В настоящее время строительное производство немыслимо без его механизации, т. е. без применения специальных машин. Огромный размах строительства в Советском Союзе повлек за собой и рост производства таких машин. В результате появилась совершенно новая отрасль машиностроения, которая за короткий срок, начиная с тридцатых годов, сделала огромные успехи. Сейчас создан большой парк дорожных машин; включающий в себя самые разнообразные машины. Эта отрасль машиностроения продолжает развиваться. При этом имеет место тенденция к повышению мощностей машин и к автоматизации связанных с их работой производственных процессов.
Как для организации правильной эксплуатации машин, так и для их производства требуется большое количество специалистов. Поэтому в ряде высших учебных заведений организована подготовка инженеров-механиков по строительным и дорожным машинам. С этой целью создан специальный курс: «Дорожные и строительные машины, механическое оборудование предприятий строительной индустрии». Впервые этот курс был прочитан в феврале 1929 г. в Московском институте инженеров транспорта (МИИТ) проф. А. И. Анохиным. До этого времени ни в СССР, ни за границей подобных курсов не существовало.
Успешное проектирование дорожных машин возможно лишь в случае, если инженер-механик обладает достаточной теоретической подготовкой. Первостепенное значение имеют вопросы взаимодействия рабочих органов той или иной машины с обрабатываемыми ею строительными материалами. Только с учетом этого взаимодействия возможен правильный выбор параметров машины, обеспечивающий высокую производительность и экономичность работы. Вместе с тем установить элементы такого взаимодействия возможно лишь на базе знания свойств строительных материалов и, в частности, грунтов.
К параметрам машин относятся основные элементы ее характеристики (вес, габариты, рабочие и транспортные скорости и т, п.). Большое значение имеют принципиальная конструктивная схема машины, а также конструкция и размеры ее рабочих органов.
Настоящий курс имеет целью систематизировать и обобщить имеющийся обширный материал по теории и расчету дорожных машин. Процессом обучения предусмотрены как курсовое проектирование, так и производственная практика, в процессе которых происходит детальное знакомство с конструкциями машин, их применением и условиями работы.
Строительное производство относится к одной из древнейших отраслей деятельности человека. Оно стояло на достаточно высоком уровне еще задолго до нашей эры. Широко известны такие образцы строительного искусства, как египетские пирамиды, земляные плотины в Индии и благоустроенные дороги Римской империи. Так, общее протяжение последних к началу нашей эры составило около 78 000 км. Возведение всех этих сооружений в условиях того времени осуществлялось вручную рабами и покоренными народами, а в дальнейшем — крепостными. Первые серьезные попытки механизировать труд в строительстве относятся к началу XIX в., чему в значительной степени послужило изобретение паровой машины. Так, в 1809 г. в Петербурге Бетанкуром была предложена плавучая землечерпалка, которая затем успешно работала в Кронштадтском порту.
В 1835 г. появился первый паровой экскаватор. Однако развитие дорожного машиностроения в то время шло крайне медленно. Так, к 1859 г. мировой парк экскаваторов состоял всего из семи машин, из которых четыре работали в России. Первые дробилки появились в 1858 г., однако ввиду плохого качества получаемого щебня они крайне медленно внедрялись в производство. В 1875 г. был построен первый грейдер-элеватор, а в 1887 г. — первый грейдер. Обе эти машины работали на конной тяге.
Развитию строительных и дорожных машин способствовало изобретение гусеничного ходового механизма и двигателей внутреннего сгорания, в частности дизелей. Первые экскаваторы на гусеничном ходу появились в 1912 г. и с этого времени они широко стали применяться на строительстве.
Первые годы нашего века являются началом развития автомобилестроения. Эта новая отрасль промышленности стала расти бурными темпами. С появлением автомобилей потребовалось широкое строительство дорог. При этом изменился тип дорожных покрытий, т. е. появились усовершенствованные покрытия, устраиваемые с применением битумных материалов и цементного бетона. Для расширяющегося дорожного строительства необходимы дорожные машины.
В дореволюционной России объем дорожно-строительных работ был мал, кроме того, почти все работы выполнялись вручную. Дорожное машиностроение начало развиваться только после Великой Октябрьской социалистической революции. В 1926 г. на Онежском заводе в г. Петрозаводске было организовано производство грейдеров, скреперов, утюгов и т. п. В 1930 г. дорожное машиностроение осуществлялось уже на четырех заводах. Выпуск машин и число занятых их производством заводов непрерывно расширялись и продолжают расширяться в настоящее время. Сейчас строительное и дорожное машиностроение является большой отраслью машиностроительной промышленности, которая включает в себя научно-исследовательские институты и многочисленные проектные организации.
Развитие дорожного машиностроения было невозможным без организации научно-исследовательской работы, направленной на разработку теории и методов расчета машин. В тридцатых годах научно-исследовательская работа по дорожным машинам была сосредоточена в ДорНИИ. Здесь большой вклад в дело развития теории машин внесли профессора А. И. Анохин, М. Н. Летошнев, инженеры В. А. Кондрашков, Г. Д. Курков, В. А. Либин, Н. В. Кустов и др. В настоящее время исследовательская работа ведется ВНИИстройдормашем, ВНИИземмашем, в Союздор-НИИ и в ряде высших учебных заведений (МАДИ, ХАДИ, МИСИ, ЛИСИ, ЛПИ и т. д.).
Крупные научно-исследовательские работы по разработке грунтов выполнены акад. В. П. Горячкиным, профессорами Н. Г. Домбровским, М. X. Пигулевским, А. Д. Далиным, Е. Р. Петерсом, А. Н. Зелениным и др.
По теории вибрационных машин заслуживают внимания работы профессоров Д. Д. Баркана, А. Е. Десова, инж. Л. П. Нетрунькина и др.
Дорожные машины работают в тяжелых условиях, которые характеризуются большим диапазоном изменений температуры воздуха, постоянной возможностью подвергнуться воздействиям осадков, передвижением в условиях бездорожья, работой на влажных, а иногда на сильно пыле-ватых грунтах и т. п. При этом надо еще учесть, что строительные объекты часто имеют значительную протяженность и потому места работы машин отдалены от ремонтных баз. Все это должно учитываться при проектировании машин.
Дорожные машины должны быть просты по конструкции и обладать достаточной надежностью в работе и необходимой долговечностью. Монтаж и демонтаж машины, а также выполнение необходимых ремонтных операций не должны вызывать больших затруднений. Надежность характеризуется временем непрерывной работы машины до первого планового ремонта, а долговечность — временем работы машины до капитального ремонта или до ее списания.
Простота выполнения ремонтных операций, экономичность работы и снижение стоимости изготовления самой машины зависят от того, насколько полно проведена унификация машин. Поэтому проектирование машин должно производиться с максимальным использованием одних и тех же или в крайнем случае подобных агрегатов, узлов и механизмов. Парк унифицированных машин легче снабжать запасными частями и на базе готовых агрегатов проще организовать их ремонт. Кроме того, изготовление однотипных агрегатов обходится значительно дешевле, чем разнотипных. Поэтому унификация является сейчас главнейшей задачей дорожного машиностроения.
В настоящее время совершается переход от проектирования отдельных машин к проектированию и внедрению комплекса машин. Это позволит наиболее широко унифицировать машины и упорядочит их выпуск и применение в строительстве. Комплексное проектирование производится на базе тнпажа машин. Типаж разрабатывается для каждого вида оборудования. Им предусматриваются ряды машин каждого вида, которые могут полностью удовлетворить запросы строительного производства. Типажом оговаривается значение тех главных параметров машин, от которых зависят основные показатели их работы. Так, главными параметрами экскаваторов и скреперов являются емкости ковшей, автогрейдеров — длины ножей, бульдозеров — тяговые усилия и т. д.
При проектировании и внедрении новых машин необходимо оценить их эксплуатационные качества. Главным показателем является производительность машины. Под производительностью понимается продукция, выдаваемая машиной за 1 ч работы. Различают теоретическую, техническую и эксплуатационную производительность.
Теоретическая (расчетная) производительность не учитывает потери времени, а также те потери, которые имеют место ввиду различия действительных и расчетных параметров машины, например скоростей движения. Кроме того, не учитываются и возможные потери перемещаемого машиной материала, например грунта, при передаче его с одного рабочего органа на другой. Теоретическая производительность Пр определяется применительно к каждому виду машин с учетом специфики технологического процесса. При определении технической производительности уже учитываются некоторые потери.
Эксплуатационная производительность дополнительно учитывает те потери времени, которые имеют место из-за неизбежных перерывов в работе, связанных с заправкой и смазкой машины, с подготовкой ее к работе и производством заключительных операций. Эти потери могут быть оценены коэффициентом использования машины по времени.
Повышение производительности машин и снижение себестоимости единицы продукции является важной народнохозяйственной задачей. Такая задача поставлена как перед эксплуатационниками, так и перед конструкторами машин. Повысить производительность дорожных машин можно путем увеличения размеров их рабочих органов, уменьшения времени, затрачиваемого на совершение рабочих операций, и снижения непроизводительных потерь.
Непроизводительные потери зависят главным образом от организации работ. Однако некоторая их доля часто является следствием неудачной конструкции машины в целом или отдельных ее узлов. Уменьшить время, затрачиваемое на совершение рабочих операций, можно путем повышения скоростей движения рабочих органов, а в ряде других случаев, как, например, при землеройно-транспортных машинах, и скоростей движения самих машин. Следует заметить, что такое повышение не может идти беспредельно. Часто оно ограничивается определенными максимальными значениями скоростей, выше которых ухудшается работа машины, а в некоторых случаях начинает даже снижаться ее производительность. Поэтому в большинстве случаев производительность того или иного типа. машин повышают путем увеличения размеров их рабочих органов, что, однако, неизбежно влечет за собой повышение мощности установленного двигателя. В связи с этим в дорожном машиностроении наблюдается непрерывное повышение мощностей выпускаемых машин.
Годовая выработка парка машин может быть увеличена путем использования их в течение круглого года. Круглогодичное строительство, т. е. ликвидация сезонности в строительстве, является весьма важной проблемой. Такие машины, как экскаваторы, бульдозеры и дробилки, уже давно работают в течение круглого года. В настоящее время поставлена задача расширения номенклатуры таких машин.
Возможность использования машины в зимнее время, т. е. при низких температурах воздуха, должна учитываться при их проектировании и изготовлении. При этом должны применяться системы, облегчающие запуск двигателей, должна быть улучшена система смазки всех трущихся частей машины, необходимо отеплить кабины операторов и т. п. Некоторые ответственные узлы тех машин, которые предназначены для работы при очень низких температурах и которые обычно выполняются из углеродистой стали, следует выполнять из низколегированных сталей, а литые детали — из стали спокойной плавки вяжущими материалами. Поэтому производится добыча и дробление каменных материалов. Весьма важным процессом является уплотнение грунтов и дорожных покрытий. В настоящее время широко распространено строительство различного рода инженерных сооружений из сборного железобетона. При этом части железобетонных конструкций изготовляются на специальных заводах или полигонах.
На заводах производится также переработка каменных материалов и приготовление различного рода черных смесей, асфальтобетона и цементного бетона. Эти заводы снабжены специальным оборудованием. Поэтому работы, связанные со строительством дорожных покрытий, разделяются на заводские или базовые и линейные. К линейным относятся работы по укладке и уплотнению бетона и черных смесей непосредственно в дорожное покрытие.
Во время эксплуатации дороги содержатся, т. е. производится ряд операций, направленных к сохранению их в хорошем состоянии, а по прошествии определенного срока они подвергаются ремонту. Содержание и ремонт дорог относятся к специальной службе, которая снабжена предназначенными для этой цели машинами.
Механизация разнообразных и часто сложных процессов строительного производства требует применения различных машин. Поэтому парк дорожных машин состоит из машин разного назначения, которые могут быть разделены на следующие группы:
1. Машины для подготовительных и земляных работ, которые производят копание грунта. Процессы копания весьма разнообразны. Они определяются не только характером строительного производства, но и свойствами грунтов. К этим машинам относятся бульдозеры, скреперы, автогрейдеры, грейдер-элеваторы, экскаваторы и т. п.
2. Машины для добычи и переработки каменных материалов. Каменный материал в большинстве случаев является основным строительным материалом. После добычи каменные материалы подвергаются переработке, т. е. дроблению и разделению по степени крупности. Добыча камня осуществляется при помощи бурильных молотков, станков ударно-канатного бурения и т. п. Для этой цели также используются компрессоры и другое вспомогательное оборудование. Для дробления камня и разделения щебня по фракциям служат дробилки, мельницы, а также различного рода сортировочные и моечные машины.
3. Машины для уплотнения грунтов и дорожной одежды. Уплотнение является весьма важным элементом технологического процесса, от качества выполнения которого зависит долговечность сооружений. К этой группе машин относятся катки, трамбующие и вибрационные машины.
4. Машины и оборудование, предназначенные для строительства усовершенствованных дорожных покрытий облегченного типа. Этот тип покрытия значительно дешевле усовершенствованных покрытий капитального типа — асфальтобетона и цементобетона и вместе с тем допускает достаточно интенсивное движение транспорта. Поэтому покрытия этого типа получили весьма большое распространение. При устройстве этих покрытий применяются: оборудование битумных баз (битумохранилища, котлы, битумные насосы, битумные плавильни, парообразователи, машины для приготовления эмульсий и т. п.) и машины, предназначенные для линейных работ (распределители щебня и гравия, автогудронаторы, машины для постройки покрытий по методу смешения и т. п.).
5. Машины для приготовления и распределения асфальтобетона (смесители, укладчики). Этот вид оборудования применяется при устройстве асфальтобетонных дорожных покрытий.
Пуск в производство всякой новой машины может быть осуществлен лишь в том случае, если в результате будет иметь место экономический эффект. Последний может принять форму снижения себестоимости единицы получаемой продукции, повышения качества последней, повышения производительности, улучшения условий труда и т. п.
Эффективность новой машины устанавливается путем сравнения ее с наиболее экономичной применяемой до нее машиной.
Создание новой машины начинается с составления технического задания на ее проектирование. Этим заданием обусловливается область применения машины, устанавливается основная ее характеристика и в том числе производительность и выводятся технико-экономические показатели ее работы. В техническом задании определяется также потребность в таких машинах и обосновывается экономическая целесообразность их выпуска. По утверждении задания разрабатывается технический проект машины, а затем и рабочие чертежи. По этим чертежам завод изготовляет головной образец, который проходит сначала заводские, а затем приемочные испытания. Продолжительность последних устанавливается в зависимости от типа машины. По результатам этих испытаний делается заключение о возможности пуска машины в серийное производство. Это производство осуществляется лишь в случае положительного решения и устранения обнаруженных при испытаниях конструктивных недостатков.
Строительное производство крайне разнообразно и состоит из процессов различного вида. Здесь имеют место подготовительные работы, которые ведутся в целях подготовки строительной площадки или полосы к возведению на них инженерных сооружений. Большое место в строительном процессе занимают различного вида земляные работы. Процессы, сопровождающие постройку автомобильных дорог, включают в себя производство смесей, состоящих из щебня или гравия с различного рода
6. Машины для приготовления бетона и строительства цементобетонных дорожных покрытий (бетоносмесители, распределители, бетоноукладчики, нарезчики швов и т. п.).
7. Оборудование заводов и полигонов сборных железобетонных конструкций. В настоящее время метод строительства из сборного железобетона, в том числе предварительно напряженного, получил исключительно большое распространение. Изготовлением служащих для этого конструктивных деталей занимаются специальные заводы и полигоны, которые имеют оборудование для правки, резки и натяжения арматуры, формования и уплотнения изделий, их пропаривания и т. п.
8. Машины для содержания и ремонта дорог (снегоочистители, щетки, дорожные ремонтеры, пескораспределители и т. п.).
Большая часть из всего перечисленного выше оборудования создана в сравнительно недавнее время. Эти машины позволили значительно повысить уровень механизации работ, который в настоящее время близок к ста процентам.

назад