Машины строительного производства

Москва 2012

Допущено УМО вузов РФ
по образованию в области транспортных машин
и транспортно-технологических комплексов
в качестве учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся по специальности
«Подъемно-транспортные, строительные,
дорожные машины и оборудование»
направления «Транспортные машины
и транспортно-технологические комплексы»

МАШИНЫ
СТРОИТЕЛЬНОГО
ПРОИЗВОДСТВА

И.А. Недорезов, А.Г. Савельев

Издание 2-е, исправленное и дополненное

УДК 625.76.08(075.8)
ББК 39.311065
Н42

Р е ц е н з е н т ы :
заслуженный деятель науки и техники РФ, др техн. наук,
профессор кафедры «Сервис дорожностроительных машин»
Московского автомобильнодорожного института (Государственного
технического университета)  В. И. Баловнев;
заслуженный деятель науки и техники РФ, др техн. наук,
профессор кафедры «Дорожностроительные машины»
Московского автомобильнодорожного института (Государственного
технического университета) Э. Н. Кузин

Недорезов И. А.

Н42
Машины строительного производства : учеб. пособие /
И. А. Недорезов, А. Г. Савельев. – 2е изд., испр. и доп. –
М. : Издво МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. – 119, [1] с. : ил.

ISBN 9785703835593

В учебном пособии изложены основы теории и проектирования,
принципы действия, особенности расчета и конструкции основных видов
современных СДМ с учетом условий их применения в строительстве.
Рассмотрены основные виды СДМ по их технологическому назначению
в общестроительных работах. Приведена систематизация условий применения СДМ в строительстве, а также рабочих сред, с которыми они
взаимодействуют, прежде всего грунтов во всем их разнообразии.
Во второе издание включен новый параграф, посвященный методике имитационного моделирования рабочих процессов СДМ.
Для студентов вузов, изучающих дисциплину «Строительные и дорожные машины».

УДК 625.76.08(075.8)
ББК 39.311065

© Недорезов И. А., Савельев А. Г., 2010
© Недорезов И. А., Савельев А. Г., 2012,
с изменениями
© Оформление. Издательство МГТУ
ISBN 9785703835593
им. Н. Э. Баумана, 2012

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемое учебное пособие построено на основе двадцатилетнего опыта
преподавания курса «Строительные и дорожные машины» (СДМ) на кафедре
«Подъемнотранспортные системы» Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана. Ограниченное время преподавания
(в 11м семестре 40 лекционных часов) при большом объеме и разнообразии
материала потребовало более широких обобщений и усиления системного подхода к изложению курса. Эта задача решена путем рассмотрения основных
видов  СДМ по их технологическому назначению в общестроительных работах, а также с помощью систематизации условий применения СДМ в строительстве и рабочих сред, с которыми они взаимодействуют, и прежде всего
грунтов различных видов.
В учебном пособии впервые обобщены результаты анализа физикомеханических свойств грунтов в условиях эксплуатации СДМ, что позволило дать
статистическую оценку распределения грунтов по трудности их разработки
и составить шкалу для расчета удельных сопротивлений резанию и копанию
грунтов землеройными машинами. Полученные результаты представляют методический интерес для преподавания общих курсов СДМ. Предлагаемая методика расчета экономической эффективности СДМ на основе главного параметра машины, а также рассмотренные в данном учебном пособии вопросы
унификации конструкций СДМ и их сертификации будут полезны для подготовки компетентных специалистов.
Цель курса — ознакомление обучающихся с конструкциями, принципами
действия, основами теории, расчета и проектирования различных видов современных СДМ с учетом условий их применения в строительстве.
Материалы учебного пособия опираются на результаты НИР и ОКР, выполненных в НИИ транспортного строительства (ЦНИИСе), ВНИИстройдормаше,
МАДИ, а также на отечественный и зарубежный опыт разработки и применения
различных СДМ в транспортном строительстве.
Учебное пособие «Машины строительного производства» к курсу «Строительные и дорожные машины» написано в соответствии с программой подготовки инженеровконструкторов по специальности 170900 — «Подъемнотранспортные, строительные и дорожные машины», дополняя базовую дисциплину
«Подъемнотранспортные машины» (ПТМ). Во втором издании данного учебного пособия гл. 7 дополнена новым параграфом, посвященным методике
имитационного моделирования рабочих процессов СДМ.
Авторами учебного пособия являются И.А. Недорезов – заслуженный деятель науки и техники РФ, др техн. наук, профессор кафедры «Подъемнотранспортные системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана и А.Г. Савельев – др техн.
наук, профессор кафедры «Дорожные машины» МАДИ–ГТУ.

Заведующий кафедрой «Подъемнотранспортные системы»
МГТУ им. Н.Э. Баумана,
доктор технических наук, профессор  А.В. Вершинский

ВВЕДЕНИЕ

Как отрасль машиностроения производство СДМ в нашей стране сформировалось в 1946 г., когда после окончания Великой Отечественной войны было
образовано Министерство строительного и дорожного машиностроения (Минстройдормаш), в состав которого вошли до 200 заводов. Поставленные перед
отраслью задачи выполнения в кратчайшие сроки огромных объемов работ по
восстановлению разрушенного войной народного хозяйства, а также дальнейшего развития строительной индустрии требовали организации широкомасштабного производства строительной техники. И уже в 1954 г., к концу второй
послевоенной пятилетки, отечественная промышленность выпустила почти
5 тыс. экскаваторов, более 3 тыс. скреперов, до 7 тыс. бульдозеров. Для сравнения — выпуск этих машин в США составлял примерно 10, 3,5 и 18 тыс.
единиц соответственно. Всего заводами Минстройдормаша к тому времени
производилось более 470 видов СДМ [1].
В связи с крайне сжатыми сроками первые отечественные СДМ создавались путем воспроизводства зарубежных образцов. Так, на Челябинском заводе
дорожных машин имени Д.В. Колющенко (ЧЗК) был организован выпуск
автогрейдеров Д144 и скреперов Д147. В дальнейшем СДМ в нашей стране
производились серийно с высоким уровнем унификации. Основные виды СДМ
выпускались тысячами (скреперы, автогрейдеры) и десятками тысяч (экскаваторы, бульдозеры).
Головным научным центром отрасли стал ВНИИстройдормаш.
Высокие темпы развития отрасли строительного и дорожного машиностроения оказались возможными благодаря успехам отечественной научной
школы, сложившейся еще в довоенный период, которая опиралась в своей
деятельности на классические труды выдающегося русского ученого академика
Василия Прохоровича Горячкина — выпускника МВТУ 1894 г. Основоположниками науки в области СДМ стали профессор А.И. Анохин (автор первых
учебников по дорожным машинам), в послевоенные годы заведовавший кафедрой дорожных машин СибАДИ; профессор Н.Г. Домбровский (теория расчета и проектирования экскаваторов), длительное время руководивший кафедрой строительных машин МИСИ; профессор  А.Н. Зеленин (теория резания
и разрушения грунтов), заведовавший кафедрой дорожных машин МАДИ.
Научная деятельность этих ученых во второй половине прошлого века была
успешно продолжена их учениками: в СибАДИ профессорами Н.А. Ульяновым, К.А. Артемьевым, Т.В. Алексеевой, И.П. Керовым; в МИСИ профессорами Д.П. Волковым, В.А. Ряхиным; в МАДИ профессором В.И. Баловневым;
в КИСИ профессором Ю.А. Ветровым; в ЛПИ профессором Н.Я. Хархутой;
в ХАДИ профессором А.М. Холодовым; во ВНИИземмаше профессором
Э.Н. Кузиным; в ЦНИИСе профессором Д.И. Федоровым, а в последующие
годы – и их многочисленными учениками.
Систематическая подготовка специалистов по СДМ с 1946 г. ведется в институтах автодорожного и строительного профиля, а в настоящее время — во

многих вузах и средних технических учебных заведениях. Организовано регулярное издание технической и научной литературы по СДМ. Основными
научнотехническими и производственными журналами по СДМ являются
«Строительные и дорожные машины» (основан в 1956 г.), «Механизация строительства» (основан в 1939 г.), «Транспортное строительство» (основан в 1931 г.).
В последний период развитие СДМ ведется с опорой на новейшие достижения науки и техники.
В области машин для подготовительных работ — это  создание мощных
бульдозернорыхлительных агрегатов на базе гусеничных тракторов промышленного типа мощностью до 400 кВт и более для рыхления скальных, полускальных и мерзлых грунтов, а также эффективных бурильных машин для
выполнения взрывных работ в условиях строительства.
В области машин для земляных работ с начала 1960х гг. отмечен переход
к производству гидравлических одноковшовых экскаваторов, которые вытеснили канатные машины, особенно драглайны, игравшие еще в 1950х гг.
ведущую роль в строительстве. В 1960е гг. появились скреперы с механизмами загрузки и первые вибрационные катки, сменившие катки статического
действия. В машинные парки все больше стали поступать бульдозеры и скреперы, а также автогрейдеры, оснащенные гидроприводом, гидродинамическими трансмиссиями и системами автоматизированного управления с применением компьютеров (в 1980х гг.), которые предназначены в том числе для
контроля качества работ. В настоящее время используются и космические
навигационные системы.
В области машин для буровых и свайных работ, наряду с созданием
мощных дизельмолотов и вибропогружателей, стали разрабатываться машины
для устройства буронабивных свай, включая применение обсадных труб уже
с 1950х гг. Также налажен выпуск оборудования для строительства подземных
сооружений способом «стена в грунте» под защитой бентонитовых растворов.
В области машин для бетонных работ в 1960х гг. появились первые
автобетоносмесители для приготовления и транспортирования бетонных смесей, которые сейчас находятся в эксплуатации повсеместно. Для перемещения
и укладки бетонных смесей на строительных объектах в 1970е гг. был освоен
трубный транспорт с бетононасосами. В то же время вместо поршневых пневмокомпрессоров начали применять винтовые.
Здесь перечислены лишь основные этапы в развитии главных видов СДМ
общестроительного назначения.

Введение

Глава 1

СТРОИТЕЛЬНЫЕ И ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ
И ИХ РАБОЧИЕ СРЕДЫ

1.1. Модель системы «СДМ — рабочая среда».
Классификация СДМ по технологическому назначению

Подъемнотранспортные машины применяются практически во всех
отраслях хозяйства. СДМ эксплуатируются главным образом в строительстве. Кроме ПТМ, родственными для СДМ (рис. 1.1) являются
сельскохозяйственные и мелиоративные машины (СХМ и ММ), а также горные машины (ГМ). В качестве базы для СДМ часто используются гусеничные и колесные тракторы промышленного типа,
грузовые автомобили и тягачи (АиТ).

ПТМ при перемещении объектов (грузов), как правило, не изменяют их свойств. В отличие от ПТМ рабочие органы СДМ в процессе взаимодействия с рабочими средами разрушают, уплотняют,
или перемешивают их, т. е. изменяют состояние рабочих сред и,
следовательно, их физикомеханические свойства. Характер такого
взаимодействия отражают основные показатели режима нагружения
СДМ, которыми являются математическое ожидание действующего
усилия и функция его изменения, а также амплитудночастотная
характеристика, представляющие по своей природе случайные процессы. Обобщенная модель системы «СДМ — рабочая среда» приведена на рис. 1.2. Зная параметры СДМ и показатели их режима
нагружения, можно определить основные эксплуатационные техниРис. 1.1. Связь СДМ с ПТМ и родственными видами техники

коэкономические характеристики СДМ: область применения, производительность, экономическую эффективность, качество работы.
В связи с широким разнообразием строительных работ номенклатура СДМ исчисляется сотнями наименований. Основные общестроительные СДМ можно классифицировать по их технологическому назначению в строительстве. Это машины для

подготовительных работ (МПР);

земляных работ (МЗР);

буровых и свайных работ (МБур и СР);

бетонных работ (МБР);

добычи и переработки каменных материалов (МДиПКМ).
Самым крупным классом являются машины для земляных работ.
В составе указанных классов машин в учебном пособии рассматриваются наиболее представительные из современных СДМ:
МПР — машины для очистки территорий от техногенных загрязнений, в том числе радиоактивного характера; машины для рыхления прочных и мерзлых грунтов (навесные тракторные и экскаваторные рыхлители); машина для бурения скважин под взрывные
работы;
МЗР — землеройные машины (гидравлические одноковшовые
экскаваторы и траншеекопатели); землеройнотранспортные машины (бульдозеры, скреперы, автогрейдеры, грейдерэлеваторы); грунтоуплотняющие машины (пневмои виброкатки, трамбующие машины); машины для сооружения водоотводов и укрепления откосов
насыпей и выемок;
МБур и СР — машины для бурения скважин под буронабивные
сваи; машины для погружения в грунт свайных элементов (молоты,
вибропогружатели);
МБР — автобетоносмесители, автобетононасосы, виброуплотнители;
МДиПКМ — камнедробилки (щековые, конусные, валковые);
одноковшовые погрузчики.

Рис. 1.2. Обобщенная модель системы «СДМ — рабочая среда»:
ПВ — процесс взаимодействия; РС — рабочая среда; РН – режим нагружения;
П – производительность; Q — качество работы; Э — эффективность

1.1. Модель системы «СДМ — рабочая среда»

Глава 1. Строительные и дорожные машины и их рабочие среды

1.2. Рабочие среды СДМ

Перечисленные выше СДМ взаимодействуют с такими рабочими
средами, как грунты, каменные материалы, бетонные смеси. В состав последних входят цемент, щебень, песок, минеральные заполнители, являющиеся продуктами переработки определенных видов
грунтов. Таким образом, грунты во всем своем многообразии представляют ту основную среду, в которой функционируют рабочие
органы СДМ.
Грунты — обобщенное наименование всех видов горных пород,
образующих поверхностные слои Земли, разрабатываемых в строительстве. Именно эти слои в наибольшей степени подвергаются
воздействию атмосферы и колебаний температуры воздуха и поэтому отличаются наибольшей разнородностью и изменчивостью своего состояния. По происхождению и прочности грунты делят на
пять классов:

скальные;

полускальные;

крупнообломочные;

песчаные;

глинистые.
К скальным грунтам относятся самые прочные сцементированные горные породы с прочностью на одноосное сжатие не
менее 50 МПа, практически несжимаемые и влагоненасыщаемые.
Их прочность на сжатие может достигать 400 МПа (например,
гранит).
К полускальным грунтам также относятся сцементированные
горные породы, но с прочностью менее 50 МПа (например, мел,
сланцы). В отличие от скальных грунтов они впитывают влагу,
теряя при этом прочность, и способны уплотняться под нагрузкой.
Крупнообломочные грунты — это куски скальных или полускальных грунтов, образовавшиеся при их технологическом рыхлении
или в ходе геологических процессов.
Песчаные грунты являются продуктами естественного разрушения скальных грунтов, состоят в основном из мелких несцементированных частиц размером 0,05…2 мм.
Глинистые грунты — также продукты естественного разрушения
и преобразования скальных (и полускальных) грунтов, но состоят
в основном из самых мелких частиц размером менее 0,005 мм.
СДМ в строительстве главным образом взаимодействуют с глинистыми и песчаными грунтами. Скальные и полускальные грунты
предварительно рыхлят, превращая их в крупнообломочные.

Глинистые и песчаные грунты имеют трехфазное состояние:
минеральные частицы, вода и воздух, поэтому они отличаются наибольшей изменчивостью своих физикомеханических свойств под
воздействием различных факторов. Основным признаком физического состояния этих грунтов, определяющих их свойства, является
гранулометрический состав, т. е. процентное содержание минеральных частиц различного размера. По размеру зерен (мм) эти минеральные частицы классифицируют:

Глинистые  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Менее 0,005
Пыль  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,005...0,05
Песок  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,05...2,0
Гравий (окатанные частицы) или дресва (неокатанные)  . . . . 2...20
Галька или щебень  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20...200
Валуны или камень  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Более 200

В зависимости от содержания самых мелких (и самых активных)
глинистых частиц (%) грунты называются:

Песок  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Менее 3
Супесь  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3…10
Суглинок  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10…30
Глина  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Более 30

Если в таких грунтах пыли больше, чем песчаных частиц, то
к наименованию грунта добавляют слово «пылеватый». Если пыли
более 70 %, то такие грунты имеют название лёсс. В практике строительства в нашей стране чаще всего встречаются суглинки.
Из других показателей физикомеханических свойств грунтов
наибольшее практическое значение для работы СДМ имеют влажность, объемная масса, коэффициент разрыхления и особенно прочность. При замерзании глинистых и песчаных грунтов их прочность
многократно возрастает.
Влажность измеряется процентным соотношением массы воды
к массе высушенного грунта, составляет 2–30 %. Она сильно влияет
на такие свойства грунта, как прочность, объемная масса, липкость.
С ростом влажности сила прилипания грунта к металлу может достигать 2,5 Н/см2.
Объемная масса глинистых и песчаных грунтов колеблется в пределах 1,1…2,3 т/м3. Объемная масса скальных грунтов может достигать 3 т/м3.
При разработке грунты разрыхляются, при этом увеличивается
их объем в результате образования кусков и пустот. Коэффициент
разрыхления грунтов составляет 1,1–1,4. Таким образом, в кузов

1.2. Рабочие среды СДМ

Глава 1. Строительные и дорожные машины и их рабочие среды

автосамосвала данной грузоподъемности может быть помещено различное количество грунта в зависимости от его объемной массы
и коэффициента разрыхления, что необходимо учитывать.
Производительность машин при разработке грунтов оценивают
в плотном теле в состоянии его естественного залегания.

1.3. Классификация грунтов по трудности разработки
и вариации прочности

Трудность разработки грунтов зависит
от их прочности. Интегральная прочность грунтов наиболее просто оценивается по числу C ударов динамического плотномера (ударника) ДорНИИ
(рис. 1.3), необходимых для погружения его наконечника в испытываемый
грунт: наконечник длиной 10 см с площадью торца 1 см2 забивают в грунт
падающим с высоты 0,4 м грузом весом 2,5 кг (энергия единичного удара
1 кГм или 10 Дж). На основе определения числа C А.Н. Зелениным предложена  классификация грунтов по
трудности разработки СДМ [2]. Шкала категорий трудности разработки
грунтов построена им по геометрической прогрессии со знаменателем 2:

Ci = C1. 2i – 1,

где i — категория трудности разработки грунта; C1 – среднее число
ударов плотномера для грунта I категории. Фрагмент шкалы приведен в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Классификация грунтов по трудности разработки (по А.Н. Зеленину)

Категория грунта i
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII

Cреднее значение С
3
6
12
24
48
96
192
384

Здесь глинистые и песчаные грунты V категории и выше относятся к мерзлым грунтам, трудность разработки которых (и полускальных, и скальных) ввиду высокой трудоемкости применения

Рис. 1.3. Ударник Союздорнии:
1 — ограничитель подъема
груза; 2 — груз; 3 — направляющий стержень; 4 — ограничитель падения груза; 5 —
наконечник