Устройство машин для разработки мерзлых грунтов

Ежегодно в нашей стране разрабатывается около 1 млрд. м3 мерзлых грунтов, механическая прочность которых в 12—18 раз (достигает 180—220 кгс/см2, или 18—22 МПа), а изнашивающая способность (абразивность) в 100—150 раз выше, чем у талых грунтов. Производительность землеройных машин на разработке мерзлых грунтов резко снижается. Выбор эффективных способов разработки мерзлых грунтов обусловливается конкретными грунтовыми условиями, характером сооружаемого объекта и особенностями строительной площадки.

В современном строительстве разработку мерзлых грунтов ведут в основном двумя способами — взрывным и механическим. Взрывной (буро- и щелевзрывной) способ рыхления мерзлых грунтов применяется, как правило, при больших объемах работ на открытых, удаленных от сооружений площадках при глубине промерзания более 1 м. В последнее время взрывной способ находит применение в стесненных местах в условиях населенных пунктов. В этом случае используют локализаторы взрыва, не допускающие разлета кусков грунта и повреждения сооружений.

Наибольшее распространение получил механический способ разработки мерзлых грунтов специальными машинами, которые условно можно разделить на две группы: а) машины для подготовки мерзлых грунтов к последующей разработке землеройной техникой общего назначения; б) машины для непосредственной разработки мерзлых грунтов.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

В настоящее время такими машинами разрабатывают более 80% общего объема мерзлых грунтов. Машины первой группы представляют собой рыхлители на мощных тракторах, баровые, дисковые и дискофрезерные машины, сменное рыхлительное оборудование к экскаваторам с гибкой подвеской рабочего оборудования и т. д. Эти машины работают в комплексе с землеройной техникой, обеспечивающей окончательную разработку грунта до заданной отметки. Так, например, при рытье траншей в мерзлых грунтах применяют предварительное рыхление прочного верхнего слоя грунта тракторным рыхлителем с последующей разработкой забоя одноковшовым, или траншейным, экскаватором.

Ко второй группе машин относятся цепные и роторные траншейные экскаваторы, рабочие органы и скоростные режимы которых приспособлены для разработки мерзлых грунтов с промерзанием на всю глубину траншеи (например, экскаватор ЭТР254).

Для разрушения мерзлых грунтов с промерзанием на глубину до 0,5—0,7 м ударными /нагрузками применяют клин-молоты (рис. VI.45, а) массой 2000—3000 кг и более, подвешиваемые к подъемным канатам грузовых лебедок самоходных стреловых кранов и экскаваторов, оборудованных крановыми стрелами. Во время работы клин-молот подтягивается канатом к головке стрелы и сбрасывается с высоты 6—8 м.

Рис. 6.45. Конструкция рабочих органов машин ударного действия:
а —с ненаправленными ударами; б — то же, с направленными; в — с забиваемым клином; 1 — стрела; 2 — подъемный канат; 3 — падающий рабочий орган; 4 — направляющая рама; 5 — падающий груз; 6 — забиваемый рабочий орган

Свободно падающий клин-молот может иметь направляющую раму (рис. 6.45, б), смонтированную на гусеничном тракторе. Нижняя опора рамы подрессорена, что несколько уменьшает влияние динамических нагрузок на трактор при работе. Подъем клин-молота на высоту до 6 м производится лебедкой с приводом от коробки отбора мощности трактора. При перебазировках машины направляющая рама переводится в горизонтальное транспортное положение.

Разрушение мерзлого грунта может производиться забиваемым клиновым рабочим органом (рис. 6.45, в), который внедряется в грунт ударами падающего груза.

Способ непосредственного разрушения мерзлых грунтов ударной нагрузкой свободно падающих и забиваемых клин-молотов, хотя и является наиболее простым, все же не получил широкого распространения вследствие низкой производительности (10— 15 м3/ч) и высокой энергоемкости, а также и потому, что большие динамические нагрузки вредно воздействуют как на базовую машину, так и на коммуникации и сооружения, расположенные поблизости от места работы машины.

Для выполнения больших объемов работ на линейных объектах строительства применяют, как правило, высокопроизводительные баровые, дисковые и землеройно-фрезерные машины.

Баровые машины предназначены для нарезания в мерзлых грунтах вертикальных продольных щелей на глубину до 2 м с помощью одной, двух или трех режущих наклонных цепей — баров. Оконтуренные с двух сторон прорезанными щелями полосы грунта разрабатываются затем одноковшовыми экскаваторами с оборудованием обратной лопаты или многоковшовыми траншейными экскаваторами, работающими на пониженных скоростях. Массив мерзлого грунта может быть разрезан барами на крупные блоки массой 5—10 т, которые удаляют из забоя кранами или лебедками. В некоторых случаях разрезанный барами мерзлый грунт предварительно разрушают машинами ударного действия, а его дальнейшую выемку производят экскаваторами.

В качестве базы для баровых машин используют гусеничные и пневмоколесные тракторы, универсальные одноковшовые экскаваторы, цепные многоковшовые и скребковые траншейные экскаваторы.

Рис. 6.46. Однобаровая машина

Однобаровая машина на базе гусеничного трактора (рис. 6.46) мощностью 108 л. с. (80 кВт) состоит из рабочего органа в виде вертикально установленного цепного бара, редуктора привода 1 и гидравлического механизма подъема-опускания рабочего органа. Бар состоит из режущей замкнутой цепи, огибающей направляющую раму (стрелу) с приводной и натяжной звездочками. Каждое звено цепи служит резцедержателем. Резцы специальной формы располагаются на цепи веерообразно и при движении прорезают щель шириной 0,2—0,3 м на заданную глубину. Режущая цепь приводится в движение со скоростью 1 —1,3 м/с от коробки отбора мощности трактора через Редуктор, на конце выходного вала которого укреплена ведущая звездочка цепи. Заглубление бара до заданной отметки, фиксация в рабочем положении, а также подъем в горизонтальное транспортное положение производятся путем поворота его рамы (в вертикальной плоскости) вокруг вала приводной звездочки с помощью гидроцилиндра 4 двустороннего действия.

Трансмиссия хода тягача баровой машины дооборудуется гид-ромеханичесмш ходоуменыиителем, обеспечивающим движение при работе со скоростью 20—140 м/ч. Для выполнения различных планировочных работ, уборки разрушенного мерзлого грунта и засыпки траншей спереди трактора навешивается бульдозерный отвал 6. Гидроцилиндры управления рабочим органом и отвалом бульдозера обслуживаются шестеренным насосом.

Основными преимуществами баровых машин, определяющими их широкое распространение, являются сравнительно высокая производительность (до 40 м3/ч), простота конструкции и удобство в эксплуатации. Основные недостатки — большие затраты мощности (до 60% от всей потребляемой) на преодоление трения в цепях, работающих в абразивной среде, и низкая долговечность рабочего органа.

Для нарезки щелей в мерзлых грунтах применяются также дисковые щелерезные машины (одно- и двухдисковые) на базе тракторов и траншейных экскаваторов, рабочим органом которых является диск с зубьями диаметром до 3 м. Привод рабочего органа может быть гидравлическим или механическим.

Навесное рабочее оборудование однодисковой машины (рис. VI.47, а) на базе гусеничного трактора мощностью 80 кВт включает в себя плоский ротор-диск 4 диаметром 2,3 м и гидравлический механизм подъема-опускания рабочего органа. Машина способна отрывать щели шириной 0,12 м и узкие траншеи шириной до 0,4 м и а глубину до 1,6—2 м. Ротор снабжен зубьями-клыками, режущими и транспортирующими грунт. Зубья ротора армированы твердосплавными пластинами. Позади ротора на раме установлен зачистной башмак. Привод ротора, вращающегося с частотой 13,4 об/мин, осуществляется от высокомоментного гидромотора 5 через зубчатую передачу. Передвижение машины со скоростью 10—400 м/ч при нарезании щелей обеспечивается гидравлическим ходоуменыиителем. Механизм подъема-опускания рабочего органа обеспечивает его плавное опускание, подъем, фиксацию в заданном положении и принудительный напор на грунт с помощью гидроцилиндров 6, обслуживаемых гидронасосами базового тягача.

На рис. 6.47, б показана двухдисковая щелерезная машина с механическим приводом рабочего органа на базе трактора мощностью 80 кВт. Два диска 8 диаметром 2,8 м с зубьями приводятся во вращение от вала отбора мощности трактора через муфту включения, карданную передачу и задний автомобильный мост 9, прикрепленный к раме рабочего органа. Диски прорезают в мерзлом грунте одновременно две щели шириной 0,1 на глубину до 1,2 м. Расстояние между осями щелей составляет 1,84 м. Подъем и опускания рабочего органа производятся двумя гидроцилиндрами 7. Гидромеханический ходоуменынитель базового тягача обеспечивает бесступенчатое регулирование скоростей рабочего хода в диапазоне 10—300 м/ч. Спереди базовых тракторов дисковых машин навешивают бульдозерные отвалы с гидравлическим управлением.

Рис. 6.47. Дисковые щелерезные машины

Основные достоинства дисковых щелерезных машин по сравнению с баровыми — пониженная энергоемкость процесса резания за счет малого количества трущихся поверхностей ротора, более высокие производительность (до 400 м3/ч) и долговечность (в 2—3 раза) жесткого рабочего органа; основные недостатки — громоздкость, высокая металлоемкость и ограниченная глубина копания, составляющая примерно 0,5 диаметра ротора.

Для послойной разработки (фрезерования) мерзлого грунта ‘при отрывке неглубоких выемок и планировании поверхностей применяются землеройно-фрезерные машины (ЗФМ), агрегати-рованные с бульдозером (рис. 6.48), которые рыхлят фрезой Диаметром до 1 м полосу шириной 2,2—3 м на глубину 0,3—0,5 м со скоростью до 100—150 м/ч. Землеройно-фрезерные машины базируются на серийных гусеничных бульдозерах мощностью 80—118 кВт, оборудованных гидравлическими ходоуменынителями для получения пониженных рабочих скоростей передвижения. Рабочий орган машины — фреза — представляет собой толстостенную трубу с кронштейнами, на которых крепятся режущие зубья, с износоустойчивой твердо сплавной наплавкой. Привод фрезы осуществляется
от коробки отбора мощности трактора через систему цепных передач. В трансмиссию привода фрезы включена предохранительная муфта.

Машины для разработки мерзлых грунтов, классификация, характеристики, область применения

Преимущественное распространение (более 80 % общего объема работ) получил высокоэффективный и универсальный механический способ разработки мерзлых грунтов с использованием специальных машин,условно подразделяемых на две группы:

— машины для подготовки(предварительного рыхления, нарезания на блоки) мерзлых грунтови последующей окончательной разработки взаимодействующими с ними в комплексе землеройными машинами общего назначения;

— машины, самостоятельно выполняющие весь комплекс разработкидо заданной отметки и эвакуации мерзлого грунта из забоя.

К первой группеотносятся навесные рыхлителина тракторах класса 10. 50, машины ударного действия для рыхления грунта ударными импульсами, машины безударного действия для отрыва грунта от массива, баровыеи дискоф-резерные машины для нарезания щелей в мерзлых грунтах.

Ко второй группе — землеройно-фрезерные машиныи траншейные цепныеи роторные экскаваторы,рабочие органы и скоростные режимы которых приспособлены для разработки мерзлых грунтов с промерзанием на всю глубину траншеи.

Для послойного рыхлениямерзлых грунтов, плотных и скальных трещиноватых пород применяют навесные рыхлители статическогои динамического действия, землеройно-фрезерные машины.

Для нарезания щелей и прокладки траншей в мерзлых грунтах используют машины непрерывного действия с баровымн и дискофрезерными рабочими органамина базе тракторов и траншейных экскаваторов.

Рыхлители являются навесным оборудованием к тракторам или одноковшовым экскаваторам и предназначены для послойного разрыхления твердых, каменистых и мерзлых грунтов. Применение рыхлителей позволяет использовать землеройные машины небольшой мощности для разработки прочных грунтов, существенно увеличивать производительность более мощных машин и значительно, снижать стоимость работ.

Рыхлители используются также для взламывания покрытий при ремонте внутриквартальных дорог и площадей, при строительстве водопроводов, канализаций и газопроводов открытым способом.

Рыхлитель статического действия(рис. 3) для послойного рыхления грунта представляет собой навесное оборудование, установленное в задней части трактора 2. Впереди трактора навешивается бульдозерное оборудование 1. Первый рабочий орган состоит из балки 6, флюгеров 8 (от одного до трех) и установленных на них зубьев, состоящих из стоек 9 со сменными наконечниками 10. Рыхлительное оборудование подвешено к раме 3 и тяге 4. Рама, тяга и балка образуют параллелограммную систему, обеспечивающую постоянный угол резания при различной глубине рыхления. Управление рабочим органом осуществляется с помощью гидроцилиндра 5 от гидравлической системы трактора. Для возможности работы с трактором-толкачом на среднем флюгере крепят съемное буферное устройство 7.

Зубья заглубляются в грунт до заданной глубины принудительно давлением, создаваемым гидроцилиндром при поступательном движении машины. При дальнейшем движении машины производится рыхление грунта.

Рыхление может осуществляться по двум технологическим схемам: без разворотов у края площадки с возвратом машины в исходное положение задним ходом (челночная схема)и с поворотом рыхлителя в конце каждого прохода (продольно-поворотная схема).Челночная схема наиболее рациональна при малых объемах работ в стесненных условиях, продольно-поворотная — на участках большой протяженности.

Максимальная глубина рыхленияопределяется тяговым классом базовой машины и находится в диапазоне 0,45. 1,2 м.

Для тракторов с гидромеханическими передачами скорости рабочего и заднего ходов составляют соответственно = 1,7. 3,2 км/ч; = 7,5. 14,5 км/ч; для тракторов с механическими передачами = 2,35. 3,2 км/ч; = 7,6. 8,5 км/ч.

Эксплуатационная производительность рыхлителя статического действия (м 3 /ч)

, (17)

где — средняя ширина полосы рыхления за один проход при многозубом рабочем органе или между двумя смежными проходами при однозубом рабочем органе, м; — средняя глубина рыхления в данных грунтовых условиях, м; — длина пути рыхления, м; — коэффициент использования машины по времени; — продолжительность цикла, с.

При разработке грунта продольными проходами с разворотом на концах участка

, (18)

При челночной схеме

, (19)

где — время, затрачиваемое на повороты и управление машиной в течение рабочего цикла, с; — скорости рабочего и возвратного назад ходов, км/ч.

Рыхлители ударного действияпредставляют собой навесное оборудование, устанавливаемое на трактор или одноковшовый экскаватор.

Машины ударного действия воздействуют на разрушаемую среду (мерзлый грунт, твердое дорожное покрытие, фундамент и т. п.) ударными импульсами свободно падающих или забиваемых рабочих органов.

Самым распространенным видом свободно падающих рабочих органов являются шаровые рыхлители и клин-молоты конусообразной, пирамидальной и клиновидной форм массой 0.6. 3 т.

Клин-молот 3 (рис. 4 а) подвешивается к подъемному канату 2 грузовой фрикционной лебедки стрелового самоходного крана или одноковшового механического экскаватора с крановой стрелой 1 и при работе подтягивается лебедкой к оголовку стрелы и сбрасывается с высоты 6. 8 м. Свободно падающий клин-молот наносит ненаправленные удары, что приводит к высоким затратам энергий на разрушение грунта, снижает качество работ и способствует опасному интенсивному разлету кусков грунта в стороны. Клин-молот может быть помещен в жесткие направляющие 5 (рис. 4 б) и при сбрасывании попадает в точно заданное место, что позволяет разрушать грунт наименее энергоемким методом крупного скола и уменьшить опасность разлета осколков. Клин-молот с направляющим устройством обычно монтируется на гусеничном или пневмоколесном тракторе, который дооборудуется подъемной зубчато-фрикционной лебедкой с приводом от коробки отбора мощности трактора, Направляющее устройство соединяется с базовой машиной упругими амортизирующими элементами 4, что снижает воздействие динамических нагрузок на трактор при работе.

Оборудование с забиваемым рабочим органом разрабатывает мерзлые грунты большой прочности с глубиной промерзания 1. 1.5 м наиболее эффективным методом крупного скола.

Забивание рабочего органа в грунтможет осуществляться: свободно падающим грузом6 (рис. 4 в), подвешенным на канате подъемной лебедки базовой машины и движущимся относительно направляющей 5; дизельмолотами, вибромолотами; гидравлическими, пневматическими или гидропневматическими молотами,используемыми в качестве сменного рабочего оборудования одноковшовых строительных экскаваторов.

Машины для разработки мерзлых и прочных грунтов режущего действияпредставляют собой тракторы или траншейные экскаваторы с навесным оборудованием, разрезающим мерзлый грунт на отдельные блоки массой 5. 10 т, разрабатываемые затем экскаватором. Применение получили преимущественно баровые и дискофрезерные машины.

Баровые машинывыполняются в виде сменного рабочего оборудования к гусеничным и пневмоколесным тракторам или модернизированного оборудования к цепным траншейным экскаваторам.

Баровые рабочие органы— цепные бары от угольных врубовых машин или комбайнов в виде бесконечной цепи с резцами, обегающей плоскую раму с приводной и натяжной звездочками. Баровыми рабочими органами, прорезающими щели шириной 0,14 м, оборудуются цепные траншейные экскаваторы. Барами прорезают вертикальные продольные щели в однородных мерзлых грунтах на глубину до 2,0 м.

Барпредставляет собой бесконечную цепь со специ альными клиновыми зубьями (клыками), перемещающуюся по роликам, укрепленным на раме.

По числу барразличают одно-, двух—и трехбаровые машины;в зависимости от расстояния между рабочими цепями они могут отрывать одну траншею-щель сплошного сечения либо несколько параллельных щелей. Последующий скол целика грунта обычно осуществляется обратными лопатами одноковшовых экскаваторов либо специальными гидродомкратами, монтируемыми на раме рабочего органа.

Двухбаровая машина на базе траншейного экскаватора(рис. 5)выполнена из двух независимых баров, представляющих собой рамы 7 с режущими цепями, приводимыми в движение цепными передачами 3 с предохранительной муфтой предельного момента. Рабочие органы имеют общий вал 5 и управляются через кронштейн 4 гидроцилиндрами 2.

Расстояние между осями баров (0,46. 0,76 м) регулируется специальным винтом, установленным на раме рабочего органа. Скорость резания баровым рабочим органом 0,87 и 1,46 м/с; рабочая скорость передвижения 15. 400 м/ч, регулируется бесступенчато. Производительность до 40 м/ч при ширине щели 0,14 и глубине до 2,5 м.

Достоинствами баровых машинявляются простота конструкции и относительно небольшая металлоемкость. Недостатки— быстрый износ резцов, их малая надежность и долговечность; недостаточная износостойкость элементов цепи, работающей в высокоабразивной среде.

Литература

1. Добронравов С.С. Строительные машины и основы автоматизации: учеб. для строит. вузов / С.С. Добронравов, В.Г. Дронов. – М.: Высш. шк., 2006. – 575 с.

2. Доценко А.И. Строительные машины и основы автоматизации: учеб. для строит. вузов. – М.: Высш. шк., 1995. – 400 с.

3. Крикун В.Я. Строительные машины: учеб. пособие. – М.: Издательство АСВ, 2005. – 232 с.