Глава 18. Машины для подготовительных работ и разработки мерзлых грунтов

18.1. Машины для подготовительных работ

Подготовительные работы включают в себя очистку будущей строительной площадки от деревьев и кустарника, вывозку дре­весины, корчевку и уборку пней, удаление валунов, устройство временных дорог и мостов через естественные и искусственные препятствия, понижение уровня грунтовых вод и т.п. Для вы­полнения этих работ применяют как общестроительные, так и специальные, машины используемые в лесотехнической промыш­ленности, ирригационном строительстве и др. Для выполнения отдельных видов работ успешно используют сменные рабочие органы, навешиваемые на одноковшовые экскаваторы и бульдо­зеры, в частности, кусторезыи корчеватели-собиратели.

Кусторезы (рис. 18.1, а)при­меняют для расчистки подлежа­щих застройке площадей от кустар­ника и мелких деревьев, а корче- ватели-собиратели (рис. 18.1, б) — для корчевки пней диаметром до 500 мм, расчистки участков от крупных камней, сваленных де­ревьев и кустарников, а также для рыхления плотных грунтов перед их разработкой землерой­ными и землеройно-транспорт- ными машинами. Эти машины изготавливают как навесное ра­бочее оборудование на гусенич­ных тракторах.

Рис. 18.1. Машины для подготови­тельных работ:

а — кусторез; 6 — корчеватель-соби­ратель

б

Рабочее оборудование кусторе­за(см. рис. 18.1, а)представляет собой закрепленный на универ­сальной раме 7 отвал 3 клинооб­разной формы с гладкими или пилообразными ножами 4в его нижней части и колуном 5 для раскалывания пней и раздвигания

сваленных деревьев. Поднимают и опускают отвал гидравличес­кими цилиндрами 2.В процессе работы машина движется вперед на рабочей скорости. При этом отвал скользит по поверхности или принудительно заглубляется в грунт, срезает кусты и мелкие деревья, которые отодвигаются боковыми поверхностями отвала в стороны. Для защиты от возможного падения деревьев силовая установка и кабина защищены каркасом 6.В зависимости от мест­ных условий выполняют повторный проход по прежнему следу или переходят на смежную полосу. На коротких захватках обычно работают по челночной схеме: рабочее движение осуществляют передним ходом, а возврат на исходную позицию — задним хо­дом. На длинных захватках производительнее двигаться в прямом и обратном направлениях в рабочем режиме с разворотами маши­ны на концах захватки.

Корчеватель-собиратель(см. рис. 18.1, б) отличается от кусто­реза рабочим оборудованием — отвалом 7 с зубьями 8в его ниж­ней части. При работе отвал опускают на грунт, и машина, пере­мещаясь вперед на рабочей скорости с одновременным заглубле­нием отвала, погружает средние зубья под пень, выдергивая его из земли целиком или частично после нескольких попыток. У не­которых моделей этих машин отвал может поворачиваться отно­сительно рамы в вертикальной плоскости с помощью дополни­тельных гидроцилиндров, чем облегчается его разгрузка, а при корчевке пней обеспечивается хорошая избирательная способность по направлениям прилагаемых к пню усилий. Сопротивление пней корчеванию находится в прямой зависимости от диаметра пня и составляет от 18...20 до 180...210 кН при диаметрах от 100 до 500 мм соответственно. Полное тяговое усилие корчевателя в ра­бочем режиме складывается из усилий корчевания, сопутствую­щего ему разрыхления грунта и самопередвижения.

Производительность корчевателей и кусторезов при сплошной расчистке определяют по формулам (16.1) —(16.3) производитель­ности бульдозеров на планировочных работах, а при избиратель­ной расчистке ее определяют по площади отдельно расчищенных участков с учетом потерь времени на перегоны машины от одного участка к другому.

18.2. Машины и оборудование для разработки мерзлых

грунтов

При продолжительности зимнего периода от трех до семи ме­сяцев грунт промерзает на глубину 1 ...2,5 м. Многолетнемерзлые грунты и грунты сезонного промерзания покрывают более 90 % территории России. Годовой объем разрабатываемых в нашей стране мерзлых грунтов составляет около 1 млрд м³. Для непосредствен­ной разработки мерзлых грунтов применяют некоторые модели

траншейных экскаваторов, одноковшовых канатных экскаваторов с ковшами активного действия, зубья которых работают незави­симо от движения ковша в ударном, виброударном или в вибра­ционном режимах, гидравлические экскаваторы, оснащенные однозубыми рыхлителями или гидромолотами, землеройно-фре- зерные машин для послойной разработки мерзлых грунтов при строительстве дорог.

Мерзлые грунты, обладающие повышенной прочностью и аб- разивностью по сравнению с грунтами немерзлого состояния, раз­рабатывают преимущественно в два этапа: сначала предваритель­но их разрыхляют, а затем перемещают или погружают в транс­портные средства экскаваторами, бульдозерами и погрузчиками — общего назначения или модифицированными для работы в усло­виях низких температур. Наибольшее распространение в строи­тельстве получили способы механического разрыхления и взрыва.

Для разрушения мерзлых грунтов с промерзанием на глубину до 0,5...0,7 м применяют специальные снаряды в виде шар-молотов (рис. 18.2, а)массой 500 кг и более и клин-молотов(рис. 18.2, 6и в) массой 2000...3000 кг, подвешиваемые на канатах грузовых лебе­док гусеничных кранов и экскаваторов с крановым оборудовани­ем. Снаряд поднимают лебедкой на высоту 6... 8 м и сбрасывают его на разрабатываемый грунт. Известны также специальные ма­шины на базе гусеничного трактора, в которых вертикально пере­мещающийся снаряд движется в трубе.

Способ разрушения мерзлых грунтов свободно падающим снаря­дом хотя и является наиболее простым, все же широкого распрост­ранения не получил из-за низкой производительности (4... 10 м³/ч), а также из-за повышенных дина­мических нагрузок, вредно воздей­ствующих как на базовую машину, так и на близко расположенные коммуникации и сооружения. В на­стоящее время для подготовки к эк­скавации больших площадей и объемов мерзлых грунтов наиболее часто применяют навесные рыхли­телии щеленарезные машины.

Рис. 18.2. Сменное оборудование для разработки мерзлых фунтов:

а — шар-мсшот; 6 — клин-молот; в — клин-молот с зубьями

Рыхлители(рис. 18.3) применя­ют для послойной разработки проч­ных грунтов, включая мерзлые, многолетнемерзлые и скальные, с последующей уборкой землеройно- транспортными или погрузочными машинами. Их применяют при ры­тье котлованов и широких траншей, устройстве выемок в гидротехничес­

ком строительстве, корыт под до­рожное полотно, разработке мерз­лых россыпей полезных ископае­мых, на вскрышных работах.

Различают основные и вспомо­гательные рыхлители. Основные рых­лителиизготавливают как навесное оборудование к гусеничным или пневмоколесным тракторам, а вспо­могательные агрегатируют с основ­ным оборудованием ЗТМ и погруз­чиков для рыхления плотных фун­тов и слежавшихся материалов. Вспо­могательные рыхлителипозволяют повысить производительность и рас­ширить область применения основ­ного рабочего оборудования. Смен­ным рыхлительным оборудованием оснащают универсальные строи­тельные гидравлические экскавато­ры. В строительстве применяют также бульдозеры-рыхлители(см. рис. 16.6), у которых в равной мере используют как бульдозерное, так и рыхлительное рабочее оборудование. Эффективность работы основ­ных рыхлителей зависит от тягово-сцепных свойств базовых трак­торов. Наиболее выгодно их использовать для разработки многолет- немерзлых фунтов, трещиноватых и выветренных слоистых или низ­копрочных горных пород (сланцев, ракушечников, бурых углей, апатитов, фосфоритов, песчаников, легких и средних известняков и т.п.).

Как основные, так и вспомогательные рыхлители оборудуют одним или несколькими зубьями 6 (см. рис. 18.3, а),устанавливае­мыми на поперечной балке 2жестко или с возможностью незначи­тельных угловых перемещений в плане через поворотные кронш­тейны 5, закрепленные на балке шарнирно. При трех зубьях их рас­полагают на одной балке в ряд, при пяти зубьях — в два ряда по шахматной схеме. Зубья с поперечной балкой навешивают на базо­вый трактор через стойку 3по схеме трехточечнойили четырехто­чечной (параллелограммной) (см. рис. 18.3, б)подвесок, регулируя глубину пофужения зубьев одним или двумя гидроцилиндрами 4 (см. рис. 18.3, а).Параллелофаммная подвеска обеспечивает постоян­ство угла резания независимо от глубины пофужения зубьев, что по сравнению с трехточечной подвеской позволяет снизить рабо­чие сопротивления на зубьях, повысить производительность рых­лителя и увеличить срок службы сменных наконечников зубьев 1.

Рис. 18.3. Схемы навески рыхли- тельного рабочего оборудования

Разрыхляют фунт заглубленными в него зубьями тяговым усили­ем перемещающегося на рабочей скорости фактора. Форма попе­

речного сечения, образован­ного после проходки рыхли­теля выемки, приведена на рис. 18.4. Для работы в плот­ных грунтах выгоднее исполь­зовать однозубые рыхлители с жестким креплением зуба на поперечной балке, которые по сравнению с многозубы- ми рыхлителями реализуют большие усилия на одном зубе. С этой же целью в тех же условиях многозубые рыхлители переоборудуют в однозубые или снабжают их буферными устройствами, устанав­ливаемыми в верхней части среднего зуба, для работы с тракто­ром-толкачом, также оборудованным буферным устройством в его передней части. При разработке слоистых горных пород и вялых пластично-мерзлых грунтов, а также рыхления корки мерзлого грун­та на зубья устанавливают уширители, благодаря чему увеличива­ется ширина рыхления за каждый проход и повышается произво­дительность машины. Отдельные модели рыхлителей оборудуют ди­станционными системами регулирования угла резания и измене­ния вылета зуба для выбора оптимального в конкретных условиях режима работы рыхлителя.

Техническая производительность рыхлителя

П_т = 3600 Bh^L/t_u,

где П_т— техническая производительность, м³/ч; В— средняя ши­рина полосы рыхления за один проход при многозубом рыхлите­ле (см. рис. 18.4) или между двумя смежными проходами при од- нозубом рабочем органе, м; й.^ — эффективная глубина рыхле­ния (до вершин гребешков ненарушенного массива), м; L—дли­на пути рыхления, м; /_ц— продолжительность рабочего цикла, с. Обычно йэф = (0,6...0,8)й (А — средняя глубина погружения зубь­ев в грунт).

Продолжительность рабочего цикла определяют следующим образом:

при разработке грунта продольными проходками с разворота­ми на концах захваток

/_ц = 3,6L/v_p + (_п + /_у;

при работе по челночной схеме

Гц = 3,6L(l/v_p + l/v_xx) + t_y,

Рис. 18.4. Поперечное сечение выемки после проходки рыхлителя

где tipиi>_{3 х}— скорости соответственно рабочая и при движении задним ходом, км/ч (для тракторов с гидромеханическими пе­редачами v_p =1,7...3,2 км/ч;i/_3x= 7,5... 14,5 км/ч; с механичес­кими — v_p =2,35...3,2 км/ч; v_3X= 7,6...8,5 км/ч); t_aи /_у— продол­

жительности поворота для движения в обратном направлении и управления, с. Продолжительность поворота определяют расче­том в зависимости от ситуационных условий, а продолжитель­ность управления t_y= 7... 8 с.

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 тяго- во-сцепные свойства можно за счет рационального выбора на­правления рабочего движения 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 увеличиваются примерно в 2 раза, а производительность — в 3 — 4 раза.

Из щеленарезных машиннаибольшее распространение в строи­тельстве получили баровыемашины(рис. 18.5), рабочее оборудование которых состоит из одного или двух цепных баров 1 врубовых ма­шин, приводимых в движение через механическую трансмиссию от двигателя базового гусеничного трактора 3. В рабочее положение и обратно бары переводятся гидроцилиндрами 2.Баровые цепи, осна­щенные резцами, прорезают в грунте щели шириной 0,14 м глуби­ной до 2 м. Оконтуренные с двух сторон прорезанными щелями поло­сы грунта разрабатываются затем одноковшовыми экскаваторами

Рис. 18.5. Двухбаровая щеленарезная машина

fjjwэкскаваторами непрерывного действия. Рабочая скорость дви­жения машины при глубине промерзания до 1 м — около 60 м/ч.

Контрольные вопросы

1. Перечислите виды подготовительных работ. Какие машины исполь­зуют для их выполнения?

2. Для чего предназначены, как устроены и как работают кусторезы? Как определяют их производительность?

3. Для чего предназначены, как устроены и как работают корчевате­ли-собиратели? Как определяют их производительность?

4. Какими машинами разрабатывают мерзлые грунты непосредствен­но?

! 5. Какие машины и оборудование применяют для предварительного разрушения (разрыхления) мерзлых фунтов?

6. Опишите способ разрушения мерзлых фунтов падающими снаря­дами. Каковы достоинства и недостатки этого способа?

7. Для чего предназначены рыхлители? Чем отличаются основные рыхлители от вспомогательных? Как устроены и как работают основные рыхлители? В каких случаях выгоднее использовать однозубые рыхлите­ли? Какими другими мерами можно повысить эффективность работы рыхлителей? Как определяют техническую производительность рыхли­телей?

8. Для чего применяют баровые машины? Как они устроены и как 'работают?

WHIIlin

alninm* ^сэр <НГ"П

в

1 2

Рис. 19.1. Прицепные катки с металлическими вальцами (а и б) и схема соединения катков для работы в сцепе (в)

б

a

или с установленными на их рабочей поверхности в шахматном порядке кулачками 9 (см. рис. 19.1, б)(кулачковые вальцы),кото­рые приваривают непосредственно к обечайке вальца или к полу­бандажам 8. От налипшего на рабочую поверхность грунта гладкие вальцы очищают скребком 6,закрепленным на раме, а междуря­дья кулачков — штырями, собранными на общей балке, прикреп­ленной к раме вместо скребка.

Прицепные катки с металлическими вальцами перемещают по уплотняемой поверхности за тягачом, обычно трактором, с раз­воротами на концах захваток для возвратного движения или чел­ночным способом, для чего тягач перецепляют на противополож­ную сторону катка. Для укатки грунтов на обширных площадях используют сцепы из 2...5 катков и более, объединенных травер­сами (см. рис. 19.1, в).

Гладкие каткиуплотняют грунт слоями 0,15...0,2 м без разрых­ления его поверхности или с незначительным разрыхлением на глубину 1... 3 см (в несвязных грунтах). Их применяют преимуще­ственно для прикатки в 1...2 прохода поверхностей, уплотненных другими катками. Скорости передвижения катков не влияют на изменение плотности грунтов, но при повышенных скоростях из- за больших сдвигающих усилий на контактной поверхности фор­мируется менее прочная структура грунта. Рациональные ско­рости перемещения гладких катков составляют 1,5...2,5 км/ч на первом и двух последних проходах и 8... 10 км/ч на промежуточ­ных проходах. По сравнению с работой в односкоростном режи­ме производительность катков при этом увеличивается пример­но в 2 раза.

Кулачковые каткиуплотняют грунт внедряемыми в него кулач­ками, а на первых проходах также поверхностью вальца. По мере уплотнения грунта кулачками на глубине при каждом новом про­ходе их погружение в грунт уменьшается, вследствие чего валец

теряет контакт с уплотняемой поверхностью. Из-за высоких кон­тактных давлений в конце уплотнения кулачки будут немного погружены в грунт, вследствие чего на его поверхности останется разрыхленный слой, который при необходимости прикатывают гладкими вальцами.

В отличие от работы гладких катков, когда от прохода к прохо­ду уплотненный слой наращивается от поверхности вглубь, ку­лачки начинают уплотнение на глубине, наращивая его в направ­лении к поверхности. Кулачковые катки применяют только для уплотнения рыхлых связных грунтов.При уплотнении ими несвяз­ных и малосвязных грунтов происходит выброс грунта кулачками вверх и в стороны, вследствие чего практически невозможно дос­тигнуть требуемой плотности.

Решетчатые катки(рис. 19.2) с обечайками, изготовленными из прутков в виде решетки с квадратными ячейками, работают подобно кулачковым каткам. Внедряясь в грунт прутками, решет­чатые катки уплотняют его, начиная с глубинных слоев. Их при­меняют для уплотнения комковатыхи переувлажненных связных грунтов,включая разрыхленные мерзлые и скальные крупнооб­ломочные грунты.

Прицепной пневмоколесный каток(рис. 19.3, а и б)состоит из рамы 3 с дышлом 2и сцепным устройством 1 для соединения с тягачом (трактором или автомобилем), четырех-пяти пневмати­ческих колес 5,соединенных с рамой одной осью (см. рис. 19.3, а) или через балансиры (рис. 19.3, б)и одного 4или нескольких 7 (по числу колес) балластных ящиков. В последнем случае балласт­ные ящики соединены между собой передней 6и задней 8попе­речными балками, а ось каждого колеса крепится к днищу соот­ветствующего балластного ящика так, что в зависимости от не­ровностей укатываемой поверхности с грунтом контактируют все колеса катка (рис. 19.3, в).

Пневмоколесные катки применяют для уплотнения как грун- .тов, так и гравийных и щебеночных оснований, а также черных смесей асфальтобетона. Преимуществом этих катков перед катками с металлическими вальцами является то, что при укатке камен-

Рис. 19.2. Решетчатый каток

в

Рис. 19.3. Прицепные пневмокатки (а и б) и схема перекатывания колес с независимой подвеской по неровностям

поверхности грунта (в)

ных материалов они не измельчают их. Требуемая степень уплот­нения достигается за 5... 10 проходов при рабочих скоростях пере­движения 11... 15 км/ч. Для уплотнения грунтов более эффективны шины большого диаметра с большей допустимой нагрузкой на каждую шину. Катки с автомобильными шинами используют, в основном, для уплотнения малосвязных и среднесвязных грун­тов, а с авиационными шинами повышенного давления — для уплотнения тяжелых суглинков и глин высокой связности.

19.3. Полуприцепные, самоходные и комбинированные катки

Полуприцепные (седельные) катки(рис. 19.4) агрегатируют с колесными тракторами и одноосными тягачами. Рабочее оборудо­вание этих катков полностью унифицировано с прицепными кат­ками соответствующего типоразмера и отличается от последнего опирающейся на седельное устройство тягача хребтовой балкой вместо дышла. Отечественная промышленность производит полу­прицепные катки трех типоразмеров: легкие, средниеи тяжелые массой соответственно 15±3, 30±6 и 45±9 т. Они отличаются хо­рошей маневренностью и транспортабельностью, высокими ка­чеством уплотнения и высокой производительностью.

Самоходные пневмоколесные каткиприменяют для уплотне­ния грунтов и покрытий дорог. Их разделяют по массе на легкие (10... 15 т), средние(20... 30 т) и тяжелые(40... 50 т). На этих кат­ках устанавливают четыре задних и три передних колеса, распо­лагая их в плане в шахматном порядке для перекрытия смежных уплотняемых полос. На катках, работающих на укатке черных асфальтобетонных покрытий, устанавливают шины с гладким протектором и пневматические распылители воды для смачива­ния и охлаждения шин.

Рис. 19.4. Полуприцепной пневмокаток

Основным направлением в развитии прогрессивных уни­версальных самоходных катков явилось создание гаммы ком­бинированных катковна базе унифицированных модулей: силовой установки с дизелем и насосной станцией, кабины с органами управления и двух шарнирно сочлененных рам. Ходовые устройства состоят из ведущего моста с пневмоколе- сами и уплотняющего катка — с гладкими вальцами, кулачкового или решетчатого. На рис. 19.5 показан комбинированный каток с кулачковым вальцом.