Машины и оборудование для разработки мерзлых грунтов

При сезонной мерзлоте породы целесообразно разрабатывать методом отрыва (рис. 21, а), при котором рыхление производится с наименьшими энергозатратами (рис. 21, б), так как рабочий орган перемещается по талому слою, находящемуся под мерзлым слоем породы. Приближенно можно считать, что разрушение пород от силы Р происходит по линии АВ, и от массива отделяется объем пород площадью CDEF на расстояние l.

Рис. 21. Схема разрушения мерзлых пород отрывом (а) и сопротивление мерзлой глины (б) при отрыве (1), сдвиге (2) и сжатии (3)

В этом случае, как и при резании по линии DC и EF, происходит отрыв при растяжении, а на конце режущей кромки ножа – срез. Тогда зависимость сопротивления разрушению пород режущим рабочим органом будет выражаться уравнением [9]

где mбок, mбок.ср – соответственно коэффициенты, характеризующие силы разрушения в боковых расширениях, появляющихся, начиная от острой кромки ножа; силы в боковых гранях ножа около режущей поверхности.

51

2.2.Машины для устройства щелей и траншей

вмерзлых грунтах

Щели в мерзлом грунте нарезают для укладки кабеля, трубопроводов малого диаметра, а также для послойной разработки грунтов. Нарезание щелей в основном производится машинами, работающими по способу фрезерования. В качестве рабочих органов этих машин могут быть применены дисковые фрезы и бесконечные цепи с резцами – бары. При рытье широких траншей используются многоковшовые экскаваторы – роторные и цепные специального назначения, которые производят разрушение грунта комбинированным способом.

2.2.1. Баровые машины

Баровые машины (рис. 22) служат для нарезания щелей, представляют собой машины продольного резания с рабочим органом в виде одной или двух бесконечных цепей с закрепленными на них зубьями, состоят из ходового механизма 1, двигателя 2, трансмиссии 4, барового рабочего органа 5 с кулачковой цепью и механизма 3 его подъема и опускания.

Принцип работы машины следующий: сначала, одновременно с опусканием рабочего органа, приводится в движение кулачковая цепь. Поворачиваясь в вертикальной плоскости, бар постепенно врезается в грунт до необходимой глубины. Затем включается рабочий ход (подача). В результате в грунте нарезается щель; размельченный грунт выносится режущей цепью.

Рис. 22. Схема баровой машины

52

В качестве базовых машин используются, как правило, тракторы общего назначения и траншейные экскаваторы (см. рис. 28). В первом случае на трактор устанавливается ходоуменьшитель и редуктор отбора мощности, крепятся кронштейны и монтируется баровое оборудование. Во втором – используются элементы траншейного экскаватора, что снижает стоимость переоборудования и позволяет круглогодично использовать базовую машину. На мощных базовых машинах могут монтироваться несколько баров, работающих одновременно.

Привод рабочего органа осуществляется с помощью редуктора отвала отбора мощности трактора или непосредственно от турасного вала экскаватора, подъем и опускание – с помощью гидроцилиндров. Бульдозерное оборудование позволяет осуществлять различные вспомогательные работы. Для скалывания мерзлого грунта между щелями разработаны специальные скалывающие устройства, например ОМГ-3, представляющие собой систему закладных гидравлических клиньев, работающих в комплексе с баровой машиной.

К числу основных конструктивных параметров баровых землеройных машин относят глубину прорезаемой щели (длину бара), ширину щели, скорости передвижения машины (рабочую и транспортную), максимальное тяговое усилие, скорость движения кулачковой цепи, число линий резания, крутящий момент механизма поворота бара (при переводе в транспортное положение), массу и габариты машины (табл. 7).

Длина бара Lб определяется глубиной прорезаемой щели Нщ, углом наклона бара к вертикали Нп и минимальной высотой приводного вала режущей цепи над уровнем грунта:

Ширина нарезаемой щели Вщ зависит от назначения последней. Например, для прокладки кабельных коммуникаций Вщ не должна быть менее 230–270 мм. Если щели нарезаются для рыхления мерзлого грунта по площади, то щель должна быть минимальной. Барами врубовых машин можно нарезать щели шириной 120–150 мм.

Ширина реза b обусловливается числом линий резания т:

b Bщ / m .

53

Таблица 7

Техническая характеристика баровых установок

Рабочая скорость передвижения машины vп (м/ч) выбирается во взаимосвязи со скоростью резания vр (м/с) мерзлого грунта баровым рабочим органом и толщиной стружки h (см):

Z – число режущих зубков цепи.

Скорость резания, или скорость движения режущей цепи, взаимосвязана со скоростью подачи vп.

Скорость резания определяется в зависимости от производительности Пр (м3/ч) по рыхлению мерзлого грунта и от объема грунта, оставшегося в щели, По (м3/ч):

где Kрых – коэффициент разрыхления мерзлого грунта, Kрых = 1,20...1,45; Kо – коэффициент, характеризующий объем оставшегося в щели грунта в зависимости от соотношения ширины и толщины

направляющей рамы бара, длины бара и угла его наклона.

54

Производительность бара по удалению грунта из щели Пуд (м3/ч) можно определить по формуле

Пуд = Пр – По

или

где Vк – объем грунта, вынимаемый из щели кулачком с режущим зубом;

Kу – коэффициент, характеризующий влияние на производительность угла установки бара β;

t – шаг кулачковой цепи.

Преобразовав представленные выражения, получаем формулу для нахождения минимально возможной скорости резания грунта vp (м/с):

где Рп – усилие подачи;

Pj – сила инерции машины при поступательном движении;

– составляющая веса машины с учетом угла наклона в направлении движения α;

Рf – сила сопротивления качению базовой машины.

Крутящий момент, развиваемый механизмом поворота бара, должен быть рассчитан исходя из условий обеспечения принудительного напора бара на грунт при работе и возможности перевода рабочего органа в транспортное положение.

Мощность двигателя Nдв определяется по известной методике и равна сумме мощностей, затрачиваемых на разработку и транспортировку грунта из щели, рабочий ход или подачу машины при резании грунта, на преодоление сопротивления движения базовой машины,

55

на заглубление и подъем рабочего органа, преодоление подъемов и уклонов, буксование и потери в механизмах.

Таким образом, разработка мерзлого грунта баровыми машинами менее энергоемка, чем клин-бабами, клин-молотами, прогревом и т.д., поскольку рыхлению подвергается не весь массив грунта, а только в объеме щелей, располагаемых на определенном расстоянии друг от друга. Основным недостатком этих машин является быстрый износ резцов (один комплект обеспечивает нарезание щели длиной 800–1000 м), их малая надежность и недолговечность, поскольку мерзлый грунт обладает высокой абразивностью.

2.2.2. Дискофрезерные машины

Фрезерные машины создают на базе гусеничных тракторов или роторных траншейных экскаваторов (рис. 23). Их конструктивная схема, как и принцип работы, аналогичны экскаваторам. Основным отличием является небольшая (до 270 мм) ширина отрываемой щели и небольшая по сравнению с диаметром фрезы глубина щели, которая ограничена условиями выноса разрушенного грунта на поверхность.

Дискофрезерные машины, как и бары, относятся к щеленарезным машинам и предназначены для разработки прочного грунта путем образования в его массиве системы щелей-надрезов, разделяющих массив на блоки, которые затем удаляются одноковшовым экскаватором. Такой способ разработки рекомендуется для грунтов, замерзших на глубину до 1 м. Опыт показал, что щели достаточно прорезать на глубину, равную 0,7–0,8 глубины промерзания, где прочность замерзшего грунта уже значительно снижена. Ширина щели ограничивается условиями прочности рабочего органа. У дискофрезерных машин диаметр диска составляет 0,4–2,7 м, что позволяет нарезать щели глубиной до 1,2 м.

Схема устройства дискофрезерных машин представлена на рис. 24. Рабочий орган 4 в виде дисковой или кольцевой фрезы диаметром около 2,5...3,0 м. Фрезы (1–2 шт.) смонтированы на раме 3. Рама крепится к базовой машине (тягачу) у заднего моста. Подъемопускание рабочего органа осуществляется гидроцилиндрами 6, закрепленными к неподвижной раме 7. На тягаче установлен ходоуменьшитель 1. Привод фрезы осуществляется через редуктор 2.

56

Самым большим недостатком этих машин является быстрый износ и поломка резцов. Поэтому в последнее время разработана щелерезная машина с дисковыми шарошками (рис. 25), предназначенная для вечномерзлого грунта V...VII категории трудности. Базовой машиной служит экскаватор ЭТР-134 с мощностью двигателя 90 кВт.

Ширина и глубина прорезаемой щели соответственно 0,28 и 1,3 м. Рабочий инструмент состоит из дисковых шарошек, разрабатывающих грунт, и лопаток, предназначенных для выемки грунта из прорезанной щели. Дисковые шарошки установлены в опорах и расставлены так, чтобы они работали в условиях полублокированного резания. Диаметр шарошек 0,2 м. Угол заострения 35 и 40°. Шаг шарошек и лопаток можно регулировать благодаря изменению положения точек крепления на дисках ротора.

Рис. 25. Ротор с дисковыми шарошками: а – общий вид; б – схема расположения дисков и лопаток; 1 – ротор; 2 – дисковая шарошка; 3 – лопатки для выемки грунта из прорези

Исследования Р.Б. Желукевича показали, что дисковые шарошки имеют путь трения по грунту, уменьшенный в 10–20 раз по сравнению с резцами баровых машин. При этом удельная нагрузка на грунт, передаваемая шарошками, установленными с возможностью осевого вра-

58

щения, увеличивается в 3–5 раз. Это позволяет при одновременном возрастании износостойкости дисковых шарошек в 5–10 раз по сравнению с резцами увеличить производительность нарезания щелей в 2–3 раза. Диски выполнены из стали 40 в термообработанном состоянии.

Дисковые шарошки работают следующим образом. При действии усилия подачи диски внедряются в грунт и при вращении ротора перекатываются по забою. Первой внедряется дисковая шарошка, продольная ось которой совпадает с продольной осью ротора. Этот диск работает в условиях блокированной разработки грунтов. Остальные дисковые шарошки смещены по ходу вращения ротора в сторону и разрушают вечномерзлый грунт по полублокированной схеме, скалывая выступы грунта, остающиеся после прохода предыдущего диска.

2.2.3. Роторные траншейные экскаваторы

Роторные траншейные экскаваторы предназначены для обеспечения земляных работ в зимнее время по прокладке нефте- и газопроводов, канализационных и водопроводных сетей, кабельных коммуникаций, ленточных фундаментов и для других объектов (рис. 26).

Рис. 26. Экскаватор траншейный роторный

Экскаватор ЭТР-223 предназначен для рытья траншей в грунтах до IV категории включительно и в мерзлых грунтах глубиной промерзания до 1 м. В талых грунтах до III категории включительно можно рыть с откосами в верхней части, в грунтах IV категории и в мерзлых грунтах – без откосов.

Кроме гидросистемы привода хода экскаватор оснащен гидросистемой, обеспечивающей изменение высоты подвески рабочего органа и вылета транспортера.

59

Техническая-характеристика экскаватора ЭТР-223:

При подготовке экскаваторов для работы в зимнее время основные изменения коснулись трансмиссии базовой машины и рабочего органа. В результате доработок рабочая скорость тягача снизилась до 200 м/ч, а новой принципиальной особенностью усиленного рабочего органа является симметричная ступенчато-шахматная расстановка грунта более крупным сколом (рис. 27).

Рис. 27. Схема расстановки зубьев на ковшах (а) и порядок расположения ковшей на роторе (б)

60