2. Производство земляных работ скреперами. Тяговые расчеты при работе скрепера

При производстве земляных работ скреперами на эффективность их использования особенно влияет правильный выбор схем движения и рациональных способов наполнения ковша скрепера при его работе в забое. В зависимости от взаимного расположения выемок и кавальеров, выемок и насыпей, насыпей и резервов разработку грунта скреперами выполняют по схемам движения: эллиптической, восьмерке, зигзагообразной и т.д. При выборе схемы движения необходимо предусмотреть наикратчайший путь при перемещении грунта. Длина забоя должна обеспечивать полную загрузку ковша.

Разработка выемок с перемещением грунта в насыпь (продольная возка) производится скреперами при любой глубине выемки и высоте насыпи.

Разгрузка грунта в насыпь осуществляется равномерно по ее ширине продольными полосами, начиная от бровок, по направлению к оси насыпи, что обеспечивает тщательное уплотнение грунта по ширине насыпи и необходимую безопасность движения скреперов по краю насыпи (рис. 7.8). Грунт, перемещаемый из выемки в насыпь, во избежание пересыхания или переувлажнения нужно разравнивать и уплотнять до окончания каждой смены. Послойное разравнивание грунта производится бульдозерами или автогрейдерами. Разработку выемок скреперами следует начинать от бровок выемки к середине продольными слоями. Образующиеся в поперечном сечении выемки уступы срезаются грейдерами, автогрейдерами или бульдозерами по мере разработки выемок через каждые 2 м по глубине (рис. 7.8).

Для лучшего заполнения ковша применяют рациональные схемы и способы загрузки скрепера, учитывающие влияние геометрических параметров ковша, свойств и состояния грунтов, формы ножей скрепера и глубины резания. Степень лучшего наполнения ковша характеризуется коэффициентом наполнения К_н. Обычно коэффициент наполнения К_н находится в пределах от 0,8 до 1,1. Рыхление грунтов III и IV категорий способствует увеличению наполнения ковша на 4…8%. Однако в разрыхленных грунтах уменьшается сила сцепления ходовой части трактора (тягача) с грунтом, что ограничивает силу тяги тягача или трактора.

Глубина резания и форма срезаемой стружки грунта зависят от характеристики грунтов и определяются тяговыми расчетами. Чтобы исключить перегрузку двигателя в процессе набора грунта, можно уменьшить толщину срезаемой стружки путем выглубления ковша.

В рыхлых грунтах целесообразно применять гребенчатую схему набора грунта, в более плотных – шахматно-ребристую (рис. 7.9).

При использовании гребенчатой схемы ковш заглубляется в несколько приемов. В начале набора грунта устанавливается максимально возможная глубина резания, допускаемая мощностью двигателя тягача. По мере нарастания нагрузки на двигатель и числа оборотов вала глубина уменьшается. При восстановлении нормального количества оборотов нож ковша вновь углубляется. Эта операция повторяется несколько раз. Профиль вырезанной полосы принимает гребенчатый вид. Этот способ сокращает путь набора и уменьшает время цикла скрепера. Призма волочения, образующаяся перед ковшом, подхватывается ножами при каждом их углублении, улучшая заполнение ковша и уменьшая потери грунта.

При ребристо – шахматной схеме срезка грунта по ширине забоя производится последовательными и параллельными проходками, одинаковыми по длине и расстоянию, но сдвинутыми по отношению к соседнему ряду в шахматном порядке так, чтобы полоса невыбранного грунта между проходками первого ряда (1…4) равнялась примерно половине ширины захвата ковша скрепера. Последующие ряды второй и третьей проходок должны располагаться в шахматном порядке; первую половину пути наполнения ковша производят на целине, на второй половине пути срезаются оставшиеся после разработки первого ряда проходок ребра грунта. Такой способ повышает коэффициент наполнения ковша, позволяя в конце набора, когда требуется максимальное усилие тяги, срезать более узкую и более толстую стружку грунта. Возможно использование комбинированной схемы набора грунта, которая сочетает в себе две выше приведенные схемы.

При использовании скреперов для регулирования средней дальности перемещения грунта устраивают съезды – въезды. При рабочих отметках до двух метров они устраиваются прямыми, при больших отметках – «косыми». Возможно устройство прислоненных въездов. Расстояние между съездами – въездами в зависимости от рабочих отметок приведено в п. 5.3.

а )

б)

Рис. 7.9. Схемы набора грунта скреперами:

а) гребенчатая;

б) ребристо-шахматная

Уклоны выездов и спусков должны находиться в определенных пределах.

Работа скрепера с тягачом или в прицепе с трактором возможна при соблюдении условия, выражаемого уравнением движения

Р_к > W, (7.4)

где Р_к – сила тяги тягача или трактора, Н;

W – общее сопротивление грунта при работе скрепера, Н.

Схема сил сопротивления при наборе грунта скреперами приведена на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Схема сил сопротивления при наборе грунта скреперами

W = W_т + W_p +W_н + W_n, (7.5)

где W_т – сопротивление перемещению груженого скрепера, Н;

W_р – сопротивление резанию грунта, Н;

W_н – сопротивление наполнению при подъеме и перемещении грунта внутри ковша, Н;

W_п – сопротивление перемещению призмы волочения, Н.

W_т = ( G_c + G_r )( f  i ), (7.6)

где G_c – вес скрепера, Н;

G_r – вес грунта в ковше, Н.

(7.7)

где q₁ – геометрическая емкость ковша, м³;

 - плотность грунта в естественном залегании, кг/м³;

К_н – коэффициент наполнения грунтом ковша скрепера (табл. 7.1);

К_р – коэффициент разрыхления грунта в ковше скрепера (табл. 7.2);

f – коэффициент сопротивления качению, равный при работе в уплотненных грунтах 0,1, а в рыхлых – 0,2;

g – гравитационная постоянная (g = 9,81 м/с² );

i – уклон поверхности пути (знак « + » соответствует движению на подъем, знак « - » - под уклон).

(7.8)

где k – удельное сопротивление грунта резанию, Н/м²;

b – ширина резания, м;

h - толщина стружки, м.

Таблица 7.1

Коэффициент наполнения грунтом ковша скрепера

Условия работы скрепера	Сухой рыхлый песок	Супесь и средний суглинок	Тяжелый суглинок и глина
Без толкача С толкачом	0,5…0,7 0,8…1	0,8…0,95 1…1,2	0,65…0,75 0,9…1,2

Таблица 7.2

Коэффициент разрыхления грунта в ковше скрепера в зависимости от состояния грунта

Грунт	Влажность, %	Средняя плотность грунта в естественном залегании, кг/м3	Коэффициент разрыхления грунта
Песок: сухой влажный Легкая супесь Супеси и суглинки Средний суглинок Сухой пылеватый суглинок Тяжелый суглинок Сухая глина	- 12…15 7…10 4…6 15…18 8…12 17…19 -	1500…1600 1600…1700 1500…1700 1600…1800 1600…1800 1600…1800 1650…1800 1700…1800	1…1,2 1,1…1,2 1,1…1,2 1,2…1,4 1,2…1,3 1,3…1,4 1,2…1,3 1,2…1,3

Таблица 7.3

Значения удельного сопротивления грунта резанию

Вид грунта	Удельное сопротивление резанию, кН/м2
Песчаный	6…7
Супесь, суглинок	9…11
Тяжелый суглинок, глина тощая	16…17
Глина тяжелая	24…26

(7.9)

где - сопротивление от веса столба грунта, поднимающегося в ковше, Н.

(7.10)

где Н – высота наполнения ковша, м.

Таблица 7.4

Ориентировочное значение высоты наполнения ковша скрепера

Емкость ковша скрепера	м3	6	10	15
Высота наполнения ковша	м	1,25…1,5	1,8…2	2,3

Сопротивление трению грунта по грунту :

(7.11)

(7.12)

где ₂ – угол внутреннего трения грунта, град.

Таблица 7.5

Значения угла внутреннего трения грунта

Вид грунта	2
Глина Суглинок Супесь Песок	7…20 12…25 18…30 22…40

(7.13)

где Y = 0,5…0,7 – коэффициент объема призмы волочения перед заслонкой и ножами ковша (наибольшее значение относится к сыпучим грунтам);

₂ = 0,3…0,5 – коэффициент трения грунта по грунту (для суглинков и песков).

Значение касательной силы тяги, приложенной на ободе ведущих колес или гусеницах тягача в кН, определяется по формуле

, (7.14)

где N – мощность тягача, кВт;

V₁ – скорость скрепера на первой передаче, км/ч (табл. 7.6);

 - коэффициент полезного действия, принимаемый 0,85…0,95.

Таблица 7.6

Скорости перемещение скрепера во время рабочего цикла

Скорость, км/ч	VН	VГ	VР	VП
Прицепные скреперы	1,5…1,6	3,8…4,5	4,5…6,4	6…10
Самоходные скреперы	3,5…5,0	5,3…15,0	3,5…5,5	8…25

В результате расчета необходимо при заданном типе тягача, скрепера и грунта из уравнения движения определить толщину стружки при известной силе тяги.

Если тяговых усилий скрепера недостаточно, то кроме разрыхления грунта используют также работу скрепера совместно с толкачом (рис. 7.11).

Мощность толкача обычно превышает мощность скрепера в 1,5…2 раза и как минимум может равняться мощности скрепера. Скорость при этом возрастает в 1,5…2 раза.

Один толкач обслуживает обычно 2…3 скрепера, а при большой дальности транспортирования их число может быть увеличено до 5…6.

Технические характеристики скреперов приведены в приложении 2.

Рис. 7.11. Технологическая схема сооружения железнодорожного земляного полотна с использованием прицепных скреперов, работающих с толкачом: 1- прицепной скрепер; 2 – полуприцепной пневмокаток; 3- толкач