Собственно рыхлительное оборудование состоит из модулей более низкого уровня унификации: агрегатов (гидроцнлиндров, гидрораспределителей, механизмов изменения вылета зуба) и узлов (опорных и тяговых рам, кронштейнов, рабочих балок).

Использование унифицированных гидроцилиндров подъема-опускания с гидроцилиндрами изменения угла рыхления позволяет создать модификации рыхлительного оборудования различного функционального назначения, имеющего разные характеристики. С использованием этого принципа проектируют все современные, а также перспективные рыхлители на базе тракторов тяговых классов 10 и выше, что способствует повышению технического уровня и качества машин. Механизм изменения вылета зуба является унифицированным модулем для однозубых рыхлителей смежных типоразмеров.

Узловой уровень унификации наиболее приемлем при создании однозубых и многозубых модификаций рыхлителей тяговых классов 10—100. Замену рабочей балки под однозубую или многозубую модификации осуществляют при максимальном сохранении конструкции остальных узлов навесного оборудования.

Рис. 1. Схема модульного проектирования:
а — рыхлитель с бульдозером; б — рыхлитель с погрузчиком; в, а — укрупненный модуль (рыхлнтельное оборудование соответственно с нерегулируемым и регулируемым углом рыхления); I — верхняя тяговая рама; II — опорная рама; III — гидроцилиндр подъема-опускания; IV—нижняя тяговая рама; V — рабочая балка; VI— рабочий орган; VII— гидроцилпндр регулировки угла рыхления; VIII — механизм изменения вылета зуба

Таким образом, при создании ряда модификаций рыхлительного оборудования с использованием универсальных (опорных и тяговых рам, гидроцилиндров, зубьев) и специальных модулей (рабочих балок) можно обеспечить высокую серийность и одновременно уменьшить номенклатуру узлов и агрегатов.

Наконечники, износостойкие накладки, стойки зубьев, стопорные устройства являются унифицированными деталями — модулями зубьев. Износостойкие самозатачивающиеся наконечники — основные детали, используемые в землеройных машинах различного функционального назначения: рыхлителях, машинах послойного фрезерования и др.

Дальнейшее совершенствование модульного подхода при проектировании позволяет создать семейство рыхлителей с максимальной унификацией деталей, узлов и агрегатов, способствуя стандартизации элементов на все более высоком уровне, сокращению затрат на проектирование и освоение машин, а также сокращению времени морального старения бульдозеров с рыхлителями.

Совершенствование навесного оборудования остается определяющей тенденцией повышения технического уровня и функциональных свойств рыхлителей.

Эффективность современных рыхлителей в значительной степени определяет конструкция механизма навесного устройства, посредством которого рабочий орган — зуб или зубья — присоединяют к базовому тягачу и фиксируют в заданном положении. Создание рациональных кинематических решений механизмов навесных устройств рыхлителей позволяет интенсифицировать разработку мерзлых грунтов и горных пород и обеспечить наиболее прогрессивную технологий выполнения работ.

В последнее время все большее распространение получают навесные устройства в виде шарнирно-рычажных механизмов, отличающихся хорошей надежностью. Подвижность механизмов относительно базового трактора реализуют гидроцилиндрами двустороннего действия, приводимыми, как правило, от гидросистемы базового трактора. В ряде случаев подвижность механизмов, обусловленная кинематикой оборудования, позволяет выламывать валуны и высокопрочные включения из грунта. При заглубленном рабочем органе в запертом положении гидроцилиндров (нулевая подвижность) рыхлитель работает с использованием тягового усилия базового трактора.

Ограниченно применяют комбинированные конструкции рыхли-тельного оборудования, которые содержат наряду с шарнирнорычажными соединения другого вида: кулачковые пары для регулирования угла рыхления, зубчатое зацепление для регулирования глубины рыхления, гибкие связи, обусловленные наличием амортизирующих устройств и канатов.

При всем разнообразии конструктивных схем в основном применяют механизмы навесных устройств с нерегулируемым и регулируемым углом рыхления в трех, четырех- и многозвенном исполнении.

Рис. 2. Схемы навесного оборудов шин

Совершенствование рыхлительного оборудов ия направлено на повышение его кинематической подвижности относительно трактора в вертикальной плоскости. Тенденцию этого развития можно проследить по схеме на рис. 2.

Наиболее простым является трехзвенное навесное устройство с одной степенью подвижности, зубья в котором присоединены к трактору посоедством тяговой рамы и гидроцилиндров подъема — опускания.

В данном исполнении с креплением зубьев посредством флюгерных устройств выпускают одно- и многозубые рыхлители фирмы «Терекс», «АТЭКО». В рыхлителях фирмы «Бендини Фразкароли» («Bendini Frascaroli», Италия) предусмотрено жесткое крепление зубьев к тяговой раме укороченного типа. Такие рыхлители широко применяют при относительно неглубоком рыхлении (до 1 м) в стесненных условиях городского, дорожного и ирригационного строительства. Рыхлители монтируют на тракторах мощностью до 328 кВт.

Для установки удлиненных зубьев рыхлители оборудуют выступом на тяговой раме для смещения зуба от трактора (мод. HRM фирмы «АТЭКО»). Это позволяет увеличить зазор под зубом в транспортном положении. По схеме трехзвенного механизма с тяговой рамой удлиненного типа выполнены также тяжелые рыхлители фирмы «Келли» для работы на горных предприятиях.

В процессе подъема — опускания трехзвенного рыхлительного оборудования происходит поворот тяговой рамы с зубом относительно шарниров крепления к опорному кронштейну, что обусловливает изменение угла рыхления а в широких пределах, равных угловым перемещениям 0 ведущего звена — тяговой рамы рыхлителя. На уровне опорной поверхности трактора угол рыхления а приближается к 90°, а передняя грань стойки зуба имеет наклон в сторону трактора. В результате возрастает сопротивление внедрению в грунт, что в целом ухудшает заглубляемость рыхлителя и отрицательно влияет на тягово-сцепные качества трактора.

Некоторое снижение угла рыхления в начале заглубления возможно путем уменьшения вылета стойки зуба относительно рамы или поворота верхнего звена в случае составной опорной рамы относительно шарнира соединения с нижним звеном посредством регулировочного устройства, например, гидроцилиндров или винтовых раскосов.

Большинство грунтов при установившемся режиме рыхления достаточно эффективно разрушается при угле рыхления 45—50°, поэтому широкое признание в настоящее время получили парал-лелограммные навесные устройства, обеспечивающие в отличие от трехзвенных при заглублении угол рыхления а=const при угловых перемещениях p = var. Звенья навесного устройства крепят, как правило, к корпусу заднего моста. Рыхлительное оборудование выполнено в виде параллелограммного механизма, одно из звеньев которого—стойка зуба с рабочей балкой. Для обеспечения наибольших напорных усилий гидроцилппдры в ряде случаев установлены диагонально штоками вниз.

Параллелограммное навесное устройство очень эффективно при разработке разборно-скальных и мерзлых грунтов. Особенностью устройства является то, что для разрушения прочных грунтов слоистого заложения можно использовать гидравлические цилиндры подъема-опускания, так как при подъеме рыхлительного оборудования зуб подтягивается к трактору, взламывая пласт грунта. Такая конструкция обеспечивает одновременно лучшее сцепление базового трактора с грунтом и более полное использование его мощности. Рациональный угол рыхления наконечника и стойки во всем диапазоне глубин позволяет уменьшить энергоемкость процесса рыхления в связи со снижением степени дробления и смятия разрабатываемого материала.

В последние годы в СССР и за рубежом выпускают четырехзвенные навесные устройства, отличающиеся от параллелограм-мных тем, что противоположные звенья могут иметь различную длину. Угол рыхления зуба составляет 50° в момент заглубления и уменьшается до 25—40° при рыхлении на максимальной глубине. Несколько увеличенный угол рыхления при внедрении рабочего органа в прочный грунт обусловливает более быстрое заглубление зуба рыхлителя и позволяет сократить время рабочего цикла.

Ограниченно применяют четырех- и многозвенные рыхлители с позиционным регулированием угла рыхления. В четырехзвенных конструкциях регулирование угла рыхления осуществляют изменением длины одной из тяг, в трехзвенных—поворотом зуба на нижнем пальце. Известны конструкции, в которых верхняя тяга четырехзвенного устройства имеет отверстия для соединения с рабочей балкой. Палец шарнирного соединения переставляют дистанционно с использованием гидроцилиндра одностороннего действия с пружиной. В четырехзвенных рыхлителях фирмы «Фиат — Аллис» на базе тракторов мощностью до 410 кВт допускается установка пальца шарнира крепления верхней тяги в одно из отверстий, расположенных на опорной раме. В результате разновеликих плечей механизма устройства обеспечивается изменение угла рыхления в начале заглубления от 44 до 6Г в зависимости от свойств грунтов. Длину опорного звена можно уменьшать, переставляя палец в нижнее положение, и тем самым увеличить на 20% угол рыхления в момент заглубления и клиренс под зубом в транспортном положении. Это облегчает рыхление откосов, улучшает маневренность агрегата и устраняет опасность заклинивания материала между зубом, трактором и нижней тягой.

Преобразовать механизм навески из четырехзвенчого в трехзвенный можно, если совместить оси вращения верхней и нижней тяг в двукратном нижнем шарнире. Преобразование может быть осуществлено дистанционно. С этой целью проушину шарнира крепления верхней тяги на опорной раме располагают в вертикальных ползунах и перемещают в крайние положения с помощью гидроцилиндра двустороннего действия.

Все шире применяют рыхлители с дистанционно регулируемым углом рыхления, позволяющие реализовать рациональные режимы разработки мерзлых и разборно-скальных грунтов с наиболее полным использованием тяговых возможностей базового трактора.

Рыхлители на базе тракторов мощностью 100—746 кВт оснащены рыхлительным оборудованием, регулировку угла рыхления которого (до 30°) осуществляют гидроцилиндрами двустороннего действия, установленными взамен верхней тяги. Четырехзвенные механизмы таких рыхлителей относительно просто преобразовать, вводя дополнительные гидроцилиндры вместо верхней тяги. При этом достигается высокая ун. фикация узлов рыхлителей одного типоразмера. Использование навесных устройств с дистанционно регулируемым углом рыхления облегчает автоматизацию операций управления для получения оптимальных параметров процесса рыхления. Основным недостатком механизма навески рыхлительного оборудования с верхним гидроцилиндром является ограниченный диапазон регулирования угла рыхления (до 30°), что не позволяет эффективно использовать рыхлители на разработке сезонно-мерзлых грунтов в стесненных условиях городского строительства.

Значительно больший диапазон регулирования угла рыхления (до 60°) реализуют, при совмещении шарниров крепления тяговой рамы и гидроцилиндра изменения угла рыхления к опорной раме. Однако данная схема не получила распространения, так как гидроцилиндры изменения угла рыхления, соединенные непосредственно с тяговой рамой, подвержены значительным динамическим перегрузкам. Ее применяли в основном на рыхлителях мощностью до 150 кВт. Шарниры крепления гидроцилиндров изменения угла рыхления могут быть установлены на опорном кронштейне (рыхлители фирмы «Гимак») или непосредственно на тяговой раме (рыхлители фирмы «Орендорф» («Orendorff», США)].

Для обеспечения работоспособности тяжелого рыхлителя, выполненного по указанной схеме, на тракторе мощностью 306 кВт используют (фирма «АТЭКО») специальные гидроцилиндры регулирования (диапазон изменения угла рыхления 60°), рассчитанные на максимальные нагрузки. При этом усилены пальцы крепления нижней тяги (диаметром 114 мм), введены амортизирующие устройства типа «Пуш — Пул Виба», эффективно воспринимающие знакопеременные нагрузки. Рыхлитель имеет увеличенную длину, что позволяет разрабатывать плитообразующие материалы без заклинивания между нижней тягой, трактором и зубом.

В трехзвенном механизме навесного устройства с регулируемым углом рыхления фирмы «Гимак» последовательно соединены трех-иозиционные распределители: основной — трехлинейный и дополнительный— четырехлинейный. При такой схеме гидроцилиндры механизмов могут работать или автономно, или одна пара (изменения угла) работает при рбратном ходе другой (подъема-опускания зуба). В последнем случае рыхлительное оборудование работает аналогично оборудованию по параллелограммной схеме навески.

Дальнейшее совершенствование направлено на усложнение конструкции и создание многозвенных механизмов рыхлительного оборудования, позволяющих регулировать угол рыхления в широких пределах с заданной траекторией заглубления зуба. Получают распространение многозвенные механизмы, выполненные путем присоединения модуля механизма регулирования угла рыхления к четырехзвенной навеске. Такую схему используют в ножевых кабелеукладчиках фирмы «АТЭКО», в рыхлителях фирмы «Комацу». При этом гидроцилиндры регулирования угла устанавливают между шарниром в верхней части рабочей балки и двукратным шарниром соединения верхней (нижней) тяги с трехшарнирным звеном четырехзвенного механизма.

В ряде случаев параллелограммное навесное устройство предлагают монтиррвать на опорной раме посредством промежуточного звена (опорного коромысла), шарнирно смонтированного в двукратном шарнире в нижней части опорной рамы. Положение навесного устройства и тем самым угол рыхления регулируют гидроцилиндром между опорной рамой и коромыслом. Эти механизмы навески реализуют траектории заглубления зуба с постоянным углом рыхления, однако ввиду сложности компоновки на базовом тракторе практической реализации, по-видимому, не получат.

При необходимости дистанционного регулирования угла рыхления и более сложного закона его изменения по глубине применяют многозвенные механизмы навески с шарнирно сочлененными тягами. В многозвенной конструкции фирмы “АТЭКО” длина верхней и нижней тяг неизменна при работе. Рабочая балка (ведущее звено механизма заглубления зуба) соединена с верхней тягой через дополнительную тягу и образует с остальными элементами навески шарнирный многозвенный механизм. Гидроцнлпндр изменения угла расположен между шарниром сочленения тяг и шарниром в задней части рабочей балки. Угол рыхления регулируют поворотом рабочей балки и тяг. Аналогичный подход к регулированию угла рыхления реализован в конструкции другого многозвенного рыхлителя, гидроцилиндры изменения угла рыхления которого расположены между шарниром сочленения тяги с балкой и шарниром в нижней тяге.

В конструкциях рассмотренных механизмов гидроцилиндры изменения угла рыхления расположены в непосредственной близости от рабочего органа и воспринимают значительные динамические сжимающие нагрузки в процессе рыхления, что в целом сказывается на их работоспособности и долговечности. Еще одним существенным недостатком большинства рассмотренных конструкций, выполненных по приведенным схемам, является ограниченный диапазон регулирования угла рыхления.

Область эффективного использования рыхлителей существенно расширяется при реализации в конструкции регулирования угла рыхления в сочетании с заданной траекторией заглубления зуба. Последнее возможно получить, регулируя длины смежных звеньев механизма навесного устройства. Данный принцип достаточно просто и полно реализован ВНИИСтройдормашем в конструкции рыхлителя МГ1-84 при установке верхних гидроцилиндров регулирования угла в сочетании с промежуточным звеном, смонтированным в верхней части рабочей балки, что обеспечивает смещение шарниров их соединения с рабочей балкой.

Рыхлительное оборудование смонтировано на базе гусеничного трактора Т-130.1.Г-1 и имеет опорную раму, тяговую раму, рабочую балку с жестко закрепленным зубом, две пары максимально унифицированных гидроцилиндров: регулирования угла рыхления и подъема-опускания диаметром 160 мм, ходом 450 и 500 мм соответственно, управляемых от гидропривода трактора. Между штоками гидроцплиндра регулирования угла и рабочей балкой расположен поворотный кронштейн, фиксируемый в двух положениях. При этом изменяется расстояние между осями крепления нижней тяги и штоков гидроцилиндров изменения угла. Положение кронштейна меняют при одном снятом пальце крепления и рабочем органе, установленном на грунт. Максимальное заглубление при наибольшем угле рыхления 0,68 м, при поминальном 0,55 м. Диапазон изменения угла рыхления 23—60° па уровне опорной поверхности и 23—58° при максимальном заглублении. Масса (эксплуатационная) рыхлителя с бульдозером 19,32 т.

Рис. 3. Рыхлитель МП-84 с регулируемой траекторией

Испытания в эксплуатационных условиях показали, что уменьшение угла рыхления обусловливает снижение энергоемкости на 26,5% при глубине рыхления 0,2 м и па 42,5% при глубине рыхления 0,4 м мерзлой супеси (С= 554-70). Таким образом, с увеличением максимальной глубины эффективность рыхлителя возрастает. Увеличение угла рыхления в указанных пределах ускоряет процесс заглубления в 3,1—3,6 раза. Установлено, что более быстрое заглубление облегчает работу в стесненных условиях, отработку откосов. На базе этих исследований создан рыхлитель ДП-33.

Регулирование угла рыхления и траектории заглубления зуба достигается также использованием многозвенных конструкции с шарнирно сочлененными верхними тягами. Во ВНИИСтройдормаше разработана схема механизма навески рых-лительного оборудования с шарнирно сочлененной верхней тягой, позволяющая регулировать угол рыхления в диапазоне более 30° и изменять траекторию заглубления зуба. Навесное устройство рыхлителя включает рабочую балку, нижнюю тягу и шарнирно сочлененную из переднего и заднего элементов верхнюю тягу. Шарнир сочленения переднего и заднего элементов тяги связан со штоком силового гидроцилиндра двойного действия, а корпус гидроцилиндра закреплен в проушине нижней тяги пли в шарнире ее соединения с рабочей балкон. Гидроцилиндр изменения угла рыхления воспринимает при работе в основном растягивающие нагрузки через систему тяг, снижающих его перегрузку. Пределы изменения угла рыхления обусловлены длинами элементов верхней и нижней тяг. Гидроцилиндр регулирования угла рыхления устанавливают между верхней и нижней тягами, что позволяет получить наибольший момент на рабочем органе при номинальной нагрузке на гидроцилиндр изменения угла рыхления.

Рыхлитель с шарнирно сочлененной верхней тягой обеспечивает регулирование угла рыхления в широких пределах. Раздельное управление механизмами подъема-опускания зуба и изменения угла рыхления облегчает внедрение наконечника в гр\нт и выламывание твердых включений (валунов, балок, плитообразующпх материалов и т. п.).

Предложенный принцип механизма навески реалпюван в конструкции рыхлителя МП-40, на базе трактора тягового класса 10. Рыхлитель конструкции ВНИИСтройдормаш обеспечивает дистанционное регулирование угла рыхления от 87° в крайнем верхнем положении до 32° в крайнем нижнем положении. Результаты испытаний показали, что рыхлитель эффективен при разработке сезонно-промерзающих и вечномерзлых грунтов температурой до минус 5—10°С. При увеличении угла рыхления па поверхности грунта значительно ускоряется заглубление зуба, облегчается разработка откосов, насыпей. При установившемся рыхлении уменьшение угла рыхления ведет к увеличению производительности и снижению энергоемкости процесса.

Механизм навески фирмы «Комацу» отличается от механизма рыхлителя МП-40 тем, что шарнир гпдроцилиндра механизма изменения угла рыхления смонтирован непосредственно на опорной раме, причем за один полный рабочий ход гидроцилиндра изменение угла рыхления происходит дважды. При такой конструкции з’аглублепие рыхлителя может сопровождаться уменьшением или увеличением угла рыхления в зависимости от хода гидроцилиндра.

Наряду с увеличением подвижности оборудования в вертикальной плоскости в ряде случаев будет возрастать также его подвижность в горизонтальной плоскости, особенно для много-зубых рыхлителей. Как известно, многозубые рыхлители более производительны, чем одпозубые при работе ча относительно слабых грунтах, при оконтуривании траншей и котлованов, при работе в условиях, ограничивающих маневренность машины. Использование многозубых рыхлителей позволяет снизить динамическое нагружение трактора и рыхлителя и получить более равномерное разрушение грунта. В результате облегчается его уборка и повышается на 10—30% скорость холостого хода трактора, что в конечном итоге ведет к увеличению производительности машины.

В последние годы при разработке многозубых рыхлителей наметились основные направления совершенствования конструкции: установка зубьев на разных уровнях; увеличение подвижности зубьев в горизонтальной плоскости; создание рыхлителей с изменяемым шагом для разрушения материалов с разными физико-механическими свойствами, а также рыхлителей с выносными рабочими органами, облегчающими работу трактора в стесненных условиях.

Рис. 4. Схемы многозвенного рыхлительного оборудования в плане (гидроцилиндры подъема не указаны) с креплением зубьев:
а — жестким; б — шарнирным

Конструктивным недостатком большинства многозубых рыхлителей является фиксированное в плане положение зубьев на рабочей балке, обусловливающее определенный их шаг расположения— расстояние между одноименными точками соседних зубьев. В конструкциях отечественных и зарубежных рыхлителей с жестким креплением зубьев регулирование шага достигается главным образом изменением числа зубьев или перестановкой в жестких гнездах рабочей балки. При шарнирном креплении зуб посредством флюгера монтируют в отверстие на балке-с помощью вертикальной оси. Регулирование шага зубьев достигается перестановкой флюгеров в одно из отверстий вдоль рабочей балки. Для увеличения угла поворота в плане зубья монтируют на рабочей балке через дополнительную тягу.

В ряде случаев на рыхлителях тягового класса 10 шаг зубьев, регулируют поворотом исключаемых из работы зубьев относительно их верхнего пальца крепления во флюгере. При этом в работе участвуют неповернутые зубья, шаг рыхления которых увеличен в 2 раза.

Для легких рыхлителей-культиваторов тягового класса 3 зубья монтируют на балке специальной скобой, допускающей возможность их ручного перемещения вдоль балки при регулировании шага. Во время работы скобу жестко фиксируют болтами, стягивающими верхний и нижний элементы скобы.

Рассмотренные конструктивные решения реализуют при создании главным образом рыхлителей тягового класса 10, для которых возможно использование ручного труда при перестановке стоек и регулировании шага зубьев. Для рыхлителей больших типоразмеров рассмотренные конструктивные решения неприемлемы ввиду значительной массы зубьев, достигающей 0,5—0,8 т..

Для регулирования шага или положения зубьев относительно трактора у тяжелых рыхлителей предусматривают специальные механизмы, как, например, у рыхлителя фирмы «Комацу» с дистанционным регулированием шага зубьев винтовой парой. Центральный зуб крепят в рабочей балке жестко без бокового смещения. Угловые зубья расположены по бокам рабочей рамы и сдвинуты назад по отношению к центральному зубу. Стойки угловых зубьев закреплены в ползунах, симметрично расположенных в двух пазах сзади рабочей балки. Между пазами в центре рабочей балки расположен приводной механизм, вращающий два винта. Винты установлены в пазах балки поперек движения трактора и проходят через ползуны с закрепленными в них зубьями. При вращении винтов ползуны перемещают вместе с зубом в плоскости, перпендикулярной движению трактора, регулируя шаг зубьев.

В навесных многозубых рыхлителях устанавливаются зубья на разных уровнях с использованием как одной рабочей балки, так и ряда балок, перемещаемых самостоятельно гидроцилиндрами двустороннего действия. При наличии общей рабочей балки соседние зубья смещают по ходу рыхления и располагают с разным вылетом один над другим с использованием отверстий в стойке зуба.

Наибольший эффект от использования многозубого рыхлителя предполагают получить при дистанционном регулировании положения зубьев в пространстве. Предлагают устанавливать зубья индивидуально на любом уровне независимо от других зубьев рыхлителя, используя отдельные механизмы. Для этого па базовом тракторе жестко устанавливают горизонтальную опорную балку, имеющую ряд вертикальных отверстий с втулками. К балке посредством вертикальных пальцев, проходящих через отверстия с втулками, шарнирно, с определенным шагом крепят скобы с верхней и нижней проушинами для присоединения верхней и нижней тяг навесного устройства. На свободных концах тяг шарнирно крепят стойку зубьев, образующих вместе с тягами и скобой параллелограммные механизмы. К верхней тяге жестко прикреплены две вертикальные укосины, в месте соединения которых предусмотрен шарнир крепления штока гидроцилиндра, корпус которого шарнирно закреплен па проушине в скобе. Таким образом, рыхлитель оборудован несколькими паоаллелограммными навесными устройствами, соответствующими числу зубьев. Индивидуальное управление гидроцилиндрами подъема-опускания зуба осуществляют с модуля управления базовой машиной. При работе зубья, сохраняя вертикальное расположение, могут быть расположёны на разных уровнях рыхления, все одновременно, или использованы по отдельности. В транспортном положении зубья располагают ближе к базовой машине, чем в рабочем положении. Наличие шарнирного соединения скоб с опорной балкой обеспечивает свободные угловые перемещения каждого навесного устройства в горизонтальной плоскости в ограниченных пределах при поворотах базовой машины.

Рабочие органы рыхлителя могут быть объединены в два модуля посредством двух рабочих балок (передней и задней), расположенных за трактором раздельно и последовательно один за другим (фирма «Комацу»). Передний модуль навешивают на базовом тягаче при помощи четырехзвенного механизма, а задний модуль посредством аналогичного механизма крепят к переднему, используя проушины, расположенные на задней стенке передней рабочей балки. Для каждого четырехзвенника предусмотрены индивидуальные гидроцилиндры заглубления. В результате возможно рыхление передними и задними зубьями как одновременно {на разных и одинаковых уровнях), так и по отдельности.

Проведенный анализ показал, что несмотря на многообразие конструктивных решений в настоящее время отсутствует отработанная конструктивная схема навешивания рыхлительного оборудовання, обеспечивающая регулирование шага зубьев многозубого рыхлителя дистанционно (непосредственно с места водителя) в зависимости от свойств разрушаемого материала и технологии работ, а также боковой вынос зубьев.

Одно из направлений развития многозубых рыхлителей связано с созданием конструкций, обеспечивающих боковой вынос зубьев. При этом флюгер с зубом устанавливают на рабочей балке или тяговой раме посредством рычажной системы, обеспечивающей боковое смещение зубьев, и используют один или два гидроцилиндра. Такие рыхлители предназначены для работ в стесненных условиях и для оконтуривания котлованов, насыпей и т. п.

В многозубых рыхлителях фирмы «Катерпиллер Трактор» рабочую балку вместе с одним или несколькими зубьями монтируют на тракторе двумя парами тяг верхних и нижних. Таким образом, в вертикальной и горизонтальной плоскостях навесное устройство образует двойной пространственный параллелограм-мный механизм. Обе пары тяг соединены с рабочей балкой через дополнительные кронштейны, имеющие вертикальное шарнирное соединение с белкой. Между верхними и нижними тягами шарнирно параллельно балке установлены поперечные торсионные элементы, гарантирующие устойчивость навески от действия боковых нагрузок. Подъем-опускание зубьев осуществляют диагонально расположенными гидроцилиндрами. Боковой вынос зубьев в обе стороны производит дополнительный гидроцилиндр, смонтированный в плоскости нижних тяг и расположенный между одной из них и торсионным элементом. В местах крепления тяг допускается устанавливать универсальные шарниры при трехзвенной подвеске.

В конструкции многозубого рыхлителя, разработанного в Японии, зубья шарнирно крепят в П-образной горизонтальной раме, смонтированной посредством ползунов сзади на брусе рабочей балки. Боковое смещение осуществляют гидроцилиндром двустороннего действия. Стойки зубьев закреплены ч П-образной раме с использованием упорных подшипников и соединены рычагами и продольной тягой поворотного механизма таким образом, что принудительный поворот всех зубьев в горизонтальной плоскости осуществляют одним гидроцилиндром. Предполагают, что боковое смещение заглубленных в грунте зубьев обут./ эьит появление момента, облегчающего поворот трактора и реализацию максимальной тяговой мощности без буксования гусеничных движителей.

В одпозубых рыхлителях боковой вынос зубьев осуществляют телескопическими тягами, совмещенными с рабочей балкой, или шарнирно-рычажными механизмами.

В специальных рыхлителях фирмы «АТЭКО» для работы в стесненных условиях и обеспечения одностороннего выноса зуба при рыхлении вдоль обочины дороги предложено флюгер с зубом устанавливать на конце выдвигаемого элемента телескопической рабочей балки. Выдвижение осуществляют гидроцилиндром. Дальнейшим развитием конструкции является решение, при котором флюгер соединяют с телескопическим элементом тягой. Флюгер относительно оси крепления поворачивают с помощью дополнительного гидроцилиндра.

Боковой вынос зуба с использованием рычажных систем реализуют в конструкциях специальных рыхлителей-кабелеукладчи-ков, но могут быть использованы и для рыхлителей, предназначенных для эксплуатации в стесненных условиях. Для этого систему рычагов монтируют на конце тяговой рамы и боковой вынос зуба осуществляют гидроцилиндром. В рыхлительном оборудовании фирмы «АТЭКО» на тяговой раме установлен шарнирный рычаг с флюгером. Флюгер зуба соединен с рычагом вертикальным шарниром и может поворачиваться на 180°. Принудительный вынос зуба вбок осуществляют парой гидроцилиндров, расположенных между тяговой рамой и рычагом. В конструкции рыхлителя фирмы «Келли» гидроцилиндры установлены между рычагом и флюгером. Боковой вынос зуба происходит под воздействием бокопой реакции грунта на зуб в процессе поворота гидроцилиндрами флюгера относительно рычага.

Принудительный вынос зуба можно реализовать посредством системы гидроцилиндров между тяговой рамой, рычагом и флюгером. Известны решения, реализующие боковой вынос принудительным поворотом всей тяговой рамы относительно базового тягача.

Для рассмотренных конструкций характерен ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение. Во-первых, использование рассмотренных кинематических схем для многозубых моделей вызывает значительные усложнения навесных устройств. Во-вторых, консольное расположение зубьев при боковом выносе обусловливает появление момента от воздействия сил сопротивления рыхлению, который не позволяет тягачу двигаться прямолинейно. В результате значительно усложняется управление трактором, уменьшается тяговое усилие и ухудшаются условия работы машины при рыхлении вдоль откосов траншей, котлованов и т. п.

Эффективно регулировать шаг рыхления можно при боковом выносе зубьев, симметричном или с незначительной разницей шага относительно оси базового трактора, с использованием шарнирнорычажной системы. Кинематические параметры этой системы выбирают, исходя из характеристик базового трактора и технологических требований. Наиболее полно вышесказанным требованиям отвечают рыхлители с изменяемым шагом и симметричным боковым выносом, имеющие многозвенные шарнирно-рычажные пространственные механизмы.

Во ВНИИСтройдормаше разработана конструкция трехзубого рыхлителя на базе трактора тягового класса 10 (МП-74), отличающаяся бесступенчатым изменением шага и возможностью бокового выноса зубьев, выполненного по схеме. Рыхлительное оборудование навешивают на базовый трактор Т-130.1.Г-1. Оно включает опорную раму, верхнюю и нижнюю тяги, рабочую балку, гидроцилиндры подъема-опускания рыхлителыюго оборудования, двуплечие рычаги с флюгерами и зубьями, а также унифицированные гидроцилиндры изменения шага рыхления (диаметр 140, ход 500 мм).

Флюгеры с жестко закрепленными на них зубьями устанавливают на двуплечие рычаги с возможностью свободного углового перемещения в плоскости поворота двуплечих рычагов. Флюгер среднего зуба крепят па рабочей балке. Изменение шага и боковой вынос зубьев в диапазоне 0,4—1,1 м осуществляют поворотом двуплечих рычагов при помощи гидроцилиндров с дистанционным управлением из кабины трактора.

Для уменьшения неравномерности усилия рыхления, а также устранения биения зубьев на холостом ходу трактора с поднятым рыхлительным оборудованием крайние флюгеры снабжены механизмами ограничения угла предельного поворота. Каждый такой механизм образован ограничителем, расположенным параллельно рабочей балке, рычагом ограничителя, плечом двуплечего рычага и рабочей балкой. Перечисленные элементы соединены между собой попарно шарнирами и образуют параллелограммный механизм, обеспечивающий плоскопараллельное перемещение ограничителя при вращении двуплечих рычагов. Флюгер в плане имеет два скоса с углами, равными предельным углам (±15°) поворота флюгеров, и соприкасается этими скосами в крайних положениях с ограничителями. При изменении шага зубьев ограничитель, как подвижная сторона параллелограммного механизма, лежащая напротив его неподвижной стороны, переместится параллельно самому себе, т. е. не изменит своей ориентации относительно рабочей балки. Этим обеспечивается постоянный предельный угол поворота флюгера при различном шаге рыхления.

Рис. 7. Рыхлитель МП-59 с изменяемым шагом зубьев

Кинематические параметры шарнирно-рычажной системы рабочего оборудования выбраны исходя из технологических требований послойной разработки прочных грунтов и характеристики базовой машины с целью достижения для данных условий наилучших показателей работы оборудования. Зубья рыхлителя могут быть оборудованы уширителями. Максимальная глубина рыхления 0,515 м. Рыхлитель агрегатируют передним бульдозерным оборудованием. Эксплуатационная масса бульдозера с рыхлителем 20 т.

Если требуется рыхлить на ширину бульдозерного отвала, то три зуба установить недостаточно. В этом случае необходимы промежуточные зубья.

Во ВНИИСтройдормаше разработана конструкция пятизубого рыхлителя МП-59 на базе трактора ДЭТ-250М, обеспечивающего возможность сплошного рыхления грунта боковым выносом крайних зубьев на ширину бульдозерного отвала. Зубья рыхлителя установлены во флюгерах. Крайние флюгеры монтируют на рабочей балке при помощи двуплечих рычагов, а средний— непосредственно на балке. Промежуточные флюгеры с зубьями крепят на поперечных тягах, соединенных шарнирно с двуплечими рычагами с одной стороны, и продольными тягами — с другой. Двуплечий рычаг, рабочая балка, продольная и поперечная тяги образуют механизм — шарнирный миогозвенник в горизонтальной плоскости. Привод каждого из механизмов осуществляется гидроцилиндром (диаметр 180 мм, ход 630 мм). На каждом рыхлителе имеется не менее двух механизмов, обеспечивающих симметричный вынос зубьев в обе стороны от оси трактора и изменение ширины захвата от 3,31 до 4,54 м, равный длине отвала. Диапазон изменения шага внутренних зубьев 0,770—1,385 м.

Рис. 8. Схема рыхления фосфоритной руды тремя зубьями при шаге:
а, б, в — минимальном, нормальном, максимальном; размеры на схеме даны в м, штриховой линией указана толщина прочной плиты

Рабочая балка с механизмами изменения шага зубьев установлена на навесном устройстве трехзубого рых штеля ДП-9С с максимальной унификацией оборудования. Гидроцилиндрами изменения шага управляют от гидросистемы базового трактора. С этой целью в гидросисюме установлены дополни юльный крановый гидроаппарат и переключатель. Крановый гидроаппарат присоединен к напорной магистрали и служит для воздействия па переключатель золотникового типа с пружиной, соединенный с гидрораенределнтелем системы. При включении кранового гидроаппарата рабочую жидкость под давлением подают в корпус переключателя гидрораспределителя для перемещения золотника в рабочее положение гидроцилиндров изменения шага и перекрытия выходных штуцеров подвода жидкости к гидроцилиндрам подъема-опускания рыхлителя. Таким образом управление гидроцилиндрами изменения шага зубьев осуществляют гидрораспределителем управления рыхлителем. Выключение кранового гидроаппарата сопровождается перемещением золотника переключателя под действием пружины в исходное положение управления гидро-цилиндрами подъема — опускания зубьев. Максимальная глубина рыхления 0,765 м. Масса рыхлителя с бульдозерным оборудованием 39,2 т.

Проведенные испытания рыхлителей с дистанционно управляемым шагом зубьев при разработке мерзлых и разборно-скальных грунтов показали, что они более эффективны, чем известные многозубые рыхлители без регулирования шага.

Изменение шага рыхления в сочетании с различным числом зубьев позволяем получить в определенных условиях сплошное рыхдение грунта на ширину захвата за один проход, облегчает оконтуривание котлованов и работу вблизи уступов. Использование максимального числа зубьев и шага обусловливает рыхление грунта с наименьшей крупностью глыб, что важно при определенных технологических операциях: обратной засыпке мерзлых грунтов в траншеи и котлованы, подаче на дальнейшую разработку скального грунта. Наиболее эффективной на сезонномерзлых грунтах оказалась работа рыхлителей тягового класса 10 с двумя зубьями (С<60), тягового класса 25 — с тремя зубьями (С^140) при минимальном шаге установки, если отсутствует ограничение по крупности глыб разрушенного грунта.

Установлено, что параметры процесса рыхления многозубых рыхлителей зависят от шага рыхления: с уменьшением шага возрастает глубина рыхления и объем разрушенного грунта при рыхлении его в твердомерзлом состоянии, снижается удельная энергоемкость процесса. Одновременно в результате более полного разрушения облегчается дальнейшая уборка грунта бульдозерами.

Рабочие органы рыхлителей работают в условиях значительных динамических нагрузок и повышенного абразивного изнашивания. В связи с этим совершенствование рабочих органов рыхлителей направлено на оптимизацию формы и основных рабочих параметров стоек зубьев, наконечников, накладок применительно к грунтам с различными физико-цеханическими характеристиками; создание износостойких быстрозаменяемых наконечников и накладок с использованием качественных конструкционных сталей и новых способов изготовления; применение приспособлений, увеличивающих производительность рыхлителя, например, уширителей.

Наконечники являются режущим инструментом, работоспособность которого в первую очередь определяет эффективность и производительность рыхлителей. При конструировании наконечников стремятся обеспечить их прочность при ударном нагружении в сочетании с износостойкостью. Усиливают режущую часть наконечников путем формирования одного или нескольких ребер жесткости на передней грани, обеспечивающих жесткость режущего элемента и эффективную разработку плотных слоистых грунтов. Выпускаемые кованые наконечники с усиливающим переднюю грань ребром обеспечивают работоспособность рыхлителя в наиболее тяжелых условиях работы с эффективным внедрением в грунт до предельного износа 35—50%. В ряде случаев для уменьшения размеров фракции разрушенного грунта предлагают выступ располагать от передней режущей кромки на расстоянии 0,4—0,6 ширины режущей кромки, при этом на задней грани наконечника предусмотрена выемка, улучшающая условия заглубления. В конструкции наконечника фирмы «Катерпиллер Трактор» формируют переднюю режущую грань наконечника тяжелого рыхлителя в виде тавра, усиливающее ребро которого с целью сохранения самозатачиваемости составляет 0,5—0,7 ширины режущей кромки, задняя грань образована полками тавра и сохраняется плоской.

Известны наконечники, усиленные наряду с центральным, боковыми параллельными ребрами меньшей высоты. По мнению авторов, заполнение углублений между ребрами грунтом уменьшает абразивное изнашивание наконечников. Задняя грань вогнутой формы облегчает внедрение в прочные грунты. Поэтому в ряде конструкций переднюю грань выполняют в виде квадратных ячеек, заполняемых в процессе работы разрушаемым грунтом.

Рыхлители эффективны при разработке наиболее прочных грунтов, на которых использование другого землеройного оборудования практически невозможно, поэтому наконечники наряду с высокими прочностными свойствами должны обеспечивать и самозатачиваемость.

Высокая работоспособность рыхлителей при относительном линейном износе (до 45%) наконечников сохраняется вследствие самозатачиваемости, в то время как при использовании наконечников с затупленной режущей частью уменьшение эффективности машины наблюдается уже при износе 30% (по данным фирмы «АТЭКО»).

Наибольшее распространение получили два основных метода обеспечения самозатачиваемости наконечников: формирование рациональных сечений наконечников из равнопрочного материала или использование разнопрочных материалов и армирующих элементов с более высокими прочностными характеристиками режущей части, чем материал основания.

В симметричных наконечниках самозатачиваемость в процессе абразивного изнашивания достигается формированием углублений в передней и задней гранях таким образом, что в поперечном сечении тонкий носок сохраняет двутаврообразную форму до предельного износа, определяемого нарушением сплошности (образованием сквозных отверстий)

При создании наконечников зубьев рыхлителей для работы на высокоабразивных грунтах стремятся обеспечить узкие удлиненные наконечники самозатачивающейся формы, длина которых в ряде конструкций в 5 раз и более превышает ширину. Применение таких наконечников позволяет увеличить производительность рыхлителей на 10—50%, ресурс наконечников в 3—11 раз и сохранить их высокую работоспособность до полного изнашивания.

Известны конструкции несимметричных наконечников, самозатачиваемость которых обеспечена формированием режущей части в виде дуги, обращенной выпуклостью вниз или вверх, причем передняя и задняя грани в поперечном сечении образованы дугами разных радиусов. В последнем случае боковые поверхности сужаются в сторону режущей кромки. При изнашивании таких наконечников площадь их контакта с грунтом по задней грани практически не увеличивается и обеспечивается хорошая их самозатачиваемость.

Самозатачиваемость наконечников можно достигнуть, сформировав клинообразную форму передней грани, например, конструкция фирмы «Инжиниред Эквипмент» («Engineered Equipment», США). В результате в процессе изнашивания боковых граней наконечник принимает пирамидальную форму с острой вершиной при одновременном сохранении прочности режущей части. Срок службы такого наконечника в 1,67 раза больше, чем у наконечника с плоской режущей кромкой.

С целью облегчения внедрения в прочные грунты в ряде конструкций режущую часть наконечников выполняют изогнутой в направлении резания: с выпуклой передней и вогнутой задней поверхностями. Самозатачиваемость таких наконечников обеспечивается формированием швелерообр азной формы режущей части. Швелерообразную заднюю грань можно сочетать с упрочняющим выступом по передней грани. Известны конструкции наконечников пирамидальной формы с боковыми ребрами жесткости на передней грани.

Увеличение ресурса наконечников достигают периодическим затачиванием режущей части с использованием свойства материала инструмента изнашивать грани на абразивных грунтах с разной интенсивностью. Для этого хвостовик стойки выполняют съемным, причем продольные оси симметрии хвостовика и его посадочной части в стойке расположены под некоторым углом один к другому. Поворачивая хвостовик относительно стойки или несимметричный наконечник относительно хвостовика на 180°, можно получить четыре положения наконечника, различающихся углами резания и характером износа.

Все шире применяют метод обеспечивания самозатачивания с использованием разнопрочных материалов или путем армирования наконечников твердыми материалами. Наибольший эффект самозатачивания по данным фирмы «Комацу» дает армирование передней грани материалом более твердым, чем материалы основания. Предложено (фирма «Катерпиллер Трактор») устанавливать твердые вставки в пределах длины изнашиваемой части наконечника. Одни или две вставки крепят в вертикальных полостях вдоль оси наконечника. Допускается установка одной вставки в углублении, образованном плавными переходами на передней грани.

Возможно использовать высокопрочный элемент (сердечник), выдвигаемый в районе режущей кромки по мере его износа. Сердечник установлен в стойке, его можно выдвигать вручную или с использованием специального механизма с гидроприводом. Фиксируют его стопорным пальцем. Высокопрочный элемент может быть выполнен в виде стержня по длине режущей части наконечника. Режущую часть с твердым износостойким сердечником изготовляют отдельно и затем сваривают с основанием в среде инертного газа.

Как показали исследования, проведенные во ВНИИСтройдор-маше, оснащение наконечников подобными вставками нецелесообразно вследствие быстрого изнашивания более мягкой основы и ‘поломок вставок по границам напайки к основе. Отказы наблюдаются как при ударах в твердое включение в грунте, так и при работе в однородном грунте.

Практика эксплуатации рыхлителей показывает, что повышение работоспособности режущего инструмента зависит в первую очередь от использованных в его конструкции высокопрочных материалов и технологии изготовления. С этой целью наконечники рыхлителей изготовляют из конструкционных легированных марганцехромомолибденовых и никелевых сталей, имеющих временное сопротивление после термообработки не менее 1000 МПа, или литыми из стали 110Г13Л. Содержание фосфора и серы при этом, как правило, не должно превышать 0,03%.

Проблема снижения абразивного изнашивания режущего инструмента решается параллельно с проблемой обеспечения прочности. Чтобы исключить поломки, прежде всего стремятся уменьшить хрупкость стали путем повышения пластичности, а это неизбежно способствует снижению абразивной износостойкости. Поэтому наконечники различного исполнения изготовляют с учетом эксплуатационных особенностей работы рыхлителя.

Существенное влияние на работоспособность режущего элемента оказывает химический состав стали, способы формообразования и термоупрочпепия. Учитывая, что при эксплуатации в тяжелых условиях происходит интенсивный нагрев режущей части наконечников, достигающий при рыхлении скальных грунтов 650—700°С (поданным фирмы «Комацу»), необходимо использовать стали, менее склонные к структурным превращениям и изменению напряженного состояния, ведущего к потере прочности в указанном температурном интервале.

Представляют интерес применяемые для рыхления очень абразивных грунтов износостойкие наконечники, в которых режущую часть сваривают трением из двух заготовок высокой н низкой твердости. Затем из сварной заготовки куют режущую часть наконечника и приваривают к хвостовику. Штампованный сварной биметаллический наконечник имеет верхний слой твердостью HRC 57—58 и нижний более мягкий слой твердостью HRC 32—41 послг термообработки. Наконечники обладают хорошей самозатачиваемостью при работе в абразивных грунтах.

Срок службы режущего инструмента можно увеличить, применяя композиционные сплавы — смеси двух и более различных компонентов, один из которых при термообработке плавится или размягчается, а другой остается фактически неизменным. В результате термообработки смесь цементуется в монолитный сплав, обладающий качественно новыми свойствами.

Разработан композиционный сплав (патент США № 4011051), состоящий из твердых сферических включений боридов железа и хрома (6—12% бор; 25—61% хром; остальное — железо, или 6—12% бор, 61—70% хром, 0,05—2% углерода, остальное — железо) и матричного никелевого сплава, содержащего марганец, кремний, медь, бор, железо и углерод. Спекание осуществляют при температуре 896—980°С. Твердость сферических включений более HRC 70. Износостойкость сплава в 4—20 раз выше износостойкости однородной стали твердостью HRC 45 после термообработки в одинаковых условиях работы инструмента.

Применительно к рыхлительному оборудованию наиболее широко . используют кованые и штампованные наконечники.

Наконечники, штампованные в закрытых матрицах с объемной термообработкой, выпускает фирма «Хромэллой» («Chromalloy», США). Трудоемкий и дорогостоящий процесс сквозной термообработки окупается высокими эксплуатационными качествами наконечников, используемых на мощных машинах в тяжелых режимах работы. Предел прочности стали после термообработки в 2 раза выше, чем обычной углеродистой стали; предел текучести 1055 МПа.

ВНИИСтройдормашем с использованием технологии СПКТБ «Стройдормаш» созданы штампованные наконечники симметричной формы с режущей частью в виде двутавра для рыхлителей к тракторам тягового класса 10 и 25. Испытания наконечников в условиях Севера и Северо-Востока страны показали, что конструкция имеет достаточную прочность при разработке вечно- и сезонно-мерзлых грунтов при отрицательной температуре окружающего воздуха. Ресурс штампованных наконечников в зависимости от класса рыхлителя в 2—2,6 раза выше, а интенсивность изнашивания в 1,6—1,8 раза ниже литых из стали 110Г13Л. В процессе абразивного изнашивания штампованных наконечников происходит самозатачивание, т. е. незначительный рост площадки затупления, обеспечивается эффективное внедрение зуба в грунт и высокая работоспособность рыхлителя до предельного состояния наконечника, определяемого износом 30 и 35% для рыхлителей на тракторах класса 10 и 25 соответственно. Для этих же условий работ предельное состояние литых наконечников определялось резким снижением эффективности работы рыхлителя вследствие незаглубления в грунт. Относительный износ наконечников при этом не превышал 15—20%.

Исследования показали, что наряду с конструкцией режущего инструмента определяющим фактором долговечности наконечников являются абразивные и прочностные свойства грунтов, наличие ледяных прослоек и твердых включений. Наконечники в процессе эксплуатации подвержены интенсивному абразивному изнашиванию в результате взаимодействия с твердыми минеральными частицами и льдом-цементом. Абразивность мерзлых грунтов (способность изнашивать контактирующие поверхности машин) в 100—1000 раз выше немерзлых, а мерзлой супеси — соизмерима с абразивностью скальных грунтов. Повышение абразивности связано с закреплением зерен кварца микротвердостью 10 500— 12250 МПа в прослойках льда-цемента, имеющего микротвердость, близкую микротвердости кварцевого песка.

Силовое взаимодействие рабочего органа с грунтом сопровождается абразивным изнашиванием, приводящим к изменению геометрических размеров и формы наконечника. Это существенно влияет на сопротивление рыхлению, которое возрастает в 1,5—2 раза при затуплении наконечника, что приводит к снижению глубины рыхления и эффективности работы. В результате ресурс зубьев (наработка от начала эксплуатации до наступления предельного состояния) снижается в десятки раз.

Вид предельного состояния определяется характером изменения формы и геометрии режущей части инструмента в процессе эксплуатации. Из многообразия форм изнашивания наконечников, встречающихся в практике работы рыхлителей, различают основные:
— интенсивное изнашивание режущей кромки;
— изнашивание передней и задней граней по длине незначительное;
— происходит скругление и затупление режущей кромки; по мере изнашивания радиус затупления увеличивается;
— основное изнашивание происходит по задней грани;
— образуется поверхность (площадка) затупления, ориентированная параллельно траектории перемещения рабочего органа;
— изнашивание передней и задней граней происходит относительно равномерно, что способствует сохранению режущей кромки и носка в заостренном состоянии до полного изнашивания инструмента;
— относительно равномерно происходит изнашивание передней, задней и боковых граней, предопределяя образование пирамидальной формы наконечника с заостренным носком.

Первые две разновидности изменения формы режущего инструмента определяют ресурс режущего инструмента по критерию неустранимого снижения эффективности машины. Последние разновидности изменения формы обусловливают сохранение работоспособности оборудования до предельного износа, характеризующегося критерием потери сплошности или полным износом режущей части наконечника.

Высокую эффективность вследствие самозатачиваемости показали кованые наконечники рыхлителей на тракторах тягового класса 25 при рыхлении высокольдистых (льдистость до 20—35%) вечномерзлых илисто-глинистых и галечно-гравийно-песчаиых отложений (Магаданская область). Наконечники эксплуатировали до предельного износа, определяемого появлением сквозных отверстий в посадочной полости. В течение всего срока службы эффективность разрушения грунтов осталась достаточно высокой, так как по мере изнашивания наконечника со стороны боковых граней и режущей кромки форма сохраняется заостренной. Изнашивание наконечников происходит равномерно по всем граням, что предопределяет самозатачиваемость и высокую работоспособность наконечников до предельного износа. Ресурс наконечников составляет 14—28 ч при относительном 28—34 %-ном линейном и 55—65 %-ном весовом износе.

Характер изнашивания и показатели долговечности наконечников существенно изменяются при эксплуатации в абразивных низкотемпературных (до —9 °С) сезонно-мерзлых песчаных грунтах, характеризуемых числом ударов плотномера ДорНИИ до 200. Ресурс наконечников определялся резким снижением эффективности рыхления вследствие быстрого изнашивания передней и задней граней в зоне режущей кромки, формирования площадки износа и затупления и был в 3 раза меньше, чем в условиях менее абразивных льдистых грунтов при относительном 30%-ном линейном и 34%-ном весовом износе.

Сравнительные исследования обычных и удлиненных на 12% наконечников при работе в Магаданской области, проведенные до предельного износа режущей части, показали, что ресурс удлиненных наконечников выше за счет наличия дополнительной полезной массы металла. При этом относительный линейный износ удлиненных и обычных наконечников составил соответственно 35 и 28%, а весовой — 65 и 55%.

Формирование режущей кромки в процессе изнашивания зависит от условий взаимодействия наконечников с грунтом, в том числе в значительной степени от кинематики движения рабочего органа. При параллелограммпой схеме навесного оборудования на наконечнике формируется площадка износа, ориентированная вдоль траектории движения трактора. При эксплуатации рыхлителя с переменным углом рыхления площадка износа представляет собой скругленную поверхность с большим радиусом затупления. Известны формы износа, сочетающие скругление режущей кромки с наличием площадки износа, ориентированной под различными углами.

В то же время использование рыхлителей с регулируемым углом рыхления позволяет более эффективно применять самозатачивающиеся наконечники, обеспечить больший ресурс их эксплуатации. Были проведены исследования наконечников при рыхлении мерзлых грунтов с включением гальки, валунов (температура грунта минус (5—15)ЭС, С= 1504-300) в районе г. Воркуты. Использование рыхлителей МП-40 с регулируемым углом рыхления на тракторах тягового класса 10 позволило увеличить ресурс наконечников на 20—30%.

Работоспособность рабочих органов рыхлителей существенно зависит от надежности конструкции стопорных устройств. Конструкции стопорных устройств крепления наконечников отличаются большим разнообразием, обусловленным стремлением иметь достаточно надежные устройства многоразового использования, допускающие быструю замену наконечников в полевых условиях.

Наконечники рыхлителей стопорят заклепками разового применения, расположенными в сквозном отверстии стойки и стенках наконечника, болтами, штифтами, жесткими клиньями и пальцами, фиксаторами с упругими элементами. Эти жесткие соединения наконечника используют на легких рыхлителях. Стопорными устройствами разового использования являются также пальцы, состоящие из двух полуцилиндрических сегментов, один из которых выполнен из твердой стали и имеет на концах расширяющиеся головки, входящие в конические отверстия в стенках наконечника, а другой — из мягкой стали. При установке после твердого мягкий сегмент изгибается по форме конических поверхностей, обеспечивая надежное крепление.

Более универсальны стопоры с резьбой, которые могут быть в виде двух втулок, стянутых болтом, или в виде двух болтов с вкладышами в стойке зуба. Для снижения изнашивания резьбы болты ввертывают с обеих сторон наконечника через отверстия в стенках. Квадратные вкладыши имеют внутреннюю резьбу, защищенную стенками наконечника от контакта с грунтом.

Фиксация наконечника может быть осуществлена также путем использования стопорной пластины, забиваемой между задней стенкой наконечника и стойкой; при этом прилив на передней стенке наконечника совмещается с пазом на хвостовике. Известна конструкция стопорной пластины с упругим клинообразным элементом, установленным между боковыми стенками наконечника и хвостовика. От выпадения пластина предохранена специальным кулачком, западающим в паз на внутренней стенке наконечника.

Наибольшее распространение в рыхлительном оборудовании получили стопоры пальцевого типа. Пальцы вставляют в соосные отверстия стенки и наконечника, соединяя стойку с наконечником в один узел. Отверстия наконечника, как правило, большого размера. В некоторых конструкциях на концах пальца имеются кулачки, которые при его повороте специальными устройствами прижимаются к стенкам наконечника и за счет эксцентриситета центральной части плотно соединяют элементы зуба. В другом случае стопор выполнен в виде двух сегментов, слегка изогнутых в середине. При установке сегменты сжимаются, выступ в средней части одного западает в углубление другого, обеспечивая надежное крепление.

Известны стопоры в виде двух металлических сегментов с резиновой прокладкой между ними, которая может быть усилена металлической пружиной. В другом случае стопор состоит из трех элементов, сечение каждого из которых выполнено в виде сектора с углом 120°. Между секторами смонтирован упругий элемент звездообразной формы. Стопоры в сборе забиваются в отверстие стойки, препятствуя выпаданию наконечника. Стопор в виде цилиндрического пальца может фиксироваться в теле стойки при помощи сухарей в форме сегментов, отжимаемых упругим элементом или кольцевой обоймой с упругим элементом. Кольцевые элементы обоймы входят телескопически друг в друга. Упругий фиксатор стопора может быть выполнен в виде пружинного кольца или комбинации металлической пружины и кольцевой обоймы упругого материала. Пружина западает в канавку на поверхности пальца. Таким же образом действует пружина стопорного устройства, контактирующая с поверхностью паза хвостовика инструмента в трех точках.

Известны конструкции стопорных устройств с цанговым соединением двух соосных цилиндрических пальцев. Взаимная фиксация пальцев осуществляется лепестковыми захватами с фигурными выступами, взаимодействующими с выступами на другом пальце. Для разборки соединения в одном из пальцев предусмотрено сквозное отверстие.

Разборка стопорных устройств в полевых условиях имеет определенные трудности вследствие забивания отверстий грунтом, наличия перекосов в соединениях и т. п. Для облегчения монтажа и демонтажа пальцев используют съемник в виде прямоугольной скобы с гайкой, закрепленной на ее торцовой поверхности перед сквозным отверстием в скобе. Вдавливание и выпрессовка пальца осуществляются вращением в гайке специального болта.

Дальнейшее повышение эффективности рыхлителей обусловлено совершенствованием конструкции рабочих органов путем оборудования их специальными устройствами — уширителями. Использование усовершенствованных зубьев, оснащаемых сменными уширителями, позволяет повысить эффективность рыхлителя при разработке мерзлых грунтов, особенно с относительно невысокими прочностными свойствами.

Проведенные во ВНИИСтройдормаше в течение ряда лет исследования позволили определить характер разрушения грунта и рациональные параметры уширителей применительно к послойному рыхлению основных разновидностей грунтов: пластично- и твердомерзлых.

Установка уширителей с оптимальными параметрами позволяет повысить производительность и снизить энергоемкость процесса рыхления, так как силы сопротивления увеличиваются медленнее, чем объем разрушения грунта. Оптимальная глубина рыхления зубом с уширителем составляет Н = ЬЬ и становится больше оптимальной глубины рыхления при работе без уширителей.

Уширители установлены на зубе по высоте борозды так, что должны обеспечивать воздействие на грунт ниже зоны развала, полученной от наконечника. Для обеспечения нормального заглубления рабочего органа следует располагать уширители выше режущей кромки на расстояние Ну. Для твердомерзлых грунтов Ну— (0,54-1,0) Ь. При работе на пластично-мерзлых грунтах высота установки может быть несколько больше.

Производительность рыхлителя при установке уширителей повышается на 20—50% также вследствие стабилизации процесса рыхления по глубине и меньшего затягивания зуба в массив. При работе на грунтах, содержащих каменистые включения, уширители облегчают выталкивание каменистых глыб на поверхность.

Наиболее ответственным, имеющим большую стоимость элементов зуба, является стойка, на которой крепят остальные детали. Для послойного разрушения высокопрочных грунтов и глубокого рыхления преимущественно применяют стойки прямого типа и с незначительным изгибом в нижней части. Такие стойки универсальны и позволяют сочетать высокую прочность и эффективность разрушения грунта. Так как стойки зубьев рыхлителей являются наиболее динамически нагруженными элементами, то их изготовляют из поковок или проката качественной и высококачественной легированной стали, имеющей временное сопротивление порядка 103 МПа.

При рыхлении с большой глубиной нижняя часть стойки участвует в дополнительном дроблении материала. В этом случае ее абразивное изнашивание можно уменьшить, установив сменную защитную накладку зуба. Такая накладка (по данным фирмы «Келли») позволяет увеличить долговечность стойки в 1,5 раза.