Землеройно – транспортные машины

Землеройно-транспортные (ЗТМ) - строительные ма­шины, отделяющие грунт от массива тяговым усилием с после­дующим его перемещением к месту отсыпки собственным ходом.

В зависимости от вида рабочего органа различают ковшовые (скреперы) и отвальные (бульдозеры, автогрейдеры, грейдер-элеваторы) ЗТМ. Эти машины отличаются простотой конструкцией, универсальностью и высокой производительнос­тью. Их применяют в дорожном строительстве, при рытье котло­ванов и каналов, возведении насыпей, планировке земляных по­верхностей и на других работах.

Рабочий процесс включает два характерных режима: тяговый и транспортный.

Скреперы

Скреперами разрабатывают грунты I и II категории непосред­ственно, а грунты III и IV категории — после их предварительно­го разрыхления. Они часто работают в одном комплекте с бульдо­зерами-рыхлителями, используемыми также в качестве толкачей для повышения силы тяги скреперов. Скреперы не рекомендуется применять для разработки заболоченных, несвязных переувлажненных грунтов, а также грунтов с большими каменистыми включениями.

Рабочийцикл скрепера включает копание (отделе­ние грунта от массива и за­полнение им ковша), транс­портирование грунта в ков­ше к месту укладки, его от­сыпку и возвращение машины на исходную позицию следующего рабочего цикла. Средняя дальность возки грунта скрепером колеб­лется от 0,3 до 2...3 км.

Главный параметр скрепера - вместимость ковша, в соответствии с которой различают скреперы малой (до 4 м³), средней (5...12 м³) и большой (15 м³ и >) вместимости. Скрепер состоит из тягача и рабочего оборудования, по способу соедине­ния которых различают прицепные (а), полуприцепные (б) и самоходные (в) скреперы.

Устройство и принцип работы скрепера рассмотрим на приме­ре его самоходной модели. Одноосный тягач 9 соединен с рабочим оборудованием сцепным устройством 8 в виде двух цилиндрических шарниров, позволяющих тягачу поворачиваться и перекашиваться относительно рабочего оборудования. Рабочее оборудование включает в себя ковш 15, опирающийся задней ча­стью на колеса 16, а передней соединенный упряжными шарни­рами 14 с боковыми брусьями 13 тяговой рамы, которая своей передней балкой 7 опирается на тягач. Ковш ограничен днищем и боковыми стенками, а в задней части — выдвижной стенкой 2, перемещаемой при разгрузке ковша гидроцилиндрами 1. В пере­дней части ковш закрывается заслонкой 4 с помощью гидроци­линдров 3.

Для разработки грунта переднюю заслонку приподнимают и, перемещаясь на рабочей скорости, гидроцилиндрами 5 опускают ковш, заглубляя его в грунт. При этом нижний обрез заслонки должен находиться примерно на уровне земли. После заполнения ковша его поднимают, закрывают заслонкой и на транспортной скорости перемещают к месту разгрузки. Чаще скреперы исполь­зуют для отсыпки грунта в насыпи, для чего после выезда на на­сыпь ковш опускают, оставляя щель между ножами и поверхно­стью передвижения, открывают заслонку и, передвигаясь на малой скорости, задней стенкой выталкивают грунт из ковша. При этом задние колеса, перекатываясь по свежеотсыпанному грунту, уп­лотняют его.

Другие модели скреперов отличаются от описанной способом соединения рабочего оборудования с тягачом, устройством и при­водом передней заслонки, конструкцией ковша и его подвеской, обеспечивающей отличные от описанного способы разгрузки: са­мосвальной — опрокидыванием ковша вперед или назад, полупри­нудительной — опрокидыванием донной части ковша и задней стенки, способных перемешаться относительно шарниров на бо­ковых стенках, щелевой — путем раздвижки днища и т. п.

Для заполнения ковша «с шапкой» (выше его геометрической вместимости) длина пути копания ↑ в среднем на 20 %. Ковш наполняется лучше при движении скрепе­ра под уклон. При постоянной толщине стружки (рис. а)и по­стоянной скорости передвижения тяговая способность скрепера ре­ализуется полностью лишь в конце копания. С целью сокращения длительности этой операции за счет использования резерва тяги в течение всей операции при разработке связных грунтов применяют клиновой способ (б) — максимально возможное по тяго­вому усилию заглубление ковша в начале операции с постепенным выглублением по мере его заполнения. Удовлетворительные резуль­таты дает гребенчатый способ (в) при разработке суглини­стых и глинистых грунтов, а также клевковый способ (г) при разработке сухих песков и супесей.

Лучшие результаты дает принудительная загрузка, для чего в передней части ковша уста­навливают скребковый элеватор (рис) или шнеки, которые отделенный от массива грунт забрасывают в ковш. ↑ напол­няемость ковша можно за счет ↑ тягового усилия путем применения толкачей, в качестве которых используют оборудо­ванные буферами тракторы или бульдозеры. При копании толкач заходит в хвост скрепера и, упираясь в его буфер (за задними колесами), сообщает ему дополнительное тяговое усилие.

В зависимости от вместимости ковша и дальности возки один толкач может обслуживать 2...16 скреперов, оставаясь все время в зоне разработки грунта. Еще более эффективно ис­пользование скреперных поездов, состоящих из двух самоходных скреперов, соединяемых на время копания управляемым сцеп­ным устройством. Сначала совместным тяговым усилием двух тя­гачей заполняется передний скрепер, а затем задний, после чего скреперы разъединяются и движутся к месту отсыпки грунта раз­дельно.

При работе в транспортном режиме груженые скреперы пре­одолевают уклоны до 12...15%, а с порожним ковшом до 15...17 %. Предельная крутизна спусков для груженых скреперов составляет 20...25%, с порожним ковшом — 25...30%, меньшие значения для самоходных, большие для прицепных скреперов. Крутые подъ­емы груженые скреперы преодолевают с помощью толкачей.

Бульдозеры

Основное назначение — послойная разработка грунта с последующим его перемещением перед отвалом по поверхности земли на небольшие расстояния (до 150 м). Бульдозеры применя­ют для выполнения следующих работ:

снятия плодородного по­верхностного слоя грунта при подготовке строительных площа­док;

перемещения грунта в зону действия одноковшового экска­ватора при погрузке его в транспортное средство или отвал;

раз­работки неглубоких каналов с транспортированием грунта в отва­лы;

зачистки пологих откосов;

сооружения насыпей из резервов;

планировочных работ при зачистке оснований под фундаменты зданий и сооружений и планировке площадей и трасс;

по устрой­ству и содержанию в исправности подъездных дорог, устройстве въездов на насыпи и выездов из выемок;

для разработки грунта на косогорах;

по обратной засыпке траншей и пазух фундаментов; разравнивания грунта в отвалах;

штабелирования и перемещения сыпучих материалов;

подготовительных работ для валки отдель­ных деревьев, срезки кустарника, корчевки пней, удаления кам­ней, расчистки поверхностей от мусора, снега;

вскрышных ра­бот;

использования их в качестве толкачей скреперов.

Эф­фективность работы бульдозера в значительной мере зависит от проходимости базового трактора и его тягово-сцепных свойств.

По номинальной силе тяги и мощности двигателей различают бульдозеры малогабаритные с силой тяги до 25 кН и мощностью до 45 кВт, легкие — 25... 135 кН и 45... 120 кВт, средние - 135...200 кН и 120... 150 кВт, тяжелые — 200...300 кН и 150...225 кВт и сверх­тяжелые — > 300 кН и 225 кВт.

Бульдозерные отвалы как вспомогательное рабочее оборудова­ние навешивают на пневмоколесные экскаваторы и другие маши­ны для очистных и планировочных работ в составе рабочих про­цессов этих машин.

Бульдозер (рис. а)состоит из базового пневмоколесного или гусеничного трактора 8 и навесного рабочего оборудования в виде отвала 5 с цилиндрической рабочей поверхностью и ножами 4 в его нижней части, соединенного с базовым трактором шарни­рами 1 через два толкающих бруса 2 или универсальную раму 3 (рис. в),и гидравлической системы управления отвалом.

Наклон отвала в вертикальной плоско­сти регулируют раскосами 6. Управляют отвалом при его переводе из транспортного положения в рабочее и наоборот одним (малогабаритные бульдо­зеры) или двумя гидроцилиндрами 7. Бульдозеры с таким отвалом, - неповоротные.

Рабочий цикл бульдозера с неповоротным в плане отвалом состоит из операций копания грунта (его отделения от массива и накопления перед отвалом — образования призмы волочения), его транспортирования волоком перед отвалом к месту укладки, раз­грузки отвала и возвращения машины на исходную позицию сле­дующего рабочего цикла.

Для сокращения продолжитель­ности копания желательно предельно сокращать путь копания, для чего грунт следует разрабатывать с возможно большей толщи­ной стружки, которая в слабых грунтах обычно ограничена ходом поршня гидроцилиндра заглубления отвала, а в прочных грунтах — буксованием движителя. Желательно иметь постоянную толщину стружки на всем пути копания, что обычно реализуется только при разработке слабых грунтов. С ↑ прочности грунта тяговая способность бульдозера может быть исчерпана в середине пути копания или недостаточной еще в начале копания. С учетом того, что по мере накопления грунта перед отвалом растут сопро­тивления формированию призмы волочения и ее передвижению волоком по ненарушенному грунту, грунт разрабатывают клино­вым или гребенчатым способами.

При разработке весьма плотных грунтов, например, уплот­ненных транспортом или другими способами, внедрение ножа отвала в грунт оказывается практически невозможным. В этих случаях применяют отвалы с выступающим средним ножом или грунт предварительно разрыхляют. Весьма эффективно для таких условий применять навешенный в задней части базового тракто­ра рыхлитель (рис), или специальные сменные отвалы. От­вал 13 оборудован одним передним и двумя зад­ними зубьями. При движении машины задним ходом задние зубья прорезают в грунте прорези, а при последующем движении пере­дним ходом грунт дополнительно разрыхляют передним зубом и захватывают отвалом. Для взламывания асф/б покрытий при ремонте дорог применяют отвалы 14, оборудованные киркой в передней части. Мерзлые грунты разрабатывают отвалами 15 с гре­бенчатыми ножами или с установленными на ножах зубьями.

Во время транспортирования грунта часть его теряется по пути, ссыпаясь по сторонам отвала. Доля потерь зависит от вида грунта (наибольшие потери у несвязных, например, песчаных грун­тов) и от дальности транспортирования. Так, при транспортировании грунтов I—III категории (кроме сухого песка) на расстояние 40 м сменная производительность бульдозера примерно в 2,2 раза выше, чем при транспортировании тех же грунтов на расстояние 100 м.

Эффективным средством ↓ потерь грунта является со­кращение дальности транспортировки. На большие расстояния грунт перемещают с устройством промежуточных валиков, тран­шейным способом или с применением нескольких бульдозеров. Способ транспортирования грунта с устройством промежуточных валиков заключается в том, что сначала грунт перемещают на 40...50 м, накапливая его в первом валике, из которого его пере­мещают во второй валик на такое же расстояние — к месту укладки.

При транспортировании грунта траншейным способом на всех рабочих циклах бульдозер перемещают по одной и той же трассе. Транспортирование грунта одновременно несколькими буль­дозерами применяют при достаточно широком фронте работ. При этом способе несколько бульдозеров передвигаются рядом с ми­нимальными (до 0,5 м) зазорами между отвалами.

При разработке слабых грунтов производительность бульдозе­ров можно ↑ за счет использования дополнительных уст­ройств к отвалам, изменяющих форму и объем последних (в 1,7 — 1,8 раз) в виде лобовых щитков, закрепляемых в верхней части отвала, уширителей и открылков на его боковых стенках.

Производительность можно ↑ за счет правильного вы­бора трассы транспортирования грунта, отдавая предпочтение дви­жению под уклон. Влияние уклона на объем перемещаемого перед отвалом грунта иллюстрируется схемой, из которой сле­дует, что при движении по пересеченной трассе переход от укло­на 1 к горизонтальному участку 2 или последнего к подъему 3 при одном и том же естественном откосе 4 связан с неизбежными потерями грунта. При перемещении под уклон 10... 12° можно ↑ выработку бульдозера по сравнению с движением по горизонтальной трассе на 30...40%, и наоборот, при движении на подъем 10° производи­тельность бульдозера снижа­ется почти вдвое.

Отсыпают грунт совмест­но с планировкой поверхно­сти или без нее. В первом слу­чае отвал несколько подни­мают над землей, и при дви­жении бульдозера на малой скорости вперед грунт высы­пается в зазор ниже режущей кромки отвала, а в дальней­шем, после выхода машины на отсыпанную возвышенность - вперед, наращивая последнюю. Частично отсыпанный грунт уплотняется перемещаемыми по нему движителями. Осво­бождение отвала от грунта без его планировки заключается в от­ходе от него бульдозера задним ходом. Так, в частности, засыпают траншеи и пазухи фундаментов.

Возвращают бульдозер на исходную позицию следующего ра­бочего цикла на максимально возможной скорости задним (при небольших расстояниях передвижения) или передним ходом с разворотами.

Отвал 5 бульдозера с поворотным в плане отвалом не имеет боковых стенок (рис. в).Он соединен с рамой 3 универ­сальным шарниром 12 в ее центральной части, который позво­ляет отвалу поворачиваться в плане в каждую сторону на угол 30...36° гидроцилиндрами // с последующим закреплением тол­кателей 10 нараме 3. Наклон отвала в вертикальной плоскости, а также его перекос осуществляется рассмотренными выше спо­собами для неповоротного отвала. Для одновременной плани­ровки откосов и их подошвы отвал дополнительно оборудуют наклонной наставкой 16 (д) с жестким или шар­нирным соединением с основным отвалом. В последнем случае наклон наставки регулируют специально установленным гидро­цилиндром. Наставка // соответствующего профиля предназна­чена для очистки и планировки канав. Для перемещения грунта от стен зданий применяют отвальную приставку 18, двигаясь при этом задним ходом. Эффективность работы бульдозера на расчи­стке поверхностей от кустарника и мелких деревьев существенно повышается за счет установки в средней части отвала кусторез­ного ножа 19.

Бульдозеры с поворотным отва­лом, выполняющие планировочные работы, а также очистку поверхно­стей от строительного мусора, сне­га, работают в непрерывном режи­ме. Отделенный от массива грунт перемеща­ется по отвалу вверх и в сторону его наклона в плане по винто­вым траекториям. При этом призма волочения, увле­каемая потоками грунта, непрерывно перемещается в сторону наклона отвала за его край и укладывается в виде валика параллельно направлению движения машины. Такое взаимодействие рабочего органа с грунтом, которое приводит к сдвигу грунта вдоль режущей кромки, называют косым резанием.

Бульдозеры также используют на грузоподъемных работах, для чего их отвалы оборудуют грузовыми вилами 20 (д) или траверсами с подъемными крюками 21.

Автогрейдеры

Автогрейдер - землеройно-транспортная машина на пневмоколесном ходу с отвальным рабочим органом, для послойной разработки грунтов I и II кате­горий и планировки земляных поверхностей при строительстве и содержании автомобильных и железных дорог, аэродромов, а также используемую в промышленном, гражданском, гидротехническом и ирригационном строительстве. С помощью автогрейдеров про­филируют и планируют поверхности при возведении насыпей вы­сотой до 0,6 м, отрывают и очищают кюветы и канавы треуголь­ного и трапецеидального профилей, сооружают корыта для до­рожных оснований, перемешивают и разравнивают грунт, щебень, гравий и вяжущие материалы, а также разрушают дорожные по­крытия при ремонте дорог, расчищают от снега дороги и площади.

В зависимости от массы машины и мощности силовой установ­ки автогрейдеры разделяют на легкие (массой до 9 т и мощностью до 50 кВт), средние (до 13 т, до 75 кВт), тяжелые (до 19 т, до 150 кВт) и особо тяжелые (> 19 т, > 150 кВт). По конструктивному исполнению ходовых устройств они бывают двухосными и трехос­ными. Особенности конструкции ходового устройства отражаются колесной формулой типа АхВхС, где А, В и С — число осей, соответственно, управляемых, ведущих и общее. Например, тре­хосный автогрейдер с двумя ведущими задними осями и пере­дней осью с управляемыми колесами имеет колесную формулу 1x2x3. Автогрейдеры с этой формулой получили наибольшее рас­пространение в строительстве. По способу управления рабочим органом различают автогрейдеры с механической (обычно легкие автогрейдеры) и гидромеханической системами привода.

Рабочим органом автогрейдера является отвал 6. Он расположен в средней части машины между передними 4 и задними 8 колесами на поворотном круге 7, установленном на тяговой раме 5. Последняя соединена в передней части универ­сальным шарниром с несущей (хребтовой) балкой 2, жестко со­единенной с рамой ведущих (задних) колес и опирающейся на ось передних колес. Тяговая рама двумя гидроцилиндрами 1 может быть установлена задней частью на любой высоте, а также пере­кошена в вертикальной плоскости. С помощью специального гид­роцилиндра она может быть вынесена в любую сторону, в том числе за пределы колеи машины.

Эти кинематические возможности позволяют ориентировать отвал произвольно в плане и в вертикальной плоскости, включая вертикальные перекосы, выносить его в любую сторону от про­дольной оси движения авто грейдера. Кроме того, разовой уста­новкой отвал можно выдвинуть в сторону относительно тяговой рамы, а также изменить его угол резания. При необходимости от­вал дооборудуют специальными приставками, например для од­новременной планировки подошвы и откоса насыпи, бровки и откоса выемки, профилирования придорожных канав и т.п. Для предварительной обработки плотных грунтов автогрейдер осна­щают кирковщиком 3, бульдозерным отвалом или другим вспомо­гательным оборудованием, устанавливаемым в передней части машины и управляемым гидроцилиндрами.

Для придания автогрейдеру поперечной устойчивости, в част­ности, при работе на косогорах, управляемые колеса делают на­клоняющимися в вертикальной плоскости. Задние колеса устанав­ливают попарно с каждой стороны на балансирных балках, что в сочетании с шарнирным опиранием хребтовой рамы на переднюю ось обеспечивает опирание на поверхность передвижения всех колес машины независимо от микронеровностей рельефа.

Положительной особенностью автогрейдеров как машин для планировочных работ является расположение отвала в средней ча­сти машины между передними и задними колесами. При наезде колесами на неровности в полосе движения высотные отклонения режущей кромки отвала будут незначительными, существенно мень­шими, чем при консольном расположении бульдозерного отвала. Это качество позволяет планировать земляные поверхности с мень­шим числом повторных проходок, чем при работе бульдозера.

Рабочий процесс автогрейдера - копание грунта, его перемещение и укладку с разравниванием в земляное сооружение. При разработке грунта отвал устанавливают режущей кромкой как параллельно его поверхности, так и наклонно под углом 10...15° с заглублением отвала по ширине. Угол резания составляет 35...45° соответственно при разработке тяжелых и легких грунтов. При зарезании отвала в грунт одним концом угол между режущей кром­кой отвала и продольной осью машины (угол захвата) принима­ют равным 35...50°, при отделочных планировочных работах 45...90°, при копании с отводом грунта в сторону по отвалу 60°.

В зависимости от размеров обрабатываемого участка, рельефа местности, наличия искусственных сооружений автогрейдеры дви­жутся по круговым и челночным технологическим схемам. Так, в дорожном строительстве при длине обрабатываемого участка (за­хватки) 400...1500 м автогрейдеры движутся по круговым тех­нологическим схемам, а при меньших длинах — челночным спо­собом (в одном направлении — вперед, в обратном — задним ходом). При этом в случае очень коротких захваток (около 150 м) грунт разрабатывают движением автогрейдера вперед, после чего возвращают машину на исходную позицию следующей проходки вхолостую задним ходом на повышенной скорости. При больших длинах захваток грунт разрабатывают автогрейдером при его дви­жении как передним, так и задним ходом с разворотом отвала на 180° в плане на концах захватки.

Автоматизация управления землеройно-транспортными машинами

Особенности рабочих процессов ЗТМ затрудняют полную автоматизацию их управления без участия машиниста, в связи с чем в наст. время автома­тизированы те операции и рабочие движения этих машин, кото­рые в наибольшей мере определяют производительность труда и эффективность их использования. В системах автоматического уп­равления (САУ) ЗТМ обычно используют дискретные электрон­ные системы на основе полупроводниковых элементов, обеспе­чивающих надежность работы системы за счет применения бес­контактных элементов. Они имеют сравнительно большой срок служ­бы, малые габаритные размеры, потребляют небольшое количе­ство энергии, работают от простых источников питания. САУ вне­дрены лишь на части отечественных ЗТМ выпусков последних лет. Значительная часть ЗТМ не имеет такого управления.

В системах автоматического управления ЗТМ решаются задачи стабилизации углового положения ковша или отвала в продольном (относительно продольной оси машины) и поперечном направ­лениях, а также высотного положения режущей кромки рабочего органа. Кроме того, решается задача автоматической защиты дви­гателя от перегрузок.