Машины для земляных работ
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. Если kрез > 1,3 то необходимо предварительное рыхление грунта или работа скрепера с толкачом. В вышеприведенной формуле h — минимально необходимая толщина… Читать ещё >
Машины для земляных работ (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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:
I и II категории — разработка непосредственно скрепером
III — скрепером с дополнительным толкачом
IV — 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.
4. 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
1. По емкости ковша:
· Малой емкости q < 5 мі (городское и сельское строительство)
· Средней емкости q = 5…10 мі (строительство дорог)
· Большой емкости q > 10 мі (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:
· простота конструкции
· легко получить большие усилия и большой ход рабочих органов.
Недостатки:
· односторонняя направленность усилий (только подъем)
· большой расход канатов (=5−6 м из 1000 мі 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 27 255–87 Машины землеройные. Скреперы с элеваторной загрузкой. Расчет вместимости ковша.
ГОСТ 27 536–87 Машины землеройные. Самоходные скреперы. Термины, определения и техническая характеристика для коммерческой документации.
ГОСТ 27 920–88 Машины землеройные. Расчет вместимости ковшей самоходных скреперов.
ГОСТ 30 035–93 Скреперы. Общие технические условия.
5. Определение основных параметров скрепера
Цель — по заданной емкости ковша q (мі) 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 (мі);
Nдв — 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. Nдв=140 л.с.
Определение параметров пневмоколесного хода
Определяют следующие параметры:
— база скрепера Lo;
— колея передних (Кп) и задних (Кз) колес;
— размер шин.
База скрепера Lo
Определяется по эмпирическим зависимостям:
Lо_прицепного =(0,87…1,13)* (1200*2000)=1,109*4048,5=4530 мм Причем емкость ковша может быть в пределах 2…16 мі, 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 мі для облегчения поворотов колею передних колес делают меньше колеи задних.
т.е. Кп < Кз.
Для прицепных скреперов:
Кп (0,8…1,2)* (-100 +900)=1150 мм Кз (0,85…1,15) *(-600 +130)=1680 мм В формулах емкость ковша q принимается в мі, 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
Gскр= Gуд* q=6*9,81*5=294 кН где Gуд — металлоемкость скрепера, т. е. вес, приходящийся на 1 мі
емкости ковша, причем:
Gуд =
Рекомендуется для самоходных скреперов принимать Gуд ближе к верхней границе, т. е. примем Gуд. самох =2,2 т/мі
Сила тяжести грунта в ковше скрепера:
Gгр = q'*Y0=6,25*1,36=8,5*9,8=83,3 кН где q' =1,25 Ч q=1,25*5=6,25 мі - емкость ковша скрепера «с шапкой»;
Y0 — плотность разрыхленного грунта (т/мі).
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
(у широкопрофильных шин Ш>H) dоб — посадочный диаметр обода.
Шины выбраны по ГОСТ 30 035–93
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 мі.
Ширина ковша принимается между максимальным Bmax и минимальным Bmin размерами.
Bmax=2667+100=2767 мм
Bmin=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 мі:
Lприц = (0,84…1,16) Ч660 Ч =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):
q, мі | ||||
h, см | 4…8 | 8…12 | 12…16 | |
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.
Wнап = Wтяжести столба + Wтрения гр по гр =12,086 + 17,8 29,9 кН.
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: 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:
Wтяжести _столба = VстолбаЧY0 = BЧHнЧh ЧY0=2,467*1,53*0,25*1307*9,8=12 086,5Н12,086кН где Y0 — плотность разрыхленного грунта (по справочнику);
Hн — высота наполнения ковша, которую можно определить по формуле
1,53 м в которой q — емкость ковша (мі)
B — ширина ковша (м);
— коэффициент, зависящий от емкости ковша:
q, мі | 4…6 | 6…8 | 10…12 | 15…20 | |
б1 | 0,8 | 0,9…0,8 | 0,95…0,85 | ||
Найдем вторую составляющую:
Wтр.гр. по гр. = 2 PЧ2 = xЧBЧHнЧ Y0=0,37*2,467*1,53*1307*9,8=17 888Н 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.
Wпр = GпрЧ 2=35 584*0,3=10 675Н 10,675 кН.
где 2 — коэффициент трения грунта по грунту, изменяется в пределах от 0,3 (суглинок) до 0,5 (песок).
Gпр — сила тяжести призмы волочения, определяемая по формуле
Gпр = Vпр· г0=2,778*1307*9,8 = 35 584Н 35,58кН Здесь г0 — плотность разрыхленного грунта, ориентировочно можно принять г0 = гплотн_гр / kр, при этом гплотн_гр — плотность грунта в массиве (в целике),
kр — коэффициент разрыхления грунта.
Vпр — объем призмы волочения грунта.
Его можно рассчитать, как объем призмы, в основании которой — треугольник площадью FД, а высота которой равна ширине ковша B (см. схему)
Vпр= FД*В=½ С*Н*В
Здесь основание треугольника
C=2Ч(0.5…0.7)ЧH, причем коэффициент 0,5 применим для связных грунтов, а 0,7 — для несвязных.
Тогда объем призмы волочения Vпр= (0,5…0,7) H2* B=0,6*1,372*2,467=2,778 мі «y окончательно получим:
Wпр = (0,5…0,7) ЧH2 Ч B Ч г0 Ч2.
Сопротивление перемещению груженого скрепера
Wперемещ =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).
a — 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 г, (кг/мі);
коэффициент призмы волочения М.
2. Рассчитывают длину хода скрепера при загрузке Lзаг
3. Подсчитывают время на загрузку ковша скрепера Тзаг
4. Определяют требуемые тяговые усилия F на крюке трактора-тягача и возможные скорости движения V скрепера на различных участках.
5. 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.
7. 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/мі), и коэффициент М, учитывающий величину призмы волочения грунта, принимаем по практическим данным (из справочников).
2. Вычисляем длину хода скрепера при загрузке Lзаг по формуле
Lзаг=
где q — емкость ковша скрепера, мі;
B — ширина резания (т.е. ширина ковша), м
3. Подсчитываем время на загрузку ковша скрепера Тзаг при движении тягача на 1-й передаче (резание грунта и заполнение ковша):
Тзаг=
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:
Fпор= Gскр*(W± i) ± Gm Ч i=10 000*(0,2+0)=2000 (даН)
Fпор.под углом.= Gскр*(W± i) ± Gm Ч i=10 000*(0,1−0,08) — 12 700*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.
5. Определяем продолжительность движения груженого Тгр и порожнего Тпор скрепера на различных участках.
Время движения груженого скрепера:
Тгр=
Тпор=
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.
6. 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:
Псм=Кв*Тсм=/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.
3. http://www.stroy-machines.ru/content/view/30/10/
4. http://www.vevivi.ru/best/Raschet-proizvoditelnosti-buldozera-rykhlitelya-i-skrepera-ref133206.html
5. http://www.baurum.ru/_library/?cat=earthworks_machines_general&id=119
6. http://gidravl.narod.ru/gidrocil.html