Мал. 3. Основні види робочих органів машин для земляних робіт: а - зуб розпушувача; б…ж - екскаваторні ковші прямої і зворотної лопат, драглайна, навантажувача, грейфера, планувальника; з - ківш скрепера; і - відвал бульдозера
По ступеню рухливості машини для земляних робіт відносяться переважно до пересувних самохідних або причіпних, за винятком деяких видів устаткування для ущільнення ґрунтів, буріння свердловин під вибух, устаткування гідромеханізації, а також деяких машин і устаткування для роботи в особливих умовах. Ці машини тривалий час працюють на одному будівельному майданчику, вони не мають власних ходових пристроїв і по цих ознаках відносяться до напівстаціонарних. По інших ознаках на машини для земляних робіт розповсюджуються положення, приведені раніше в загальній класифікації будівельних машин.
Землерийні робочі органи і їх взаємодія з ґрунтом
Робочі органи, за допомогою яких ґрунт відділяється від масиву (зуби ковшів, бульдозерних відвалів, розпушувачів - мал. 3, а), називають землерийними. В конструкціях землерийних і землерийно-транспортних машин, робочий процес яких складається з послідовно виконуваних операцій відділення грунту від масиву, його переміщення і відсипання, землерийні робочі органи суміщають з транспортуючими - ковшами (екскаватори, скрепери) або відвалами (бульдозери, грейдери), називаючи перші ковшовими, а другі - відвальними. Ковшовий робочий орган є місткістю з ріжучою кромкою, оснащеною зубами (мал. 3, б…г, е) або без них (мал. 3, д, же, з). Ковші з ріжучими кромками без зубів частіше застосовують для розробки малозв'язких пісків і супісків, а ковши із зубами - в основному для розробки суглинків, глин і міцних скельних ґрунтів.
Мал. 4. Параметри ріжучого клина
В режимі розробки грунту ківш переміщається так, що його ріжуча кромка або зуби упроваджуються в ґрунт, відділяючи його від масиву. Розпушений ґрунт поступає в ківш для подальшого переміщення в ньому до місця розвантаження. Відвальні робочі органи обладнають в нижній частині ножами (мал. 3, і), в цьому випадку їх називають ножовими. Для руйнування більш міцних ґрунтів на ножі додатково встановлюють зуби. Робочий процес відвального робочого органу аналогічний описаному вище. Ріжуча частина землерийного робочого органу має форму загостреного клина (мал. 4), обмеженого передньою 1 і задньої 3 гранями. Лінію перетину цих граней 2 називають ріжучою кромкою. Параметрами ріжучого клина служать: кут загострення v, кут різання 6 і задній кут 8. Кути 6 і 8 утворюються нахилом відповідно передній і задній граней до напряму руху ріжучого клина. Упроваджуючись в ґрунт, ріжучий клин відділяє його частину, звану стружкою. Форма і розміри останньої залежать від виду грунту, що розробляється (мал. 5, а…в). Після проходки ріжучого клина в ґрунті утворюється виїмка з трапецеїдальним поперечним перетином, що розширяється догори (мал. 5, г). Ґрунт відділяється від масиву по граничних поверхнях виїмки шляхом зсуву по частині периметра BCDE і відривом по поверхнях АВ і EF. Співвідношення розмірів поперечного перетину виїмки різні для різних ґрунтів: зв'язним ґрунтам, що сколюються, відповідають великі, а пластичним ґрунтам - менші розширення ґрунтового прорізу в її верхній частині.
Експериментально встановлено, що для одних і тих же ґрунтів при певній ширині ріжучої кромки b із збільшенням товщини зрізу з докладені до робочого органу зусилля ростуть повільніше за площу поперечного перетину виїмки. Така закономірність, що характеризується зниженням енергоємності даного процесу при збільшенні товщини зрізу, спостерігається до певної межі, званої критичною глибиною різання. При подальшому збільшенні товщини зрізу енергоємність процесу зростає. При цьому змінюється в основному глибина центральної частини прорізу (штрихова лінія на мал. 5, г), а розмір по верхній частині практично залишається незмінним. Отже, для зниження енергоємності розробки грунту товщину зрізу необхідно підтримувати на рівні її критичного значення. Цього добиваються як при експлуатації машин шляхом управління робочими рухами, так і при створенні машин підбором відповідної ширини ріжучої кромки землерийного робочого органу.
Мал. 5. Характерні форми ґрунтових стружок при розробці пластичних (а), сипких (б) і сколюються (в) ґрунтів і поперечний перетин прорізу в ґрунті після проходки ріжучого клина (г)
Мал. 6. Поперечні перетини ґрунтових прорізів при пошаровій розробці ґрунтів з тим, що розташовує ріжучих робочих органів (зубів) по гребенях (а) і западинах (би), утворених після попередньої проходки.
Звичайно ґрунти розробляють пошарово, знімаючи подальший шар після попередньої проходки робочого органу або серії таких проходок. Перед зняттям чергового шару, окрім першого, належна розробці поверхня грунту є чергуючими гребенями і западинами, утвореними в результаті попередніх проходок (мал. 6). При подальшій розробці грунту по гребенях (мал. 6, а) затрачується менше енергії, ніж при розробці по западинах (мал. 6, б) унаслідок того, що в другому випадку долаються в основному опори зсуву грунту, які по питомих значеннях (на одиницю площі поверхні, по якій відбувається відділення грунту) значно перевершують опори відриву грунту, характерні для першого випадку. Перша схема також переважна за сумарною площею поперечного перетину відокремленого від масиву грунту, а отже, вона забезпечує більш високу продуктивність. Результати цього аналізу широко використовуються в практиці розробки ґрунтів, а також при проектуванні робочих органів багатоковшових екскаваторів, де ріжучі елементи розташовуються в певному порядку, що забезпечує мінімум енергоємності землерийного процесу.
Для підвищення зносостійкості ріжучих робочих органів передню грань зміцнюють твердим сплавом у вигляді наплавлень зносостійкими електродами або напайок з металокерамічних твердосплавних пластин. Останні більш ефективні в порівнянні з наплавленнями. Вони володіють високою твердістю (дещо вищий твердості оксиду кремнію, що міститься в піщаних ґрунтах), але схильні крихкому руйнуванню при зустрічі з валунами.
По суті, питомим опором грунту копанню визначається трудність його розробки. По цьому критерію, а також по середній густині в щільному стані ґрунти ділять на групи, що використовуються для визначення норм вироблення при механізованих земляних роботах. Згідно цієї класифікації одні і ті ж ґрунти можуть бути віднесені до різних груп залежно від того, якими машинами вони розробляються. Це утрудняє порівняльну оцінку землерийних машин, що реалізовують різні способи розробки ґрунтів, у зв'язку з чим при проектуванні і випробуваннях вказаних машин користуються науково обґрунтованою класифікацією немерзлих землистих ґрунтів по методу проф. А.Н. Зеленіна, в основу якої встановлена опірність ґрунтів упровадженню в них плоского штампу - стрижня.
Як наголошувалося вище, землерийні робочі органи звичайно об'єднують з транспортуючими ковшовими або відвальними органами, конструкція, форма і розміри яких повинні задовольняти вимогам землерийного процесу. Основним параметром ковша є його місткість, яка повинна бути достатньою для накопичення в ньому грунту, відритого за один робочий цикл. Розраховувавши місткість ковша, враховують, що при розпушуванні ґрунт збільшується в об'ємі. Це збільшення характеризується коефіцієнтом розпушування, рівним відношенню об'ємів грунту певної маси після і до розпушування. Ту ж здатність накопичувати ґрунт перед відвальним робочим органом оцінюють завдовжки і заввишки останнього, а також розмірами бічних щок і открилків. При розрахунку цих розмірів окрім розпушування грунту враховують його здатність зберігати стійке положення в природному укосі, що характеризується або крутизною укосу, рівною відношенню його заставляння до висоти, або кутом природного укосу по відношенню до горизонту, який змінюється для сухих ґрунтів від 25° (для дрібних пісків) до 50° (для суглинків). З підвищенням вогкості цей коефіцієнт зменшується в більшій мірі для зв'язних глинистих, рослинних і торф'янистих ґрунтів, складаючи 14…15° в їх мокрому стані в меншій мірі для малозв'язних пісків, суглинків і гравію - 20…35°.
Велика частина ґрунтів, особливо вологих, володіє здатністю прилипати до робочих поверхонь землерийних і транспортуючих робочих органів. При розвантаженні частина грунту залишається на внутрішніх поверхнях робочого органу, унаслідок чого зменшується його місткість, підвищуються опори переміщенню грунту по робочому органу, знижується продуктивність землерийної машини. Цю властивість ґрунтів враховують при конструюванні і виготовленні землерийних робочих органів, надаючи їм відповідні форми, а також обладнавши їх спеціальними очисними пристроями. В процесі експлуатації землерийних машин їх робочі органи періодично очищають зовнішніми засобами, крім того, здійснюють газову і рідинну мастила робочих поверхонь землерийних органів, їх облицьовування полімерами і ін. Проте широкого промислового вживання останні три способи поки не одержали через їх дорожнечу і складну технологію виробництва.
Описана вище взаємодія землерийних робочих органів з ґрунтом справедлива головним чином для ґрунтів немерзлого стану. При замерзанні властивості ґрунтів змінюються перш за все через цементуючий вплив замерзлої води, що знаходиться в їх порах, підвищуються їх міцність, абразив, зв'язність. Розробка таких ґрунтів традиційними способами стає малоефективною.
Екскаватори
Екскаватором називають землерийну машину, що виконує операції по відділенню грунту від масиву і переміщенню його у відвал або транспортні засоби в межах зони досяжності робочого устаткування. Екскаватори обладнають одним або декількома ковшами. В першому випадку їх називають одноковшевими, в другому - багатоковшевими.
Одноківшові екскаватори. Робочий процес одноківшового екскаватора (екскавація) складається з послідовно виконуваних операцій: відділення грунту від масиву, заповнення ним ковша, транспортування грунту в ковші до місця розвантаження, розвантаження грунту з ковша, повернення останнього в забій на вихідну позицію. Сукупність цих операцій складає робочий цикл екскаватора, в результаті виконання якого видається одна порція продукції в об'ємі розвантаженого з ковша грунту. По цій ознаці відповідно до прийнятої раніше класифікації будівельних машин одноковшові екскаватори відносять до машин циклічної дії.
За призначенням одноковшові екскаватори ділять на будівельні - для виконання земляних робіт, вантаження і розвантаження сипких матеріалів; будівельно-кар'єрні - для виконання робіт за призначенням будівельних екскаваторів, а також для розробки кар'єрів будівельних матеріалів і видобутку корисних копалин відкритим способом; кар'єрні - для роботи в кар'єрах; вскришні - для зняття верхнього шару грунту або гірської породи перед кар'єрною розробкою; тунельні і шахтні - для роботи під землею при будівництві підземних споруд і розробці корисних копалин.
Одноковшові екскаватори можуть розробляти ґрунти вище 8 (мал. 6) і нижче за 9 рівень своєї стоянки відповідно робочим устаткуванням прямої і зворотної лопат. Для збільшення робочої зони, наприклад, при розробці котлованів великих розмірів, на вантажних і розвантажувальних, а також на вскришних роботах на екскаватори встановлюють робоче устаткування драглайна 12. Для уривки глибоких котлованів, ям, колодязів використовують робоче устаткування грейфера 10, для планувальних робіт - спеціальне планувальне устаткування // і т. п. На екскаватори може бути встановлене також кран, сваєбійне і інше змінне робоче устаткування - всього більше 40 видів. Одноковшовий екскаватор може мати тільки один вид робочого устаткування або комплектуватися його змінними видами, встановлюваними на машину залежно від виконуваних робіт. В першому випадку екскаватори називають спеціальними, а в другому - універсальними. До останніх відноситься більшість будівельних екскаваторів. В нашій країні більше 90% одноковшових екскаваторів, що випускаються, є універсальними. Що використовуються на масових розробках гірських порід відкритим способом спеціальні кар'єрні екскаватори мають тільки один вид робочого устаткування - пряму лопату.
Мал. 6. Базова частина одноковшового екскаватора і основні види робочого устаткування
Вскришні екскаватори мають однакову з кар'єрними машинами базу і відрізняються від останніх головним чином розмірами робочого устаткування - ковшом більшої місткості, збільшеним його вильотом - відстанню від осі обертання екскаватора до центру мас ковша. Це дозволяє більш повно використовувати енергетичні параметри силової установки, надійнісний ресурс машини і інші характеристики з метою отримання найбільшої продуктивності на розробці вскришних ґрунтів, менш міцних в порівнянні із залягаючою під ними гірською породою. Для роботи в кар'єрах широко застосовують могутні крокуючі драглайни, які використовують як на вантаженні висадженої породи, так і на вскришних роботах. Кар'єрні і вскришні екскаватори, а також крокуючі драглайні відносяться до гірських машин. Проте їх широко використовують на будівництві крупних земляних споруд, наприклад дамб, гребель, водосховищ, каналів і т. п.
Одноковшові екскаватори розрізняють по виконанню робочого устаткування, елементи якого можуть бути сполучені між собою і з базою машини шарнірами і канатами або мати жорсткі шарнірні зчленовування. Останні властиві гідравлічним екскаваторам. Жорстке зчленовування дозволяє більш повно використовувати масу екскаватора для реалізації великих зусиль на зубах ковша, завдяки чому представляється можливим розробляти ґрунти з підвищеними площами поперечних перетинів зрізів; що істотно підвищує продуктивність цих машин.
Гідравлічний привід одноковшових екскаваторів забезпечує робочому устаткуванню велику маневреність, дозволяє вибирати більш раціональні робочі рухи. Завдяки істотним перевагам перед канатними машинами гідравлічні екскаватори в загальному об'ємі виробництва одноковшових екскаваторів в нашій країні складають більше 80%. В окрему групу по даній ознаці виділяють екскаватори з телескопічним устаткуванням, вживаним в конструкціях екскаваторів-планувальників 11 (див. мал. 6), за допомогою яких виконують планувальні, зачистні і звичайні экскаваціонні роботи.
Одноковшові екскаватори виготовляють як самохідні машини, здатні пересуватися в межах будівельного майданчика, а також при зміні будівельного об'єкту. Для пересування по ґрунтах із зниженою несучою здатністю застосовують гусеничні ходові пристрої із збільшеною опорною поверхнею. При частій зміні будівельних об'єктів для додання екскаваторам більшої мобільності їх обладнали пневмоколісні ходовими пристроями, використовуючи для цього також автомобільну або тракторну базу, або спеціальні шасі автомобільного типу. Кар'єрні і вскришні екскаватори обладнали, як правило, гусеничними ходовими пристроями, а могутні драглайни - крокуючим ходом з розвиненою поверхнею опорної рами, що дозволяє понизити питомий тиск машини на ґрунт до допустимих значень.
По можливості обертання поворотної частини розрізняють повноповоротні (з необмеженими кутовими переміщеннями) і иеповноповоротні (з обмеженими кутовими переміщеннями) екскаватори. Неповноповоротними виготовляють лише екскаватори на базі пневмоколісних тракторів, всю решту одноковшових екскаваторів виготовляють повноповоротними.
По числу «встановлених двигунів розрізняють одно- і багатомоторні екскаватори. До одномоторних відносять також екскаватори з декількома двигунами, що працюють на один вал. Одноковшові будівельні екскаватори обладнають переважно одномоторною силовою установкою з механічним, гідромеханічним або гідравлічним приводом. Лише окремі моделі екскаваторів з канатною підвіскою робочого устаткування мають багатомоторний привід. Кар'єрні і вскришні екскаватори, а також крокуючі драглайни обладнали багатомоторним електроприводом постійного струму з живленням від мережі високої напруги.
Головним параметром одноковшового екскаватора є місткість ковша, яка спільно з тривалістю робочого циклу визначає продуктивність екскаватора. Кожній місткості будівельного універсального екскаватора відповідає певна розмірна група:
Розмірна група 1 2 3 4 5 6 7 8
Місткість ковша, м3 0,15 0,25 0,4 0,65 1,0 1,6 2,5 4,0
Для інших типів екскаваторів така відповідність не регламентована. Згідно Госту на гідравлічних екскаваторах встановлюють ковші більше або менше приведених вмістимостей.
Пряма лопата. Як вже наголошувалося раніше, робоче устаткування прямої лопати застосовують для екскавації ґрунтів вище за рівень стоянки екскаватора. Будівельні екскаватори з цим видом робочого устаткування мають ковши місткістю до 3,2 м - з канатною і до 1,6 м3 - з гідравлічною підвіскою, а кар'єрні і вскришні екскаватори - до 20 м3.
Робоче устаткування екскаватора включає стрілу, рукоять і ківш з суцільною ріжучою кромкою у верхній частині його лобової стінки або оснащеної зубами. У канатних екскаваторів (мал. 7, а) стріла 13 своєю нижньою частиною (п'ятою) сполучена циліндровим шарніром з поворотною платформою 1 в її передній частині, а верхньою головною частиною вона підвішена канатом 4 стрілопідйомної лебідки 2 до двоногої стійки 3. За допомогою цієї лебідки змінюють кут нахилу стріли до площини опорної поверхні екскаватора в інтервалі 45…60°. Рукоять 10 із закріпленим на ній ковшом 7 спирається на стрілу через пристрій 11, зване сідловим підшипником і дозволяючи їй змінювати свій виліт, а також повертатися щодо стріли в одній з нею площині. Рукояті бувають однобалочними (мал. 7, б) при двохбалочній стрілі і двух-балочными (мал. 7, в) при однобалочній стрілі. Ківш є прямокутною в плані місткістю, що злегка розширяється донизу, з днищем, що відкривається, 8 (см: мал. 7, а), яке фіксують в закритому положенні підпружиненим засувом, встановленим внизу лобової стінки ковша. Задньою частиною через проушини ківш кріплять до рукояті, а його нахил до останньої регулюють тягою 9, переставляючи їх з середнього положення в отвори на рукояті ближче до ковша при роботі в щільних ґрунтах або далі від ковша при роботі в легких ґрунтах і в низьких забоях, відповідно зменшуючи або збільшуючи кут різання. Через зрівняльний блок 18 (мал. 7, б'ючи), встановлений на задній стінці ковша (мал. 7, би) або на коромислі 24 (мал. 7, е), ківш підвішують до поліспасту 6 підйомної лебідки 12.
Робочі рухи канатних одноковшових екскаваторів в режимі екскавації грунту забезпечуються механізмами підйому ковша, натиску, повороту і відкриття днища ковша. Для вироблення вимог, що пред'являються до цих механізмів, розглянемо робочий процес екскаватора.
Мал. 7. Одноковшовий екскаватор з робітником устаткуванням прямої лопати: а - конструктивна схема; б, в-схеми напірних механізмів; г - кинематическая схема механізму відкриття днища ковша; д - схема екскаватора з маятниковою підвіскою рукояті до стріли
