Методическое пособие 686

Для внедрения клина в грунт на границе замерзания необходимо предварительно подготовить забой в виде уступа, из которого начинает работать машина. Обычно такой рабочий орган (рис. 8.5) устанавливают на трактор вместо отвала бульдозера. В этом случае клин заглубляется тяговым усилием трактора, а скол грунта происходит при подъеме клина гидроцилиндром. Усилие Рпод на подъем клина несложно рассчитать исходя из прочности грунта на разрыв σр, глубины промерзания Нц и угла скола грунта ψ. При этом прочность грунта σр нужно принимать равной прочности промерзшего слоя при средней температуре Тср.

Рис. 8.5. Разрушение грунта клином, внедряемым на границе замерзания: h – глубина промерзания; 1 – тягач; 2 – рама; 3 – гидроцилиндр; 4 – клин

Перспективность применения таких машин очевидна, т.к. они воздействуют на мерзлый грунт, начиная от границы промерзания, где он наименее прочен по сравнению с более прочным поверхностным слоем.

Мерзлый грунт может разрушаться при соударении рабочего органа машины с грунтом (рис. 8.6), если кинетическая энергия его в значительной степени преобразуется в энергию деформации грунта. От места соударения в грунте распространяется волна, вызывающая в конечном счете разрушение грунта. Основная причина разрушения – появление наряду со сжатием под рабочим органом растяжения контактной поверхности в прилегающем районе. В результате в мерзлом грунте появляются трещины, опережающие начало скалывания. При забивании в грунт клина появляется, кроме того, расклинивающее усилие. При наличии свободной поверхности, в направлении которой происходит скол, это вызывает разрушение грунта, в основном, растяжением.

Способы вибрационного и виброударного разрушения мерзлых грунтов отличаются от способа ударного разрушения сравнительно большой частотой силовых импульсов при меньшей их энергии. Обычно механизмы, вызывающие колебания рабочего органа, обеспечивают частоту 8…120 Гц при

51

энергии одного импульса от 0,1 до 30 кДж. Рабочие органы землеройных машин, у которых инструмент движется не только вместе с рабочим органом, но и относительно него, называют активными. Активизация рабочих органов позволяет подводить к забою дополнительную энергию, увеличивающую производительность и эффективность рабочего процесса.

Рис. 8.6. Конструктивные схемы клиновых рыхлителей:

а– с падающим рабочим органом; б – с забиваемым рабочим органом;

в– для послойного рыхления грунта

Взависимости от схемы крепления вибратора на рабочем органе различают три типа таких машин (рис. 8.7): вибрационные, виброударные и частоударные.

Вибрационный рабочий орган (рис. 8.7, а) состоит из вибратора, который жестко закреплен на рабочем инструменте. Под действием синусоидальной вынуждающей силы рабочий орган совершает колебания, передающиеся инструментом грунту. Более эффективны вибраторы направленного действия, которые обычно применяют для активизации рабочих органов землеройных машин.

Виброударный рабочий орган (вибромолот) производит как вибрационное, так и ударное воздействие на грунт. Он состоит из вибратора (см. рис. 8.7, б) и рабочего инструмента, соединенных пружинами. При движении вибратора под действием вынуждающей силы пружины вначале запасают энергию, а затем отдают ее инструменту, увеличивая силу соударения бойка и наковальни. Режим работы вибромолота зависит от регулировки механизма. Число ударов может быть равным частоте колебаний вибратора или быть меньше ее. Это число в значительной степени зависит от зазора х между бойком и наковальней, который может быть положительным, нулевым или отрицательным (боек прижимается к наковальне с определенной силой).

52

Рис. 8.7. Схемы рабочих органов вибромашин:

а – вибрационного действия; б – виброударного действия; в – частоударного действия; 1 – вибратор; 2 – боёк; 3 – наковальня; 4 – рабочий инструмент; 5, 6 – пружины

Когда вибратор и рабочий инструмент (см. рис. 8.7, в) не соединены, на грунт передаются частоударные нагрузки. По данным исследований, такие рабочие органы несколько менее эффективны, чем виброударные.

8.3.ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

8.3.1.Используя методические указания, плакаты и кинофильм, изучить общее устройство и назначение машин для разработки мёрзлых грунтов.

8.3.2.Определить основные параметры и производительность машины для разработки мёрзлых грунтов по исходным данным (табл. П.7), используя выражение (8.1).

Техническая производительность роторных экскаваторов с резцами для разработки мёрзлых грунтов:

где bТ – ширина траншеи, м; hТ – глубина траншеи (максимальная, по технической характеристике), м; υР – скорость резания (окружная скорость вращения ротора), м/с.

53

8.4. ФОРМА ОТЧЁТА

8.4.1.Цель работы.

8.4.2.Описание назначения, устройства и классификации машин и оборудования для разработки мёрзлых грунтов.

8.4.3.Определение основных параметров и производительности по формуле (8.1).

8.4.4.Формулирование кратких выводов по лабораторной работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Назовите, какими способами можно разрабатывать мёрзлые грунты.

2.Поясните назначение и принцип работы баровой и фрезерной машин.

3.Объясните вибрационный способ разрушения мёрзлых грунтов и нарисуйте конструктивные схемы вибромашин.

4.В чём отличие виброударных от частоударных машин?

5.Напишите уравнение производительности роторных экскаваторов с резцами.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

ИЗУЧЕНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И КОНСТРУКЦИИ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ

9.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы заключается в изучении студентами рабочего процесса, конструкции и определении производительности машин и оборудования для гидромеханизации земляных работ.

9.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Гидромеханизация – особый вид механизации земляных работ, при котором все операции процесса (разработка, транспортировка и укладка грунта) или некоторые из них выполняют с помощью воды. При этом от забоя к месту укладки подаётся смесь грунта и воды, называемая пульпой. Этот непрерывный процесс обеспечивает комплексную механизацию земляных работ.

Преимущества гидромеханизации земляных работ состоят в высокой производительности оборудования и труда с подачей грунта на большие расстояния, возможности разработки грунта из-под воды, естественного уплот-

54

нения укладываемого намывом грунта и в возможности разделения его на фракции. Необходимо, однако, учитывать, что производительность и стоимость гидромеханизированных земляных работ в значительной мере зависят от местных условий. Данный способ применим не для всех групп грунта. Плохо поддаются такой разработке грунты, содержащие большое количество камней, а также плотные глинистые.

Различают два способа гидромеханизации земляных работ – закрытый (подводный) и открытый. При закрытом способе применяют плавучие землесосные установки, снабженные всасывающей трубой, которую опускают на дно водоёма. Водяным потоком, всасываемым землесосом, захватывают со дна грунтовые частицы и образовавшуюся пульпу перекачивают по трубам к месту отвала, где частицы оседают, а вода уходит.

С учётом этих двух способов оборудование для механизации работ тоже подразделяют на две группы: для землесосных и для гидромониторных работ. Особую группу составляет вспомогательное оборудование.

В первую группу входят землесосные снаряды (автономные и с питанием от береговых энергетических систем), во вторую – гидромониторы, насосные и землесосные установки. Водоводы и пульпопроводы, а также перекачивающие землесосные установки включают в обе группы.

Трудоёмкость работ и удельный расход электроэнергии при гидромониторном способе более высокие, чем при землесосном.

Землесосный снаряд (рис. 9.1) представляет собой землеройную машину непрерывного действия, предназначенную для разработки грунта в подводном забое и перемещения его к месту укладки. Это плавучий агрегат, оборудованный рядом специальных устройств (рис. 9.2).

Рис. 9.1. Общий вид землесосного снаряда

55

К ним относятся грунтозаборное устройство, предназначенное для непрерывного отделения грунта от массива забоя, грунтовый насос, всасывающий и перекачивающий пульпу, всасывающий пульпопровод – трубопровод, соединяющий грунтозаборное устройство с грунтовым насосом, напорный пульпопровод, предназначенный для соединения грунтового насоса с береговыми пульпопроводами.

Землесосный снаряд имеет также устройство для рабочих перемещений, обеспечивающее непрерывный контакт грунтозаборного устройства с разрабатываемым грунтом (оперативные лебедки и свайное оборудование). Силовые установки снаряда используют для приведения в действие грунтового насоса (главная машина), дизель-электрические установки – для приведения в действие механизмов рабочих перемещений, для освещения, водоснабжения и бытовых нужд.

Грунтозаборные устройства могут быть двух типов: для непосредственного всасывания без предварительного разрыхления грунта и с каким-либо рыхлителем, повышающим интенсивность грунтозабора. Основной частью этого устройства является наконечник, в зев которого при работе грунтового насоса поступает вода. Скорость движения воды возрастает с приближением к зеву наконечника, достигая в его плоскости 1,5…2 м/с. Струи воды, попадающие на грунт, размывают его и увлекают во всасывающее отверстие; в грунте образуются фильтрационные потоки, увлекающие частицы грунта.

Рис. 9.2. Схема землесосного снаряда:

1 – грунтозаборное устройство; 2 – лебедка; 3 – напорный пульпопровод; 4 – свайное устройство; 5 – плавучий пульпопровод; 6 – грунтовой насос; 7 – всасывающий пульпопровод; 8 – корпус

Способ непосредственного всасывания грунта из-под воды достаточно эффективен при разработке не слежавшихся песков. Поэтому грунтозаборные устройства большинства земснарядов, предназначенных для работы в плотных и связных грунтах, оснащают разрыхлителями, которые разрушают грунт непо-

56

средственно перед всасывающим отверстием. По принципу действия разрыхлители можно разделить на два класса – гидравлические (рис. 9.3) и механические

(рис. 9.4).

Рис. 9.3. Схема всасывающего наконечника:

1 – всасывающая труба; 2 – всасывающий патрубок; 3 – сопла; 4 – коллектор; 5 – труба для подачи воды

Водогрунтовую смесь всасывает грунтовый насос или, как его называют, землесос (рис. 9.5). В результате вращения рабочего колеса пульпа, заполняющая внутреннюю полость корпуса, отбрасывается от центра насоса к концам лопастей и направляется в отливной канал. Вследствие этого в центральной части насоса образуется зона пониженного давления, в которую под влиянием атмосферного давления устремляется пульпа от всасывающего патрубка.

Рис. 9.4. Схема фрезерного рыхлителя:

1 – фреза; 2 – всасывающее отверстие; 3 – всасывающая труба; 4 – ножи; 5 – рёбра ступицы; 6 – направление перемещения фрезы

57

Рис. 9.5. Грунтовой насос:

1 – лопасти; 2 – всасывающий патрубок; 3, 5 – диски рабочего колеса; 4 – корпус; 6 – трубка для подачи воды; 7 – ступица; 8 – вал; 9 – сальниковое

уплотнение; 10 – крышка корпуса; 11 – отливной канал. Стрелками показаны направления движения пульпы

Рабочие перемещения землесосных снарядов должны обеспечивать движение грунтозаборного устройства в горизонтальной плоскости. При этом движение должно осуществляться по заданным траекториям с регулируемой скоростью, без холостых ходов, т. е. движения грунтозаборного устройства по выработанным участкам забоя.

Впоследние годы применяют три способа рабочих перемещений земляных снарядов: канатный, свайно-канатный и свайный. Каждый способ может осуществляться по нескольким схемам в зависимости от характера работ, выполняемых земснарядом. В соответствии с этими схемами земснаряд с грунтозаборным устройством может перемещаться поступательно вдоль своей продольной оси или поперек нее; может совершать веерное движение, поворачиваясь относительно неподвижной точки или, оставаясь на месте, поворачивать в горизонтальной плоскости грунтозаборное устройство и т. д. Большая часть землесосных снарядов с грунтозаборным устройством в процессе работы движется по дугам окружностей. Их центрами служат сваи, опущенные в грунт.

Всостав свайного устройства входят две сваи, расположенные в кормовой части снаряда, и лебедки, с помощью которых он совершает повороты.

58

Сваи поднимают и опускают в грунт попеременно, что дает возможность поворачивать землесосный снаряд относительно их поочередно.

На рис. 9.6 сплошными линиями показано первоначальное положение снаряда П у правой бровки разрабатываемого участка.

Рис. 9.6. Способ папильонирования с рабочим свайным ходом:

а – план; б – положение напорной сваи в прорези корпуса; П, Л – положение земснаряда соответственно у правой и левой бровок; С – среднее положение снаряда; I … VII – папильонажные ленты; I …IV – положения

напорной сваи; 2В – ширина разрабатываемого участка; 1 – напорная свая; 2 – прикольная свая

59

Снаряд поворачивается вокруг сваи с помощью натягиваемых тросов, соединенных с якорями. В это время фреза разрабатывает грунт на площади ленты, после чего снаряд переходит в положение Л (у левой бровки). Затем при помощи напорного механизма землесосный снаряд отталкивается от сваи, продвигается вперед на ширину одной ленты и совершает рабочий ход в обратном направлении. Такие веерные перемещения грунтозаборного устройства или землесосного снаряда называют папильонированием (в переводе с французского — порхание бабочки).

Основным оборудованием для выполнения гидромониторных работ служат гидромониторы – устройства, предназначенные для формирования компактной водяной струи. Они превращают потенциальную энергию воды, подаваемой по напорному трубопроводу, в кинетическую энергию струи и направляют ее в нужную точку забоя. В результате действия струи грунт разрушается и, смешиваясь с водой, образует пульпу.

Гидромонитор (рис. 9.7) состоит из неподвижного нижнего колена и верхнего, которое можно поворачивать вокруг вертикальной оси благодаря вертикальному шарнирному устройству. Подвижное колено с помощью шарового шарнира соединено со стволом, несущим на конце насадку. Оси шарниров взаимно перпендикулярны. Шаровой шарнир дает возможность поворачивать ствол гидромонитора в вертикальной плоскости на угол около 25° вниз и около 50° вверх от горизонтального положения. Воду подводят к нижнему колену, из которого она поступает в верхнее колено, а через ствол и насадку в виде компактной струи выбрасывается наружу.

Рис. 9.7. Гидромонитор:

а – общий вид гидромонитора; б – вертикальный шарнир гидромонитора; 1 – нижнее колено; 2 – обойма; 3 – шарикоподшипник; 4 – кольцо; 5 – крышка сальника; 6, 9 – стяжные болты; 7 – фланец верхнего колена; 8 – верхнее колено; 10 – шарнирное устройство; 11 – шаровой шарнир; 12 – ствол;

13 – насадка; 14 – сальник

60