Машины для разработки грунтов. Проектирование и расчет

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

О. А. Лукашук
А. П. Комиссаров
К. Ю. Летнев

МАШИНЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ГРУНТОВ

Проектирование и расчет

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся 
по направлениям подготовки
23.03.02 — Наземные транспортно-технологические комплексы,
23.05.02 — Транспортные средства специального назначения

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2018

УДК 624.132.3(075.8)
ББК 38.623.03-5я73
          Л84
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. Н. М. Суслов (завкафедрой горных машин и комплексов Уральского государственного горного университета);
канд. техн. наук А. В. Яковлев (завлабораторией открытой геотехнологии 
ФГБУН ИГД УрО РАН)

 
Лукашук, О. А.
Л84    МАшИНы ДЛЯ РАзРАБОТКИ ГРУНТОВ. Проектирование и расчет : учебное пособие / О. А. Лукашук, А. П. Комиссаров, К. Ю. Летнев. — 
Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. — 128 с.

ISBN 978-5-7996-2386-9

Пособие содержит краткий теоретический и справочный материал по проектированию и расчету машин для разработки грунтов. Приводятся сведения по назначению, устройству и техническим характеристикам данных машин.
Работа предназначена для студентов всех форм обучения направления  
23.03.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы», 23.05.02 «Транспортные средства специального назначения».

Библиогр.: 23 назв. Табл. 29. Рис. 31.

УДК 624.132.3(075.8)
ББК 38.623.03-5я73

ISBN 978-5-7996-2386-9 
© Уральский федеральный 
 
     университет, 2018

Условные обозначения

b, c  – ширина и толщины срезаемой стружки
Kрез – удельное сопротивление резанию
Kкоп – удельное сопротивление копанию
Kр – коэффициент разрыхления грунта
μ 
– коэффициент трения стали о грунт
μвн – коэффициент внутреннего трения грунта о грунт
ρ 
– плотность грунта

ВВЕДЕНИЕ

з

емляные работы должны выполняться с комплексной механизацией всех процессов и применением рациональных способов 
работ. Выбор землеройных машин для производства земляных 
работ зависит от вида грунта, рельефа местности, объема и глубины 
земляных выработок, условий выполнения работы (в отвал, на транспорт), транспортных средств и дальности перемещения грунта. Машины для земляных работ используют при рыхлении плотных, скальных 
и мерзлых грунтов, планировке строительных площадок, подготовке 
оснований под дороги и проезды, разработке котлованов под фундаменты зданий и сооружений, рытье траншей открытым способом при 
прокладке городских коммуникаций и строительстве подземных сооружений, копании ям и приямков, зачистке дна и откосов земляных 
сооружений, на расчистке площадок от леса, удалении растительного слоя, снега, засыпке выемок, сооружении дамб, уплотнении грунтов и т. п.
Для правильного выбора типа машин для разработки грунтов, выбора конструкции их рабочих органов, геометрических параметров, 
а также режимов работы необходимо знать физическую сущность и механику процессов, происходящих при разрушении грунта рабочим органом. На процессы разрушения грунтов и горных пород в основном 
влияют: структурно-геометрические свойства (форма, размеры и относительное расположение составляющих частиц); физические свойства (весовые параметры материалов); механические свойства — способность материалов сопротивляться воздействию внешних нагрузок; 
способ разработки грунтов и пород. Различают грунты: нескальные 
(песок, супесь, суглинок, глина и т. п.), разборно-скальные (сцементированные глины — аргиллиты, гипс, мел, известняки и др.) и скальные (плотные известняки, доломит, мрамор, песчаник и др.). Грунты, 
имеющие положительную температуру, называют немерзлыми (талыми), отрицательную — мерзлыми.

Введение

В общем комплексе земляных работ ведущим процессом является разработка грунта, при которой происходит отделение части грунта от массива и захват отделенной части рабочим органом землеройной машины. Грунты разрабатываются тремя основными способами:
1) механическим, при котором грунт отделяется от массива пассивными или приводными (активными) режущими органами — ножами, 
зубьями, клиньями, резцами, фрезами, скребками и т. п.;
2) гидромеханическим, состоящем в размыве грунта напорной водяной струей гидромониторных установок или всасывании его со дна 
водоемов плавучими землесосными снарядами;
3) взрывным, при котором разрушение земляного массива и перемещение разрушенной породы происходит за счет энергии взрыва. Он 
применяется при устройстве котлованов, траншей, каналов, плотин, 
рыхлении скальных и мерзлых грунтов, уплотнении грунтов, устройстве набивных свай и др.
Применяются также комбинированные (сочетание механического 
с гидромеханическим или взрывным) и экспериментальные способы 
разрушения или уменьшения прочности грунта ультразвуком, током 
высокой частоты, термическими установками и др. Каждый способ 
разработки грунта имеет свои области применения и присущие ему 
технико-экономические показатели: стоимость разработки 1 м 3 грунта, 
производительность труда, масса оборудования и т. п. В зависимости 
от условий применения эти показатели могут изменяться, определяя 
выбор того или иного способа производства работ. Нескальные немерзлые грунты разрабатывают обычными землеройными средствами, разборно-скальные и мерзлые грунты с небольшой глубиной промерзания 
перед разработкой предварительно разрыхляют механическим способом. Скальные и мерзлые грунты с большой глубиной промерзания 
предварительно разрыхляют взрывным способом. В некоторых случаях мерзлые грунты прогревают или разрабатывают специально предназначенными для этих целей землеройными машинами.
Преимущественное распространение (более 80 % общего объема 
работ) получил высокоэффективный и универсальный механический 
способ разработки грунтов с использованием специальных машин. 
Распространенность механического способа разработки грунта объясняется его универсальностью: он применим почти для всех грунтов, 
включая скальные породы, которые предварительно должны быть подорваны.

ВВЕДЕНИЕ

При механической разработке грунтов в основном осуществляется 
два процесса: резание и копание.
Резанием называется процесс, при котором режущая часть рабочего органа землеройной машины, имеющая обычно вид клина, под 
действием определенного усилия внедряется в грунт и продвигается 
по траектории, зависящей от конструкции машины, отделяя слой, условно называемый стружкой. Отделение грунта от массива происходит в результате сдвига или отрыва части грунта в зависимости от его 
физико-механических свойств, геометрической формы рабочего органа и режимов работы.
Копанием называется процесс, включающий резание грунта и перемещение его разрушенной части (призмы волочения) перед рабочим органом, перемещение поступающего грунта по рабочему органу 
и по грунту, уже захваченному им, и трение рабочего органа о грунт. 
Поэтому усилие копания больше, чем усилие резания в 1,5–3 раза.
Машины и оборудование для разработки грунтов классифицируют 
по назначению: землеройные, землеройно-транспортные, бурильные, 
оборудование гидромеханизации. Если машина только режет грунт, 
она носит название землеройной. Если машина разрабатывает и перемещает грунт, она называется землеройно-транспортной.
землеройные машины разрабатывают грунт либо позиционно (одноковшовые экскаваторы и роторные экскаваторы поперечного копания), либо в процессе перемещения всей машины (экскаваторы 
непрерывного действия, кроме указанных выше роторных). Разработанный грунт либо укладывается в отвал рядом с отрытой выемкой или карьером, либо погружается в транспортные средства для 
его перевозки.
землеройно-транспортные машины (бульдозеры, скреперы, фронтальные погрузчики) работают в двух следующих друг за другом режимах — землеройном и транспортном. Сначала машина в процессе своего перемещения разрабатывает грунт, накапливая его перед отвалом 
(бульдозер) или заполняя им ковш (скрепер), а затем перемещает его 
волоком по земле — в случае отвала или в ковше, подобно транспортной машине. Отвальные землеройно-транспортные машины (бульдозеры, автогрейдеры), занятые на планировке земляных поверхностей, 
работают в режиме землеройной машины непрерывного действия: снимаемый слой грунта непрерывно перемещается по отвалу и укладывается рядом с полосой планировки.

Введение

При выполнении земляных работ используют различные по назначению, конструкции и принципу действия машины. Учебное пособие 
содержит краткий теоретический и справочный материал и методические указания по проектированию и расчету машин для разработки 
грунтов механическим способом. Приводятся сведения по назначению, устройству и техническим характеристикам одноковшовых экскаваторов, экскаваторов непрерывного действия, бульдозеров, скреперов, фронтальных погрузчиков и рыхлителей.

1. БУЛЬДОЗЕРЫ

1.1. Назначение, область применения и классификация 
бульдозеров

Б

ульдозер предназначен для послойного срезания, соскребания 
и продольного перемещения насыпного материала на относительно небольшие расстояния (до 100 м).
Бульдозеры используют для зачистки и выравнивания почвы, концентрации грунта в месте погрузки ее экскаватором, перемещения 
бутов, транспортирования грунта на расстояние до 50 м и более (взамен скреперной доставки), а также для устройства и содержания дорог 
при безрельсовом транспорте и на других работах. Из вспомогательных работ наиболее часто бульдозеры применяют на расчистке площадок от леса, удалении растительного слоя, снега, негабаритных бутов, засыпке выемок, сооружении дамб и т. д.
Характер основных работ, выполняемых бульдозерами, приведен 
в табл. 1.1.

Таблица 1.1
Область применения бульдозеров

Вид работы
Рациональные расстояния 
перемещения пород, м
Условия 
работы
Планировка и зачистка поверхности
50

Уклон до 15°, 
подъем 
до 10°

Разравнивание грунта и разрушенной 
скалы на отвалах
70

Выемка и перемещение грунта в отвал
Выемка и перемещение грунта из резервов в насыпь

100 для гусеничных
и 150 для колесных

Обратная засыпка выемки разрыхленным грунтом
150

1.1. Назначение, область применения и классификация бульдозеров

В ряде случаев, при внесении необходимых конструктивных изменений в оборудование, область использования бульдозера может быть 
расширена.
Бульдозер (рис. 1.1) состоит из ходовой тележки, привода, отвала, 
оборудования для управления отвалом, толкающей рамы и раскосов.
Принцип работы бульдозера заключается в том, что, перемещаясь 
собственным ходом (обычно гусеничный ход), бульдозер подъезжает к требуемому месту работы, заглубляется отвал в грунт и при резании слоев грунта формируется объем грунта, располагающийся перед отвалом в виде призмы волочения. Дальше бульдозер перемещает 
захваченный грунт на некоторое расстояние толканием-волочением 
и затем разгружается, сталкивая грунт с откоса, поднимая отвал или 
отходя назад. затем бульдозер возвращается к месту заполнения отвала и рабочий цикл повторяется [3].

1

2

3

4

5
6

1

2

3

4

5
6

Рис. 1.1. Бульдозер Д-572 с трактором ДЭТ-250:

1 — отвал; 2 — толкающий брус; 3 — боковой нож; 4 — раскос; 5 — силовой гидроцилиндр; 
6 — трактор

Конструкция бульдозера и особенно отвала должна обладать повышенной прочностью и износостойкостью [1, 9].
Бульдозеры классифицируют:
· по способу управления отвалом: с канатным и гидравлическим 
управлением;
· по возможности изменения угла установки отвала в плане 
(50–60°): с поворотным и неповоротным отвалом;