Грузоподъемность современных козловых кранов составляет от 3 до 200 т, высота подъема крюка — до 52 м, пролет — до 75 м, длина консоли — до 12 м.Глава 4 машины для земляных работ

Машины для земляных работ в гражданском строительстве ис­пользуют при рыхлении плотных, скальных и мерзлых грунтов, пла­нировании строительных площадок, подготовке оснований под до­роги и проезды, разработке котлованов под фундаменты зданий и сооружений, рытье траншей открытым способом при прокладке го­родских коммуникаций и строительстве подземных сооружений, ко­пании ям и приямков, зачистке дна и откосов земляных сооружений, обратной засыпке котлованов и траншей после возведения фунда­ментов и укладки коммуникаций, уплотнении грунтов и т. п.

Машины осуществляют разработку грунтов тремя основными способами:

механическим, при котором грунт отделяется от массива пассивными и приводными (активными) режущими органами — но­жами, зубьями, скребками, клиньями, резцами, фрезами и т. п.;

гидромеханическим, при котором грунт разрушается в открытом забое направленной с помощью гидромонитора струей воды под давлением до 6 МПа или всасыванием предварительно разрушенного (гидромонитором или фрезой) грунта со дна реки или водоема грунтовым насосом-землесосом;

взрывным, при котором разрушение грунта (породы) проис­ходит под давлением расширяющихся продуктов сгорания (газов), взрывчатых веществ.

Иногда применяют комбинированные способы разра­ботки грунтов, например взрывной (предварительное рыхление) в сочетании с механическим (последующая разработка землеройной машиной с ножевым или ковшовым рабочим органом).

В настоящее время около 95 % земляных работ в строительстве осуществляется механическим способом. При выполнении земляных работ используют широкую номенклатуру различных по назначе­нию, конструкции и принципу действия машин, которые разделяют­ся на: машины для подготовительных работ; землеройно-транспорт- ные; экскаваторы; бурильные; для бестраншейной прокладки коммуникаций; для гидромеханической разработки грунта; для уп­лотнения грунтов

.

4.1. Взаимодействие рабочих органов машин

С ГРУНТОМ

На процесс взаимодействия рабочего органа землеройной маши­ны с грунтом существенное влияние оказывают физико-механиче­ские свойства грунта, конструкция, геометрические параметры и ре­жимы работы рабочего органа.

Рабочие органы землеройных машин, отделяющие грунт от мас­сива механическим способом, могут быть выполнены в виде: зуба на стойке (рис. 4.1, а) для рыхления разрабатываемой среды, ковша оп­ределенной вместимости со сплошной режущей кромкой (рис. 4.1, Э, ж, з) или оснащенной зубьями (рис. 4.1, б, в, г, е), отвала (рис. 4.1, и), снабженного в нижней части режущими ножами. Рабо­чие органы в виде ковшей называют ковшовыми, в виде отвала с но-

(й

(8

Рис. 4.1. Рабочие органы землеройных машин:

а — зуб рыхлителя; о—ж — экскаваторные ковши прямой и обратной лопат, драглайна, погрузчика, планировщика: з — ковш скрепера; и — отвал бульдозера

V

6

жами — отвальными или ножевыми. Рабочий процесс землеройных машин с ковшовыми и ножевыми рабочими органами состоит из последовательно выполняемых операций отделения грунта от мас­сива, его перемещения (транспортирования) и отсыпки. Рабочие ор­ганы отделяют грунт от массива резанием и копанием. Реза­ние — процесс отделения грунта от массива режущей частью рабо­чего органа. Копание — это совокупность процессов, включаю­щих резание грунта, перемещение срезанного грунта по рабочему органу и впереди его в виде призмы волочения, а у некоторых ма­шин и перемещение грунта внутри рабочего органа. Сопротивление грунта копанию в 1,5...2,8 раза больше, чем сопротивление грунта резанию.

Физико-механические свойства грунтов характеризуются: гранулометрическим составом — процентным содержанием по массе частиц различной крупности;

плотностью — отношением массы к единице объема (для боль­шинства грунтов — 1,5...2 т/м³);

пористостью — отношением объема пор к общему объему грун­та (в %);

влажностью — количеством воды, содержащейся в порах грунта (в %);

связностью — способностью грунта сопротивляться разделению на отдельные частицы под действием внешних нагрузок;

разрыхляемостью — свойством разрабатываемого грунта увели­чиваться в объеме при постоянстве собственной массы, которая вы­ражается коэффициентом разрыхления К_р, равным отношению объ­емов грунта в разрыхленном и естественном состояниях (К_Р = 1,1...1,4);

углом естественного откоса — углом у основания конуса, кото­рый образуется при отсыпании разрыхленного грунта с некоторой высоты;

пластичностью — способностью грунта деформироваться под действием внешних сил и сохранять полученную форму после сня­тия нагрузки;

сжимаемостью — свойством грунтов уменьшаться в объеме под действием внешней нагрузки;

прочностью — способностью грунта сопротивляться разруше­нию под действием внешних нагрузок;

сопротивлением сдвигу — сцеплением частиц грунта между со­бой;

коэффициентами трения грунта о сталь (0,55...0,65) и грунта по грунту (0,3...0,5);

абразивностью — способностью грунта (породы) интенсивно из­нашивать (истирать) взаимодействующие с ним рабочие органы ма­шин;

липкостью — способностью грунта прилипать к поверхности ра­бочих органов.

Различают грунты нескальные (песок, супесь, суглинок, глина и т. п.), разборно-скальные (сцементированные глины — аргаллиты, гипс, мел, известняки и др.) и скальные (плотные известняки, доло­мит, мрамор, песчаник и др.). Грунты, имеющие положительную температуру, называют немерзлыми (талыми), отрицательную — мерзлыми, если они содержат лед, и морозными (охлажденными), ес­ли лед в их составе отсутствует. Наличие льда в мерзлых грунтах су­щественно повышает их прочность и затрудняет работу землерой­ных машин. Нескальные немерзлые грунты разрабатывают обычными землеройными средствами, скально-разборные и мерз­лые грунты с небольшой глубиной промерзания перед разработкой предварительно разрыхляют механическим способом. Скальные и мерзлые грунты с большой глубиной промерзания предварительно разрыхляют взрывным способом.

В некоторых случаях мерзлые грунты разрабатывают специаль­но предназначенными для этих целей землеройными машинами. Для оценки трудности разработки нескальных мерзлых и немерз­лых грунтов обычно пользуются предложенной А.Н. Зелениным классификацией грунтов, разбитых на восемь категорий по числу ударов (числу С) динамического плотномера (ударника) ДорНИИ. Категория грунта определяется числом ударов, которые необходи­мы для погружения в грунт на глубину 10 см цилиндрического стержня плотномера площадью 1 см² под действием груза весом 25 Н, падающего с высоты 0,4 м и производящего за каждый удар работу в 10 Дж. Классификация грунтов по числу С приведена ниже:

Категория немерзлого грунта	I	II	III	IV j
Число ударов С	1...40)	5...8(6)	9...16(12) 1 17...35(25) !
Категория мерзлого грунта	V	VI	VII	VIII 1
Число ударов С	35...70(50)	70... 140(100)	140...280(200)	280...560(400) |

Примечание. В скобках приведены средние значения С для каждой катего­рии грунта.

При отделении грунта от массива механическим способом рабо­чему органу землеройной машины сообщаются обычно два движе­ния — вдоль (главное движение) и поперек (движение подачи) сре­заемой стружки грунта (рис. 4.2), которые могут выполняться раздельно или одновременно.

Режущая часть (кромка) рабочего органа, имеющая обычно форму клина, характеризуется следующими геометрическими пара­

метрами (рис. 4.2, «); дли­ной режущей кромки Ь, уг­лом заострения р, задним углом а, передним углом у, углом резания 5 = р + а и толщиной стружки к. Эф­фективность процесса реза­ния обеспечивается при оп­тимальных углах резания и рациональной геометрии режущего инструмента. Оп­тимальные значения угла резания 5 составляют 30...32° для легких грунтов и 40...43° для тяже­лых; угла заострения (3 = 25...27° для легких и 32...35° для тяжелых грунтов. Задний угол принимают равным не менее 6...8°. Ножевые рабочие органы землеройных машин характеризуются также дли­ной fi, высотой Н и радиусом кривизны г отвала, ковшовые — вме­стимостью cj, шириной fi, высотой Н и длиной L ковша.

На взаимодействующий с грунтом рабочий орган (рис. 4.2, о) действует сила сопротивления его движению в грунте Fo, расклады­ваемая на две составляющие — касательную Foi и нормальную Foi к траектории движения рабочего органа. Силу Foi (кН) можно пред­ставить в виде

F₀\ = Fp + Ft + Fn.b, (4.1)

где F_p — сопрот ивление грунта резанию, кН; F_T — сопротивление тре­ния рабочего органа о грунт, кН; F_{n в} — сопротивление перемещению призмы волочения и грунта в рабочем органе, кН.

Сопротивление грунта резанию представляет собой сопротивле­ние внедрению передней грани рабочего органа в грунт в направле­нии главного движения.

Величина F_p зависит от поперечного сечения срезаемой стружки, физико-механических свойств грунта и геометрии режущей части рабочего органа:

F_P = kpbh, (4.2)

где к_р — удельное сопротивление грунта резанию, кПа; b и h — шири­на и толщина стружки, м.

Р и с. 4.2. Геометрия режущих элементов рабочих органов землеройных машин

Отношение величины Foi к поперечному сечению стружки представляет собой удельное сопротивление грунта копанию к к = Fo\l{bh). Значения к_р, к_К выбирают по табл. 4.1 и 4.2, в кото­рые сведены данные, полученные экспериментальным путем для различных категорий грунтов, и видов рабочих органов. Значения Удельных сопротивлений резанию и копанию растут с увеличением

прочности грунта. Нормальная составляющая сопротивления ко­панию Fo2, представляющая собой сопротивление внедрению режу­щей части рабочего органа в грунт в направлении, перпендикуляр­ном касательной составляющей Foi, определяется из соотношения Foi - \\iFq], где у = 0,2...0,6 — коэффициент, зависящий от физи­ко-механических свойств грунта и затупления режущей кромки. Более высокие значения \|/ соответствуют большему затуплению режущей части. Равнодействующая усилий Foi и Foi, направленная под определенным углом к траектории движения режущего орга­на: Fo = yjF^+F^.

Т а б л и ц а 4.1. Значения удельных сопротивлений резанию кр для машин с ножевым рабочим органом Наименование грунта	Категория грунта		Плотность грунта р, т/м'		Коэффициент разрыхления грунта		Удельное сопротивление | грунта резанию кр, кПа |
							нож бульдозера	нож j скрепера i
Песок рыхлый, сухой		I		1,2...1,6		1,05... L1		10..30	20...40 '
Песок влажный, супесь, суглинок разрыхлен­ный		I		1,4...1,7		1,1...1,2		20...40	50...100 !
Суглинок, средний и мелкий гравий, легкая глина		II		1,5...1,8		1,15...1,25		60...80	90...180 J 1
Глина, плотный сугли­нок		III		1,6...1,9		1,2...1,3		100...160	160...300 i
Тяжелая глина, сланцы, суглинок со щебнем, гравием		IV		1,9...2,0		1,25.. .1,3		150...250	300...400 i

Таблица 4.2. Значения удельных сопротивлений копанию кК для ковшовых рабочих органов экскаваторов Категория грунта	Удельное сопротивление копанию кПа
	Одноковшовые экскаваторы			Многоковшовые экскаваторы
	прямая и обратная лопата		драглайн		поперечного копания		продольного копания (траншейные)
I	25...70		40... 120		40...100		80...180
II	90...180		100...120		120...180		160...260
III 120...250		160...300		180...240		260...300
IV	250...400		300...500		240...300		300...400