Машины для земляных работ

Машины для земляных работ

1. Общие сведения о скреперах

Назначение скреперов

Скрепер (скрейпер) - (англ. scraper, от scrape - скрести) - землеройно-транспортная машина, предназначенная для послойного копания грунтов, транспортирования и отсыпки их в земляные сооружения слоями заданной толщины.

Особенности работы скреперов:

· транспортировка грунта выполняется в ЗАКРЫТОЙ емкости - ковшескрепера, поэтому потерь грунта нет (в отличие от бульдозера)

· грунт отсыпается слоем фиксированной толщины (происходит предварительная планировка поверхности ножами)

· задние колеса скрепера уплотняют отсыпанный слой грунта.

2. Область применения скреперов

1) По расстоянию перемещения грунта:

Минимальное расстояние - за верхней границей применения бульдозеров, т.е. примерно от 100 м.

Верхняя граница - зависит от емкости ковша q и скорости перемещения V (чем больше, тем лучше)

Прицепной скрепер + гусеничный трактор - 100…1000 м.

Самоходный скрепер - 300…3000 м (до 5 км) (на большее расстояние - ЭО + самосвалы)

2) По виду разрабатываемых грунтов:и II категории - разработка непосредственно скрепером- скрепером с дополнительным толкачом- скрепером с предварительным рыхлением

Высокую производительность скреперы показывают на связных сухих и нормальной влажности грунтах.

Низкую производительность - на сухих песках (песок плохо поступает в ковш и не удерживается в нем, кроме того, тягач имеет малую силу тяги Т из-за плохого сцепления движителя с грунтом: jсц = 0,6 вместо 0,9 в обычных условиях) а также на мокрых и липких глинах (плохо заполняют ковш и трудно разгружаются)

ЗТМ Скреперы 2 Тетрадь 12 МЗР

Нельзя применять:

· на грунтах с каменистыми включениями;

·        на заболоченных грунтах

3. Виды выполняемых работ

Скреперы используют в дорожном, промышленном, гидротехническом строительстве, горном деле для:

· сооружения насыпей

·        разработки выемок

·        рытья каналов, водоемов

·        планировки площадок и т.п.

4. Достоинства и недостатки скреперов (в сравнении с ЭО)

Достоинства:

· простота конструкции и обслуживания

·        малая металлоемкость (отношение массы к Q - производительности скрепера)

· малая энергоемкость (отношение Nдв к Q)

o низкая стоимость работ

Недостатки:

· неравномерная нагрузка на двигатель в разных операциях цикла (разница в 2-3 раза на отдельных операциях, наиболее тяжелые операции - резание грунта и заполнение ковша);

·        ограничение в области применения по грунтам (каменистые, заболоченные).

Схема скрепера:

Рис. 1. 1, 3, 6 - гидроцилиндры (подъема ковша, открывания заслонки, выдвижения задней стенки), 2 - заслонка; 4 - ковш; 5 - задняя стенка; 7 - нож (на подножевой плите)

2. Рабочий процесс скрепера (операции технологического цикла)

1. Набор грунта - наиболее тяжелая операция:

Подъем (открывание) заслонки и опускание ковша на грунт, при этом ножи внедряются в грунт и срезают слой толщиной h. Осуществляется на 1-й передаче (+ толкач при необходимости).

Рис. 2

Толщина стружки h = 12…30 см, длина пути заполнения ковша (длина пути резания) Lрез= 8…30 м

Особенности заполнения ковша (тяговым усилием):

Стружка проходит сквозь весь грунт вверх и откладывается там (см. рисунок ниже).

Схема заполнения ковша скрепера тяговым усилием

Для увеличения высоты наполнения ковша Нн необходимо иметь:

·        большую силу тяги (+ толкач при необходимости)

·        связный грунт (желательно)

·        толстую стружку грунта (чтобы не ломалась при загрузке ковша)

Выгодная форма ковша:

·        с точки зрения заполнения ковша короткий, низкий, но широкий

·        а с точки зрения резания грунта - ковш должен быть узким.

2. Транспортировка грунта к месту выгрузки

Заслонка опущена (закрыта), ковш с грунтом поднят (см. выше общую схему скрепера).

Скорость зависит от состояния дороги (1, 2-я или 3-я передача)

Выгрузка

Заслонка поднята, ковш опущен не полностью, грунт выталкивается задней стенкой вперед. Толщина отсыпки грунта регулируется высотой ножей и составляет обычно 15 - 50 см.

Скорость соответствует 2-й … 4-й передаче.

. Возврат к месту набора грунта

Заслонка опущена, ковш (порожний) поднят (как при транспортировке грунта). Скорость - 4-я…5-я передача (зависит от состояния дороги).

Классификация скреперов

. По емкости ковша:

·        Малой емкости q < 5 м³ (городское и сельское строительство)

·        Средней емкости q = 5…10 м³ (строительство дорог)

·        Большой емкости q > 10 м³ (15-25 и более) (крупное строительство)

По типу системы управления рабочим органом:

1. Канатно-блочная (обычно - на прицепных С.) - на тягаче монтируется 2-х барабанная лебедка, с помощью которой поднимают заслонку ковша и выдвигают заднюю стенку.

Достоинства:

·        легко получить большие усилия и большой ход рабочих органов.

Недостатки:

·        односторонняя направленность усилий (только подъем)

·        большой расход канатов (=5-6 м из 1000 м³ грунта, что составляет =100 - 150 м/месяц)

2. Гидравлическая - основной вид системы управления в настоящее время.

ГОСТы ПО СКРЕПЕРАМ (по ОКС - общероссийский классификатор стандартов).

ГОСТ 27255-87 Машины землеройные. Скреперы с элеваторной загрузкой. Расчет вместимости ковша.

ГОСТ 27536-87 Машины землеройные. Самоходные скреперы. Термины, определения и техническая характеристика для коммерческой документации.

ГОСТ 27920-88 Машины землеройные. Расчет вместимости ковшей самоходных скреперов.

ГОСТ 30035-93 Скреперы. Общие технические условия.

5. Определение основных параметров скрепера

Цель - по заданной емкости ковша q (м³) определить параметры, необходимые для дальнейших расчетов (вычерчивание в масштабе, силовой расчет и т.д.). Порядок (последовательность) определения основных параметров:

·        выбор тягача (по требуемой мощности двигателя Nдв);

·        определение параметров пневмоколесного хода;

·        определение ширины ковша (B);

·        определение размеров продольного сечения ковша (L, H);

·        проверка расчетной емкости ковша.

Выбор тягача

Мощность двигателя тягача Nдв определяют по эмпирическим формулам (с учетом емкости ковша q):

для прицепных скреперов

Nдв.гусен. тягача = (0,79…1,21) (10+ 15,5 q) = 105 л.с.

где q - емкость ковша скрепера (м³);_дв - мощность двигателя тягача (л.с.).

По найденной мощности подбираем тягач (из существующих, по

справочникам) и аналог (прототип) проектируемого скрепера - для проверки получаемых при расчете величин.

Т.о. подбираем тягач, для нашей мощности подходит Бельдозер Т-130. N_дв=140 л.с.

Определение параметров пневмоколесного хода

Определяют следующие параметры:

база скрепера Lo;

колея передних (Кп) и задних (Кз) колес;

размер шин.

База скрепера L_o

Определяется по эмпирическим зависимостям:_{о_прицепного} =(0,87…1,13)* (1200*2000 )=1,109*4048,5=4530 мм

Причем емкость ковша может быть в пределах 2…16 м³, а величина базы измеряется в мм.

Колея передних (Кп) и задних (Кз) колес

Определяется по эмпирическим зависимостям, причем для прицепных

скреперов учитывается дополнительное требование: колея прицепного скрепера должна укладываться в отпечаток гусеничного хода тягача (для уменьшения сопротивления при буксировке скрепера, т.к. колеса скрепера будут катиться по грунту, уплотненному гусеницами тягача).

Обычно для прицепных скреперов с емкостью ковша до 10 м³ для облегчения поворотов колею передних колес делают меньше колеи задних.

т.е. Кп < Кз.

Для прицепных скреперов:

К_п (0,8…1,2)* (-100 +900)=1150 мм

К_з (0,85…1,15) *(-600 +130)=1680 мм

В формулах емкость ковша q принимается в м³, а колея - в мм.

Выбор шин

Производится в следующем порядке:

определяют наиболее нагруженное колесо скрепера;

по справочнику по допускаемой нагрузке (с учетом скорости движения V и давления воздуха p) подбирают шину.

Для определения нагрузок на колеса необходимо знать распределение силы тяжести груженого скрепера по осям (т.н. развеска по осям):

Прицепной скрепер с тягачом.

Рис. 3

Прицепной скрепер без тягача.

Рис. 4

Силу тяжести груженого скрепера можно определить, как сумму силы тяжести собственно скрепера Gскр и силы тяжести грунта в ковше Gгр, т.е.

Сила тяжести собственно скрепера

G_скр= G_уд* q=6*9,81*5=294 кН

где G_уд - металлоемкость скрепера, т.е. вес, приходящийся на 1 м³

емкости ковша, причем:

G_уд =

Рекомендуется для самоходных скреперов принимать Gуд ближе к верхней границе, т.е. примем Gуд.самох =2,2 т/м³

Сила тяжести грунта в ковше скрепера:

Gгр = q'*Y₀=6,25*1,36=8,5*9,8=83,3 кН

где q' =1,25 × q=1,25*5=6,25 м³ - емкость ковша скрепера «с шапкой»;

Y₀ - плотность разрыхленного грунта (т/м³).

Для усредненного грунта можно принять

Y₀=1,36;

Основные размеры и обозначение шин:

Ш - ширина профиля;

H - высота профиля;

Для шин нормального профиля, которые применяют на СДМ Ш = H

Шины выбраны по ГОСТ 30035-93

12.00 - 20 дюймовое обозначение.

Определение ширины ковша скрепера

Ширина ковша скрепера B примерно равна ширине резания Bрез (т.е. длине ножей).

Ширина ковша скрепера может быть определена по двум вариантам:

По эмпирическим зависимостям (от емкости ковша)

B _{рез _ приц} =(0,87…1,13)* (400+1200)=(1,05)* (400)=2667 (мм)

В этих формулы емкость ковша q подставляется в м³.

Ширина ковша принимается между максимальным Bmax и минимальным Bmin размерами._max=2667+100=2767 мм

B_min=2667-500=2167 мм

При определении Врез_мин необходимо следить, чтобы ширина резания была больше ширины хода Bх задних колес скрепера:

Тогда ширину ковша можно определить как среднюю величину между минимальным и максимальным значениями:

Определение размеров продольного сечения ковша

При известной ширине ковша скрепера В можно определить его высоту H и длину L, чтобы расчетная емкость ковша q соответствовала заданной.

Определение высоты ковша скрепера H

Для обычного профиля ковша скрепера объем над заслонкой и подножевой плитой составляет = 1/3 q (см. схему ниже):

Рекомендация ВНИИСДМ:

H = (0,4…0,6) B=0,55*2667=1357 мм

Причем для скреперов малой емкости рекомендуется использовать коэффициент 0,6; а для скреперов большой емкости - 0,4.

Определение длины ковша скрепера L

Длина ковша определяется по эмпирическим зависимостям, в которые емкость ковша q подставляется в м³:

L_приц = (0,84…1,16) ×660 × =1,05*660* =1185 (мм)

Проверка емкости ковша

Для проверки полученных параметров ковша (B, H, L) определяют расчетным путем геометрическую емкость ковша qгеом или емкость ковша «сшапкой» qс шапкой и сравнивают их с заданной емкостью ковша qзадан.

3. Тяговый расчет скрепера

Тяговый расчет обычно выполняют для рабочего режима в конце операции заполнения ковша, когда еще есть резание грунта, но ковш практически уже заполнен (т.е. выбирается случай, когда тяговое усилие должно быть максимальным).

Цель - определить требуемую силу тяги T или возможную толщину

среза грунта (т.е. толщину стружки h).

Требуемое тяговое усилие должно быть, по крайней мере, не меньше полного тягового сопротивления. т.е. T ≥ W, и задача сводится к определению составляющих полного сопротивления.

Если kрез > 1,3 то необходимо предварительное рыхление грунта или работа скрепера с толкачом. В вышеприведенной формуле h - минимально необходимая толщина стружки, обеспечивающая возможность заполнения ковша скрепера (тяговым усилием):

Сопротивление наполнению ковша

Исследования показывают, что в конце заполнения (когда ковш практически наполнен грунтом), срезаемый грунт проходит снизу вверх через весь объем грунта, находящийся в ковше.

Поэтому стружка грунта должна быть достаточно прочной (связный грунт) и иметь достаточную толщину. Сопротивление наполнению ковша.

_нап = W_{тяжести столба} + W_{трения гр по гр} =12,086 + 17,8 29,9 кН.

где Wтяжести столба - сила тяжести столба грунта, проталкиваемого снизу вверх;трения гр по гр - сила трения грунта по грунту, обусловленная сжатием столба проталкиваемого грунта с двух сторон (грунтом, который уже находится в ковше). Определим первую составляющую: где Wтяжести столба - сила тяжести столба грунта, проталкиваемого снизу вверх;

Wтрения гр по гр - сила трения грунта по грунту, обусловленная сжатием столба проталкиваемого грунта с двух сторон (грунтом, который уже находится в ковше). Определим первую составляющую:

W_{тяжести _столба} = V_столба×Y₀ = B×H_н×h ×Y₀=2,467*1,53*0,25*1307*9,8=12086,5Н12,086кН

где Y₀ - плотность разрыхленного грунта (по справочнику);_н - высота наполнения ковша, которую можно определить по формуле

1,53 м

в которой q - емкость ковша (м³)- ширина ковша (м);

 - коэффициент, зависящий от емкости ковша:

Найдем вторую составляющую:

W_{тр.гр. по гр.} = 2 P×2 = x×B×Hн× Y₀=0,37*2,467*1,53*1307*9,8=17888Н 17,9 кН

где  2 - коэффициент трения грунта по грунту;

Сопротивление перемещению призмы волочения

Призма волочения грунта перед заслонкой создает необходимый напор у ножа скрепера, заставляющий грунт продвигаться в ковш.

пр = Gпр× 2=35584*0,3=10675Н 10,675 кН.

где  2 - коэффициент трения грунта по грунту, изменяется в пределах от 0,3 (суглинок) до 0,5 (песок).пр - сила тяжести призмы волочения, определяемая по формулепр = Vпр·γ0=2,778*1307*9,8 = 35584Н  35,58кН

Здесь γ0 - плотность разрыхленного грунта, ориентировочно можно принять

γ0 = γплотн_гр / kр,

при этом γплотн_гр - плотность грунта в массиве (в целике),

Vпр - объем призмы волочения грунта.

Его можно рассчитать, как объем призмы, в основании которой - треугольник площадью FΔ, а высота которой равна ширине ковша B (см. схему)

_пр= FΔ*В=1/2 С*Н*В

Здесь основание треугольника

C=2×(0.5…0.7)×H, причем коэффициент 0,5 применим для связных грунтов, а 0,7 - для несвязных.

Тогда объем призмы волочения V_пр= (0,5…0,7) H²* B=0,6*1,37²*2,467=2,778 м³ и окончательно получим:

пр = (0,5…0,7) ×H² × B × γ0 ×₂.

Сопротивление перемещению груженого скрепера

перемещ =Gгружен*f=(5000*9,81)*2,8*0,1=13,74 (кН)

где Gгружен - сила тяжести груженого скрепера.

Для прицепных скреперов Gгружен = 2,8·q, а для самоходных Gгружен = 4·q;

f - коэффициент сопротивления качению, ориентировочно от 0,1 (уплотненный грунт) до 0,2 (разрыхленный грунт).- угол подъема или спуска, по которому движется скрепер, причем при движении на подъем в скобках ставится знак «плюс», а под уклон «минус».

4. Расчет производительности скрепера

Задача: Определить сменную производительность скрепера (например, прицепного) для заданных условий работы.

В зависимости от размеров земляных сооружений, взаимного расположения выемок, насыпей и отвалов грунта используются различные схемы движения скреперов.

Схема движения по замкнутой эллиптической кривой применяется при возведении насыпи из прилегающего бокового резерва, при разработке выемки с отсыпкой грунта в кавальеры, на вскрышных работах и др.

Схема движения по восьмерке применяется при планировочных и вскрышных работах, отсыпке насыпи из бокового резерва, рытье траншей и т.д. Эта схема имеет преимущества по сравнению с эллиптической: за каждый рабочий цикл машина делает две операции по загрузке ковша и две - по разгрузке, вследствие чего уменьшается путь холостых пробегов; машина совершает повороты в разные стороны, что уменьшает износ механизмов тягача и скрепера.

Зигзагообразное движение эффективно при рытье траншей, каналов, устройстве нагорных канав. При работе по этой схеме скреперы движутся один за другим вдоль оси земляного сооружения, попеременно заходя то в выемку для набора грунта, то в насыпь для разгрузки.

Движение продольно-челночное применяется при возведении насыпи из двусторонних резервов.

Выбирая схему движения скрепера, следует исходить из следующих основных положений: длина пути загрузки ковша, выполняемая на первой передаче, должна быть наименьшей; путь движения груженого скрепера должен быть кратчайшим, без крутых поворотов; грунт выгружается на достаточно широком фронте до начала поворота машины; повороты, по возможности, должны совершаться в разные стороны.

Определим сменную эксплуатационную производительность скрепера для круговой схемы (по замкнутой эллиптической кривой) причем набор грунта выполняется в выемке, а выгрузка - на насыпи

Порядок выполнения:

1. Определяют:

среднюю толщину грунтовой стружки С;

коэффициент наполнения ковша грунтом Кн;

коэффициент разрыхления грунта Кр;

плотность грунта γ, (кг/м³);

коэффициент призмы волочения М.

. Рассчитывают длину хода скрепера при загрузке Lзаг

. Подсчитывают время на загрузку ковша скрепера Тзаг

. Определяют требуемые тяговые усилия F на крюке трактора-тягача и возможные скорости движения V скрепера на различных участках.

. Определяют продолжительность движения груженого Тгр и порожнего Тпор скрепера на различных участках дороги с учетом ускорений, замедлений и переключения передач.

Расчет производительности скрепера

6. Подсчитывают полную продолжительность рабочего цикла Тц скрепера с учетом времени на разгрузку.

. Вычисляют сменную производительность Псм скрепера.

Методика выполнения:

1. Среднюю толщину стружки С (м), коэффициент наполнения ковша грунтом Кн, коэффициент разрыхления грунта Кр, плотность грунта g (кг/м³), и коэффициент М, учитывающий величину призмы волочения грунта, принимаем по практическим данным (из справочников).

. Вычисляем длину хода скрепера при загрузке Lзаг по формуле

L_заг=

где q - емкость ковша скрепера, м³;- ширина резания (т.е. ширина ковша), м

. Подсчитываем время на загрузку ковша скрепера Тзаг при движении тягача на 1-й передаче (резание грунта и заполнение ковша):

Т_заг=

где 3,6 - коэффициент перевода км/ч в м/с;

Кд - коэффициент, учитывающий дополнительное время, расходуемое на движение скрепера без копания грунта, равный 1,5;

V1 - скорость движения трактора-тягача на 1-й передаче, км/ч

Для порожнего скрепера требуемое тяговое усилие Fпор определяется аналогично, только в расчетной формуле отсутствует сила тяжести грунта в ковше скрепера:

F_пор= G_скр*(W± i) ± G_m × i=10000*(0,2+0)=2000 (даН)_{пор.под углом.}= G_скр*(W± i) ± G_m × i=10000*(0,1-0,08) - 12700*0,08=200-1016=-816 (даН)

Затем по технической характеристике трактора определяем передачу (не выше 4-й!) и скорость движения порожнего скрепера.

Возможен случай движения порожнего скрепера (по уплотненному грунту, под уклон), когда требуемое тяговое усилие будет отрицательной величиной. Это означает, что не трактор тянет скрепер, а скрепер подталкивает трактор-тягач.

В любом случае максимальная скорость движения порожнего скрепера соответствует 4-й передаче трактора.

. Определяем продолжительность движения груженого Тгр и порожнего Тпор скрепера на различных участках.

Время движения груженого скрепера:

Т_гр=

Т_пор=

где L - длина участка дороги, на котором груженый скрепер движется без переключения передач.

Vгр - скорость скрепера на этом (текущем) участке, км/ч;

Ку - коэффициент, учитывающий затраты времени на ускорение, замедление движения и на переключение передач (берется по справочнику). В случае необходимости величину коэффициента Ку определяют при помощи линейной интерполяции.

Аналогично определяем продолжительность движения порожнего скрепера на четвертом, пятом и шестом участках.

. Подсчитываем полную продолжительность рабочего цикла Тц скрепера с учетом времени на разгрузку Tраз:

скрепер ковш шина сопротивление

Тц = Тзаг + Тгр + Траз + Тпор=24,36+82+130+20=256,36 (с)

7. Вычисляем сменную производительность скрепера:

П_см=К_в*Т_см=/см

где Кв - коэффициент использования сменного времени (0,7…0,75);

Тсм - продолжительность смены (8 часов);

Кн и Кр - соответственно коэффициент наполнения ковша скрепера и коэффициент разрыхления грунта (справочные данные).

Список литературы

1.       Проектирование машин для земляных работ, под ред. А.М. Холодова, Высшая школа, 272 с.

2.       Землеройно-транспортные машины, под. ред. Л.В. Назаров, А.М. Холодов, В.В. Ничке. Высшая школа 1982 г.

.        http://www.stroy-machines.ru/content/view/30/10/

5.       http://www.baurum.ru/_library/?cat=earthworks_machines_general&id=119

.        http://gidravl.narod.ru/gidrocil.html