ — время цикла, с; к — коэффициент разрыхления материала; km = 0,85-0,90 — коэффициент, учитывающий конкретные условия работы.

В общем случае время цикла складывается из времени наполнения ковша, перевода его в транспортное положение, времени груженого хода, времени разгрузки, времени, затрачиваемого на повороты и возвращение к месту работы.

При работе со штучными грузами техническая производительность (т/ч)

пт = 3600 7 К, (6.20)

где G — грузоподъемность погрузчика, т.

Рис. 6.33. Сменное и навесное оборудование одноковшовых погруз­чиков. Ковши: 1 — нормальный; 2 — увеличенный; 3 — уменьшен­ный; 4 — двухчелюстной; 5 — скелетный; 6-е боковой разгрузкой; 7-е увеличенной высотой разгрузки; 8-е принудительной разгрузкой. 9 — бульдозерный отвал; 10 — экскаватор; 11 — грей­фер; 12 — грузовые вилы; 13 — кран; 14 — челюстной захват; 15 — захват для столбов и свай; 16 — плужный снегоочиститель; 17 — роторный снегоочиститель; 18 — кусторез; 19 — корчеватель — собиратель; 20 — асфальтовзламыватель.

Техническая производительность является пределом возможности машины и не может быть превышена без изменения рабочих скоростей, мощности двигателя и т. п. Для достижения максимальной технической производительности необходимо анализировать условия работы и в том числе использовать оптимальную схему организации работ, соответствую­щие виды сменного рабочего оборудования (например, ковши повышен­ной или уменьшенной вместимости), способствующие максимальному использованию тягового усилия базового трактора или тягача. Благода­ря хорошей транспортирующей способности одноковшовые погрузчики успешно конкурируют с одноковшовыми экскаваторами, работающими в транспорт, и по некоторым технико-экономическим показателям

(производительности труда на одного человека в смену, стоимости едини­цы продукции, материалоемкости и энергоемкости работ) превосходят их. Мощность силовой установки современных одноковшовых погрузчиков достигает 900 кВт при вместимости основного ковша 10 м3.

Многоковшовые погрузчики относятся к машинам непрерывно­го действия. Их применяют для погрузки в транспортные средства сы­пучих и мелкокусковых материалов (песка, гравия, щебня, шлака, сколо­того льда и снега), а также для засыпки траншей грунтом. Многоковшо­вые погрузчики монтируют на самоходном гусеничном или пневмоко — лесном шасси, в конструкции которого используются детали и узлы тракторов и автомобилей.

По конструкции рабочего органа различают погрузчики шнекоков­шовые, роторные, дисковые и с подгребающими лапами. Шнекоковшовый рабочий орган имеет шнековый питатель и ковшовый элеватор для пода­чи материала на ленточный конвейер. Роторные погрузчики разрабаты­вают материал шаровыми или ковшовыми фрезами. В дисковых матери­ал подается двумя дисками, вращающимися во встречном направлении. Подгребающие лапы подают материал на конвейер благодаря специаль­ной кинематике движения. Главным параметром многоковшовых по­грузчиков является производительность. Их выпускают про­изводительностью 40, 80, 160, 250 м3/ч с высотой погрузки 2,4-4,2 м.

Рис. 6.34. Многоковшовый погрузчик со шнекоковшовым рабочим органом: 1 — пневмоколесное шасси; 2 — конвейер; 3 — ковшовый конвейер; 4 — питатель; 5 — отвал; 6 — гидроцилиндры.

Многоковшовый погрузчик с шнекоковшовым органом (рис. 6.34) состоит из следующих основных узлов: пневмоколесного шасси 1 с обе­ими ведущими осями, наклонного ковшового конвейера 3 с винтовым (шнековым) питателем 4, ленточного поворотного в плане и в верти­кальной плоскости конвейера 2.

Для лучшей подачи материала к питателю на раме ковшового кон­вейера установлен отвал 5. Ковшовый конвейер устанавливается в ра­бочее и транспортное положения с помощью двух гидроцилиндров 6. При поступательном движении погрузчика материал винтовым питате­лем подается в непрерывно вращающийся ковшовый конвейер и далее через приемное устройство и ленточный конвейер в транспорт. Пово­ротные движения ленточного конвейера позволяют изменять высоту за­грузки, а также загружать подвижной состав по обе стороны от про­дольной оси погрузчика. Поступательная скорость погрузчика выбирает­ся в зависимости от высоты штабеля материала и производительности. Все основные механизмы, кроме привода ковшового конвейера, приводят­ся в действие с помощью гидроцилиндров двустороннего действия, ра­ботающих от гидросистемы погрузчика.