Скрепер. Назначение и классификация

     Содержание:

1. Скрепер. ______________________________________ Стр. 3 - 6.
2. Горизонтальное направленное бурение (ГНБ). _______Стр. 7 - 12.
3. Задача. Машины для уплотнения грунта. ___________Стр. 13 - 14.
4. Список литературы. ______________________________Стр. 15.

Скрепер. Назначение и классификация .

Скрепер – землеройно–транспортная машина циклического действия, предназначенная для послойного вырезания грунта с набором его в ковш, транспортирования набранного грунта и отсыпки его слоями или в отвал с частичным уплотнением ходовыми колесами или гусеницами. Скреперы могут разрабатывать грунты I – IV групп прочности (III и IV группы – с предварительным разрыхлением).

В дорожном и аэродромном строительстве скреперы используют для возведения насыпей и разработки выемок, сооружения подходов к искусственным сооружениям, вскрытии грунтовых карьеров и карьеров строительных материалов, а также на различных вспомогательных работах – планировке, зачистке, подсыпке грунта и т. п. В исключительных случаях – в качестве землевозных тележек, загружаемых экскаваторами. Широко применяют скреперы на вскрышных работах, строительстве газо– и нефтепроводов, при рекуперации почвенных слоев, сооружении каналов.

Скрепер состоит из рабочего оборудования (ковша), ходового одноосного или двухосного оборудования, механизмов управления ковшом и заслонкой. 
 
Строение самоходного скрепера. 
 
 
1 – одноосный тягач; 2 – седельно–сцепное устройство; 3 – гидроцилиндр поворота; 4 – дышло (арка–хобот); 5 – гидроцилиндр подъема ковша; 6 – ковш; 7 – гидроцилиндр заслонки; 8 – задняя подвижная стенка; 9 – заднее колесо; 10 – буфер для толкача; 11 – гидроцилиндр выдвижения задней стенки; 12 – днище ковша; 13 – тяговая рама; 14 – нож; 15 – передняя заслонка.

Современные скреперы можно классифицировать по емкости ковша, способу передвижения, схеме подвески ковша, способу загрузки и разгрузки, по виду передней заслонки, по системе управления и другому.

По емкости ковша (в м3) скреперы можно условно подразделить следующим образом: 
1. Скреперы малой емкости, с ковшом емкостью до 4 м3. 
2. Скреперы средней емкости, с ковшом емкостью 5 – 12 м3. 
3. Скреперы большой емкости, с ковшом емкостью 15 – 18 м3.

По способу передвижения скреперы подразделяют на прицепные, полуприцепные и самоходные: 
1. Прицепным скрепером называется скрепер, вся весовая нагрузка которого (собственный вес и вес грунта в ковше) передается на опорную поверхность через ведомые колеса. 
2. Полуприцепные скреперы – это скреперы, у которых часть его весовой нагрузки передается гусеничному или одноосному (преимущественно) или двухосному колесному тягачу. 
3. Самоходным скрепером называется скрепер со встроенным двигателем (обычно расположенным сзади), у которого конструктивный вес всей машины и вес грунта в ковше полностью передаются на опорную поверхность через колеса или гусеницы скрепера.

По схеме подвески ковша скреперы подразделяются на скреперы рамной конструкции, у которых ковш шарнирно подвешен к основной раме, и скреперы безрамной конструкции, у которых вес ковша передается непосредственно на ось.

По способу загрузки скреперы можно подразделять на скреперы, у которых наполнение ковша происходит под давлением срезаемой стружки (этот способ связан с преодолением значительных сопротивлений наполнению), и на скреперы с элеваторной загрузкой, когда подъем грунта в ковш производится элеватором, благодаря чему сопротивление наполнению ковша снижается.

По способу разгрузки скреперы можно разделить на скреперы со свободной разгрузкой вперед или назад, с принудительной или полупринудительной разгрузкой и со щелевой разгрузкой – с разгрузкой вниз. На скреперах с элеваторной загрузкой применяется донная разгрузка. 
1. Свободная разгрузка применяется в машинах малой емкости; недостатком свободной разгрузки является неполная разгрузка ковша при работе в вязких и влажных грунтах. 
2. Принудительная, полупринудительная и щелевая разгрузки применяются главным образом в машинах средней и большой емкости. При принудительной разгрузке обеспечивается наилучшая очистка ковша. 
Недостатком полупринудительной разгрузки является неудовлетворительная очистка ковша при работе на липких и переувлажненных грунтах. 
3. При щелевой разгрузке днище, поворачиваясь, выводится из–под грунта и в конечном положении наклоняется к горизонту под углом 72 – 75°, вследствие чего происходит лучшая очистка ковша. 
Этот способ наименее энергоемок, так как исключает подъем грунта, имеющий место при полупринудительной разгрузке.

По виду заслонки различают скреперы двух типов: с плавающей и управляемой заслонками. У плавающей заслонки шарниры подвески отнесены назад по ходу и расположены ниже, чем у управляемой заслонки.

Режущие ножи бывают прямой, ступенчатой, полукруглой формы. По сравнению с прямоугольными ножами применение ступенчатых ножей сокращает время и путь загрузки скрепера на 10 – 15%, повышает коэффициент наполнения на 18 – 20%, но ухудшает планирующую способность скрепера.

По системе управления рабочими органами различают скреперы с гидравлическим и канатно–блочным управлением. 
1. Основным достоинством гидравлического механизма управления следует считать возможность принудительного заглубления ножа. 
2. У канатно–блочной системы управления подъём рабочего органа производится принудительно, а спуск ковша и заглубление ножа в грунт осуществляются за счет собственного веса, что ухудшает условия работы скрепера во время заглубления на твердых грунтах и удлиняет путь загрузки, а также приводит к неполному закрытию заслонки по окончании загрузки и потерям грунта при его транспортировании. 
Недостатком канатных систем является передача части силы тяги от трактора к скреперу через канат подъема ковша. При этом канат подвергается перегрузкам. Этот недостаток устраняют введением специальных механизмов, разгружающих канат подъема ковша при транспортировании. 

Рабочий цикл и производительность скреперов.

Рабочий цикл скрепера состоит из последовательно повторяющихся операций: резания грунта и наполнения ковша, перемещения груженого скрепера к месту разгрузки, разгрузки ковша с укладкой грунта и возвращения в забой. Перечисленные операции производятся при непрерывном поступательном движении самого скрепера.

Транспортирование грунта прицепными скреперами целесообразно на расстояние до 300 м и самоходными до 5000 м.

Скорость движения скрепера при наборе грунта обычно не превышает 2,5...3,5 км/ч. Длина пути набора составляет 20...50 м. Большие значения относятся к прочным тяжелым грунтам, при копании которых стружка имеет меньшую толщину.

Скорость груженого и порожнего скрепера определяют с учетом типа и состояния грунта и уклонов транспортных путей. В реальных условиях эксплуатации скорость обычнее не превышает 6…8 км/ч для прицепных скреперов и 30…35 км/ч для полуприцепных и самоходных.

В зависимости от размеров скрепера наибольшая толщина срезаемого слоя составляет 0,12…0,53 м, а толщина отсыпаемого слоя в рыхлом состоянии 0,15…0,60 м.

Ковш скрепера заполняется при движении по прямой. Длина пути заполнения зависит от объема ковша, от плотности грунта и способа зарезания. Она колеблется от 25 до 90метров. при работе с толкачом длина пути сокращается примерно на 1/3. 
 
Схема разработки грунта скрепером.

Наиболее рациональной схемой разработки грунта является шахматно–гребенчатая схема.

По этой схеме разработку грунта ведут последовательными рядами проходов, одинаковыми по длине и расположению, но сдвинутыми один относительно другого в шахматном порядке. Между проходами 1 ряда оставляют полосы нетронутого грунта, шириной около половины ширины ножа скрепера.

Разработку второго ряда начинают отступив от начала 1 ряда на половину длинны длины зарезания – L/2, при этом ось движения скрепера совпадает с осью оставленных полос грунта.

При резании грунта начиная со 2 ряда, стружка на первой половине длины равна ширине ножа, на 2 половине вдвое меньше. Такая схема разработки грунта уменьшает сопротивление резанию в конце набора грунта, обеспечивая при этом увеличение его наполнения на 10 – 15% при сокращении времени набора на 15 – 25%. 
Техническая производительность скреперов определяется по формуле: 
 
, где 
V – геометрическая вместимость ковша скрепера, м3; 
Тц – продолжительность цикла, с; 
Кн – коэффициент наполнения ковша грунтом в зависимости от типа грунта и способа заполнения, Кн = 0,8...1,2; 
Кр – коэффициент разрыхления грунта, Кр= 1,2...1,35. 

В соответствии со структурой рабочего цикла его продолжительность представляет собой сумму продолжительности отдельных операций: 
где t1, t2, t3, t4, t5 – соответственно продолжительность набора грунта в ковш, движения груженого скрепера, разгрузки скрепера, движения порожнего скрепера и дополнительных операций, включающих повороты, переключения передач и другие затраты времени (обычно до 60 с). 

Горизонтальное направленное бурение (ГНБ).

Способом горизонтального бурения можно проходить выработки для бестраншейной прокладки трубопроводов практически любых диаметров и с относительно меньшими усилиями, чем при проколе или продавливании. Определенную трудность представляет удаление грунта из пробуренной скважины.

Процесс бурения и прокладки звеньев трубопровода в скважину может быть как раздельным, так и совмещенным. В первом случае вначале бурят скважину, а затем, после извлечения из нее бурового инструмента, протаскивают трубопровод. При совмещенном – трубу прокладывают одновременно с продвижением бурового инструмента.

Для прокладки трубопроводов способом горизонтального бурения применяют бурильно-шнековые установки с цикличным или непрерывным удалением грунта из забоя, оснащенные набором сменного оборудования для прокладки труб путем их последовательного наращивания в скважине звеньями.

Схема установки для горизонтального бурения в котловане.

Планирование и расчет траектории бурения.

Перед началом работ тщательно изучаются свойства грунта (это влияет на выбор инструмента и состав буровой жидкости); выясняется дислокация существующих подземных коммуникаций (здесь поможет выборочное зондирование грунтов, а при необходимости – шурфление особо сложных пересечений трассы бурения с существующими коммуникациями); оформляются соответствующие разрешения и согласования; рассчитывается траектория бурения (углы входа и выхода бура по отношению к поверхности земли с учетом допустимых радиусов кривизны плети штанг и укладываемого материала).

Организация места работ.

Непосредственно бурению предшествуют доставка, выгрузка, позиционирование на местности и фиксация установки ГНБ. Настраивается сигнализация предупреждения подземного столкновения с находящимися под напряжением электрическими сетями. Подготавливаются к работе двигатели установки и миксеры для приготовления суспензии, приготавливается сама водно-бентонитовая суспензия.

Пилотное бурение.

Начальный этап – загрузка первой буровой штанги в направляющую раму и ее сборка с буровой головкой. Буровая головка имеет цилиндрическую форму с наклонным срезом передней части и состоит из бурильной лопатки, фильтра подачи суспензии и передатчика локационной системы – зонда.

Второй этап – бурение. Информация о местоположении, уклоне и азимуте бурового инструмента отображается на мониторе локатора. В сигнале зонда закодировано множество параметров: местоположение на плане и профиле, глубина, угол наклона буровой головки, угол поворота бурового ножа и даже температура окружающей среды.

Принимая эти данные, оператор установки контролирует положение инструмента под землей, при необходимости изменяя направление бурения, огибая действующие или брошенные сети, валуны и прочие способные повредить инструмент включения. Изменение направления происходит за счет изменения вариантов передачи усилий на буровой инструмент. При подаче буровых штанг вперед одновременно с вращением буровой инструмент движется прямолинейно, при отсутствии вращения – в сторону, противоположную срезу буровой головки.

Заключительный этап – выход бурового инструмента в заданной проектом точке (допустимые отклонения измеряются сантиметрами).

Прокладка тоннеля и протягивание трубопровода.

При пилотном бурении в зависимости от типоразмера используемой установки и размеров буровой лопатки формируется скважина диаметром немногим менее или более 100 мм. Для прокладки тонких коммуникационных средств (трубы, кабель и т.п.) этого вполне достаточно. Однако часто требуется расширение скважины. В этом случае буровая головка заменяется на расширитель обратного действия. С помощью тягового усилия и одновременного вращения он протягивается через пилотную скважину в направлении буровой установки, расширяя ее до необходимого диаметра. Промежуточное расширение производят с увеличением диаметров расширителей поэтапно, с каждым последующим разом увеличивая диаметр бурового канала не более чем на 30–40 %. Используются два типа расширителей – уплотняющие (создают гладкий туннель) и режущие – для грунтов, не поддающихся «укатке» (они срезают слои почвы со стенок пилотной скважины, а те вымываются из нее буровой жидкостью в пустоты или на поверхность). Существуют расширители, сочетающие свойства уплотняющих и режущих.

Заключительный этап – протягивание трубопровода в количестве от одной до шести труб. Операцию протягивания желательно проводить без остановки от начала до конца, в связи с коротким сроком жизни стенок скважины. Если остановка совершена, трубопровод может обжать грунтом, после чего потребуется использование более мощной установки или произойдет повреждение трубопровода.

При одновременном расширении скважины и затягивании укладываемого материала за расширителем устанавливается вертлюг – устройство, предотвращающее скручивание трубопровода (типоразмеры вертлюгов определяются тяговыми усилиями установки).

Строительство подземных коммуникаций по технологии горизонтального направленного бурения осуществляется в три этапа:

1 этап. Бурение пилотной скважины 

2 этап. Последовательное расширение скважины до проектного диаметра 
 
 
3 этап. Протягивание трубопровода в скважину 

Основные методы ГНБ структурированы в таблице:

Естественно, наиболее популярным методом ГНБ бурения является метод промывочного бурения с управляющим зондом. Однако, этот метод обладает как преимуществами (дешевизна и доступность), так и недостатками, среди которых основной – невозможность производить проходку для самотечных труб.

Преимущества бестраншейной прокладки

Таким препятствием при прокладке трубопровода или газопровода может стать:

1. Стоящее здание на пути трубопровода
2. Водоем (естественный или искусственный)
3. Объекты, являющиеся культурной ценностью или наследием данного населенного пункта
4. Автотранспортная или железнодорожная магистраль с высокой степенью загрузки

Однако, одновременно с причинами, по которым невозможно применять траншейный способ прокладки, горизонтальное бурение начало предлагать и выгодные варианты. Например, при глубине траншеи более 1,5 метров, любой метод горизонтального бурения окажется выгоднее траншейного способа. Чтобы сделать технико-экономическое сравнение траншейных и бестраншейных способов прокладки трубопроводов, необходимо включить помимо прямых еще и косвенные расходы.

В настоящее время возникла реальная необходимость в использовании бестраншейных технологий и обусловлено это целым рядом причин. С одной стороны плачевное состояние трубопроводов, находящихся в эксплуатации с советских времен, а в некоторых городах и с дореволюционных. С другой – это ряд ограничений по проведению привычных траншейных работ. Рассмотрим основные преимущества бестраншейной прокладки в сравнении с рытьем траншей.

Одним из важнейших преимуществ бестраншейной прокладки является незначительное влияние на окружающую среду и как следствие низкий экологический ущерб. Гибель растительности (деревьев, кустарников и травы) является следствием использования траншейных способов. При рытье траншеи существенно понижаются грунтовые воды, даже после ее засыпки, что приведет к неминуемой гибели зеленых насаждений.

Расходы материалов для засыпки для методов бестраншейной прокладки необходим только для восстановления участка земли, где был вырыт котлован. Это требует на порядки меньше материала и снижает так же на порядки стоимость его доставки (щебень, песок, грунт). Это связано в первую очередь с тем, что открытый материал траншеи, как правило, нельзя использовать повторно. Дополнительно может потребоваться устройство или восстановление дорог, по которым будет курсировать большегрузная автомобильная техника для перевозки материала засыпки или вывоза старого грунта. Существующие дороги могут быть повреждены и потребуется их восстановление. А как быть с пылью и грязью, которая начнет растаскиваться по пути следования самосвалов?

Недостаточно качественная засыпка траншеи может привести к тому, что могут возникнуть пустоты, грунт может вымываться в результате скапливания воды. Давление на проложенный трубопровод может увеличиваться на одних участках и уменьшаться на других, что приведет к деформации и, как следствие, сокращению срока службы трубы. При правильном проведении горизонтального бурения, особенно бурошнековыми машинам методом продавливания, выемка грунта вокруг трубы минимальна. Стандартные ГНБ методы могут так же создать неприятности с вымыванием грунта, если использовать неправильную консистенцию бентонитовой смеси, сильно разбавляя водой.

Использование бестраншейной прокладки существенно повышает прочность трубопровода и предотвращает его от продольных изгибов, точечных нагрузок. При промывке трубопровод может выдержать большее давление.

Осадка грунта при бестраншейной прокладке сведена к минимуму. Таким образом, укрепленные части дорог практически не страдают. Траншейный способ почти на 100% влечет за собой осадку или вздутие грунта.

Одним из важнейших преимуществ бестраншейной прокладки является независимость от погодных условий. Дело в том, что два котлована не составляет труда накрыть тентом или одеть сверху теплый кожух или контейнер. Снег, дождь или мороз не мешают производить работы по прокладке трубопроводов бестраншейным способом.

Таким образом, время на проведение работ можно рассчитать с большой точностью и существенно сократить. Это преимущество так же существенно помогает при планировании строительных мероприятий.

Задача. Машины для уплотнения грунта. Дорожные катки.

Исходные данные к задаче:

Выбираем каток с гладкими металлическими вальцами ДУ-49А с балластом:

Масса – 18т; диаметр вальцов – 1,3м; число вальцов – 3; ширина уплотняемой полосы – 1,3м; скорость движения – 4,5км/ч.

Вычисляем оптимальную толщину несвязного уплотняемого грунта:

h0 = 126 * 10-3 * ω / ω0 * , где:

ω – влажность уплотняемого грунта = 5%

ω0 - оптимальная влажность грунта = 7%

gл – среднее давление катка на грунт,  gл = Q/B

R – радиус вальца = 0,65м

Q – сила тяжести катка = 176,58 Н

В – ширина катка = 1,3м

h0 = 126 * 10-3 * 5 / 7 * = 8,40 см.

Вычисляем оптимальную толщину связного уплотняемого грунта:

ω – влажность уплотняемого грунта = 8%

ω0 - оптимальная влажность грунта = 12%

h0 = 95 * 10-3 * 8 / 12 * = 5,89 см.

Вычисляем эксплуатационную часовую производительность  катков для несвязного уплотняемого грунта:

В единицах площади:

Пэ.ч.1 = [v * (B – C) / n] * kв , где:

v – скорость движения катка  ≤ 2000 м/ч

В – ширина укатываемой полосы = 1,3м

С – ширина полосы перекрытия = 0,15м

n – количество проходов по одному месту = 6

kв – коэффициент использования рабочего времени = 0,8

Пэ.ч.1 = [2000 * (1,3 – 0,15) / 6] * 0,8 = 306,67 м2/ч

В единицах объёма:

Пэ.ч. = Пэ.ч.1 * h0 = 306,67 * 0,084 = 25,76 м3/ч

Вычисляем эксплуатационную сменную производительность  катков для несвязного уплотняемого грунта:

Пэ.см.1 = [v * (B – C) / n] * kсм * Тсм , где:

kсм - коэффициент использования рабочего времени смены = 0,75

Тсм – продолжительность смены = 8ч

В единицах площади:

Пэ.см.1 = [2000 * (1,3 – 0,15) / 6] * 0,75 * 8 = 2300 м2/ч

В единицах объёма:

Пэ.см. = Пэ.см.1 * h0 = 2300 * 0,084 = 193,2 м3/ч

Вычисляем эксплуатационную часовую производительность  катков для связного уплотняемого грунта:

Пэ.ч.1 = [v * (B – C) / n] * kв , где:

n – количество проходов по одному месту = 4

В единицах площади:

Пэ.ч.1 = [2000 * (1,3 – 0,15) / 4] * 0,8 = 460 м2/ч

В единицах объёма:

Пэ.ч. = Пэ.ч.1 * h0 = 460 * 0,0589 = 27,09 м3/ч

Вычисляем эксплуатационную сменную производительность  катков для связного уплотняемого грунта:

Пэ.см.1 = [v * (B – C) / n] * kсм * Тсм

В единицах площади:

Пэ.см.1 = [2000 * (1,3 – 0,15) / 4] * 0,75 * 8 = 3450 м2/ч

В единицах объёма:

Пэ.см. = Пэ.см.1 * h0 = 3450 * 0,0589 = 203,21 м3/ч

Список использованной литературы. 
 
1. Алексеева Т.В. и др./ Дорожные машины. Машины для земляных работ. -  М.: Машиностроение, 1972. 
2. Зиненко В.П./ Направленное бурение: Учебное пособие для вузов. - М.: Недра, 1990.

3. Родионов Н.С.,  Ганзен Г.А. / Горное и буровое оборудование: Учебник для техникумов. – М.: Недра, 1983.

4. Шарц А.З. и др./ Машины для строительство содержания и ремонта автомобильных дорог и аэродромов. -  М.: Машиностроение, 1985.