Машины и оборудование для разработки мерзлых грунтов

3.2. Машины с падающими рабочими органами

Разрушение мерзлого грунта машинами этого типа осуществляется кинетической энергией, развиваемой падающей массой самого рабочего органа (рис. 31, в, 32).

Машины с падающим рабочим органом в настоящее время получили наибольшее распространение. Это объясняется, во-первых, простотой конструкции по сравнению с машинами, имеющими забиваемый рабочий орган. Машины с падающими рабочими органами эффективны при рыхлении грунта, промерзшего до 1,0–1,5 м. Обычно эти машины представляют собой навесное оборудование, расположенное чаще всего сзади трактора. Состоит оно из жестких направляющих, клинообразного рабочего органа и механизма подъема рабочего органа.

Рис. 31. Принципиальные схемы рабочего оборудования динамического действия с рабочим органом различного типа: а – свободно падающим; б – падающим в направляющих при креплении их в двух точках; в – то же при креплении в одной точке; г – забиваемым при креплении направляющих в одной точке; д – виб-

рационным; е – виброударным

71

Первые конструкции мерзлоторыхлителей имели в качестве рабочего органа широкий прямоугольный клин или клин гребенчатой конструкции. Эти машины обладали малой надежностью и долговечностью. При ударе клина о грунт равнодействующая сила сопротивления грунта, как правило, проходит через ось клина. Это происходит в результате неравномерной прочности грунта, твердых включений, неровностей рельефа и невозможности точного попадания в лунку при повторных ударах. В результате этого возникают большие динамические моменты сил, действующие на направляющую раму мерзлоторыхлителя, которые часто приводят к разрушению рамы. Это вызывает большие простои мерзлоторыхлителя в ремонте и, следовательно, снижает фактическую производительность машины.

Рис. 32. Трубчатый мерзлоторыхлитель: 1 – автоматическое сцепное устройство; 2 – механизм автоматического отклонения лебедки; 3 – рабочий орган; 4 – направляющая труба; 5 – шарнирная подвеска; 6 – каркас; 7 – зеркало; 8 – лебедка; 9 – узел амортизации; 10 – противовес

72

Трубчатый мерзлоторыхлитель в значительной мере лишен этого недостатка. Особенностью этой машины является цилиндрическая форма клина с центрально (пирамидально) заостренным наконечником (см. рис. 32). Такая форма рабочего органа обеспечивает центральный удар по грунту, при котором значительно снижается динамическое воздействие на направляющую раму по сравнению с другими формами клина. Цилиндрическая форма рабочего органа позволила применить в качестве направляющей рамы трубу, что упростило конструкцию и изготовление машины.

Простота конструкции, возможность изготовления в условиях мастерских строительных организаций и сравнительно высокая надежность в работе обусловили широкое применение трубчатых мерзлоторыхлителей в различных районах страны.

Эти машины имеют ряд недостатков: быстрый износ фрикционов лебедок, сравнительно большое время на перестановку рыхлителя на новую позицию, неудобное для машиниста расположение рабочего органа и рычагов управления.

Дальнейшее совершенствование машин подобного типа должно быть направлено в первую очередь на устранение этих недостатков.

3.3. Машины с забиваемыми рабочими органами

Разрушение мерзлого грунта машинами этого типа осуществляется путем забивания в мерзлоту клиновидного рабочего органа ударами падающего груза (см. рис. 31, г и 33). Рабочий орган является промежуточным телом, передающим импульс от падающего груза разрушаемому грунту. Энергия, идущая на разрушение грунта, может быть получена за счет кинетической энергии падающих с определенной высоты грузов или энергии сжатой пружины, передаваемой бойку.

Эти машины получили пока меньшее распространение в строительстве по сравнению с установками, имеющими падающий рабочий орган. Они более сложны. Жесткость удара при работе машин с забиваемым рабочим органом намного выше, чем у машин с падающим клином, что приводит к высоким напряжениям в деталях и узлах рабочего органа.

73

3.4. Основы выбора параметров машин ударного действия

Минимальная величина работы одного удара:

для рыхлителей с падающим клином А/S = 3...4 кгм/см2;

для рыхлителей с забиваемым клином А η/S = 0,8...1,5 кгм/см2, где А – величина работы одного удара;

S – площадь максимального поперечного сечения рабочего органа, внедряемого в грунт;

η – КПД передачи энергии рабочему органу,

где m1 – масса ударного груза; m2 – масса рабочего органа.

Усилие при подъеме рабочего органа в момент извлечения его из массива грунта складывается из веса клина и сил защемления его в грунте. Рабочий орган зажимается в образованной им лунке за счет упругих деформаций грунта.

Сила защемления рабочего органа в грунте зависит от формы и угла заострения рабочего органа, глубины внедрения и свойств грунта. Величина угла заострения лежит в следующих пределах:

– машины с падающим рабочим органом: монолитным – 30...40°;

с подпружиненным молотом – 20...30°;

–машины с забиваемым клином: динамического действия – 30°; комбинированного действия – 7...10°.

Максимально возможная сила заклинивания рабочего органа (падающего, монолитного) при температуре грунта, близкой к 0 °С, может быть определена из выражения

где К1 – коэффициент, зависящий от формы рабочего органа и свойств грунта;

76

Р0 – коэффициент сопротивления мерзлого грунта вдавливанию;

δ– показатель степени, зависящий от формы рабочего органа

исвойств мерзлого грунта;

h – глубина внедрения рабочего органа;

α – половина угла заострения рабочего органа;

f – коэффициент трения рабочего органа о мерзлый грунт;

а– коэффициент релаксации напряжений.

Вслучае применения рабочего органа с подпружиненным молотом усилие для извлечения защемленного клина намного ниже максимально возможной силы заклинивания. Определить усилие извлечения этого рабочего органа из следующей зависимости:

где m1 – масса подпружиненного молота; т2 – масса рабочего органа (G).

Энергия сжатия пружины

Е = сλ/2; Е = (0,025…0,040) А,

где с – жесткость пружины, с = (25…40) 3G , кг/см;

λ– величина зазора между подпружиненным молотом и клином. Производительность мерзлоторыхлителя (м3/ч)

где h – глубина рыхления, м; S – шаг позиции, м;

l3 – расстояние между линиями позиции, м; Кв – коэффициент использования по времени; tц – время цикла, мин,

77

tц tп nnp ,

м

где tп – время на перестановку с одной рабочей позиции на другую;

nр – число ударов, необходимое для разрушения грунта в одной позиции;

nм – число ударов груза или рабочего органа в минуту.

где W – количество работы, необходимое для внедрения рабочего органа, кгм;

А – величина работы одного удара, кгм;

K1 – коэффициент, зависящий от формы рабочего органа; Кд – коэффициент динамичности;

i – показатель степени, зависящий от формы рабочего органа и свойств мерзлого грунта;

f1 – коэффициент трения скольжения рабочего органа о мерзлый грунт;

η – КПД передачи энергии рабочему органу.

Для рыхлителей с падающим клином число пр уточняют, разделив его на величину

где q – коэффициент, характеризующий величину упругих деформаций грунта.

Частоту ударов в минуту можно определить по мощности базовой машины

78

3.5. Вибрационные рабочие органы для разработки мерзлых грунтов

Для повышения эффективности механической разработки грунтов широко проводятся опыты с виброрыхлителями, виброклиньями, экскаваторными ковшами с виброударными зубьями, роторными вибрационными рабочими органами и т.п. Все многообразие рабочих органов, применяемых для разработки мерзлых грунтов с использованием вибрации, по силовой схеме воздействия их на грунт можно разделить на три вида (рис. 36): вибрационные, виброударные и частоударные.

Основными параметрами рабочих органов с виброприводом являются сила, развиваемая на рабочем органе при ударе, энергия одного удара, частота ударов, величина статической пригрузки, мощность, затрачиваемая на вибропривод.

Рис. 36. Рабочие органы вибрационного принципа действия: а – чисто вибрационный; б – виброударный; в – частоударный; 1 – вибратор; 2 – рабочий орган – клин; 3 – боек; 4 – наковальня; 5 –пружина

Вибрационный рабочий орган представляет собой обычный рабочий орган, к которому жестко присоединен вибратор. При синфазном вращении дебалансов вибратора вертикальные составляющие возмущающих сил в первом приближении складываются с основной силой, действующей на грунт (вес, вдавливание и т.п.).

79

Виброударный рабочий орган состоит из вибромолота и рабочего инструмента, соединенных между собой пружинами. При правильно подобранных размерах зазора между виброблоком и рабочим органом и параметрах пружин колебательные движения виброблока сопровождаются периодическими ударами бойка по наковальне рабочего органа. При использовании виброударного рабочего органа на грунт передаются ударное и вибрационные воздействия.

Частоударный рабочий орган является модификацией виброударного. Он проще в конструктивном оформлении, но значительно уступает по техническим данным (недостаточная стабильность работы, возможность перекосов и т.п.). Опыт показывает, что чисто вибрационные рабочие органы менее эффективны, чем виброударные и частоударные, однако последние менее долговечны (в 5–10 раз). Моторесурс узлов вибромолота составляет примерно 20–30 ч, вибрационных рабочих органов 100–200 ч. Опытные конструкции с рабочим органом в виде виброклина осуществлены на базе тракторов Т-140 (рис. 37), Т-100, а также на вальцевом рыхлителе и др.

Рабочее оборудование виброклина смонтировано в задней части трактора и представляет собой мощную раму, выполненную из проката, по вертикальным направляющим которой на роликах передвигает-

передачу с промежуточным шарнирно подвешенным валом. Такая передача позволяет вибратору перемещаться по направляющим при погружении клина в мерзлый грунт на глубину до 1 м. Для подъема виброклина служит виброцилиндр. Для предохранения трактора от вибраций направляющие рабочего органа крепятся к раме через резиновые листовые амортизаторы толщиной 40 мм.

80