Чистовую планировку выполняют на первой скорости при плавном движении скрепера без рывков и поворотов. После заполнения ковша автоматическую систему выключают и последующие операции проводят с ручным управлением.

При использовании скреперов на планировании в автоматическом режиме значительно повышается производительность машины за счет уменьшения числа проходов и достигается высокая точность работы. При этом средние отклонения выступов и неровностей составляют 1,5 см, тогда как величина этих отклонений при ручном управлении достигает 5,5 см.

Срезанный почвенный слой после планировки, например, орошаемых земель распределяют на участки срезки и подсыпки грунта. В других случаях его используют для рекультивации, восстановления нарушенных или малоплодородных земель.

2.5.4 Совместная работа скреперов с другими машинами

На земляных работах скреперы используют как самостоятельные машины или в качестве основных в комплекте машин, занятых на сооружении одного объекта. Комплект составляют из звеньев машин, выполняющих технологически последовательные работы. Например, при возведении насыпи звено скреперов завозит грунт, автогрейдеры его разравнивают, а звено самоходных пневмошинных катков уплотняет. Насыпи высотой 1,5-2,0 м целесообразно возводить комплектом машин, состоящим из скреперов и бульдозеров. При этом бульдозерами отсыпают нижнюю часть насыпи из боковых резервов при дальности перемещения до 100 м и более, а скреперами - верхнюю часть насыпи при движении по одной из вышеприведенных схем.

В отдельных случаях скреперы используют для работы с автомобилями-самосвалами. Для этого сооружают эстакады шириной 3 м с отверстием под бункер. Скрепер заезжает на эстакаду и сгружает в бункер грунт, который попадает в кузов автомобиля, стоящего под эстакадой.



3. ПРОИЗВОДСТВО ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ ЭКСКАВАТОРАМИ

3.1 Общие сведения

Машиностроительная промышленность выпускает экскаваторы семи типоразмеров с ковшами объемом от 0,25 до 3,00 м Выпускаются экскаваторы с механическим и гидравлическим приводами. Гидравлические экскаваторы, оборудованные обратной лопатой и грейфером, обладают по сравнению с механическими рядом преимуществ. Наличие в них гидропривода обеспечивает применение поворотных ковшей и позволяет реализовать большие усилия копания.

Выпускаются экскаваторы с различными механизмами передвижения: пневмоколесные, гусеничные с увеличенной опорной поверхностью.

Выбор параметров машин зависит также и от особенностей строительства данной отрасли хозяйства страны. Так, в водохозяйственном строительстве наиболее часто встречающаяся глубина разработки 2 м, а наибольшая глубина разработки - 7 м, в промышленном строительстве - наиболее часто встречающаяся глубина 6 м, а наибольшая - 18 м.

При возведении земляного полотна автомобильных дорог применяют экскаваторы, которые различают по назначению, типу рабочего оборудования, емкости ковша, типу ходового устройства, степени ограничения поворотного движения рабочего оборудования.

Выбор типа экскаватора, его модели и вида рабочего оборудования производят исходя из грунтовых и климатических условий, объемов и сроков работ, условий транспортирования грунта и некоторых других факторов.

Наиболее производительные роторные экскаваторы применяют при больших сосредоточенных объемах работ (объем на объекте более 20 тыс.м³).

Одноковшовые экскаваторы используют преимущественно при разработке предварительно разрыхленных скальных пород, мерзлых и плотных грунтов (трепел, мел, сланцевая глина и т. д.), при наличии моренных отложений или других неоднородных грунтов с валунами и различными включениями.

Экскаваторы на гусеничном ходу применяют на сосредоточенных работах, когда не требуются частые переброски, при слабых основаниях, при разработке скальных грунтов, где пневматические шины быстро выходят из строя. Экскаваторы на пневмоколесном ходу целесообразно использовать при грунтах с достаточной несущей способностью на рассредоточенных работах.

Основные объемы работ при строительстве дорог выполняют экскаваторами с оборудованием прямая лопата. Драглайн и обратная лопата используются меньше. Драглайн применяют при необходимости разработки грунтов ниже уровня стоянки экскаватора, когда работа с подошвы забоя затруднена из-за наличия грунтовых вод или по другим причинам, при возведении насыпей из боковых резервов и при разработке выемок с отвалом грунта. Обратную лопату применяют главным образом при разработке траншей и котлованов под фундаменты.

По мощности (производительности) экскаваторы выбирают исходя из объемов работ на объекте. Для этого можно воспользоваться графиками, аналогичными изображенным на рис. 22, или областями эффективного применения.



Рис. 22. Графики изменения стоимости земляных работ при применении разных экскаваторов и автомобилей (при расстоянии транспортирования грунта 3 км): 1 - при применении роторного экскаватора (350 м³/ч); 2 - при применении экскаватора с ковшом 0,65 м³; 3 - то же 1,6 м³; - стоимость земляных работ (цены 1989 г.); - объем работ на объекте

3.2 Забой экскаватора с прямой лопатой и его парамеры

К забою для экскаватора относят массив разрабатываемого грунта или полезного ископаемого, площадку для установки транспортных средств. Когда разработка ведется в отвал, к забою относят также площадку, на которую выгружают из ковша грунт или полезное ископаемое. Размеры и форма забоя зависят от рабочего оборудования экскаватора, его размеров, вида транспортных средств (если разработку ведут с погрузкой в эти средства), от назначения проводимых работ. Если земляные работы ведут для устройства или образования земляного сооружения (котлована, траншеи, выемки), размеры забоя зависят также от размеров земляного сооружения. Забой должен быть запроектирован так, чтобы создавались условия для наилучшего использования экскаватора, высокой производительности труда и снижения стоимости работ.

Основные технологические параметры забоя экскаваторов, оборудованных прямой лопатой, показаны на рис. 2

Рис. 2 Основные технологические параметры забоя прямой лопаты:

а - для механических экскаваторов; б - действительный профиль забоя прямой лопаты механического экскаватора; в - паспортные параметры забоя прямой лопаты гидравлического экскаватора; г - схема забоя прямой лопаты гидравлического экскаватора; 1 - теоретическая траектория; 2 - действительная траектория

Радиус габаритной зоны установки экскаватора обеспечивает равномерную разработку передней и боковых частей откосов разрабатываемого участка грунта:

,

где , - габаритная длина и ширина движителя экскаватора.

Наименьший радиус копания на уровне стоянки

,

где - ширина площадки для установки ковша у подошвы откоса.

Для механических экскаваторов ширина площадки, необходимой для установки ковша, зависит как от геометрических размеров ковша, так и от угла наклона стрелы. На экскаваторах с гидравлическим приводом, где ковш может изменять свое положение относительно рукояти, ширина площадки, необходимой для установки ковша, зависит от угла наклона передней стенки ковша к горизонтали.

Наибольший радиус копания на уровне стоянки

.

Величина равна пути движения ковша по горизонтали на уровне стоянки экскаватора из положения б в положение в. Положение ковша в точке б определяется углом (рис. 23), который, по данным А. С. Реброва, равен 9є. Положение точки в определяется углом , который, как показала практика, составляет 19є. В положении б ковш в начале движения своей задней частью касается угла ходовой тележки. В положении в нижняя часть передней стенки ковша ложится на грунт, и при дальнейшем движении ковша будет происходить смятие грунта передней стенкой ковша. На гидравлических экскаваторах определяется необходимостью получения определенной высоты разработки.

Наибольший радиус копания равен наибольшему горизонтальному расстоянию от оси поворота платформы до режущей части ковша. Для механических экскаваторов с напорным механизмом наибольший радиус копания определяется при горизонтальном положении полностью выдвинутой рукояти и угле наклона стрелы, равном 45є:

,

где - расстояние от оси поворота платформы до оси пяты стрелы; - расстояние вдоль стрелы от оси пяты стрелы до оси напорного вала, - длина рукояти от оси напорного вала до режущих кромок зубьев ковша.

Для гидравлических экскаваторов наибольший радиус копания определяется на высоте пяты стрелы, когда ковш повернут так, что образуется необходимый оптимальный угол копания, рукоять повернута от стрелы с полным использованием хода штока гидроцилиндра, а стрела расположена под углом 20-25є к горизонту.

Передвижкой называется процесс передвижения экскаватора на рабочем месте после выработки определенного объема грунта. Наибольшая длина передвижки определяется длиной площадки, перекрываемой ковшом прямой лопаты на уровне стоянки экскаватора, когда ковш из положения б (рис. 23) перемещается в положение в. Для механических экскаваторов длина передвижки зависит от угла наклона стрелы и угла установки ковша относительно рукояти. На гидравлических экскаваторах с поворотным ковшом движение его по горизонтальной площадке можно осуществлять на большее расстояние, чем на механических экскаваторах.

Высота разработки (рис. 23) определяется параметрами экскаватора, способом его работы и физико-механическими свойствами грунта. Увеличение высоты разработки, как правило, обеспечивает более высокие экономические показатели, однако оптимальная высота разработки регламентируется правилами безопасной работы, предусматривающими выполнение работ без козырька. Разработка горных пород производится с предварительным их рыхлением. При этом высота развала не должна превышать высоту подъема ковша. Дробленые горные породы, так же как и несвязные песчаные грунты, не образуют козырьков. При разработке связных грунтов образуются козырьки. Поэтому высоту забоя для работы в связных грунтах определяют исходя из следующих соображений.

В технической документации экскаваторов обычно приводят величину наибольшей высоты подъема ковша при движении по траектории: для механических экскаваторов по траектории б в г е (рис. 23, а), для гидравлических экскаваторов - по траектории б в к е (рис. 23, г). Траектория движения ковша механического экскаватора в зоне б в г (рис. 23, а) обеспечивает выполнение правил безопасной работы. Рекомендуемая высота разработки прямой лопатой механического экскаватора составляет , где - высота напорного вала. Это выражение может быть записано в виде , где - высота наибольшего подъема ковша.

Конфигурация поперечного сечения разработки, как показывает опыт, имеет несколько иной вид, чем представленная на рис. 23, а. Нижняя часть откоса более пологая, а верхняя - более крутая. Наибольшая работа механизма напора осуществляется в средней части разработки (рис. 23, б). Точка K расположена в месте изменения профиля откоса разработки на высоте .

На рис. 23, в показана схема разработки, приводящаяся в технической документации заводов-изготовителей. На этом рисунке показаны траектория б ж - начальная траектория разработки, траектория в₂ е - конечная траектория разработки, участок б в₂ - возможная длина планируемого участка. Такая схема не обеспечивает выполнение работ из-за нависающего козырька. Поэтому работу прямой лопаты гидравлического экскаватора нужно организовать следующим образом. Ковш установить в точку б (рис. 23, г), отстоящую от оси вращения экскаватора на расстоянии , т. е. наименьшего радиуса копания на уровне стоянки экскаватора, при этом передняя стенка ковша будет наклонена к горизонту на 50є. Размеры планируемого участка определяют следующим образом. Участок б в₂ делят на два. Получают участок длиной б в - это будет длина планируемой площадки. Конечная траектория движения ковша в к е образуется при движении ковша поворотом стрелы. Точка е лежит на пересечении линии д е с траекторией, образованной при наибольшем радиусе копания . Точка е также определяет высоту разработки. Таким образом, контур грунта, разрабатываемого прямой лопатой гидравлического экскаватора, вписывается в контур б в к е д. При этом обеспечивается необходимая крутизна откоса и достаточный объем грунта для получения необходимой производительности.

Средним углом поворота прямой лопаты на выгрузку ковша называют угол между центром тяжести элемента грунта, разрабатываемого с одной стоянки экскаватора, и местом разгрузки. Средний угол поворота равен , где - угол между центром тяжести элемента и осью хода экскаватора; - угол между осью хода экскаватора и местом разгрузки.

Для эффективной работы экскаватора величина усилия на режущей кромке (зубьях) ковша должна быть не менее сопротивления грунта копанию , где - ширина ковша; - толщина срезаемой стружки; - удельное сопротивление резанию грунта, кН/м² (для жирной глины - 160, для тяжелой - 250, при копании взорванных скальных пород - 350).

Возможность повысить усилие на зубьях ковша позволяет увеличить толщину стружки и тем самым сократить путь ковша при копании грунта и время его загрузки. При работе с рукоятью, выдвинутой на 2/3 ее длины, появляется возможность увеличить усилие резания на 30-40 % по сравнению с усилием резания на наибольшем вылете, что позволяет увеличить толщину стружки и уменьшить путь резания грунта. Чем плотнее грунт, тем больше может быть высота копания (табл. 7). Минимальная глубина забоя для наполнения ковша грунтом за одно копание зависит от грунта.

Группа грунта I и II III IV

Минимальная глубина забоя

Таблица 7

Наименьшая высота забоя, обеспечивающая наполнение ковша с “шапкой”

Группа грунта	Вместимость ковша, м3
	0,25	0,4-0,5	0,65-0,80	1,00-1,25	1,6-2,5
I, II	1,5	1,5	2,5	3,0	3,0
III	2,5	2,5	4,5	4,5	4,5
IV	3,0	3,5	5,5	6,0	6,0

Для ускорения подъема и опускания ковша предельная высота подъема ковша не должна быть более . Минимальная высота забоя в связных грунтах определяется высотой резания. В песчаных, гравелистых грунтах и значительно разрыхленной взрывом скале высота забоя зависит от угла естественного откоса грунта и траектории движения ковша (см. ниже).

При недостаточной для наполнения ковша высоте разработки следует уменьшить угол наклона стрелы. Для увеличения наполнения ковша целесообразно также помимо уменьшения угла наклона стрелы изменить на 5-6є угол наклона ковша, для чего в сочленении ковша с рукоятью предусмотрено соответствующее регулировочное устройство.

Сопоставление возможной высоты разработки прямой лопатой механических и гидравлических экскаваторов показывает, что механическими экскаваторами при принятых параметрах оборудования можно разрабатывать выемки на 30-40 % выше, чем гидравлическими. Увеличение высоты разработки прямой лопатой гидравлических экскаваторов может быть достигнуто изменением размеров элементов рабочего оборудования. Так, увеличение длины рукояти на 16-17 % позволит в 1,5-1,7 раза увеличить высоту разработки.

В целях снижения энергоемкости копания и значительного увеличения выработки экскаватора применяют ковши без зубьев с полукруглой режущей кромкой (ЦНИИС, проф. Д. И. Федоров). Уширенные боковые стороны ковша позволяют хорошо отрабатывать откосы, что также снижает трудовые затраты на земляные работы. Такие ковши надежны при работе в пластичных грунтах.

Экскаватор с прямой лопатой разрабатывает грунт впереди себя и выше уровня стоянки снизу вверх, а затем по мере разработки на величину принятого хода рукояти вперед перемещается на следующую стоянку. Основные виды проходок и забоев при работе прямой лопатой: лобовая, или тупиковая и боковая (рис. 24, а и б).

Рис. 24. Проходки экскаватора:

а - уширенный лобовой забой; б - боковой забой; в - параметры бокового забоя; 1 - центр тяжести забоя; 2 - места стоянок экскаватора; 3 - вешка; 4 - направление движения; 5 - направление рабочего хода экскаватора

Боковые проходки широко применяют при разработке выемок и карьеров с погрузкой грунта в транспортные средства, полувыемок на крутых склонах местности, скальных выемок, а также котлованов под фундаменты зданий, если размеры котлована не ограничиваются лобовым забоем, лобовые - для первой проходки в выемках и карьерах, при коротких выемках.

При боковых забоях (рис. 24, б) экскаватор выгружает грунт в транспортные средства, стоящие сбоку, или реже в отвал, расположенный параллельно ходу экскаватора. Боковые забои могут быть одно- и двухъярусными в зависимости от глубины котлована и параметров рабочего оборудования экскаватора. Боковой забой по сравнению с лобовым более выгоден: значительно меньше угол поворота экскаватора, удобнее подача и загрузка транспортных средств, возможно сквозное движение автомобилей, благодаря чему увеличивается выработка экскаватора, но уменьшается объем грунта, вынимаемый с одной стоянки, и возрастает число передвижек. У лобового забоя много отрицательного. Автомобили-самосвалы приходится подавать задним ходом. Установка транспортных средств сзади экскаватора значительно увеличивает угол поворота и удлиняет цикл, уменьшает выработку экскаватора. Однако, разрабатывается больший объем грунта с одной стоянки и число передвижек уменьшается. Улучшение схемы разработки лобовым забоем достигается в уширенном забое (рис. 24, а).

Размеры забоя определяются рабочими размерами экскаватора. Чтобы не оставался грунт после передвижки экскаватора, расстояние от оси его поворота до верха бокового откоса должно быть несколько меньшим, чем наибольший радиус резания. При наибольшем радиусе резания и длине рабочей передвижки этот размер, согласно рис. 24, в, должен быть не более .

Графически расстояние от оси поворота экскаватора до верха бокового откоса забоя является катетом прямоугольного треугольника с гипотенузой и вторым катетом . Согласно этой же схеме наибольшее расстояние до подошвы бокового откоса забоя

,

а заложение бокового откоса

,

где - радиус резания с уровня стоянки экскаватора.

Наибольшая ширина лобового забоя и равная ей наибольшая ширина заходки экскаватора с прямой лопатой в лобовом забое с перемещением экскаватора по прямой линии определяются как удвоенный размер :

.

Наибольшая ширина лобового забоя на уровне стоянки экскаватора

.

Если необходимо увеличить длину рабочей передвижки по сравнению с шириной, определяемой по последним двум формулам, следует переходить на работу в уширенном лобовом забое, в зигзагообразном или поперечном лобовом забое. При чрезмерном удалении внешней кромки бокового забоя грунт для экскаватора становится недоступным, т. е. в процессе работы он отодвигается ковшом в выработанное пространство. Грунт в этой части забоя может быть захвачен ковшом лишь в том случае, если угол поворота экскаватора в сторону выработанного пространства не превышает 30-45є. Поэтому расстояние от оси экскаватора до подошвы откоса со стороны погрузочного пути должно быть не больше . Размеры левой части такие же, как и у лобового забоя.

Высота забоя при работе прямой лопатой в рыхлых малосвязных и несвязных грунтах, разрыхленных породах и материалах зависит от угла естественного откоса. На рис. 25 показана зона движения зуба ковша - это зона АБВГ. Установив ковш в положение А и зная допустимый для разрабатываемого грунта угол откоса, получим линию первоначального откоса. Приняв величину передвижки м и проведя через точку Ж линию, параллельную линии откоса АД, получим площадь разработки грунта (в нашем случае при угле откоса и величине передвижки ), определяемую контуром АЖЕД. Высота копания определяется местом пересечения линии ЖЕ с линией ВГ наибольшего радиуса копания. Высота копания является величиной переменной, зависящей от свойств грунта и размерной группы экскаватора.

Рис. 25. Определение возможной высоты разработки прямой лопатой гидравлических экскаваторов



Забой экскаватора с обратной лопатой и его параметры

Основные параметры забоя экскаватора, оборудованного обратной лопатой, приведены на рис. 26.

Радиус габаритной установки , необходимый для обеспечения возможности свободной обработки откоса выемки снизу доверху:

,

где - габаритные длина и ширина движителя экскаватора.

Рис. 26. Технологические параметры рабочего места обратной лопаты:

а - зависимость от ширины проходки; б - технологические параметры

Наименьший радиус копания на уровне стоянки машины определяется расстоянием между осью вращения экскаватора и местом выхода зубьев ковша из грунта при полностью повернутой к стреле рукояти. Наименьший радиус копания не должен быть меньше м для обеспечения безопасной работы.

Наибольший радиус копания на уровне стоянки определяется расстоянием между осью вращения экскаватора и зубьями ковша, установленными на поверхности стоянки экскаватора при наибольшем угле поворота рукояти относительно стрелы.

Радиус копания на заданной глубине зависит от глубины разработки. Чем больше глубина разработки, тем меньше величина радиуса копания на заданной глубине.

Наибольшая глубина копания определяется расстоянием между уровнем стоянки экскаватора и зубьями ковша при наибольшем возможном наклоне стрелы вниз. Наибольшая глубина копания (рис. 27, а) при заданных наименьшем и наибольшем радиусах копания на уровне стоянки экскаватора, заданной крутизне откоса определяется из треугольника :

,

откуда

.

Корни этого уравнения

,

где ; ; .

Рис. 27. Определение параметров глубины при разработке выемок обратной лопатой: а - при определении наибольшей глубины копания; б - при определении глубины разработки с планировкой дна выемки

После выработки грунта из контура стоянки I -I экскаватор перемещается в направлении, показанном стрелкой (рис. 27, а), и с новой стоянки II -II (рис. 27, б) может разрабатывать грунт на соответствующую глубину. При этом контур разработки будет .

Для обеспечения ровной поверхности дна выемки глубину разработки необходимо уменьшить. Глубина выемки с ровным основанием зависит от крутизны откоса и передвижки и определяется из треугольника .

Так как

,

глубина разработки определяется из выражения



,

где ; ; .

Обычно при разработке траншей и выемок ставится также задача планирования дна выемки. Эта работа возможна лишь в пределах видимости машинистом планируемого участка на глубине или (рис. 28).

Передвижкой называется процесс передвижения экскаватора на рабочем месте после выработки определенного объема грунта. При работе обратной лопатой передвижка зависит от требуемой глубины разработки: чем меньше глубина разработки, тем больше может быть передвижка.

Средний угол поворота на выгрузку зависит от радиуса разгрузки, допустимого расстояния от оси хода экскаватора до оси землевозной дороги и ширины проходки (рис. 26, а).

Для сокращения продолжительности цикла целесообразно вести работу широкими проходками. Ширина проходки для экскаваторов с обратной лопатой определяется так же, как для экскаваторов с прямой лопатой. Наибольшая ширина боковой проходки с погрузкой грунта в самосвалы назначается с учетом получения наименьшего среднего угла поворота на выгрузку (рис. 26, а).



Рис. 28. Схема для определения зоны видимости дна при разработке выемки обратной лопатой: 1 - туловище машиниста в вертикальном положении; 2 - туловище наклонено вперед

Параметры разгрузки ковша. Радиус разгрузки определяется как расстояние между осью поворота экскаватора до режущей кромки ковша в тот момент, когда из него начинает высыпаться грунт. На экскаваторах с механическим приводом, где ковш жестко соединен с рукоятью, высыпание грунта из ковша осуществляется на определенном пути при повороте рукояти. Для механических экскаваторов различают начальный и конечный радиусы разгрузки.

Для гидравлических экскаваторов из-за независимого поворота ковша относительно рукояти разгрузка ковша возможна при различных положениях стрелы и рукояти. Для этих экскаваторов различают ближнее и дальнее места разгрузки: в первом случае разгрузка осуществляется с большой высоты, во втором случае высота разгрузки меньше, но радиус разгрузки больше.

3.3 Организация работы экскаваторов

Наиболее характерным для экскаваторов является применение на разработке глубоких выемок, грунтовых и каменных карьеров.

Выемка большого сечения разрабатывается продольными проходками экскаватора (рис. 29).

Рис. 29. Последовательность разработки выемки продольными заходами: I - VIII - очередность выполнения проходок

Вначале отрывают на всю длину выемки траншею I (рис. 29). Первая траншея мельче последующих, так как грунт нужно грузить в транспортные средства, находящиеся выше уровня стоянки экскаватора. Затем рядом с траншеей I отрывают более глубокую II, причем транспортный путь прокладывают по дну траншеи I. Выемка получается последовательными проходками экскаватора до принятой глубины сечения. В отдельных случаях первый транспортный путь прокладывают по пионерной траншее, которую устраивают для сглаживания неровностей рельефа, мешающих движению транспортных средств, а также для сокращения числа проходок, если глубина выемки не кратна возможной высоте забоя. Пионерную траншею делают минимальной по размерам в соответствии с габаритом автомобиля. Грунт из нее обычно укладывается в отвал вдоль бровки и погружается в транспортные средства во время последующих проходок экскаватора. В отвале грунт размещают, как правило, параллельно движению экскаватора на площадке, находящейся на уровне стоянки, выше ее или, что лучше, ниже уровня стоянки (выгрузка под откос).

На рис. 30 представлена схема устройства насыпи из грунта, разрабатываемого в карьере 5 экскаватором 4 с транспортировкой автомобилями-самосвалами 1 в насыпь, разравниванием в насыпи бульдозером 2 и уплотнением катком 3 на пневматических шинах.

Рис. 30. Схема устройства насыпи из грунта, разрабатываемого в карьере с транспортировкой в насыпь: 1 - автомобиль-самосвал; 2 - бульдозер; 3 - каток на пневматических шинах прицепной; 4 - экскаватор; 5 - грунтовый карьер

Рабочее оборудование драглайна применяют при разработке глубоких выемок и траншей, погрузке гравия, песка из речных карьеров. Он экономичен при работе с перемещением грунта в отвал без вторичной перевалки. При разработке забоя экскаватор стоит близ выемки и работает снизу вверх. Забой разрабатывается послойно на глубину, определяемую рабочей характеристикой драглайна.

Применение грейфера ограничено разработкой глубоких котлованов, колодцев, грунтов под водой и засыпкой при устройстве фундаментов. Грейферы используют для погрузочно-разгрузочных работ на складах каменных материалов.

3.4 Сооружение “стен в грунте” с применением одноковшовых экскаваторов со штанговым оборудованием

Способ “стена в грунте” применяют для сооружения несущих стен подземных помещений или противофильтрационных завес путем разработки глубоких узких траншей под глинистым раствором с последующей укладкой в траншею бетона или другого заполнителя. После окончания устройства “стены в грунте” по периметру сооружения или котлована производят разработку грунта и транспортировку его из котлована обычными методами, т. е. с использованием экскаваторов, автомобилей-самосвалов и другого оборудования.

Применение способа “стена в грунте” наиболее эффективно в сложных гидрогеологических условиях, при наличии высокого уровня грунтовых вод, водоупора на практически достижимой глубине, при устройстве подземных помещений и ограждений котлованов в городских условиях вблизи существующих зданий.

Опыт строительства за рубежом и в нашей стране показал, что способ “стена в грунте” может быть успешно применен при строительстве гражданских подземных помещений нежилого назначения (гаражей, торговых центров, складов, кинотеатров и т. д.), промышленных подземных помещений (цехов I и II размолов на обогатительных фабриках, установок для непрерывной разливки стали и т. д.), водозаборных сооружений (насосных станций, очистных сооружений), подземных улиц и проездов, тоннелей мелкого заложения транспортного назначения, сухих доков и шлюзов, набережных и других гидротехнических сооружений.

Стены сооружений и ограждений котлованов, устраиваемые способом “стена в грунте”, могут иметь различную форму в плане: прямоугольную, круглую, многоугольную и т. д.

Сущность технологии возведения подземных сооружений способом “стена в грунте” заключается в том, что с помощью специального штангового или грейферного оборудования к экскаваторам с ковшом объемом 1 м³ и более разрабатывают траншею шириной 0,3-1,0 м и глубиной 18 м и более (рис. 31). Для предотвращения обрушения вертикальных стенок траншеи используют глинистый раствор, обеспечивающий необходимое гидростатическое давление. После отрывки на полную глубину участка траншеи экскаватор передвигают на новую стоянку, а в отрытом участке траншеи возводят монолитную или сборную железобетонную стенку.

Для проходки траншеи с вертикальными или наклонными стенками удобны землеройные машины, которые непрерывно или циклично разрабатывают траншею на всю высоту. К таким машинам относятся экскаваторы с обратной лопатой (для траншей глубиной до 7,4 м), драглайны (для траншей глубиной до 16,3 м), бурофрезерные машины СВД-500Р и гидромеханизированный траншеекопатель (ГМТ) (для траншей глубиной соответственно до 40 и 20 м).

Рис. 31. Возведение “стены в грунте” из сборных железобетонных панелей: а - общая схема; б - виды сопряжения панелей; 1 - экскаватор; 2 - песчаная смесь; 3 - пневмоколесный кран; 4 - гусеничный кран; 5 - железобетонная панель; 6 - кондуктор; 7 - участок траншеи, заполненный глинистым раствором; 8 - штанговый экскаватор; 9 - цементный раствор; 10 - петлевые выпуски арматуры

Широко используется установка на гидравлическом экскаваторе как базовой машине оборудования гидравлического грейфера на напорной штанге (рис. 32), которая обеспечивает возможность жесткой фиксации штанги на любой глубине копания, создания принудительного усилия внедрения ковша, быстрой корректировки вертикального положения штанги, погрузки вынутого грунта непосредственно в транспортные средства. Штанговое оборудование состоит из рычага, монтируемого на стреле, опорной рамы, имеющей нижние и верхние проушины и цапфы, в которую устанавливается механизм передвижения штанги; на нижнем конце штанги устанавливается двухчелюстной ковш. Оборудование может применяться с основной штангой, при этом высота разгрузки равна 2,4 м, а глубина - 18 м. При использовании удлинителя высота разгрузки составляет 3 м, а глубина разработки - 20 м. Испытания и опыт работы показали, что такое оборудование работоспособно при температуре воздуха до -7 єC. При более низких температурах происходит замерзание раствора на канатах, что приводит к их обрыву. Попадание раствора на другие элементы машин и его замерзание может привести к их отказам (например, нарушению уплотнений в сопряжениях движущихся элементов в гидросистемах и др.).

Рис. 32. Штанговое оборудование экскаватора 5-й размерной группы:

1 - ковш двухчелюстной; 2 - опорная рама; 3 - штанга; 4 - рычаг; 5 - стрела

Широко применяются краны фирмы “Поклен” с шарнирно-сочлененной стрелой и грейфером на жесткой штанге (рис. 33), которые могут разрабатывать траншеи глубиной до 13 м. Грейфер вместимостью 0,7 м³, шириной 0,4-1,0 м с размахом челюстей до 3,4 м оборудован гидравлическим приводом. Подобные грейферные установки имеют небольшие размеры, весьма мобильны, технологичны. Поэтому они широко применяются в стесненных условиях строительства. В нашей стране такие установки, а также их модификации (с телескопической штангой) использует ряд строительных организаций.

Рис. 3 Кран фирмы “Поклен” с шарнирно-сочлененной стрелой и грейфером на жесткой штанге: 1 - шарнирная стрела; 2 - штанга; 3 - направляющая; 4 - грейфер

Выбор землеройного и бурового оборудования для разработки траншей производят обычно в два этапа: на первом отбирают по техническим характеристикам землеройные машины с учетом требуемой ширины и глубины траншей, формы и размеров сооружения в плане, а также геологических условий; на втором - на основании технико-экономических расчетов (по критерию) производят выбор рационального оборудования.



3.5 Применение одноковшовых экскаваторов с телескопической стрелой

Телескопическое оборудование применяется на универсальных экскаваторах как сменное оборудование (например, экскаватор ЭО-3332) (рис. 34), а на некоторых специальных экскаваторах (например, Сатур - Чехия, Словакия) оно является единственным видом оборудования.

Телескопическое оборудование выпускается на экскаваторах 3-й размерной группы и имеет нормальные и удлиненные стрелы. Такое оборудование предназначено в основном для производства зачистных работ на откосах насыпей и выемок. Его основные параметры выбирают из условий возможности движения ковша без одновременного поворота стрелы, чем достигается большая точность и простота работы. Такие параметры задаются на основе анализа параметров земляных сооружений по наиболее часто встречающимся величинам крутизны откосов. Общая длина планируемой поверхности зависит от крутизны откоса.

Если длина откоса больше рабочих параметров экскаватора, откос делят на зоны, длина которых равна величине хода выдвижной части стрелы. Планировку откосов можно производить методом “снизу - вверх” (рис. 34) и “сверху - вниз”.

Экскаваторы с телескопической стрелой применяют при планировке площадей, при работе в стесненных условиях, например в местах пересечения траншей с уложенными ранее коммуникациями, при разработке грунта в непосредственной близости от строений, при погрузке грунта в автотранспорт или отвал (рис. 34). Размеры стесненных мест составляют: по высоте 4,5-5,0 м, по ширине 8-13 м. Глубина разработки равна 2,5-3,0 м.



Рис. 34. Схема работы экскаватора с телескопическим оборудованием:

а - планировка откосов; б - планировка основания; в - расчистка пространства около трубопровода; г - разработка приямка у стен закрытого помещения; д - разработка траншеи с вертикальными стенками и щитами; е - разработка траншеи с откосами

Телескопическое оборудование применяют при разработке узких траншей с вертикальными стенками, укрепляемыми щитами и распорками. Телескопическое оборудование для своей работы требует места в 3-4 раза меньше, чем обратная лопата. Это обеспечивает более быструю установку щитов и уменьшает опасность обрушения незащищенных откосов. Телескопическим оборудованием можно также разрабатывать котлованы и траншеи лобовыми и боковыми проходками.

3.6 Отсыпка насыпей автомобилями-самосвалами

При транспортировке грунта от экскаваторов и разгрузке его в насыпь требуется соблюдение определенного порядка работ, чтобы обеспечить разгрузку грунта в нужном месте, его разравнивание и уплотнение. Автомобили-самосвалы должны двигаться по спланированному грунту, при этом они осуществляют дополнительное уплотнение грунта.

Движение автомобилей-самосвалов может быть тупиковым (рис. 35, а) или кольцевым (рис. 35, б). Тупиковую схему движения самосвала применяют при высоте насыпи более 5 м, на подходах к мостам, а также на участках, где движение самосвалов за пределами насыпи затруднительно. При этом фронт отсыпки перемещается противоположно движению груженых автомобилей-самосвалов. Автомобили-самосвалы начинают отсыпку с дальнего конца насыпи и постепенно перемещаются к началу со стороны движения грузопотока.

Перед местом отсыпки грунта самосвалы разворачиваются и задним ходом подаются на разгрузку. При этом самосвалы двигаются по насыпи в двух направлениях. Для разворота самосвалов требуется площадка шириной не менее 11-12 м. Такая схема работ применима лишь при строительстве широких насыпей.

Рис. 35. Технология отсыпки насыпи автомобилями-самосвалами при тупиковой (а) и кольцевой (б) схемах движения

Кольцевую схему движения применяют при передвижении самосвалов с грузом по отсыпанному слою в одном направлении - от выемки или карьера, а обратно без груза - за пределами насыпи. С этой целью на насыпи выполняют временный съезд. Насыпь делят на захватки не только по длине, но и по ширине. Одну половину полосы используют для проезда, причем автомобили-самосвалы проходят ее насквозь, задним ходом подаются на разгрузку, а затем снова следуют вперед до съезда. На второй половине ведут отсыпку (в головной части), разравнивание грунта бульдозером и уплотнение слоя. После того как слой будет отсыпан, выровнен и уплотнен, его используют для проезда, а на первой полосе начинают отсыпку. Фронт отсыпки насыпи при кольцевой схеме перемещается в направлении движения груженых автомобилей-самосвалов от выемки или карьера.

Применение кольцевой схемы движения возможно в тех случаях, когда проезд автомобилей-самосвалов за пределами насыпи не вызывает затруднений и не требуется значительных затрат на содержание землевозной дороги. Съезды выполняют постепенно по мере увеличения высоты насыпи.

3.7 Производительность экскаваторов и основные направления ее повышения

Эксплуатационная производительность одноковшовых экскаваторов (м³/ч) определяется по формуле

,

где - продолжительность рабочего цикла, с; - геометрическая емкость ковша, м³; - коэффициент наполнения ковша грунтом; - коэффициент разрыхления грунта; - коэффициент использования рабочего времени.

Числовые значения коэффициентов и для различных групп грунтов следующие:

Группа грунтов

I 1,10 1,00

II 1,20 0,97

III 1,25 0,95

IV 1,30 0,90

V 1,35-1,45 0,85

VI 1,45-1,50 0,80

Продолжительность рабочего цикла устанавливается в результате хронометражных наблюдений. Она зависит не только от группы грунтов, но и от типа экскаватора, от расположения его в забое и транспорта под погрузку, связанного с величиной угла поворота стрелы экскаватора из забоя на выгрузку.

Переменной величиной в вышеприведенной формуле кроме является коэффициент использования рабочего времени, который, не учитывая потерь из-за недостатка транспортных средств, неисправности машин, перебоев в снабжении энергией и топливом и т. п., в значительной степени зависит от характера работы экскаватора (в отвал или транспорт) и от вида и емкости транспортных средств.

При работе одноковшовых экскаваторов в автосамосвалы продолжительность рабочего цикла увеличивается за счет дополнительных затрат времени на установку ковша экскаватора над автосамосвалом. Если эти дополнительные затраты времени учесть особым коэффициентом , то формула для определения технической производительности одноковшовых экскаваторов при работе в автосамосвалы (м³/ч) примет следующий вид:

.

Численные значения коэффициента по данным исследований проф. Н. Г. Домбровского составляют: 1,07 - для лопат и 1,15 - для драглайнов.

Проведенные в отечественной и зарубежной практике исследования позволили выявить количественное влияние на продолжительность цикла квалификации машиниста, характера разрабатываемого грунта и технологических параметров забоя и оборудования экскаватора. Влияние этих факторов на продолжительность цикла может быть учтено системой коэффициентов (рис. 36).

Рис. 36. Влияние различных факторов на продолжительность операций цикла механических (1) и гидравлических (2) экскаваторов:

а - квалификации машиниста; б - характера грунтов, разрабатываемых прямой лопатой; в - то же, обратной лопатой; г - то же, драглайном; д - длины передвижки; е - размерной группы экскаваторов ; ж - ширины проходки; з - высоты (глубины) разработки прямой лопатой; и - то же, обратной лопатой; к - то же, драглайном; л - среднего угла поворота на выгрузку; м - длины стрелы; н - угла наклона стрелы; о - заброса ковша

Продолжительность цикла работы экскаваторов при различных видах рабочего оборудования можно определить из выражений:

для прямой лопаты

;

для обратной лопаты

;

для драглайна

,

где , ,, - продолжительности операций копания грунта, поворота на выгрузку, разгрузки, поворота в забой для экскаваторов 3-й размерной группы при среднем угле поворота на выгрузку, равном 70є, средней глубине (высоте) копания 1,5 м, а при разработке грунта I группы - с нормальными параметрами рабочего оборудования (табл. 8); коэффициенты, учитывающие влияние: - квалификации машиниста (рис. 36, а); - характера разрабатываемого грунта (рис. 36, б, в, г); - величины передвижки (рис. 36, д); - типоразмера экскаватора (рис. 36, е); - ширины проходки (рис. 36, ж); - высоты (глубины) разработки (рис. 36, з, и, к); - величины среднего угла поворота на выгрузку (рис. 36, л); - способа разгрузки ковша (при открывающемся ковше , при поворачивающемся - ); - вида работы (при работе в отвал , при работе в транспортное средство: обратной лопатой механического экскаватора , обратной лопатой гидравлического экскаватора , драглайном ); - относительной длины элементов рабочего оборудования (рис. 36, м); - угла наклона стрелы драглайна (рис. 36, н); - заброса ковша драглайна (рис. 36, о).

В настоящее время основными направлениями повышения производительности одноковшовых экскаваторов являются:

научное обоснование параметров всех экскаваторов с учетом требований строительной техники;

унификация линейных параметров рабочего оборудования гидравлических экскаваторов;

Таблица 8

Значения составляющих цикла работы экскаваторов 3-й размерной группы в принятых условиях

Оборудование	Копание	Поворот на выгрузку	Разгрузка	Поворот в забой
Прямая лопата Обратная лопата Драглайн	1 4 4	5 4 5	2 2 2	4 3,5 4

разработка рабочего оборудования прямая лопата гидравлических экскаваторов, обеспечивающего разработку забоев нормальной высоты;

дальнейшее улучшение условий работы машиниста и автоматизация выполнения операций цикла с целью уменьшения утомляемости машиниста;

разработка оборудования обратная лопата механических экскаваторов, обеспечивающего нормальные условия погрузки самосвалов грузоподъемностью до 15 т;

разработка ковшей и механизмов поворота, применение которых снизит просыпание грунта из ковша;

разработка методов защиты ковшей экскаваторов от налипания грунта;

расширение номенклатуры быстросъемных рабочих органов;

разработка комплекса экономически обоснованных типовых технологических карт производства механизированных земляных работ с применением обязательного перечня организационно-технических мероприятий;

дальнейшее сокращение трудоемкости технического обслуживания.



4. ПРОИЗВОДСТВО ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ ГРЕЙДЕРАМИ

4.1 Назначение, типы, область применения

Грейдеры и грейдер-элеваторы относятся к типу землеройно-транспортных машин, разрабатывающих грунт послойно. Их применяют при выполнении земляных работ на различных видах строительства и особенно в дорожном и гидротехническом строительстве для планировки строительных площадок и откосов насыпей, профилирования поверхности земляного полотна дорог, устройства корыта для дорожного покрытия, возведения невысоких насыпей и дамб из резервов, рытья кюветов и нагорных канав.

Конструктивной особенностью грейдеров и грейдер-элеваторов является возможность при движении перемещать ножами отвала грунт в сторону от оси движения машины. В процессе работы грейдер-элеватора грунт поступает на ленту конвейера для перемещения в отвал или в транспорт.

Автогрейдеры являются самоходными агрегатами. Они имеют пневмоколесное ходовое устройство с достаточно высокой скоростью передвижения. Это делает их высокоманевренными и более производительными по сравнению с прицепными грейдерами. На современных автогрейдерах широко используют гидропривод и гидравлическое управление.

В зависимости от массы автогрейдеры подразделяют на три группы: легкие (до 12 т), средние (до 15 т) и тяжелые (более 15 т).

Большое значение имеет автоматизация управления рабочим оборудованием автогрейдера. Современные автогрейдеры оборудуются автоматическими системами управления отвалом, например системами “Профиль П”, “Профиль 30”, которые уменьшают утомляемость машиниста, увеличивают точность работ и повышают производительность автогрейдеров. Работа этих систем основана на функционировании от датчиков, перемещающихся по специально установленной копирной струне, спланированной поверхности земляного полотна или работающих по лазерным направляющим (рис. 37).

На автоматическом режиме управления положением отвала производят преимущественно разравнивание грунта, планировку поверхностей земляного полотна и откосов и т. п. Операции более грубые и требующие значительного тягового усилия, например, резание грунта, целесообразно производить на ручном режиме.

4.2 Параметры рабочего органа автогрейдера

Виды работ, которые выполняет автогрейдер, обусловлены конструкцией отвала, имеющего возможность устанавливаться с перемещением в двух взаимно перпендикулярных плоскостях под различными углами относительно машины и поверхности грунта (рис. 38).

Рис. 37. Принципиальная схема работы автогрейдера с системой автоматики “Профиль 30”: 1 - лазерный излучатель; 2 - пульт управления системой автоматики; 3 - фотоэлектрический приемник; 4 - электро-гидрораспределитель; 5 - датчик контроля углового положения отвала; 6 - датчик управления положением отвала по высоте; 7 - подъемное устройство

Для правильного использования автогрейдера на земляных работах отвал устанавливают в соответствии с рациональными углами захвата , резания и зарезания (табл. 9).

Рис. 38. Углы рабочих установок отвала автогрейдера

Таблица 9

Углы установки отвала автогрейдера

Вид работы	Угол
	захвата	резания	зарезания
1. Резание (верхний предел для легкого грунта)	35-40о	30-45о	10-15о
2. Перемещение (нижний предел для тяжелого грунта)	35-40о	35-50о	11-13о
Разравнивание	До 60є	До 60о	До 18о
4. Планировка	До 40о	До 60о	До 18о



4.3 Производительность автогрейдеров и способы ее повышения

Эксплуатационную производительность грейдера на возведении насыпи (резание и поперечное перемещение грунта) (м³/ч) подсчитывают по формуле

,

где - длина обрабатываемого участка, км; - площадь сечения насыпи, м²; - коэффициент использования рабочего времени (0,8 -0,9); , , - число проходов в одном направлении при резании, перемещении и отделочных работах; , , - величины скоростей, соответствующие этим проходам, км/ч; - время одного разворота в конце участка (0,08-0,1 ч);

,

- сечение стружки грунта в плотном теле при резании, м²; - коэффициент перекрытия проходов при резании, =;

,



- средняя длина поперечного перемещения грунта, м; - величина поперечного перемещения грунта за один проход, равная ширине захвата при соответствующем угле захвата, м; - коэффициент перекрытия проходов при перемещении, равный 1,15.

Площадь сечения стружки грунта, которую может вырезать автогрейдер,

,

где - коэффициент, учитывающий колесную формулу автогрейдера (0,75-1,00); - коэффициент сцепления (0,6-0,9); - вес автогрейдера, кН; - удельное сопротивление грунта копанию (резанию и перемещению грунта вдоль отвала), кН/м².

Эксплуатационная производительность автогрейдера при производстве планировочных работ (м²/ч)

,

где - ширина захвата (полосы планирования) отвалом, установленным перпендикулярно или под углом, отличным от прямого, в плане к оси движения, м; - ширина перекрытия смежных полос планирования, м; - средняя скорость движения при планировании, км/ч; - необходимое число проходов по одному следу.

Таким образом, в общем производительность автогрейдера зависит от объема вырезаемого и премещаемого грунта или параметров установки отвала, скорости движения, расстояния, на которое надо перемещать грунт, длины обрабатываемого участка, надежности работы машины и квалификации машиниста.

Объем одновременно перемещаемого грунта находится в прямой зависимости от его группы и установленного угла захвата. При работе в связных грунтах отвал автогрейдера за один проход может переместить больший объем грунта, чем при работе в сыпучих грунтах. При определении необходимого угла захвата следует учитывать, что с его увеличением уменьшается скорость передвижения автогрейдера, так как возрастает сопротивление грунта перемещению. От величины угла захвата зависит также расстояние перемещения грунта в поперечном направлении.

Чтобы автогрейдер в процессе работы не опрокидывался, рекомендуется работать с углом захвата не менее 35є. Если угол захвата превышает 50є, то перед отвалом увеличивается призма волочения, которая снижает скорость передвижения грейдера.

Повышение производительности автогрейдеров достигается регулированием площади сечения срезаемой стружки в зависимости от характера выполняемых работ и установленного угла захвата. Площадь сечения срезаемой стружки должна быть минимальной при малых углах захвата и максимальной при больших углах захвата.

Производительность автогрейдера зависит также от угла резания грунта. С увеличением угла возрастает удельное сопротивление грунта резанию, для преодоления которого требуются дополнительные тяговые усилия. Поэтому рекомендуется по возможности работать с минимальными углами резания.

Одним из путей повышения производительности автогрейдеров является сокращение холостых проходок и снижение затрат времени на развороты, т. е. следует по возможности увеличивать длину участков. Опыт эксплуатации автогрейдеров показывает, что при ведении работ участками длиной в 300-350 м непроизводительные затраты времени составляют около 20 % рабочего времени. Наиболее эффективно автогрейдеры работают на участках длиной 400- 500 м. Это условие ограничивает применение автогрейдеров на пересеченной местности, где затруднительно выбрать участки достаточной длины, имеющие одинаковые отметки.

...