Для привода вибраторов на вибрационных плитах чаще всего используют двигатели внутреннего сгорания – дизельные или карбюраторные. По принципиальной схеме эти устройства могут быть одномассными (вибратор и двигатель установлены непосредственно на плите) и двухмассными (на плите монтируют лишь вибратор, а двигатель устанавливают на специальную раму, соединенную с плитой упругими элементами). В этом случае в колебательное движение приводится лишь нижняя часть, тогда как верхняя, подрессоренная, не колеблется, но воздействует на грунт общей массой статического давления.
К основным параметрам виброплит относят геометрические размеры опорной плиты l и b, массу m, вынуждающую силу Р, развиваемую вибратором, частоту колебаний и мощность двигателя.
Для обеспечения требуемого уплотнения и удобства обслуживающего машину оператора, скорость передвижения виброплиты v назначают не более 0,25–0,33 м/с, а число проходов 
.
Длину плиты 
находят из соотношения
;
где v – скорость передвижения; 
– число проходов; 
– угловая скорость вращения дебалансов, 
; 
– частота колебаний плит, Гц; nп – число повторностей приложения нагрузки, необходимое для уплотнения грунта до требуемой плотности.
В зависимости от массы плиты частота колебаний может меняться в пределах от 20 до 60 Гц. Обычно nп принимают равным 1,5 102 ÷ 4 102. Нижний предел относится к пескам оптимальной влажности, верхний – к супесчаным грунтам.
Ширина контактной площадки виброплиты 
должна быть на 5–15% меньше длины 
.
Зная геометрические характеристики контактной площадки можно определить массу машины:
где 
– требуемое давление на грунт. Для влажных песков 
Па, для песков средней влажности 
Па, для супесчаных грунтов – 10–20 Па.
В зависимости от массы вибрационные плиты разделяют на легкие – до 500 кг, средние – 500–1500 кг и тяжелые – более 1500 кг. Более часто в строительстве применяют легкие виброплиты.
Машины ударного действия (трамбующие)
Их применяют для уплотнения связных и несвязных грунтов, грунтов в естественном залегании и мерзлых, в условиях зимнего строительства. Трамбующими машинами можно уплотнять грунты в слоях до 80 см.
Чаще всего используют машины с канатным механическим приводом. Работа этих устройств связана с большими динамическими нагрузками, которые преждевременно выводят из строя такие дорогостоящие и сложные машины, как краны и экскаваторы. Поэтому трамбующие плиты на кранах и экскаваторах применяют главным образом в стесненных условиях, когда использовать другие
283
уплотняющие машины невозможно. Динамические нагрузки на элементы конструкций базовой машины можно значительно уменьшить, если вместо подъема лебедкой поднимать трамбующие плиты с помощью механизма кривошипно-полиспастного типа (рис. 6.4).
Рис. 6.4. Кривошипно-полиспастный механизм подъема и сбрасывания плит:
н. м. т. – нижняя мертвая точка; в. м. т– то же, верхняя
К основным параметрам машин ударного действия относят массу рабочего органа, скорость в момент начала его удара, а также размеры контактной поверхности в плане.
Производительность машин для уплотнения грунтов
Производительность средств уплотнения грунта, т. е. площадь, прорабатываемую той или иной машиной в единицу времени, можно определить по общей формуле
где 
– ширина рабочего органа машины; 
– ширина перекрытия уплотняемых полос; 
– рабочая скорость движения рабочего органа (машины); 
– число проходов по одному участку; 
– коэффициент использования по времени (
).
Тема 6.2. Машины для рыхления грунтов Назначение, устройство и рабочий процесс
Рыхлители применяют для послойного рыхления грунта и некоторых горных пород на отдельные куски или глыбы с размерами, удобными для погрузки или последующей разработки. С помощью рыхлителей можно удалять из грунта крупные камни, взламывать различные покрытия и разрабатывать мерзлый грунт. Рыхлить грунт механическим способом обычно экономически выгоднее, чем буровзрывным.
Рабочим органом рыхлителя являются стойки-зубья, погружаемые в грунт и рыхлящие его при движении машины. До недавнею времени эти машины выпускали только прицепными. Они имеют большую массу, облегчающую внедрение зубьев в грунт, но маломаневренны и малопроизводительны – могут работать с базовыми тягачами без дополнительных видов рабочего
284
оборудования.
В последние годы выпускают только навесные рыхлители, свободные от указанных недостатков. Их масса передается на базовый трактор, чем увеличивается тяговое усилие его по сцеплению. Эти рыхлители имеют большую маневренность; их можно агрегатировать с бульдозерным или погрузочным оборудованием, что повышает универсальность машины.
Рыхлители можно навешивать на трактора различных классов, чем обеспечивается выполнение разнообразных работ. Глубина рыхления изменяется в пределах 0,4–1,0 м, иногда даже до 1,5 м. Навесные рыхлители соединяют с базовой машиной по трехзвенной или четырехзвенной схеме подвески. Разновидностью четырехзвенной подвески является параллелограммная.
Трехзвенная подвеска (рис. 6.5, а) отличается простотой конструкции и малой металлоемкостью. Вместе с тем существенный недостаток ее – зависимость угла резания зубьев от их заглубления; он изменяется от максимального в начале заглубления до минимального на полной глубине рыхления.
Четырехзвенная подвеска рыхлителя (рис. 6.5, б), хотя и более металлоемка, но применяют ее чаще, так как угол резания остается почти постоянным, что увеличивает срок службы наконечников рабочих органов. Существенным преимуществом такой подвески является и то, что рабочий орган при опускании на грунт отодвигается от базового тягача, вследствие чего исключается заклинивание кусков породы между рабочим органом и гусеницами трактора. Четырехзвенная подвеска позволяет разрушать грунт при подъеме рабочего органа, что невозможно при подвеске трехзвенной.
Рис. 6.5. Конструктивные схемы навесных рыхлителей:
а – трехзвенного; б – четырехзвенного; 1 – наконечник; 2 – стопорное устройство, 3 – стойка; 4 – флюгер; 5 –балка; 6 – рабочая балка; 7 – нижняя
тяга; 5 – верхняя тяга; 9 –гидроцилиндр; 10 – опорная рама
Рабочее оборудование крепят к раме базового трактора или к корпусу его заднего моста. Крепление к балкам гусеничных тележек менее рационально изза повышенной металлоемкости, увеличения габаритов машины, усложнения обслуживания ходовой части и из-за плохого прохождения комьев разрушенного грунта или породы под охватывающей рамой.
В зависимости от назначения рыхлителя и вида выполняемых работ число зубьев может быть от одного до пяти. На тяжелых работах при рыхлении горных пород и мерзлых грунтов применяются однозубые рыхлители; для рыхления
285
обычных тяжелых грунтов можно применять пятизубые рыхлители. Зубья выполняют прямыми или изогнутыми и обычно снабжают съемными наконечниками. Подъем и заглубление рабочего органа производятся гидроцилиндрами.
Тяговый расчет и устойчивость
Основными параметрами рыхлителя являются: наибольшее тяговое усилие базовой машины по сцеплению 
, наибольшая глубина рыхления 
, число зубьев 
, ширина наконечника стойки 
, угол резания 
, расстояние 
от низшей точки рамы до опорной поверхности машины при максимальной глубине рыхления 
, расстояние 
от наконечника зуба в крайнем нижнем положении до оси ведущей звездочки трактора.
Главным параметром, определяющим работу рыхлителя, является номинальное тяговое усилие базовой машины (трактора) по сцеплению; его определяют на плотном грунте при скорости 2,5 – 3,0 км/ч и буксовании не более 7%. Для увеличения тягового усилия трактора при рыхлении очень плотных, мерзлых и скальных грунтов на траки устанавливают специальные грунтозацепы, позволяющие полностью реализовать мощность двигателя по сцеплению.
Максимальную глубину рыхления, зависящую от класса базового трактора, выбирают в соответствии с данными табл. 6.2.
Табл. 6.2. Параметры и показатели навесных рыхлителей в зависимости от класса тракторов
Параметры |
Номинальное тяговое усилие базового трактора, кН |
|||||
30 |
60 |
100 |
150 |
250 |
||
|
||||||
Количество зубьев |
1–5 |
1–3 |
1–5 |
1–3 |
1–3 |
|
Вылет от оси подвески lп, мм |
450–800 |
600–1000 |
7001400 |
800–1500 |
1000–1900 |
|
Наибольшая глубина рыхления |
200–500 |
350–700 |
400–1000 |
500–1200 |
600–1500 |
|
от опорной поверхности hр, мм |
||||||
|
|
|
|
|
||
По данным ВНИИстройдормаша, оптимальную глубину рыхления грунта определяют из отношения
Параметры рыхления следует определять исходя из этих оптимальных условий. Наименьшая глубина рыхления за один проход должна на 20–30% превышать толщину стружки бульдозера или скрепера, в комплекте с которым работает рыхлитель.
Зубья рыхлителя размещают симметрично относительно продольной оси машины. Угол резания 
выбирают исходя из условий обеспечения прочности наконечника рыхлителя и оптимального заднего угла 
: при небольшом опускании зубьев рекомендуется принимать не менее 45° при заднем угле не менее 8°.
Расстояние 
должно быть таким, чтобы рама рыхлителя свободно проходила над разрыхленным грунтом при любой глубине рыхления. Для тракторов с тяговым усилием до 100 кН включительно это расстояние составляет не менее 
, с усилием больше 100 кН –
.
286
Минимальное расстояние 
назначают из условия свободного выпирания грунта перед зубом и для того, чтобы исключить заклинивание его под гусеницами. В зависимости от класса трактора 
. Высоту подъема зубьев определяют из условия обеспечения заднего угла въезда 
, который должен быть не менее 20°.
В процессе рыхления скального и мерзлого грунтов периодически изменяются силы сопротивления рыхлению, причем нагрузки снижаются в момент отделения крупных кусков грунта от массива. После рыхления мерзлого грунта наконечник рыхлителя образует прорезь характерного сечения (рис. 6.6): верхняя ее часть значительно шире наконечника, а нижняя соответствует форме его передней части.
Рис. 6.6. Характерная форма поперечного сечения реза при рыхлении (а) и распределение температур грунта по глубине для различных климатических зон
(б):
1 – в Восточной Сибири, г. Нерчинск; 2 – то же, г. Якутск; 3 – в Западной Сибири (Новосибирск); 4 – в северо-восточном Казахстане; 6 – в Воркуте; 7 – в
Центральной части европейской территории СССР
Верхняя трапециевидная зона прорези начинается несколько выше ее дна и имеет развал с наклоном стенок к горизонту, который зависит от физикомеханических свойств грунта и глубины рыхления. В среднем, угол наклона равен 45°.
Исследованиями ВНИИстройдормаша установлен характер разрушения грунта в прорези. Верхняя ее часть имеет рваную поверхность без признаков пластических деформаций, что подтверждает предположение о преобладании растягивающих напряжений в этой зоне в момент предельно напряженного состояния грунта. В нижней части прорези уровень грунта снижается, и он уплотняется наконечником.
Среднее значение горизонтальной составляющей сопротивления грунта рыхлению 
определяют по формуле
где 
– глубина рыхления; 
– глубина зоны развала грунта;
– ширина наконечника рыхлителя;
– предел прочности грунта при растяжении;
– удельное сопротивление вдавливанию наконечника в грунт,
где 
– средняя температура грунта в слое 
; 
– то же, в слое 
.
287
Значения 
и 
определяют по графику (рис. 10.6, б). Вертикальную или нормальную составляющую сопротивления грунта рыхлению можно определить по усилию
где 
– угол трения грунта по материалу наконечника рыхлителя.
Усилие Рн при установившемся процессе рыхления и остром наконечнике зуба рыхлителя направлено в массив грунта, т. е. рабочий орган как бы затягивается в грунт. При затуплении наконечника зуба и появлении площадки износа во время заглубления несущая способность грунта может оказаться больше усилия, прикладываемого к зубу. В этом случае 
будет направлено вверх.
Тяговое усилие базовой машины по сцеплению 
должно быть больше или равно сумме сопротивлений
, действующих на рабочий орган при разработке грунта:
Величину тягового усилия по сцеплению 
можно определить по формуле
где 
– масса трактора; 
– бульдозерного оборудования; 
– рыхлителя.
При этом необходимо учитывать направление нормальной составляющей 
. В случае затягивания зуба эта составляющая увеличивает сцепное усилие трактора, в случае выталкивания – уменьшает.
Силами сопротивления перемещению разрыхленного грунта перед зубом можно пренебречь вследствие их незначительности. Поэтому сумма сопротивлений 
будет равна:
где 
– масса рыхлителя; 
– коэффициент сцепления гусеничного движителя с грунтом; 
– уклон местности.
При встрече рабочего органа рыхлителя с трудно преодолимым препятствием могут возникнуть динамические нагрузки, в несколько раз превышающие тяговые усилия базовой машины. Эти нагрузки необходимо учитывать при расчете металлоконструкции навесного оборудования. Для определения максимальных динамических нагрузок 
с достаточной для инженерных расчетов точностью можно пользоваться зависимостью
где 
– коэффициент динамичности.
По данным ВНИИСтройдормаша, значение коэффициента динамичности возрастает от 1,5 до 3,6 при изменении скорости рыхления от 0,6 до 1,2 м/с.
Максимальное усилие заглубления в грунт зуба рыхлителя определяют из условия вывешивания базового трактора относительно ребра 
(рис. 6.7, а).
Из условия равновесия 
можно записать
(размеры 
показаны на рис. 6.7, а).
288