Материал: Проектирование рабочего органа скрепера

С 1925 г. тракторные фирмы США начали выпускать скреперы (в 1938 г. производство их стало серийным).

В эти же годы в СССР были созданы скреперы емкостью 5 ж3 с гидравлическим управлением и емкостью б м3 с канатным управлением для работы с тракторами мощностью 48 кет (65 л. с), выпускаемыми Челябинским заводом. До этого времени у нас выпускались скреперы емкостью 0,75 и 1,1 ж3 для поездной возки с трактором 48 кет (65 л. с.). Был изготовлен образец телескопического скрепера емкостью 8 ж3 к трактору С-65.

Небольшие скорости гусеничных тракторов привели к попыткам заменить гусеничные тракторы мощными колесными тягачами автомобильного типа, а также использовать седельные автомобильные тягачи с полуприцепным скрепером. Эти попытки успеха не имели в силу малой маневренности, недостаточной устойчивости и непригодности тягачей, снабженных шинами высокого давления, для работы в условиях бездорожья.

В 1937 г. был создан первый полуприцепной телескопический скрепер большой емкости на базе одноосного тягача на шинах с пониженным до 200 кн/м2 (2атм) давлением. Эта машина могла транспортировать 12 м3 грунта со скоростью до 25 км/ч. Дальность возки составляла 2-3 км. В 1938 г. был изготовлен скрепер емкостью 23 м3 с одноосным тягачом 118 кет (160 л. с.) с шинами низкого давления диаметром 2 м и шириной 0,6 м, развивающий скорость до 34 км/ч и наибольшее тяговое усилие 170 кн (17 г).

В этот же период появились и другие сменные полуприцепные устройства к одноосным тягачам-большегрузные саморазгружающиеся повозки с задней, боковой и донной разгрузкой.

Основное направление при современном состоянии техники - создание универсальных колесных самоходных строительных машин путем агрегатирования узлов, выпускаемых автомобильной и тракторной промышленностью, и применения сменного полуприцепного и навесного рабочего оборудования.

Развитие этой идеи открыло возможности для повышения емкости, скорости и производительности скреперов, расширяя область их применения.

В 1947 г. был создан полуприцепной скрепер с электрическим приводом емкостью 20 м3 для работы с тягачом мощностью 225 л. с, развивающий скорость до 24 км/ч при массе агрегата 19 т. При полезной массе перевозимого грунта 32 т коэффициент тары составлял 0,6, т. е. был меньше, чем у лучших конструкций автосамосвалов.

Чтобы повысить силу тяги колесных тягачей, было уменьшено давление в шинах с 300 до 250 кн/м2 (с 3 до 2,5 атм) и ниже, увеличена высота протектора и разработаны типы его рисунка, отвечающие различным грунтовым условиям. Это позволило повысить силу тяги на 20-30%- Однако основные усилия конструкторов были направлены на увеличение силы тяги путем создания привода на ось скрепера - полуприцепа. Для этой цели устанавливали дополнительный двигатель, мощность которого обычно не превышала 0,75 мощности двигателя тягача. Так были созданы самоходные скреперы емкостью до 42 ж3 мощностью до 720 кет (410 + 310 кет), т. е. 980 л. с. (560 + + 420 л. с).

Создание дизель-электрического привода (с установкой электродвигателей постоянного или переменного тока на каждом колесе скрепера и тягача) в 1957’ г. позволило увеличить емкость скрепера до 46 м3 при мощности тягача 440 кет (600 л. с).

Применение столь мощных скреперов повлекло за собой работу по созданию толкачей массой до 170 г, мощностью до 1200 кет (1650 л. с.) с приводом по типу мотор-колесо .

Серийные машины с дизель-электрическим приводом по типу мотор-колесо пока еще не получили широкого применения из-за трудности обеспечения достаточной надежности машин при работе в тяжелых условиях, а также хорошей управляемости. В СССР созданы конструкции полуприцепных скреперов к одноосным тягачам мощностью 180 и 220 кет (240 и 360 л. с.) емкостью 9 и 15 м3. Осваивается самоходный скрепер с мотор-колесами емкостью 20-25 м3 на базе тягача мощностью 290- 380 кет (520 л. с). Серийно выпускаются прицепные скреперы емкостью 3,6 и 10 м3.

Массовое применение прицепных скреперов емкостью 6 и 10 мг имело место на постройке канала Волго-Дон им. В. И. Ленина в 1948-1950 гг. Часовая производительность их на 1 м3 составляла соответственно 7 и 7,5 м3 при максимальной производительности 52 и 80 м3/ч.

Толкач-тягач массой 170 га, мощностью 1200 кет (1650 л. с.) с электрическим приводом на каждое -колесо

Одноосные тягачи придают скреперам высокие маневренные качества. Однако получить скорость скрепера с одноосным тягачом выше 50 км/ч пока еще не удается* Поэтому для перевозок на дальние расстояния используют полуприцепные скреперы с двухосными седельными тягачами (рис. 10), развивающими скорость до 70 км/ч. По маневренности последние значительно уступают скреперам с одноосными тягачами.

Стремление увеличить производительность и эффективность работы скреперов привело к возвращению поездной возки, применявшейся 25 лет назад при скреперах малой емкости.

В 1958 г. был создан одноосный тягач мощностью 880 кет (1200 л. с.) с двумя скреперами емкостью по 46 м3, загружающимися поочередно или одновременно .

Продолжается работа по уменьшению сопротивлений при работе скрепера. Неудавшаяся в 1937 г. попытка резко снизить сопротивление заполнению с помощью подвижного днища оказалась успешной при установке в ковше наклонного скребкового конвейера, приводимого от двигателя, который питается 410 кет (560 л. с.) и активной задней осью с двигателем мощностью 310 кет (420 л. с), скорость до 70 км/ч током от генератора, установленного на тягаче.

В СССР разработан скрепер, в котором привод скребкового конвейера осуществляется при помощи гидромотора. Как показывает опыт, с установкой скребкового конвейера наибольшее тяговое усилие при*заполнении скрепера снижается на 20-25%.

В настоящее время ведутся работы по созданию скреперов емкостью 75 и 100 мг. В табл. 2 приведены некоторые технико-экономические данные современных скреперов. За последние 20 лет удельные мощности скреперов возросли в 1,5-1,7 раза для гусеничных тягачей и более чем в 2 раза для колесных. Почти в 1,5 раза увеличилась производительность, отнесенная к 1 м3 емкости скрепера. Наибольшая часовая производительность скрепера возросла в 3 с лишним раза и при дальности возки 500 м достигает 600-700 мъ/ч, т. е. близка к производительности экскаватора с ковшом емкостью 8-10 м3.

Значительные работы проводятся по изысканию наилучшей компоновки скреперов путем различного агрегатирования узлов и изменения положения кабины управления. Расположение кабины водителя впереди удобно для передвижения, но затрудняет наблюдение за наполнением ковша. При расположении кабины сзади в поле зрения находятся как ковш, так и дорога впереди. Однако необходимы еще специальные конструктивные меры, чтобы уменьшить в этом случае "мертвое пространство" дороги перед скрепером. Принимаются конструктивные решения, увеличивающие универсальность машин. Так, ковш скрепера устанавливают как сменное оборудование автогрейдера, тягач скрепера и автогрейдер снабжают отвалом бульдозера или рыхлителем. Создана оригинальная конструкция полупридепного скрепера к обычному короткобазовому двухосному тягачу с гидроуправлением. Увеличенный сцепной вес тягача позволяет развивать тяговое усилие 10 т при скорости 4,4 км/ч. Транспортная скорость достигает 54 км/ч. Тягач снабжается отвалом бульдозера.

Этапы развития, характерные для скреперостроения, имели место и при создании современных бульдозеров, автогрейдеров и грейдер-элеваторов.

.2 Назначение и применение скреперов

Скрепер - землеройно-транспортная машина циклического действия, выполняющая послойную разработку грунта и набор ковша, транспортирование грунта в ковше к месту укладки, выгрузку с разравниванием и частичным уплотнением грунта на месте укладки. В этой машине объединены землеройное и транспортное оборудование, что позволяет одному машинисту управлять процессами разработки и перемещения грунта. В результате снижаются трудоемкость и себестоимость возведения земляных сооружений. Основные агрегаты и узлы скрепера имеют по своему назначению такой же конструктивный замысел, как и у других машин для земляных работ (рис.1). Рабочим оборудованием являются ковш 1, в передней части которого ножи 2, отверстие 3 для набора и разгрузки грунта и заслонка 4.

Ковш скрепера на пневмоколесном ходу приводится в движение тягачом 5 - гусеничным или пневмоколесным. Система управления рабочими органами - гидравлическая или канатная. Для набора ковш скрепера опущен на грунт, при движении тягача ножи с усилием гидропривода врезаются в грунт, стружка 6 которого подается в ковш.

После наполнения ковша заслонка закрывается и для транспортирования ковш поднимается над грунтом. При разгрузке грунта в насыпь скрепер продолжает движение, заслонку открывают, а ковш опускают так, чтобы расстояние между днищем и поверхностью было равно заданному слою отсыпаемого грунта. После разгрузки порожний скрепер возвращается к месту набора грунта - в выемку или карьер. Естественно, по мере наполнения ковша растет сопротивление работе скрепера, которое должно преодолеваться тяговым усилием трактора или колесного тягача. Требуемое тяговое усилие как раз и входит в производственно-технологические требования к энергетическому обеспечению скрепера. Оно должно превышать величину наибольшего суммарного сопротивления работе скрепера, включающего четыре основных составляющих: сопротивление резанию грунта, сопротивление набора грунта в ковш на заключительной стадии его наполнения, сопротивление перемещению груженого скрепера и сопротивление призмы волочения грунта перед ковшом.

Рис.1. Скреперы

а - самоходный скрепер; б - набор грунта в ковш; в - груженый ход; г - разгрузка ковша

Скреперы широко используются в автодорожном и железнодорожном строительстве для возведения насыпей и разработки выемок, при строительстве гидротехнических сооружений, на вскрышных и многих других работах.

Скреперы выполняют около 10% земляных работ. Их классифицируют: по способу соединения с тягачом - прицепные и самоходные (в том числе полуприцепные и седельные); по загрузке ковша - загружаемые тяговым усилием трактора-тягача (и толкача) и с механизированной элеваторной загрузкой; по способу разгрузки ковша - со свободной (самосвальной), полупринудительной и принудительной разгрузкой; по системе управления рабочим органом - с канатным и гидравлическим управлением.

Преимущественно распространены скреперы, загружаемые тяговым усилием - более простые по конструкции и надежные в эксплуатации.

Поскольку тягового усилия тягачей (особенно колесных) для загрузки скрепера недостаточно, при наборе грунта применяют толкачи, а также технологию спаренной работы скреперов. В качестве толкачей обычно используют гусеничные тракторы с толкающим щитом.

Прицепные скреперы с гусеничными тракторами (тягачами) на легких и средних грунтах могут работать без толкачей.

При свободной (самосвальной) разгрузке, применяемой обычно на скреперах малой емкости, ковш, прикрепленный шарнирно к раме скрепера, опрокидывается вперед или назад при помощи канатной или гидравлической системы. Самосвальная разгрузка, отличаясь простотой конструкции, не обеспечивает полного опорожнения ковша при работе на липких и сырых грунтах.

При полупринудительной разгрузке, применяемой на скреперах средней и большой емкостей, ковш опорожняется поворотом вперед (по ходу) днища. Грунт при этом высыпается в щель образующуюся между ножевой плитой и открытой заслонкой или повернутым днищем. Недостатком является неполная разгрузка ковша при работе на липких и влажных грунтах.

При принудительной разгрузке, применяемой на скреперах средней и большой емкости, ковш опорожняется движением вперед (по ходу) задней подвижной стенки полностью на любых грунтах.

Разгрузка скрепера вперед позволяет регулировать толщину отсыпаемого слоя (подъемом ковша). При этом грунт планируется ножом или специальным скребком, что создает условия для высококачественного его уплотнения.

Прицепные скреперы соединяют обычно с гусеничными тракторами и применяют при тяжелых условиях работы (переменный рельеф, бездорожье и т. п.) и для транспортирования грунта на расстояние 100...500 м (при транспортировке грунта на расстояние менее 100 м целесообразнее использовать бульдозеры).

Чтобы ускорить процесс загрузки ковша и повысить коэффициент его наполнения, применяют скреперы с элеваторной загрузкой. Элеваторы скребкового типа имеют реверс, что позволяет не только загружать, но и разгружать ковш. Такие скреперы с дополнительным механизмом загрузки естественно дороже на 15...20%, их масса больше на 10...20%. Однако потребность в тракторах-толкачах для набора грунта отпадает, повышается производительность. В связи с этим скреперы с элеваторной загрузкой эффективны при значительных объемах работ. Основные тенденции развития конструкции и расширения области применения скреперов состоят в следующем: повышение единичной мощности, увеличение выпуска машин с ковшом 15 и 25 м. Такие скреперы позволяют снизить себестоимость работ на 20... 25%, однако для их работы необходимо более прочное основание землевозных дорог; повышение транспортных скоростей за счет производства дизель-электрических самоходных скреперов с установкой дополнительных электродвигателей в ходовом оборудовании (мотор - колеса); переход на гидравлическое управление рабочими операциями и принудительную загрузку ковша; совершенствование конструкции ковша, применение шин низкого давления, повышение мощности двигателей. С увеличением дальности перемещения грунта производительность скреперов падает.

.3 Классификация скреперов

С учетом основных признаков скреперы классифицируются:

1. По емкости ковша (м3) - на скреперы малой емкости, с ковшом емкостью до 5; скреперы средней емкости, с ковшом емкостью до 6-15; скреперы большой емкости с ковшом емкостью более 15;  Емкость современных скреперов увеличивается по мере роста мощности тракторов и колесных тягачей. В европейской практике геометрическая емкость ковша скрепера обычно не превышает 10 - 15 м3. В США на крупных гидротехнических строительствах с большими объемами земляных работ применяют скреперы с ковшами емкостью 15 - 30 м3 при мощности колесного тягача до 515 квт (700 л. с). Емкость сдвоенных ковшей у некоторых скреперных агрегатов достигает 109 м5 при мощности тягача 880 квт (1200 л. с.) (два дизеля па 440 квт).

. По способу загрузки - на заполняемые за счет подпора грунта при реализации тягового усилия базового тягача и загружаемые с помощью загрузочного устройства. К первому типу относятся скреперы обычного исполнения, а к второму типу - элеваторные, гребковые, роторные.

. По способу разгрузки - на машины со свободной, принудительной и полупринудительной (комбинированной) разгрузкой. В скреперах со свободной разгрузкой опорожнение ковша осуществляется под действием собственного веса грунта. В скреперах с принудительной разгрузкой полное опорожнение ковша осуществляется с помощью задней стенки. В скреперах с полупринудительной (комбинированной) разгрузкой часть объема грунта высыпается под действием собственного веса, а часть с помощью принудительной очистки.

. По типу привода - на машины с канатным, электромеханическим и гидравлическим приводом.

Канатный привод состоит из следующих узлов: механической лебедки, системы полиспастов и направляющих блоков, а также рычагов управления. Электрический привод состоит из электродвигателя, шестеренчатого редуктора и зубчатого реечного механизма. К электромеханическому приводу следует отнести также привод, состоящий из электролебедки и канатно-блочного механизма. Гидравлический привод включает насос, бак с жидкостью, гибкие шланги и гидрораспределитель.

. По способу передвижения - на прицепные, полуприцепные, самоходные и скреперные поезда.

Прицепной скрепер буксируется гусеничным или двухосным колесным трактором. Полуприцепной скрепер находится в сцепке с гусеничным или двухосным колесным трактором (тягачом) передней частью (хоботом) через опорно-сцепное устройство.

У прицепных скреперов вес скрепера и грунта в ковше воспринимается ходовыми осями скрепера, не увеличивая сцепного веса трактора (тягача).

Рис. 1.1 Прицепной скрепер Д-458 с гидравлическим управлением

- рама; 2 - ось вращения ковша; 3 - ножи; 4 - боковые ножи; 5 - цепь транспортной подвески; 6 - транспортная сцепка; 7 - основная сцепка; 8 - передние колеса; 9 - дышло; 10 - трубопроводы; 11- гидравлический цилиндр; 12 - передняя заслонка; 13- шарнирно-рычажный механизм; 14 - ковш; 15 - задний буфер; 16 - задние колеса.