Скорость соударения рабочего органа с грунтом обычно значительна и ударное разрушение имеет в большинстве случаев хрупкий характер. На машинах для ударного разрушения мерзлых грунтов устанавливают падающий или забиваемый рабочий орган. Падающие рабочие органы свободно подвешиваемые к подъемным канатам экскаваторов, имеют форму клина, шара или конуса или перемещаются в жестких направляющих. В первом случае эффективность работы машины снижается из-за ненаправленных ударов, наносимых в различные точки забоя.

Во втором случае рабочий орган, имеющий обычно форму клина, движется в жестких направляющих, что позволяет наносить последовательные удары в одну точку. Хотя значительная часть энергии рассеивается в массиве грунта, клин погружается вследствие скола значительного объема грунта в сторону забоя. Для нанесения повторного удара клин извлекают из грунта, на что дополнительно расходуется энергия, особенно при глубоком рыхлении. В обоих случаях базовая машина испытывает значительные динамические нагрузки, преждевременно выводящие ее из строя.

Так как забиваемые рабочие органы, имеющие форму клина, находятся в постоянном контакте с грунтом лишь до его скола, энергия на извлечение их из грунта не расходуется. Клин и ударная масса 1 разделены; на ударной массе имеется боек, а на клине наковальня. Клинья можно забивать не только механическими молотами, но и дизель-, вибро-, пневмо- или гидромолотами.

При забивании в мерзлый грунт клинового рабочего органа разрушение грунта происходит в результате статического внедрения в него лезвия инструмента. Чем меньше угол заострения клина, тем меньшее вертикальное усилие требуется для его погружения и возникает тем большее расклинивающее усилие. При повторных ударах такой клин с большой силой удерживается в грунте, поэтому угол заострения для падающих клиньев должен быть несколько больше приведенных значений. Чаще всего его принимают равным 25—30°, а для разрушения мерзлых грунтов повышенной хрупкости — 30—35°. Если имеется дополнительная сила, отрывающая грунт при забивке в него клина, угол заострения целесообразно принимать 7—10°.

Процесс скола мерзлого грунта можно разделить на две стадии: внедрение клина, в результате чего появляются уплотненное ядро и первые трещины, направленные к открытой поверхности забоя; распространение трещин в глубину и к открытой поверхности забоя со скалыванием некоторого объема грунта.

Скалывание грунта ударом может производиться не только вертикальным погружением клина до необходимой глубины с последующим перемещением его на определенный шаг для следующего погружения, но и при непрерывном послойном рыхлении грунта. В первом случае доля времени на непосредственное рыхление составляет не более 30% времени рабочего цикла, тогда как во втором случае производится непрерывное рыхление грунта. Конструктивно такие машины значительно сложнее, что сдерживает их практическое применение.

При ударе о грунт ударник отклоняется назад, поворачиваясь к ротору относительно оси крепления. Для нормальной работы необходимо, чтобы к моменту следующего удара он занял радиальное положение, которое обеспечивает оптимальный угол встречи ударника с грунтом.

Послойно рыхлить грунт можно также роторным рабочим органом ударного действия. Этот рабочий орган состоит из массивной ступицы-ротора 1, на который по окружности радиуса R на осях 3 подвешены ударники 2. При свободном вращении ротора ударники под действием центробежной силы размещаются радиально по отношению к нему. При ударе о грунт ударник скалывает часть грунта, расходуя кинетическую энергию, запасаемую за время между ударами. В зависимости от свойств грунта регулируют шаг скола d, который заэнергии.

Преимущество роторных рабочих органов ударного действия заключается в возможности разработки грунтов любой крепости с полной реализацией подводимой к ударникам мощности, которая ограничивается, однако, стойкостью ударного инструмента. Недостатки этих рабочих органов: неравномерность вращения ротора, а также большие динамические нагрузки на элементы трансмиссии и ротора.

Энергоемкость разрушения мерзлого грунта ударным рабочим органом зависит от многих факторов. К основным параметрам, влияющим на эффективность работы машины, относят энергию и частоту ударов, форму и размеры рабочего органа, КПД передачи клину энергии ударной массы, состояние забоя и физико-механические свойства грунта.

Работа единичного удара А должна превышать минимальную величину, необходимую для разрушения мерзлого грунта. Обычно при расчете ориентируются на работу, отнесенную к длине лезвия клина 4П или к максимальной площади поперечного сечения части клина Луд, внедряемой в грунт. При угле заострения 7—10° рекомендуется Лп = 5ч-10 кДж/м; при угле заострения 25—30° — Ап= = 20-4-25 кДж/м.

Удельная работа удара зависит не только от угла заострения, но и от того, падающий или забиваемый клиновой рабочий орган рассчитывают. Для падающего клина Луд=300ч-400 кДж/м2, для забиваемого — Л>д = 80-у150 кДж/м2 с учетом КПД передачи энергии от ударной массы клину. С увеличением работы единичного удара увеличивается скорость внедрения клина, т. е. производительность машины.

При достаточной работе единичного удара производительность машины будет зависеть от числа ударов в единицу времени. Поэтому необходимо предусматривать максимально возможную частоту ударов. Обычно частота ударов для машины с падающим клином составляет 0,1 — 1,5 Гц при работе, затрачиваемой на один удар, 40—150 кДж, а для машин с забиваемым клином — 1 —10 Гц при работе одного удара 1,5—40 кДж.

Наиболее эффективны для разрушения грунта клинья долотообразной формы с острыми гранями. Даже небольшое скругление граней, на практике появляющееся через 0,5—3 ч контакта клина с грунтом, увеличивает энергоемкость в 1,4—2 раза. При угле заострения 7—10° работы на погружение клина расходуется примерно в 3 раза меньше, чем при угле 30°. Однако из-за малого объема грунта, вытесняемого таким клином, скол обеспечивается только при малом шаге перемещения клина. Поэтому к рабочему органу надо прикладывать дополнительную «отрывающую» силу, которую можно обеспечить при определенном креплении рабочего органа.

Таким образом, машины ударного разрушения обеспечивают оптимальное нагружение мерзлого грунта, вызывающее отрыв крупных кусков грунта. Однако при малой частоте ударов практически полностью гасятся упругие волны, возникающие в грунте после удара. Из-за невозможности точно определить оптимальный шаг скола нерационально тратится энергия, базовые машины испытывают значительные динамические нагрузки, быстро выводящие их из строя.