ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ (Часть 1)

ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ

ЧАСТЬ I МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ (теория и расчет)

Издание 3-е, переработанное и дополненное

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР

в качестве учебника для студентов специальности «Строительные и дорожные машины и оборудование» высших учебных заведений

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МАШИНОСТРОЕНИЕ» М о с к в а 1972

2

УДК 625.7.074.002.5.001.1 (075.8)

ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ. Часть I. Машины для земляных работ. Изд. 3-е, переработ, и доп. М., «Машиностроение», 1972, стр. 504. Авт. Алексеева Т. В., Артемьев К. А., Бромберг А. А. и др.

В учебнике рассмотрены общие вопросы проектирования, расчет рабочих органов машин, привода, ходового оборудования, систем управления и машин в целом. Основное внимание уделено теории и расчету бульдозеров, скреперов, автогрейдеров, высокопроизводительных машин непрерывного действия и машин для уплотнения грунта, так как эти машины имеют наибольшее применение на строительстве автомобильных дорог.

Учебник предназначен для студентов автомобильно-дорожных и политехнических вузов но специальности «Строительные и дорожные машины и оборудование». Табл. 58, илл. 215, библ. 37 Назв.

Авторы: Т. В. Алексеева, К. А. Артемьев, А. А. Бромберг, Р. И. Войцеховский, Н. А. Ульянов

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Выполнение грандиозных и все возрастающих масштабов строительства в СССР, предусмотренных Директивами XXIV съезда КПСС, обеспечивается применением высокопроизводительных строительных и дорожных машин, комплексной механизации и автоматизации строительного производства. В настоящее время создан большой парк разнообразных строительных и дорожных машин, который систематически пополняется новыми более совершенными машинами.

Для выполнения наиболее трудоемких земляных работ в строительстве широко применяются бульдозеры, скреперы, автогрейдеры, экскаваторы и другие машины.

Из года в год увеличивается выпуск землеройно-транспортных машин, одноковшовых универсальных строительных экскаваторов и многоковшовых экскаваторов непрерывного действия. Расширяется номенклатура и производство машин для уплотнения грунтов.

Для конструирования, освоения производства и организации правильной эксплуатации машин для земляных работ требуется большее количество инженерных кадров, подготовка которых осуществляется рядом вузов страны по специальности «Строительные и дорожные машины и оборудование».

Коллективом авторов под руководством А. А. Бромберга был написан учебник «Машины для земляных работ», выпущенный издательством «Машиностроение» двумя изданиями в 1959 и 1964 гг. Настоящее 3-е издание учебника, являющееся частью I общего курса «Дорожные машины», подготовлено коллективом авторов без А. А. Бромберга в связи с его смертью. Материалы, выполненные в прошлых изданиях А. А. Бромбергом, переработаны соавторами.

В отличие от предыдущих изданий в учебник дополнительно включены в кратком изложении основные положения по одноковшовым экскаваторам, по объемному гидроприводу, машинам для гидравлической разработки грунтов и другое.

Материалы учебника 3-го издания переработаны с учетом результатов последних научных исследований, накопленного опыта конструирования и расчета машин. При изложении материала, касающегося отдельных групп машин, указывается их назначение и

область применения, а также классификация и некоторые конструктивные особенности. Необходимое внимание уделено процессам взаимодействия рабочих органов и их ходового оборудования с грунтом. Вопросы резания, а так же копания грунта некоторыми землеройными машинами излагаются с использованием теории предельного равновесия. Уделено внимание выбору гидромеханических трансмиссий с использованием основных положений тяговой механики, гидравлическим приводам систем управления, а так же методам оценки техникоэкономических показателей машин. Основное внимание уделено определению нагрузок, действующих в узлах и механизмах машин для расчетов их на прочность.

Отдельные главы и параграфы написаны:

§ 6, 7 гл. I; § 29 гл. IV; гл. VI; гл. XI (кроме § 72 и 77); § 88, 89, 90, 91 гл. XIII; гл. XVI - Т.

В. Алексеевой.

Гл. II; гл. III (кроме § 14), § 51 гл. VIII; § 53, 54, 55, 59 гл. IX; § 60, 61, 62, 67, 68, 69 гл. X; §

77 гл. XI; § 92 гл. XIII; гл. XV -К А. Артемьевым.

§ 57, 58 гл. IX; § 65, 66 гл. X; § 83, 84 гл. XII; § 85, 86, 87 гл XIII — Р. И. Войцеховским; § 57 с участием М. А. Кононенко.

Предисловие, §21, 23, 24, 25, 26, 27, 28 гл. IV; гл. V; §56 гл. IX; § 63, 64 гл. X; § 72 гл. XI; § 78, 79, 80, 81, 82 гл. XII; гл. XVII; гл. XVIII; гл. XIX — Н. А. Ульяновым.

Написанные А. А. Бромбергом: § 1, 2, 3, 8 гл. I; § 14 гл. III (совместно с К. А. Артемьевым), § 52 гл. VIII — переработан К. А. Артемьевым; гл. VII — переработана Т. В. Алексеевой; § 4, 5 гл I; § 22 гл. IV; гл. XIV — переработаны Н. А. Ульяновым.

4

Г Л А В А I

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАШИНАМ. ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ МАШИНЫ

§ 1. ЗЕМЛЯНЫЕ РАБОТЫ НА ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Земляное полотно является важнейшей составной частью автомобильной дороги (рис. 1). От качества земляного полотна зависят эксплуатационная надежность дороги, ее устойчивость и долговечность.

Основными работами при строительстве земляного полотна автомобильной дороги являются возведение насыпей и разработка выемок. Строительство зданий и искусственных сооружений на дорогах также связано с производством земляных работ, но объем их невелик по сравнению с объемом работ по сооружению профиля земляного полотна дороги (рис. 2).

Земляное полотно дороги, прокладываемое в равнинной или холмистой местности при высоте насыпи от 0 до 1,5 м, возводится с использованием грунта, забираемого из боковых резервов, представляющих собой неглубокие выемки, идущие вдоль дороги. При этом грунт перемещается поперек трассы дороги.

Насыпь высотой более 1,5 м может сооружаться из боковых резервов или из ближайших выемок на трассе строящейся дороги. В последнем случае грунт перевозится вдоль трассы строящейся дороги.

Подходы к крупным искусственным сооружениям — мостам, путеводам — отличаются большими объемами земляных работ по возведению насыпей. Эти насыпи обычно сооружают путем укладки грунта, подвозимого из находящегося в стороне от дороги грунтового карьера.

Сооружение насыпи с использованием грунта из близколежащих выемок на трассе дороги или из карьера связано с перемещением больших масс грунта. Поэтому для обеспечения строительного процесса наряду с землеройными машинами требуются специализированные машины для транспортирования грунта.

На автомобильных дорогах в равнинной и холмистой местности работы по сооружению насыпей высотой до 1,5 м составляют примерно от 50 до 80% всего объема земляных работ, насыпей высотой от 1,5 до 3 м — от 10 до 15%, а по разработке выемок — не превышает 8—11

Уменьшение величины уклонов на дорогах до 2—4% привело к небольшому увеличению объемов земляных работ и средней дальности перемещения грунта.

В гидротехническом строительстве объем земляных работ на 1 км протяженности каналов (табл. 2) колеблется в больших пределах в зависимости от назначения канала.

Каналы сооружаются преимущественно в выемках, реже в полувыемках — полунасыпях, в основном с поперечным по отношению к оси канала перемещением грунта.

Приведенные данные показывают, что работы по сооружению земляного полотна железной дороги в равнинной и холмистой местностях, а также по сооружению средних и магистральных оросительных каналов близки по объему работам при автомобильно-дорожном строительстве. Это обстоятельство должно учитываться при проектировании новых машин в целях расширения области их применения.

Машины для земляных работ применяются широко в промышленном и гражданском

7

строительстве, в горнорудной промышленности, в сельском хозяйстве и при добыче сырья для промышленности строительных материалов.

Общий объем земляных работ в СССР в 1946 г. составил 1,8 млрд. м3, в 1965 г. — 7,8 млрд. ж3, а в 1980 г. увеличится примерно до 24—26 млрд. м3.

§ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАШИН

Несмотря на большое разнообразие земляных работ и применяемых для их выполнения машин, рабочий процесс состоит в основном из следующих операций:

разрушение (или рыхление) грунта в его естественном залегании и извлечение разрушенной части грунта;

перемещение грунта к месту укладки в насыпь или в отвал; разравнивание грунта (планировка) и уплотнение его в целях придания необходимой

механической прочности и устойчивости; профилирование и отделка земляного сооружения в целях придания выемкам и насыпям

строго определенного поперечного и продольного профиля (дороги, дамбы, каналы и др.).

По своему технологическому назначению машины для земляных работ могут быть распределены на следующие основные группы:

1)землеройные машины (экскаваторы, бульдозеры, скреперы, грейдер-элеваторы и струги, автогрейдеры, рыхлители);

2)транспортирующие машины (автомобили-самосвалы, землевозные тележки, конвейеры, грунтометатели);

3)грунтоуплотняющие машины (катки, трамбующие машины, вибрационные машины и

др.).

Землеройными машинами — рыхлителями рыхлят грунт; экскаваторами и грейдерэлеваторами разрабатывают грунт и грузят его в транспортные средства; бульдозерами, скреперами, грейдер-элеваторами и автогрейдерами разрабатывают грунт и перемещают его; бульдозерами, автогрейдерами и скреперами разравнивают и планируют грунт, автогрейдерами выполняют профилировочные работы.

Машины, копающие грунт перемещением рабочего органа (отвала, ножевой системы или ковша) при одновременном движении всей машины (бульдозеры, скреперы, грейдер-элеваторы

иавтогрейдеры), часто называют землеройно-транспортными машинами,

Транспортирующие машины перемещают грунт к месту укладки его в насыпь или в отвал. Эти машины работают во взаимодействии с землеройными машинами; наибольшее применение транспортирующие машины имеют при работе одноковшовых экскаваторов, многоковшовых экскаваторов и грейдер-элеваторов. Для транспортирования грунта наряду с автомобилямисамосвалами обычного типа применяются специальные самосвальные землевозные те-лежки, более приспособленные к тяжелым условиям земляных работ, нежели автомобили-самосвалы. Для транспортирования грунта могут применяться ленточные транспортеры и грунтометатели.

Грунтоуплотняющие машины уплотняют грунт в насыпи или в его естественном залегании. Наряду с кулачковыми прицепными катками и трамбующими плитами все большее распространение получают прицепные и самоходные катки на пневматических шинах, специальные высокопроизводительные трамбующие вибрационные грунтоуплотняющие машины и машины комбинированного действия.

При строительстве земляного полотна землеройные машины, выполняющие основной объем земляных работ, являются основными в комплексе машин, так как они определяют технологию и организацию работ. Транспортные, грунтоуплотняющие и вспомогательные машины должны обеспечить выполнение объема работ, определяемого основными машинами.

По характеру рабочего режима каждая из рассмотренных машин может быть отнесена к подгруппе машин циклического действия или машин непрерывного действия.

Экскаваторы, скреперы, автомобили-самосвалы, землевозы являются машинами, режим работы которых имеет явно выраженный циклический характер.

Грейдер-элеваторы, автогрейдеры, ленточные транспортеры и грунтометательные машины являются машинами непрерывного действия.

8

§ 3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАШИНАМ, ИХ НАДЕЖНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

При разработке конструкции новой машины или коренной модернизации существующей конструктор должен учитывать конструктивные, технологические, эксплуатационные, экономические, а также социальные требования. Выполнение этих требований обеспечивает высокие эксплуатационные качества машины: производительность, надежность, долговечность, экономическую эффективность, безопасность и удобство управления и обслуживания.

Конструктивные требования учитывают основные технико-конструктивные параметры машины, ее общую компоновку, прочность и надежность в работе. Эти вопросы решаются путем разработки конструкции и проведения различных расчетов — кинематических, динамических, прочностных и т. п., выбора материала, определения точности и чистоты обработки, вида термической обработки, метода упрочнения деталей и т. д. Во время конструирования машины закладываются основы технологии ее изготовления.

Требования технологичности конструкции предусматривают простоту и удобство изготовления деталей, сборки узлов и машины в целом и уменьшения стоимости изготовления машины.

Широкая унификация деталей и элементов конструкций машин упрощает подготовку и планирование производства, способствует широкому кооперированию производства и

обкатку, регулирование и испытание каждого узла в отдельности.

Требования ремонтной технологичности машины также должны учитываться конструктором. Основными из них являются: удобство демонтажно-монтажных работ при замене целых узлов и агрегатов машины; приспособленность узлов и агрегатов к разборке и сборке и технологическая приспособленность конструкции отдельных деталей к восстановлению их при ремонте машины.

Требования четкого разделения машины на узлы, унификация и нормализация деталей имеют исключительно большое значение для правильного решения вопроса организации агрегатного ремонта машин.

Эксплуатационные требования относятся к будущему применению машины и ее качествам в работе. Машина должна соответствовать своему назначению.

В ряде случаев новая машина может вызвать необходимость изменения технологии и организации работ.

Габаритные размеры дорожных машин для земляных работ, не работающих в стационарных условиях и перевозимых без разборки по железной дороге, не должны выходить за пределы габарита 1-В железнодорожного подвижного состава (рис. 3). По длине машина должна устанавливаться на одной или двух железнодорожных платформах.

При несоответствии габаритов машины габариту 1-В должна быть предусмотрена возможность демонтажа и монтажа машины с минимальной затратой труда и грузоподъемных средств.

Требования мобильности, маневренности и проходимости машины должны учитываться при проектировании машин.

Надежность и долговечность машин. Современное развитие строительного и дорожного машиностроения характеризуется непрерывным ростом скоростей, рабочих усилий и давлений, что приводит к увеличению мощности и производительности машин. Чем выше интенсивность и производительность труда, достигаемые при механизированном, а тем более при автоматизированном процессе, тем труднее обеспечить надежность работы оборудования и тем больше вероятность, что внезапный выход из строя какой-либо детали, узла или целой машины может свести на нет выгоды, полученные за время нормальной работы.

9

За время работы многих машин на их ремонт затрачивают в несколько раз больше металла, чем они весят, а стоимость всех ремонтов иногда в 10 и больше раз превышает стоимость новой машины.

Надежность машины — это свойство машины выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки. Надежность машины обусловливается ее безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью, а также долговечностью ее частей.

Долговечность машины — свойство машины сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние машины определяется невозможностью ее дальнейшей эксплуатации, либо обусловленным снижением эффективности, либо требованиями безопасности и оговаривается в технической документации.

Показателями долговечности могут служить, например, ресурс, срок службы.

Показатели надежности и долговечности должны быть введены в технические условия, их следует предусматривать при проектировании новых моделей, начиная со стадии технического задания, соблюдать при изготовлении и проверять при эксплуатационных испытаниях. В число таких показателей должны входить гарантированные объемы работ (сроки службы) до капитального ремонта и стоимость всех ремонтных работ за этот срок.

Борьба с износом деталей и повышение долговечности машин являются важнейшими народнохозяйственными задачами, так как на ремонты и межремонтное обслуживание машин ежегодно расходуются большие средства.

Экономические требования — снижение стоимости самой машины и стоимости единицы вырабатываемой ею продукции, ее экономическая эффективность, т. е. достаточно быстрая окупаемость средств, затрачиваемых на создание и практическое внедрение новой машины.

Социальные требования — обеспечение безопасности труда при эксплуатации машины, благоприятных условий работы машиниста (оператора), удобства управления машиной и обслуживания ее, автоматизации процессов управления машиной, контроля и учета ее работы, производственной эстетики, т. е. придание машине красивой внешней формы, выбор цвета окраски и качества отделки машины. При создании новых строительных и дорожных машин эти требования должны быть учтены. Особое внимание следует уделить:

1.Наличию удобного сиденья, хорошего обзора и освещенности рабочего органа и фронта работы.

2.Устранению вибрации и шума в зоне рабочего места.

3.Удобству пользования рычагами и педалями; применению прогрессивной системы управления машины, в том числе сервоусилителей и автоматизации.

4.Наличию и удобному размещению контрольно-измерительной аппаратуры, предохранительных и индикаторных устройств, автоматов-работомеров для учета выполненной

10

работы.

5.Герметизации и надежной вентиляции кабины управления при работе в запыленной

среде.

6.Соблюдению благоприятного температурного режима и защите водителя от воздействия внешней среды.

§ 4. ПАРАМЕТРЫ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ МАШИН ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ

Технический и эксплуатационный уровень машин для земляных работ определяется специальными показателями — параметрами, Для каждой группы машин устанавливается главный и основные параметры. Главный параметр в наибольшей степени характеризует машину, а основные — дают представление о ее техническом уровне.

Для оценки эксплуатационных качеств машины основным показателем является производительность машины, т. е. количество качественной продукции, выдаваемой машиной при определенных условиях в единицу времени (например, количество вынутого, перемещенного и уложенного грунта в м3/ч, площадь уплотненной поверхности в м2/ч, протяженность разработанной траншеи в м/ч и т. д.).

Различают производительность теоретическую, техническую и эксплуатационную. Теоретическая (расчетная) производительность машины непрерывного действия

Пp = 3600Fpvp м3/ч

где Fp — расчетное поперечное сечение срезаемой стружки или потока материала на ленте конвейера в м2;

vp — расчетная скорость движения машины или ленты конвейера в м/сек. Для машины периодического (циклического) действия производительность

П3600q м3 / ч

рТ

где q — геометрическая емкость ковша в м3;

k3 — коэффициент, учитывающий снижение скорости по сравнению с паспортной.

Для машины циклического действия (скреперов, автомобилей-самосвалов и др.)