Механизмы для проведения земляных работ

Гаркави Н.Г

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАШИНАХ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ

Наиболее распространенным и трудоемким видом строительных работ являются земляные. Часто эти работы длятся несколько месяцев и определяют общий срок готовности строительного объекта.
Машины для выполнения земляных работ прошли длинный и сложный путь развития. Одной из первых машин этого вида была многоковшовая паровая землечерпалка с двигателем мощностью 15 л. с, построенная на Ижорском заводе в 1812 г. под руководством инж. А. Бетанкура. За рубежом такие землечерпалки появились 18 лет спустя.
В 1836 г. механик В. Отис (США) построил первый паровой одноковшовый экскаватор с ковшом вместимостью 1,14 м3; по принципу выполнения рабочего процесса этот экскаватор можно считать прототипом современных машин. Производительность его составляла от 30 до 80 м3/ч.
До начала широкого строительства железных дорог и крупных заводов первые экскаваторы не получили широкого применения. В 1842 г. мировой парк их состоял лишь из семи машин, четыре из которых использовались на строительстве железной дороги Петербург—Москва. В 1875 г. был построен первый грейдер-элеватор, а в 1887 г. — прицепной грейдер. Обе эти машины работали на конной тяге.
В Советском Союзе в годы первой пятилетки на Ковровском заводе был налажен выпуск первых железнодорожных экскаваторов с ковшом вместимостью 1,9—2,3 м3. Там же одновременно готовились к выпуску гусеничных экскаваторов с ковшом 1,5 м3.
Производство машин для земляных работ до второй мировой войны было ограниченным. Так, в 1932 г. парк экскаваторов СССР состоял лишь из 106 машин. Массовый выпуск землеройных машин в СССР был начат в 1935—1940 гг. С 60-х годов почти весь огромный объем земляных работ выполняется с помощью машин. Например, в 1980 г. строители располагали около 180 тыс. одноковшовых экскаваторов, 50 тыс. скреперов, 180 тыс. бульдозеров, что в десятки, а по отдельным машинам в сотни раз больше, чем в 1940 г. Годовое производство основных машин для земляных работ увеличилось за период с 1960 по 1980 г. по экскаваторам более чем в 3 раза, бульдозерам в 4 раза,  скреперам  почти  в 5 раз. В 1980 г. предприятия Минстройдормаша выпустили более 37 тыс. экскаваторов, 46 тыс. бульдозеров, около 10 тыс. скреперов.
Качество и параметры современных машин для земляных работ несравнимы с машинами 1940-х годов. Средняя единичная мощность одноковшовых экскаваторов и бульдозеров выросла за десятую пятилетку на 14%, скреперов — на 10%. На стройках появились новые более производительные машины: универсальные гидравлические одноковшовые экскаваторы, многоковшовые экскаваторы для разработки траншей в мерзлых грунтах, скреперы с ковшом 15 м3, новые типы бульдозеров и рыхлителей и т. п. Многие советские машины, выпускаемые в последние годы, соответствуют требованиям мировых стандартов.
В постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР «О дальнейшем развитии машиностроения в 1978—1980 гг.», принятом в 1978 г., было предусмотрено, в частности, создать и освоить производство машин и оборудования с производительностью в 1,5—2 раза выше по сравнению с уровнем 1975 г. и повысить долю продукции высшей категории качества до 30%. Срок службы машин до первого капитального ремонта предложено увеличить: по автогрейдерам — до 5 тыс. ч, по скреперам и бульдозерам на гусеничном ходу — до 6 тыс. ч.
Новые большие задачи по совершенствованию конструкций и повышению производительности строительных машин поставлены XXVI съездом КПСС, состоявшемся в феврале 1981 г.
Теоретической основой разработки рабочих процессов землеройных машин являются труды русских и советских ученых по теории резания грунтов. Большой вклад в развитие этой области науки внесли акад. В. П. Горячкин, профессора Н. Г. Домбровский, Ю. А. Ветров, А. Н. Зеленин, А. Д. Далин, С. Р. Петере, Н. Я- Хар-хута и др.
В послевоенный период в СССР обширные научно-исследовательские работы по созданию новых машин для земляных работ ведут ВНИИ строительного и дорожного машиностроения, ВНИИ землеройных машин, а также ученые Московского, Киевского и Ленинградского инженерно-строительных институтов, Московского, Сибирского, Харьковского автодорожных институтов и многие Другие.
В последние годы при проектировании машин для земляных работ- применяют вероятностные способы, учитывающие условия применения машин, физического и математического моделирования, позволяющие выбрать оптимальные параметры рабочих процессов и на их основе создавать высокоэффективные машины.
Производством машин для земляных работ заняты многие заводы нашей страны. Наряду со специализированными предприятиями средней мощности их выпускают и такие гиганты, как Ижорский завод им. А. А. Жданова, Уральский завод тяжелого машиностроения. Мощности предприятий отечественного землеройного машиностроения дают возможность полностью обеспечить строителей необходимыми машинами высокого качества.




Ветров Ю.А.

История машин для земляных работ насчитывает уже не одно столетие. Еще в XV веке гениальный Леонардо да Винчи предложил принципиальную схему экскаватора-драглайна, Бухтеев на Днепре и А. Бетанкур в Кронштадте в 1806—1811 гг. применили многоковшовый экскаватор, а Д. Оттис в 1836 г. создал паровой одноковшовый экскаватор с прямой лопатой. Но особенно большое развитие и повсеместное применение машины для земляных работ получили в последние 50—60 лет.
Одной из причин относительной задержки массового применения машин для земляных работ являлось то, что наряду с большими размерами, сложностью конструкции и большой потребляемой мощностью они должны быть мобильными. Поэтому массовое создание и применение этих машин стало возможным только при уровне науки и машиностроения, достигнутом в 20—30-х годах текущего столетия. В настоящее время Советский Союз не только занимает первое место в мире по количеству выпускаемых машин для земляных работ, но и достиг ряда наиболее высоких качественных показателей этих машин.
Быстрому развитию машин для земляных работ в СССР способствовали труды многих советских ученых и инженеров в области теории, конструкции и рабочих процессов этих машин. Особенно велики заслуги в этой области акад. В. П. Горячкина, профессоров Н. Г. Домбровского, А. Н. Зеленина, Д. П. Волкова, С. А. Панкратова, Д. И. Федорова, А. М. Холодова, В. И. Баловнева, А. Д. Далина, А. С. Фиделева, К. А. Артемьева, Т. В. Алексеевой, М. И. Гальперина, В. Д. Абесгауза, Б. И. Сатовского, Н. А. Ульянова, Н. Я. Хархуты, А. Г. Маевского, И. А. Тер-Азарьева, В. К. Руднева.
Большие работы по совершенствованию машин для земляных работ проводятся в научно-исследовательских и учебных институтах, на ряде машиностроительных заводов. Повышению эффективности машин для земляных работ и изысканию новых методов земляных работ в горной промышленности в большой степени способствовали исследования акад. Н. В. Мельникова, чл.- кор. АН СССР В. В. Ржевского, профессоров Ю. И. Белякова, Р. Ю. Подэрни, В. М. Владимирова, труды и конструкторские разработки многих других специалистов.




проф. д-ром техн. наук Д. П. Волков

Машины для земляных работ являются одними из основных видов машин, с помощью которых осуществляется комплексная механизация в строительстве, на открытых разработках полезных ископаемых, в промышленности строительных материалов, горной и цветной металлургии, угольной промышленности, мелиорации сельского хозяйства и других отраслях народного хозяйства. Объем земляных работ в общем объеме строительных работ в зависимости от сооружаемых объектов колеблется от 3—5 до 80—90%. Объемы выполняемых земляных работ, составлявшие в дореволюционной России около 0,3—0,4 млрд. м3, к 1991 г. в СССР достигли почти 30 млрд. м8. В последние годы они возрастали примерно на 1 млрд. м3 в год.
Без быстрого насыщения народного хозяйства парком необходимых высокопроизводительных машин и оборудования было бы немыслимо выполнение нужных объемов земляных работ. Отечественная промышленность в последние годы обеспечивала выпуск основных машин для земляных работ в больших объемах: экскаваторов — 35—40 тыс. шт. в год, бульдозеров — 45— 50 тыс. шт. в год, скреперов — 10—12 тыс. шт. в год.
Конструкции машин для земляных работ претерпели большие и сложные изменения одновременно с общим развитием техники и машиностроения. Одними из первых машин для земляных работ в России были созданные в 1806—1812 гг. Бухтеевым и А. Бетанкуром многоковшовые паровые землечерпалки для дноуглубительных работ на Днепре и в Кронштадте. В 1836 г. в США Д. Отис создал первый одноковшовый паровой экскаватор на железнодорожном ходу. Экскаватор имел оборудование прямая лопата с ковшом вместимостью 1,14 м3. Производительность этого экскаватора, использованного впервые в России в 1842 г. при строительстве железной дороги Петербург—Москва, составляла 15—80 м*/ч. В 70-х годах XIX века в США были созданы первые грейдеры и грейдеры-элеваторы на конной тяге. Первые скреперы с конной тягой были известны с 1773 г. Первые каменные катки для уплотнения грунтов с ручной тягой, о которых упоминалось более 3 тыс. лет до нашей эры, во второй половине XIX века сменились каменными катками с конной тягой, затем металлическими с кон-ной тягой. В конце XIX века на Коломенском заводе начали выпускать паровые катки мощностью 15 кВт массой 10 т.
Бурное строительство железных дорог способствовало развитию мобильных машин для земляных работ, а также гусеничных и пневмоколесных движителей. Первые гусеничные и пневмоколесные машины были построены в 1910—1915 гг. В 20-е годы XX века в качестве привода машин для земляных работ стали применять электродвигатели, а в машинах небольшой и средней мощности—двигатели внутреннего сгорания. В 30—40 годы в трансмиссиях машин появляются гидромуфты и гидротрансформаторы. К этому же времени относятся первые попытки применения объемного гидропривода на тракторах, неполноповоротных экскаваторах небольшой мощности.
Широкое применение гидропривода в машинах для земляных работ с 50-х годов значительно преобразило их конструкцию, позволило на 20—50% снизить их удельные материало- и энергоемкости, существенно повысить производительность и универсальность и перейти к автоматизации управления отдельными машинами, созданию манипуляторов и робототехнических комплексов. Следует отметить, что широкое применение индивидуального гидропривода в машинах для земляных работ, а также электропривода в тяжелых машинах позволяет более широко использовать агрегатно-модульный принцип их проектирования и создания. Одни и те же агрегаты и узлы широко используются для создания и производства многих видов этих машин, а сами узлы и агрегаты создаются по модульному принципу из отдельных унифицированных элементов и сборок. Этот принцип позволяет: в 1,5—3 раза ускорить создание новых машин; резко поднять серийность изготовления многих элементов, узлов и агрегатов конструкций; существенно улучшить их качество и снизить стоимость производства; упростить системы обслуживания, снабжения запчастями и ремонта машин в процессе их эксплуатации.
Одной из важнейших задач совершенствования конструкции машин является снижение их материалоемкости при одновременном повышении надежности. Если же учесть постоянное стремление к увеличению скоростей рабочих органов для повышения производительности, приводящее к увеличению динамической нагруженности, то решение этой задачи представляет всегда большие трудности.
Решение этой задачи требует применения более прочных и износостойких материалов: высокопрочных хорошо свариваемых легированных сталей для рабочего оборудования, высоколегированных сталей с высокими пределами выносливости для механизмов привода, износостойких сталей и высокотвердых композиционных порошковых материалов для рабочих органов, легких сплавов и высокопрочных пластмасс для кабин, кожухов, капотов и других ограждающих конструкций. Применение в конструкциях рабочего оборудования и несущих элементов машин для земляных работ более легких и высокопрочных композитных материалов паст новый толчок к снижению их материалоемкости.
Важной задачей в улучшении качества машин является также снижение их энергоемкости. Эта задача постоянно решается путем совершенствования принципов взаимодействия рабочих органов с грунтом — более широкого применения вибрационного и виброударного, физико-химического и термического воздействия на грунт и совершенствования конструкций рабочих органов для уменьшения сил сопротивления грунта отделению его от массива, перемещению его в рабочий орган и транспортированию, а также путем повышения коэффициента использования двигателей силовой установки, повышения КПД механизмов приводов рабочих органов, применения систем рекуперации энергии.
Весьма важным направлением в совершенствовании конструкций машин для земляных работ является улучшение их социальной приспособленности, повышение основных эргономических, эстетических и экологических качеств. Большое значение имеет
создание для машинистов кабин управления с хорошей обзорностью и микроклиматом, с вибрацией и шумом, не превышающих
допустимых пределов, что обеспечивает минимальную утомляемость при управлении машиной. В последнее время большое внимание уделяется автоматизации управления машиной и комплексами совместно работающих машин. Широко используются микропроцессоры и бортовые ЭВМ, лазерная техника, дистанционные системы управления.,/ В развитии теории, методов исследования, расчетов и проектирования машин для земляных работ большое участие принимали коллективы многих строительных, автомобильно-дорожных и политехнических вузов (МИСИ, МАДИ, КИСИ, ХАДИ, СибАДИ, ДИСИ, ВИСИ, ЛПИ, ЯПИ), а также научно-исследовательских институтов (ВНИИстройдормаш, ВНИИземмаш, ЦНИИСминтранстроя, УкрНИИпроект). Работы, выполненные в этих организациях, способствовали быстрому развитию и организации производства   машин для земляных работ.
В создании и организации серийного производства машин для земляных работ большой вклад внесли такие предприятия, как Ковровский, Воронежский, Тверской, Костромской, Дмитровский, Таллиннский и другие экскаваторные заводы, Уральский, Новокраматорский и другие заводы тяжелого машиностроения, Орловский, Бердянский, Брянский, Рыбинский и Челябинский заводы дорожных машин. В последние годы в производство мощных землеройно-транспортных машин были включены новые мошные заводы — Чебоксарский завод промышленных тракторов и Балаковский машиностроительный завод.
Благодаря тесному сотрудничеству заводов, научно-исследовательских институтов, СКБ и вузов освоен выпуск практически всех основных тивов машин для земляных работ от небольших (массой 0,2—2 т) до очень мощных (массой до 10 000—12 000 т) машин.
Однако следует отметить,, что наряду с имеющимися существенными успехами созданные и освоенные отечественные машины по ряду показателей еще отстают от зарубежных аналогов. В частности, на обеспечении эффективной комплексной механизации земляных работ больших объемов в строительстве еще остро сказывается недостаточный выпуск этих машин повышенной мощности (гидравлических экскаваторов массой 40—80 т с ковшом вместимостью 2—4 м, мощных скреперов с ковшами вместимостью 25—40 м, мощных бульдозеров-рыхлителей с двигателями мощностью 250—600 кВт), а также универсальных гидравлических экскаваторов, землеройно-транспортных и грунтоуплотняющих машин малой мощности массой 0,2—4 т для эффективной механизации малых объемов земляных работ, выполняемых очень часто вручную. Ряд образцов отечественных машин отстает еще от машин, выпускаемых зарубежными фирмами, по ряду показателей и в первую очередь по надежности, эргономическим и эстетическим показателям.
Необходимо отметить, что стоимость отечественных машин для земляных работ, как правило, существенно ниже зарубежных. Поэтому вложение дополнительных средств в их производство для применения более качественных материалов, более качественного их изготовления, использования средств для их диагностирования и автоматизации управления и решения ряда других задач может позволить в ближайшие годы вывести все отечественные машины в ряд передовых.