Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

261

ляет правым гидроцилиндром подъема тяговой рамы. Точность планирования продольных уклонов составляет ± 6 мм при рабочей скорости до 0,9 км/ч, и до ±10 мм при скорости до 3,6 км/ч, а поперечных уклонов соответственно ± 0,2 и ± 0,5 %. За счет повышения точности обработки поверхностей при использовании автоматической системы стабилизации продольных и поперечных уклонов повышается качество работ, число проходов автогрейдера сокращается примерно в два раза, снижается утомляемость машиниста.

Рабочий процесс грейдера сходен с работой бульдозера, оборудованного поворотным в плане отвалом. При выполнении профилировочных работ для лучшего внедрения в грунт отвала широко пользуются его перекосом, вырезая стружки треугольного поперечного сечения. Таким способом сооружают, например, грунтовые дороги, вырезая грунт из придорожных канав и перемещая его в насыпь дороги, профилируют корыто дороги в подготовленном земляном полотне и т. п. Грейдеры эффективно применять при длине рабочих участков (захваток) более 500 м. На коротких захватках увеличивается количество разворотов машины и перестановок рабочего органа, в результате чего производительность грейдеров снижается. Полноповоротная система отвала автогрейдера и дистанционное управление всеми его рабочими перемещениями обеспечивают работу на коротких захватках челночным способом, который менее удобен по управлению при движении машины задним ходом, но в некоторых случаях может оказаться более экономичным по сравнению с обычным способом с разворотами на границах захваток. При возведении насыпей из боковых резервов грейдеры эффективно применять при дальности перемещения грунта до 30 м.

Эксплуатационные расчеты. Требуемое тяговое усилие 5 т, которым преодолеваются сопротивления движению грейдера, определяют по изложенной ранее методике для бульдозеров. У автогрейдеров это усилие (Н) ограничивается сцеплением ведущих колес с грунтом:

где Gсц– сила тяжести грейдера, приходящаяся на ведущие колеса, Н; –

коэффициент сцепления; при работе в рыхлых грунтах принимают 0,5...0,6. При всех ведущих колесах в формуле (4.27) учитывается полная сила тяжести машины, а при четырех из шести ведущих колесах — лишь

0,7...0,75 этой силы.

Так же по выведенным ранее формулам для бульдозера определяют производительность грейдера на профилировочных и планировочных работах.

Грейдер-элеваторы. Грейдер-элеваторы предназначены для копания немерзлых грунтов в материковом залегании на горизонтах выше уровня грунтовых вод и отсыпки его в насыпи, отвалы или в транспортные средства. Их используют для возведения насыпей из боковых резервов, образования продольных выемок, устройства каналов в полувыемкахполунасыпях и других подобных сооружений.

,

262

Грейдер-элеваторы выполняют как полуприцепные машины-орудия, агрегатируемые с тракторами (гусеничными или колесными) или одноосными тягачами. Реже их выполняют как сменное навесное оборудование на автогрейдере. У полуприцепных грейдер-элеваторов основная рама (рис. 4.46) опирается на два пневмоколеса 10. У машин с большим вылетом отвального конвейера одно из колес – левое – в транспортном положении устанавливают симметрично со вторым колесом относительно продольной оси машины, а в рабочем положении для повышения устойчивости его отодвигают, устанавливая на специальной откидной оси. Передней частью основная рама соединена с тягачом по схеме универсального шарнира сцепным устройством 6. Рабочий орган в виде дискового плуга 8 подвешен на кронштейне Р к плужной балке 7. Он ориентирован так, что при движении машины вперед вырезает из грунта стружку с поперечным сечением в форме эллиптического сегмента. Отделенный от массива грунт, поднявшись по внутренней сферической поверхности плуга, отваливается на ленточный конвейер 5, расположенный поперек основной рамы, которым он отсыпается в насыпь, отвал или транспортное средство. В зависимости от прочности разрабатываемых грунтов глубину стружки регулируют подъемом-опусканием плужной рамы с помощью гидроцилиндра 3. Угол наклона ленточного конвейера и, следовательно, высоту подъема грунта для разгрузки регулируют гидроцилиндром 4.

Для перемещения грунта на большие расстояния ленточный конвейер наращивают вставками. Гидравлические цилиндры питаются рабочей жидкостью от насосной установки, расположенной на тягаче или на грейдерэлеваторе. В первом случае она приводится в движение от двигателя тягача, а во втором — от собственного двигателя 2, управляемого дистанционно из кабины машиниста тягача.

Рис. 4.46. Грейдер-элеватор: 1− рама; 2−двигатель; 3, 4− гидроцилиндры; 5− конвейер; 6− сцепное устройство; 7 плужная балка; 8− дисковый плуг; 9− кронштейн;

10−колеса

Рабочий процесс грейдер-элеватора состоит из последовательных проходов машины по отрабатываемому участку с разворотами в конце последнего. Для снижения непроизводительных затрат времени на поворотные движения грейдер-элеваторы целесообразно применять на участках протяженностью 200...500 м и более. Некоторые модели грейдерэлеваторов позволяют работать челночным способом после установки рабочего органа в требуемое положение на концах участка.

,

υзх = 7,5...14,5 км/ч, для тракторов с механическими передачами

υр = 2,35...3,2 км/ч, υзх = 7,6...8,5 км/ч.

При разработке высокопрочных грунтов перекрестным способом (в двух взаимно перпендикулярных направлениях) производительность определяют раздельно для продольных и поперечных проходов, а затем находят ее среднее значение.

Повысить производительность рыхлителя и улучшить его тяговосцепные свойства можно за счет рационального выбора направления рабочего движения, отдавая предпочтение движению под уклон, резервирования части неубранного после предшествующих проходок грунта или породы слоем 5...7 см, удаления снежного покрова перед разрыхлением мерзлых грунтов для улучшения сцепления движителя, совместной работы с тракторами-толкачами. В последнем случае энергозатраты на разрыхление грунта увеличиваются примерно в два раза, а производительность повышается в три-четыре раза.

4.5. Бурильные машины и оборудование

Бурением называют процесс образования земляной выемки обычно круглого поперечного сечения путем разрушения грунта (горной породы) в ее лобовой (донной) части и извлечения на поверхность продуктов разрушения. В зависимости от ориентации подачи рабочего органа на забой различают вертикальное, горизонтальное и наклонное бурение. Вертикальные выемки глубиной, соизмеримой с размерами поперечного сечения, называют ямами. В ямы устанавливают столбы дорожных знаков, надолб и ограждений, железобетонные опоры линий электропередачи и связи и т. п. Выемки большой глубины по сравнению с размерами поперечных сечений называют скважинами (например, вертикальные колодезные скважины, горизонтальные скважины для бестраншейной прокладки труб под насыпями дорог и т. п.). Скважины с малыми размерами поперечных сечений, используемые для закладки в них взрывчатых веществ при разработке прочных грунтов и горных пород взрывом, называют шпурами.

Для образования ям и вертикальных или наклонных скважин применяют бурильно-крановые машины, на которых кроме бурового рабочего оборудования монтируют крановое оборудование для установки в ямы столбов, надолб, опускания в скважины свай, блоков колодезных облицовок и т. п. Из-за рассредоточенности строительных объектов и необходимости в связи с этим частого перебазирования бурильно-крановое оборудование монтируют на автомобилях, тракторах или специальных самоходных шасси. Горизонтальные скважины под насыпями шоссейных и железных дорог разрабатывают полустационарными установками горизонтального бурения в комплекте с обслуживающими их грузоподъемными маши-

,

264

нами (обычно трубоукладчиками) и экскаваторами для перегрузки вынутого из скважины грунта в отвал или транспортные средства. По окончании работ буровое оборудование демонтируют и перевозят на новый строительный объект. Для бурения шпуров при разработке прочных грунтов и горных пород взрывом в строительстве применяют самоходные буровые установки на базе пневмоколесных и гусеничных тракторов. Перечисленные машины и оборудование реализуют вращательный или ударновращательный способы бурения, наряду с которыми известны также другие способы (ударный, термический), применяемые в горных работах.

Бурильно-крановые машины. Отечественная промышленность выпускает бурильно-крановые машины на базе автомобилей, пневмоколесных и гусеничных тракторов, рис.4.48 для бурения ям и скважин диаметром 0,3...0,8 и глубиной 3 м (на тракторной базе) и до 8 м (на автомобильной базе). Для разработки выемок различного диаметра машины комплектуют сменным буровым оборудованием.

Рис.4.48. Рабочее оборудование бурильно-крановой машины: а−общий вид; б−кинематическая схема привода при двухцилиндровой подачи

штанги: 1,10− гидроцилиндры; 2− мачта; 3− цапфа редуктора-вращателя; 4− граненая штанга; 5− капающие лопасти; 6− забурник; 7, 8 −барабаны; 9− вертлюга;

11 − четырехкулачковый патрон

Эксплуатационная скорость бурения скважин в грунтах не мерзлого состояния без каменистых включений составляет в среднем 0,6.-.1,4 м/мин в зависимости от диаметра и глубины скважины. При разработке мерзлых грунтов эта скорость снижается в 3...6 раз. Процесс бурения грунтов – наиболее энергоемкий способ их разработки. На бурение 1 м3 грунта не мерзлого состояния затрачивается на порядок больше энергии, чем на разра-

,

265

ботку одноковшовыми экскаваторами. В меньшей мере эти машины уступают одноковшовым экскаваторам по удельной материалоемкости (в среднем в 1,5...3 раза). Однако для полной оценки бурильно-крановых машин по технико-эксплуатационным показателям следует учитывать, что для отрывки ям и скважин эти машины пока что являются единственно возможными технически и экономически обоснованными средствами. Лишь в отдельных случаях при разработке выемок больших поперечных сечений в грунтах немерзлого состояния возможно использовать одноковшовые экскаваторы с грейферным рабочим оборудованием, энергоемкость которого несколько ниже, чем у бурильных машин. Буровое оборудование рассматриваемых машин включает забурник 6 (рис. 4.47, а) или рыхлящую головку и две или более копающие лопасти 5, жестко закрепленные на конце граненой штанги 4.

Последняя проходит через полую цапфу редуктора-вращателя 3, которым она приводится во вращательное относительно своей оси движение. При небольшой глубине бурения штангу перемещают в осевом направлении (на забой) гидроцилиндром 1 (рис. 4.47, а), установленным на редук- торе-вращателе, для чего ее верхний конец соединяют со штоком гидроцилиндра. При большой глубине бурения штангу перемещают перехватами четырехкулачковым патроном 11 с помощью двух гидроцилиндров 10 (рис. 4.47, б). По исчерпанию хода штоков патрон разжимают, поднимают вверх и снова зажимают на штанге. Для подъема рабочего оборудования над землей при одноцилиндровом напоре используют тот же гидравлический цилиндр, а при двухцилиндровом напоре – лебедку, канат которой закрепляется на вертлюге 9 буровой штанги и навивается на барабан 7.

Второй барабан 8 этой лебедки предназначен для выполнения грузоподъемных операций при установке в пробуренные скважины свай, столбов и т. п. Для тех же целей на машинах с одноцилиндровым напором применяют грузовую лебедку (на рис. 4.48, а не показана) и мачту 2. Обычно основное и вспомогательное (грузоподъемное) рабочее оборудование размещают консольно сзади шасси базовой машины. Его установку в требуемое положение бурения в плане выполняют путем соответствующих маневровых движений машины. У отдельных моделей рабочее оборудование располагают на поворотной платформе или сбоку шасси, чем предопределяется большая точность его установки в рабочее положение. Для повышения устойчивости машины при бурении базовое шасси или раму рабочего оборудования устанавливают на выносные опоры (гидравлические или винтовые). Отдельные модели бурильно-крановых машин оборудуют также бульдозерным отвалом для планирования рабочей площадки перед установкой машины и для засыпки ям по завершению монтажных работ.

Бурение начинают после установки машины на ровной площадке на выносные опоры, перевода рабочего оборудования в рабочее положение и опускания бура до уровня земли. Грунт разрабатывают одновременным вращением бура и его осевым перемещением на забой. После забуривания

,

266

на глубину 0,3...0,5 м в грунтах I...III категорий немерзлого состояния, а в прочных грунтах и с каменистыми включениями чаще, бур поднимают над поверхностью земли и, не прекращая его вращения, разбрасывают грунт в стороны от ямы. После опускания бура процесс повторяют до достижения требуемой глубины. Частоту вращения бура выбирают в соответствии с прочностью разрабатываемого грунта: большую −для слабых, меньшую − для крепких грунтов. Для разбрасывания грунта с лопастей используют повышенные частоты. Для перевода рабочего оборудования в транспортное положение его укладывают вдоль машины или наклонно к ее шасси.

Машины для бурения шпуров. Рабочим органом машин для бурения шпуров служит одна или две буровые штанги (рис. 4.48) с резцами или шарошечными долотами на конце.

Рис. 4.48. Двухшпиндельная машина для бурения шпуров на базе пневмоколесного трактора: а — общий вид; б — кинематическая схема привода рабочего органа: 1− буровая штанга; 2− гидроцилиндр; 3− подвижная каретка; 4− редуктор; 5− гидродвигатель; 6− рама;

7− выносные опоры

Соответственно различают одно- и двухшпиндельные буровые машины. Верхними гранеными концами штанги входят в полые цапфы ведомых колес редукторов-вращателей 4 и заклиниваются в них, образуя неподвижные соединения. Нижние концы штанг проходят через направляющие отверстия в нижней части рамы 6. Редукторы 4 вместе с приводными гидродвигателями 5 располагают на подвижной каретке − 3, перемещающейся посредством гидроцилиндра 2 в направляющих рамы 6. Последняя гидроцилиндрами может быть установлена в вертикальное или наклонное рабочее положение или уложена вдоль базовой машины (трактора) в транспортное положение. В случае пневмоколесного трактора для обеспечения устойчивой работы машины ее устанавливают на выносные опоры 7.

Для бурения шпуров машину устанавливают в рабочее положение, опускают подвижную каретку до касания бурами земли и одновременным вращением штанг и их осевым перемещением разрабатывают скважину. Продукты бурения выносятся на поверхность сжатым воздухом от пере-

,

267

движного компрессора или спиральной нарезкой по длине буровых штанг. При необходимости штанги периодически поднимают над поверхностью земли и вращением освобождают от буровой мелочи.

Технико-эксплуатационные показатели этих машин следует оценивать по конечному результату буровзрывных работ, в составе которых бурение шпуров представляется составной частью. По энергоемкости буровзрывные работы уступают лишь экскаваторной разработке грунта в отвал (в среднем на 35...65 %) и имеют самую низкую материалоемкость (на порядок ниже материалоемкости экскаваторной разработки). Но по сравнению с другими работами в составе буровзрывного комплекса бурение шпуров наиболее энергоемко, а вся материалоемкость, по существу, образуется буровыми машинами.

Оборудование для бурения горизонтальных скважин. Бурение горизон-

тальных скважин под шоссейными и железными дорогами для прокладки в них трубопроводов, подземных кабельных участков линий связи и электроснабжения и других выполняют из отрытого перед насыпью приямкатраншеи. Его размеры должны быть достаточными для размещения в нем бурового оборудования и вспомогательных средств. Для контроля за работой на последнем этапе бурения, а также для подготовки к протаскиванию в пробуренную скважину, например, рабочего трубопровода, кабелей такой же приямок отрывают с противоположной стороны насыпи, рис. 4.49.

По мере разработки скважины и удаления из нее грунта в нее осаживают трубу-кожух, которая после окончания буровых работ остается в скважине как футляр для будущих коммуникаций. Трубу-кожух 9 укладывают в приямке на катучие опоры 11, а внутри трубы располагают винтовой конвейер 10, собранный из отдельных секций, с резцовой головкой 1 и забурником на выходящем перед трубой-кожухом конце.

Рис.4.49. Установка горизонтального бурения: 1− буровая штанга; 2, 5− гидроцилиндры; 3−подвижная каретка; 4− полые цапфы; 6− нижняя рама; 7− выносные опоры; 8− хамуты; 9− труба-кожух; 10− винтовой конвейер;

11− катучие опоры

Тыльный конец вала винтового конвейера приводят во вращение силовой установкой 6, состоящей из двигателя внутреннего сгорания и механи-

,

268

ческих передач и укрепленной в задней части трубы-кожуха хомутами 8. Напорное усилие трубе-кожуху сообщают приводимой от того же двигателя лебедкой 5, смонтированной на одной с ним раме 4, через полиспаст 3, неподвижные блоки которого укреплены на якоре 2, вкопанном в насыпь. Скважину разрабатывают вращением резцовой головки с одновременной подачей ее вместе с трубой-кожухом на забой. Разрушенный резцовой головкой грунт поступает на винтовой конвейер, которым он перемещается в трубе-кожухе к ее открытому концу и высыпается на дно траншеи, а из нее экскаватором − в отвал или транспортные средства.

Реактивный момент сил сопротивления грунта разработке воспринимается трубой-кожухом, которая по мере продвижения в скважину все больше защемляется грунтом. От возможного проворачивания относительно своей оси, особенно в начальной стадии проходки, труба страхуется трубоукладчиком 7, удерживающим ее крюком за раму силовой установки.

В установках для бурения скважин больших поперечных сечений (диаметром 1720 мм) напорное усилие создают гидравлическими цилиндрами, упирающимися в щит, установленный у тыльной стенки приямка. Выпускаемые отечественной промышленностью установки обеспечивают бурение горизонтальных скважин диаметром 325...1720 мм (по внешнему диаметру трубы-кожуха) и длиной до 60 м. Максимальные скорости проходки составляют от 15 (для скважин диаметром до 630 мм) до 1,37 м/ч (при диаметре скважины 1720 мм), а усилия подачи − от 480 до 7200 кН соответственно. Описанное оборудование уникально по своему назначению, оно позволяет проводить буровые работы на переходах без остановки движения по шоссейным и железнодорожным дорогам. Приведенные выше данные по скоростям проходки характеризуют только технические возможности этого оборудования, но не могут служить основанием для определения эксплуатационной продолжительности буровых работ на переходе, в составе которых значительную часть занимают подготовительнозаключительные работы, а также простои различного характера.

4.6. Оборудование гидромеханизации

Гидромеханизацией называют способ механизации земляных и горных работ, при котором все или основная часть технологических процессов проводятся энергией движущегося потока воды. В строительном оборудовании, реализующем этот способ, используются устройства для разрушения грунтов как струей воды, так и механическим путем с последующим их транспортированием в потоке воды и укладкой в земляные сооружения. При гидравлическом способе разработки грунта требуемое давление потока воды создается водяным насосом, а струя формируется и направляется гидромонитором. В случае механической, обычно подводной, разработки применяют фрезерные рыхлители.

Гидромонитор (рис. 4.50) состоит из нижнего неподвижного 3, соединенного с напорным трубопроводом 1, и верхнего 5 поворотного в плане

,

269

колен, поворотного в вертикальной плоскости ствола 7 и сменной насадки 6. Струя формируется ребрами внутри ствола и пропускным сечением насадки. Размывающая способность струи характеризуется ее давлением на забой, которое обычно составляет 0,7...2 МПа (при разработке прочных грунтов до 11 МПа).

Рис. 4.50. Гидромонитор: 1, 3– напорный и неподвижный трубопроводы; 2, 8– гидроцилиндр; 4– рычаг; 5– колено; 6– насадка; 7– ствол; 9– салазки

Для разрушения грунтов давление Рдолжно быть больше давления Ркр . В практике приняты насадки D/do 1,5...1,7, где D диаметр входно-

го отверстия насадки; do диаметр выходного отверстия. Скорость вылета струи Vo 2gHo , где коэффициент расхода; Ho свободный напор у насадки. Свободный напор Ho Hн Ну iL, где Нн напор насоса;

Ну гидравлический уровень; i гидравлический уклон; L длина водо-

провода. Длина водопровода L 0,4153 doHo2 , где угол вылета струи

к горизонту. Направление струи регулируют вручную рычагом 4 или дистанционно гидроцилиндрами 2 и 8. Если уровень земляного сооружения находится ниже уровня разработки грунта, то образовавшаяся в результате размыва грунта водой смесь, называемая пульпой, может перемещаться к месту укладки самотеком по естественной поверхности или по искусственным каналам, желобам и трубам. Для перемещения пульпы выше уровня разработки грунта сначала ее самотеком собирают в специальном земляном углублении (зумпфе), из которого по трубам подают к месту укладки грунтовыми центробежными насосами (землесосами). Последние отличаются от водяных центробежных насосов тем, что их пропускные сечения и вращающиеся лопасти рассчитаны на пропуск пульпы с каменистыми включениями и изготовлены из износостойких материалов. При разработке подводных грунтов пульпу отбирают из зоны разработки, а при разработке береговых урезов − из водоема вблизи этой зоны. При этом используют как землесосы, так и гидроэлеваторы, реализующие эжекторный способ поступления пульпы в транспортный трубопровод.

В смесительную камеру 1 гидроэлеватора (рис. 4.51) по трубопроводу под напором поступает вода. Проходя через насадку с большой скоростью, она создает в расширяющейся зоне разрежение, благодаря которому в сме-

,

270

сительную камеру подсасывается пульпа и, разжижаясь в воде, подается в транспортный трубопровод (пульповод) 2.

Гидроэлеваторы имеют низкий коэффициент полезно го действия из-за малого действия из-за малой доли грунта в составе пульпы, но по сравнению с грунтовыми насосами они более долговечны в связи с тем, что подвижные части входящего в состав гидроэлеватора насоса для подачи воды в смесительнуюю камеру непосредственно не контактируют с абразивным и частицами пульпы.

Реже для подъема пульпы со дна водоема используют эрлифты, которыми в зону разработки грунта подают воздух, направляя его в приемный грунтозаборник всасывающего трубопролвода.

Рис.4.51. Принципиальная Аэрированная смесь, обладая меньшей плотно- схема гидроэлеватора стью по отношению к окружающей среде, поднимается по трубопроводу, увлекая за собой твердые продукты разрушения грунта.

Чисто гидравлический (гидромониторный) способ может оказаться малоэффективным для разработки прочных грунтов. В некоторых случаях выгодно сочетание механического разрушения с транспортированием грунта в потоке воды. Так, при подводной разработке грунтов для их разрушения применяют различного рода фрезы с последующим транспортированием пульпы землесосами или гидроэлеваторами. Этот способ разработки грунтов, называемый гидромеханическим, широко применяют в гидротехническом, мелиоративном и других видах строительства, в системе водного хозяйства, в горной промышленности.

Этим способом сооружают и углубляют водоемы и водохранилища, намывают дамбы и плотины, добывают строительный песок и гравий, разрабатывают полезные ископаемые и т. п. Гидромеханический способ разработки грунтов отличается простотой оборудования, невысокой энергоемкостью (2...5 кВт ∙ ч/м3) и материалоемкостью (на уровне экскаваторной разработки в отвал, а по массе машинного оборудования — самым низким уровнем после буровзрывной разработки), высоким качеством укладки грунта. Для его реализации требуется большое количество воды, в связи с чем этим способом разрабатывают грунты вблизи водоемов, с береговых урезов и со дна водоемов.

Сухопутные средства гидромеханизации представляют собой комплекты описанного выше гидромониторного и землесосного оборудования, смонтированного на салазках 9 или самоходных, обычно гусеничных, шасси. В первом случае его применяют на объектах с большими объемами работ, а для перемещения с одной стоянки на другую используют внешние транспортные средства. Самоходные установки используют в случае рассредоточенных работ в условиях частой смены строительных объектов. Для подводной разработки грунтов описанное выше оборудование монти-

,