Землеройно-транспортными (ЗТМ) называют строительные машины, отделяющие грунт от массива тяговым усилием с последующим его перемещением к месту отсыпки собственным ходом. Основными рабочими операциями ЗТМ являются: послойнаяразработка грунта, его транспортирование и укладка в основание строительного объекта или отвал, а также планировка земляных поверхностей. В зависимости от вида рабочего органа различают ковшовые (скреперы) и отвальные (бульдозеры, автогрейдеры грейдер-элеваторы) ЗТМ. Эти машины отличаются простой конструкцией, универсальностью и высокой производительностью. Их применяют в дорожном строительстве, при рытье котлованов и каналов, возведении насыпей, планировке земляных, верхностей и на других работах.
Рабочий процесс включает два характерных режима: тяговый и транспортный. Исключение составляют грейдер-элеваторы, работающие только в тяговом режиме. На тяговом режиме работают при копании грунта, а на транспортном при его перемещении к месту отсыпки. Продолжительность тягового режима от общего времени рабочего процесса составляет у скреперов 10…20 %; у бульдозеров, работающих на послойной разработке грунтов 20…25 %; у бульдозеров и автогрейдеров на планировочных работах 75...80 %. Эффективность тягового режима зависит от способности машины передвигаться без буксования при повышенных сопротивлениях, а транспортного режима в основном, от скоростных качеств машины, ее проходимости и маневренности. Чаще ЗТМ при работе передвигаются по грунтовым и снежным дорогам, свежесрезанным и рыхлым насыпным грунтам. С повышением влажности грунта условия работы ЗТМ ухудшаются.
8.2 Скреперы.Скреперами разрабатывают грунты I и II категории непосредственно, а грунты III и IV категории после их предварительного разрыхления. Они часто работают в одном комплекте с бульдозерами-рыхлителями, используемыми также в качестве толкачей для повышения силы тяги скреперов. Скреперы не рекомендуется применять для разработки заболоченных, несвязных переувлажненных грунтов, а также грунтов с большими каменистыми включениями. Рабочий цикл скрепера включает копание (отделение грунта от массива и заполнение им ковша), транспортирование грунта в ковше к месту его укладки, отсыпку и возвращение машины на исходную позицию следующего рабочего цикла. Средняя дальность возки грунта скрепером колеблется от 3 м до 2...3 км при ковшах вместимостью соответственно 5…46 м3. Удельный расход энергии составляет 3,2...6 (кВт∙ч)/м3.
Главным параметром скрепера является вместимость ковша, в соответствии с которой различают скреперы малой (до 4 м3), средней (5... 12 м3) и большой (15 м3 и более) вместимости. Скрепер состоит из тягача и рабочего оборудования, по способу соединения которых различают прицепные (рисунок 8.1,а), полуприцепные (рисунок 8.1,б) и самоходные (рисунок 8.1,в) скреперы. У прицепных скреперов сила тяжести рабочего оборудования вместе с грунтом полностью передается на опорную поверхность через собственные ходовые устройства, а полуприцепные скреперы часть этой нагрузки передают на тягач. Обычно прицепные скреперы опираются на две ходовые оси. Существуют также одноосные прицепные скреперы (рисунок 8.1,г), у которых центр масс груженого скрепера расположен над ходовой осью.
а - прицепные, б – полуприцепные,
в – самоходные, г - одноосные прицепные скреперы
Рисунок 8.1. Схемы соединения скреперов с тягачом
Тяговое усилие обеспечивается гусеничным (см. рисунки 8.1,а,г), колесным одноосным (см. рисунок 8.1,в) или двухосным (см. рисунок 8.1,б) тягачом. У скреперов большой вместимости иногда природными делают также задние колеса, оборудованные встроенным в них электрическим или гидравлическим приводом (мотор- колесо),состоящим из электродвигателя или гидромотора и планетарного редуктора.
Первые колесные скреперы с конной тягой появились в 70-х гг. XVIII в. В конце XIX в. скреперы были установлены на одноосный ход с металлическими колесами. Для управления положением ковша в рабочем и транспортном режимах использовалась рычажная система. В качестве тягача использовался колесный трактор. В 1910 г Т. Шмейзером (США) был создан скрепер с ковшом вместимостью 5,4 м3 с гидравлическим управлением ковшом, приводимым в движение от колес трактора. Дальнейшее развитие конструкций скреперов шло по пути совершенствования ковшей и их систем управления. В нашей стране массовое применение получили скреперы на конной тяге при строительстве Туркестано-Сибирской дороги в 20-х гг. прошлого столетия, на Башжелдорстрое и других строительных объектах. В 30-е гг. прошлого столетия были созданы скреперы с ковшами вместимостью 5 м3 с гидравлическим управлением и 6 м3 с канатным управлением для работы с тракторами мощностью 48 кВт Челябинского тракторного завода. К концу 50-х гг. вместимость скреперного ковша уже достигла 46 м3 при мощности тягача 440 кВт.
Устройство и принцип работы скрепера рассмотрим на примере его самоходной модели (рисунок 8.2,а). Одноосный тягач 9 соединен с рабочим оборудованием сцепным устройством 8 в виде двух цилиндрических шарниров, позволяющих тягачу поворачиваться и перекашиваться относительно рабочего оборудования. Рабочее оборудование включает в себя ковш 15, опирающийся задней частью на колеса 16, а передней соединенный упряжными шарнирами 14 с боковыми брусьями 13 тяговой рамы, которая своей передней балкой опирается на тягач. Ковш ограничен днищем и боковыми стенками, а в задней части выдвижной стенкой 2, перемещаемой при разгрузке ковша гидроцилиндрами 1. В передней части ковш закрывается заслонкой 4 с помощью гидроцилиндров 3.
Для разработки грунта переднюю заслонку приподнимают и, перемещаясь на рабочей скорости, гидроцилиндрами 5 опускают ковш, заглубляя его в грунт. При этом нижний обрез заслонки должен находиться примерно на уровне земли. После заполнения ковша его поднимают, закрывают заслонкой и на транспортной скорости перемещают к месту разгрузки. Чаще скреперы используют для отсыпки грунта в насыпи, для чего после выезда на насыпь ковш опускают, оставляя щель между ножами и поверхностью передвижения, открывают заслонку и, передвигаясь на малой скорости, задней стенкой выталкивают грунт из ковша. При этом задние колеса, перекатываясь по свежеотсыпанному грунту, уплотняют его. Поворот тягача относительно ковша осуществляют с помощью гидроцилиндров 6, рабочие полости которых соединены по схеме (рисунок 8.2б), согласно которой поршневая полость каждого гидроцилиндра соединена со штоковой полостью другого гидроцилиндра. Рабочая жидкость поступает от насоса к гидроцилиндрам через гидрораспределитель 18, управляемый винтовой парой 17 от рулевой колонки. Гидроцилиндры шарнирно соединены своими гильзами с хребтовой балкой, а штоками с тягами 10.
а - общий вид; б - схема рулевого управления
Рисунок 8.2. Самоходный скрепер
Другие модели скреперов отличаются от рассмотренной способом соединения рабочего оборудования с тягачом, устройством и приводом передней заслонки, конструкцией ковша и его подвеской, обеспечивающей другие способы разгрузки: самосвальной - опрокидыванием ковша вперед или назад, полупринудительной - опрокидыванием донной части ковша и задней стенки, щелевой - путем раздвижки днища и т.п.
Наиболее энергоемкой является операция копания грунта. Ковш наполняется номинальным объемом грунта, равным его геометрической вместимости 6…15 м3 на длине 9…15 м при средней толщине стружки 0,09…0,16 м при разработке глин и 0,2…0,35 м при разработке песков. Для заполнения ковша "с шапкой" (выше его геометрической вместимости) длина пути копания увеличивается в среднем на 20 %. Ковш наполняется лучше при движении скрепера под уклон. При постоянной толщине стружки (рисунок 8.3,а) и постоянной скорости передвижения тяговая способность скрепера реализуется полностью лишь в конце копания. С целью сокращения длительности этой операции за счет использования резерва тяги в течение всей операции при разработке связных грунтов применяют клиновой способ (рисунок 8.3,б)максимально возможное по тяговому усилию заглубление ковша в начале операции с постепенным выглублением по мере его заполнения. Удовлетворительные результаты дает гребенчатый способ (рисунок 8.3,в)при разработке суглинистых и глинистых грунтов, а также клевковый способ (рисунок 8.3,г) при разработке сухих песков и супесей.
Основным недостатком разработки прочных грунтов являет ограниченная возможность проталкивания грунта в ковш через слой находящегося там грунта в заключительной стадии заполнения ковша. Вследствие этого тяговая способность скрепера может исчерпаться прежде чем заполнится ковш. Более эффективно заполняются ковши со ступенчатыми 11 и 12 (см. рисунок 8.2,a)или полукруглыми, выступающими в средней части ножами, где грунтовая стружка имеет большую толщину. Лучшие результаты даёт принудительная загрузка, для чего в передней части ковша устанавливают скребковый элеватор (рисунок 8.4) или шнеки, которые отделенный от массива грунт забрасывают в ковш. Такая загрузка повышает наполнение ковша в среднем на 20 %. Повысить наполняемость ковша можно за счет увеличения тягового усилия путём применения толкачей, в качестве которых используют оборудованные буферами тракторы или бульдозеры. При копании толкач заходит в хвост скрепера и, упираясь в его буфер (за задними колесами), сообщает ему дополнительное тяговое усилие. Это позволяет обычно увеличивать толщину стружки в среднем до 40 %.
Толкачи эффективно применяют при бригадной работе нескольких скреперов. В зависимости от вместимости ковша и дальности возки один толкач может обслуживать от 2 до 16 скреперов, оставаясь все время в зоне разработки грунта. Еще более эффективно использование скреперных поездов, состоящих из двух самоходных скреперов, соединяемых на время копания специальным управляемым устройством. Сначала совместным тяговым усилием двух тягачей заполняется передний скрепер, а затем задний, после чего скреперы разъединяются и движутся к месту отсыпки грунта раздельно. При таком способе ковши могут быть наполнены более чем на 10 % выше их геометрической вместимости.
При работе в транспортном режиме груженые скреперы преодолевают уклоны до 12…15 %, а с порожним ковшом до 15…17. Предельная крутизна спусков для груженых скреперов составляет 20...25 %, с порожним ковшом - 25...30 %, меньшие значения уклонов для самоходных, а большие для прицепных скреперов. Крутые подъемы груженые скреперы преодолевают с помощью толкачей.
Техническую производительность скреперов определяют как
Пт = 3600·qкн /(tц кр ), (8.1)
где q - геометрическая вместимость ковша, м3; кн - коэффициент наполнения ковша (в среднем для скреперов без толкачей при разработке песков кн = 0,6…0,9; глин - 1…1,1; супесей и суглинков - 1,1…1,2; черноземов - 1,1... 1,25); tц - продолжительность рабочего цикла, с; кр - коэффициент разрыхления грунта.
Продолжительность рабочего цикла
, (8.2)
где lк, lтг, lp и lтп - соответственно длины путей при копании, передвижении груженого скрепера, разгрузке и передвижении порожнего скрепера, м; υк, υтг, υp и υтп -скорости передвижения на этих путях, км/ч; tп - продолжительность одного поворота, с (в среднем 12…15 с); n - число поворотов за рабочий цикл.
Длины путей копания и разгрузки
, , (8.3)
где В - ширина ковша, м; сср - средняя толщина грунтовой стружки, м; h - толщина слоя отсыпки грунта, м.
Длины путей lтг и lтп, а также число поворотов n определяют в соответствии со схемой передвижения скрепера. Скорость υк в среднем составляет 0,65...0,8 от паспортной скорости тягача на первой передаче, a υp - примерно 0,75 от паспортной скорости.
Эксплуатационная производительность скрепера:
Пэ = Пт·кв , (8.4)
где кв - коэффициент использования скрепера во времени (в среднем при расчете сменной, месячной и годовой производительности соответственно равен 0,8...0,9; 0,5...0,65; 0,4...0,5).
, (8.2)
, 
, (8.3)