Схема работы тягача со скрепером и характер изменения тяговых усилий, необходимых при этом, показаны на рис. 56. Наполнение ковша требует больших тяговых усилий, достигающих своего максимума в конце наполнения.

Ковш скрепера наполняют на одной из низших передач, обеспечивающей достаточное тяговое усилие на крюке тягача. Движения тягача с порожним или груженым скрепером (холостое или транспортное) выполняются на наивысшей скорости, которую позволяет развивать мощность двигателя, дорожные условия и ходовое оборудование как тягача, так и скрепера.

Дорога обычно бывает грунтовая, образованная многими проходами тягачей со скреперами, и поэтому значительно уплотненная. Дорогу с интенсивным движением этих машин планируют грейдерами или (при их отсутствии) скреперами.

Разгрузка скрепера выполняется на ходу и характеризуется повышенным сопротивлением качению, так как агрегат частично или полностью перемещается по свежеотсыпанному грунту или грунту малоуплотненному с затратой мощности (примерно 1/3 : 2/3 мощности двигателя тягача) на выполнение разгрузочных движений, т. е. открывание передней заслонки, опрокидывание ковша или выталкивание грунта из ковша движением задней стенки. Разгрузочные механизмы при этом приводятся в действие с помощью гидропривода или лебедки с системой полиспастов.

Сопротивления перемещению скрепера и резанию грунта в конце наполнения ковша составляют 30—40% всего тягового усилия, необходимого для перемещения скрепера по забою; остальные 60—70% тягового усилия затрачиваются на проталкивание срезаемого грунта (стружки) в ковш и перемещение призмы волочения.

Усилия, затрачиваемые на проталкивание грунта в ковш, могут изменяться в значительных пределах и влиять на энергоемкость процесса наполнения в зависимости от формы ковша и принятого способа работы. Рассмотрим процесс наполнения ковша колесного скрепера и найдем усилия, необходимые для работы последнего, найдем рациональные условия для использования тягача и скрепера.

Ковш скрепера начинает наполняться, после заглубления ножа и начала резания. При этом слой срезаемого грунта (стружка) движется по ножу, затем по днищу ковша и доходит до задней стенки ковша. Здесь стружка приостанавливается, происходит излом ее в самом слабом месте на стыке ножа или днища, после чего образуется новый пласт, который ложится на предыдущий. Описанный процесс вновь повторяется, т. е. стружка, дойдя до задней стенки, снова изламывается и новый пласт движется по грунту, ранее накопившемуся на днище ковша.

По мере накопления грунта в ковше стружка, сходя с ножа, движется все более отвесно, и наступает такой момент, когда она движется в ковше сквозь грунт по пути наименьшего сопротивления. Этот путь может проходить по вертикальной и несколько наклоненной в сторону задней стенки ковша плоскости. Не исключена возможность движения стружки и по плоскости, наклоненной в сторону передней заслонки ковша. Для упрощения расчетов можно принимать положение, при котором стружка поднимается вертикально вверх.

Однако стружка, пробивая себе путь в ковше, не всегда остается неизменной. Часто, в особенности в несвязанных или малосвязанных грунтах, входящая в ковш стружка приподнимает находящийся над ножом грунт в виде воронки, и тогда ковш наполняется за счет движения всей воронки или отдельных кусков стружки.

Стружка, независимо от своей формы, сходя с ножа, меняет направление движения под действием грунта, находящегося в ковше, на определенный угол р. При этом между неподвижным грунтом, находящимся в ковше, и движущейся стружкой возникает значительное трение, увеличивающее сопротивление ковша наполнению. Стружка по ножу движется прямолинейно (так как ножи обычно бывают плоские), а затем изгибается по кривой А А и далее поднимается вверх. Сделаем допущение, что кривая АА — часть окружности. Для определения сил трения стружки о находящийся в ковше грунт рассмотрим силы, действующие на часть стружки, движущуюся по кривой А А. Отметим, что на эту часть стружки со стороны ножа давит с силой S2 стружка, движущаяся прямолинейно по ножу. С противоположной стороны от дальнейшего прямолинейного движения грунта в ковше возникает давление Sx.

Таким образом, сопротивление прохождению стружки в ковш при изменении направления увеличивается согласно известному уравнению Эйлера.

Найденное сопротивление представляет собой самую значительную по величине составляющую суммарного сопротивления движению скрепера по забою; обычно в конце наполнения ковша грунтом оно составляет более половины общего сопротивления. Характер изменения этого сопротивления в зависимости от высоты грунта в ковше показан на рис. 6.

Рассматривая полученную зависимость, можно сделать вывод, что удельное сопротивление резко возрастает с увеличением высоты грунта в ковше, с увеличением периметра поперечного сечения стружки и уменьшается с увеличением площади поперечного сечения стружки.

Наполнение ковша происходит с меньшим удельным сопротивлением, а значит, быстрее при меньшей ширине и большей глубине резания, а также при более мощной стружке и при большем поперечном ее сечении.

На рис. 3 представлена схема наполнения ковша скрепера стружкой различной толщины, причем на рис. 3, а толщина стружки в 3 раза меньше, чем на рис. 3, б. Очевидно, во втором случае ковш должен наполниться в 3 раза быстрее, чем в первом. Однако усилия, требующиеся для вталкивания стружки в ковш, возрастают при этом не пропорционально толщине стружки, а значительно меньше — пропорционально увеличению объема грунта, препятствующего вхождению стружки в ковш.

Полученные выводы позволяют судить о рациональности способов наполнения скрепера грунтом, отбирать лучшие и совершенствовать их. Из сказанного можно сделать вывод, что нужно стремиться наполнять ковш возможно более толстой стружкой. Наполнение ковша тонкой стружкой не только йевыгодно, но часто бывает невозможно, так как тонкая стружка не всегда преодолевает сопротивление грунта в ковше. При этом вся стружка разрушается на мелкие комья, уходит в призму волочения и растекается в боковые валики.

Стружка, по ширине, равная с ковшом, входя в последний, поднимает грунт над ножом по всей ширине ковша, Движение ковша вверх в этом случае тормозится еще и силами трения, возникающими между грунтом и боковыми стенками ковша.

Во втором случае в ковш поступает стружка, ширина которой в 3 раза меньше ширины ковша. В этом случае отсутствует трение грунта о боковые стенки ковша и только часть грунта, находящегося над ножом, препятствует вхождению стружки в ковш; другая часть грунта остается лежать по бокам поднимающегося потока и не препятствует вхождению стружки в ковш.

Из сказанного можно сделать вывод, что сокращение ширины резания вызывает уменьшение усилия, необходимого для вталкивания стружки в ковш, а поэтому его следует наполнить узкой и при этом возможно более толстой стружкой. Практически целесообразно срезать стружку, ширина которой составляет 1/2—1/3 ширины ковша.

Кроме того, напрашивается вывод, который сводится к тому, что по условию снижения энергоемкости процесса наполнения ковша скрепера следует создавать возможно большее тяговое усилие, развиваемое тягачами. В действительности так и бывает: скрепер наполняют на низшей передаче тягача, причем для увеличения усилий довольно часто применяют толкач. Поэтому толщину стружки нужно принимать такой, при которой используется все тяговое усилие тягача (тягача и толкача) на первой передаче. Этим условиям отвечают шахматный и траншейногребенчатый способы наполнения ковша скрепера.

Рассматривая графики изменения сопротивлений резанию при работе скрепера, можно установить, что в начале наполнения ковша, когда высота грунта в нем мала, при постоянной глубине резания суммарное сопротивление невелико. По мере наполнения ковша и увеличения высоты грунта суммарное сопротивление в нем резко возрастает. Продолжительность наполнения ковша скрепера невелика (1—2 мин) и изменять тяговое усилие путем изменения передачи в течение этого периода нецелесообразно. Поэтому для быстрейшего наполнения ковша необходимо возможно более продолжительное время использовать наибольшее тяговое усилие тягача.

Учитывая, что наибольшее тяговое усилие тягача ограничивается силой его тяжести и потому не может регулироваться в сторону увеличения, следует при агрегатировании тягача со скрепером изменять процесс наполнения ковша. Для этого в конструкции ковша скрепера нужно предусматривать наполнение его узкой и глубокой стружкой.

Для лучшего использования тягового усилия тягача сначала следует срезать глубокую стружку, а затем, по мере наполнения ковша и увеличения сопротивления ковша, наполняемого стружкой, увеличения сопротивления призмы волочения и сопротивления перемещению скрепера, постепенно выглублять нож и уменьшать толщину срезаемой стружки, снижать сопротивление резанию и тем самым не давать подниматься суммарному сопротивлению скрепера выше тяговых возможностей тягача.

Из сказанного можно сделать выводы о том, что удельное сопротивление наполнению ковша грунтом уменьшается:
1) при уменьшении периметра поперечного сечения стружки, и поэтому всегда выгоднее сокращать ширину стружки и увеличивать ее толщину;
2) при увеличении толщины стружки и площади ее поперечного сечения, и поэтому выгодно наполнять ковш при движении скрепера под уклон.

Применение указанных способов использования скреперов позволяет повысить емкость ковша, не увеличивая тягового усилия тягача, которое зависит от нескольких факторов и в первую очередь от силы тяжести самого тягача, который увеличивать нежелательно.

В настоящее время получает применение способ наполнения ковша скрепера при помощи элеватора. Часть мощности двигателя тягача при этом используется на работу элеватора. Фирма Летурно—Вестингауз (США) изготовляет такие самоходные скреперы с активной загрузкой при помощи элеватора. При этом используется тягач с двигателем мощностью 108 кет. (148 л. с.) и 212 кет (290 л. с.) при емкости ковша соответственно 7,6 и 16 м3.

По данным фирмы, скрепер загружается примерно за 1 мин. Элеватор скрепера указанной конструкции имеет ширину, равную ширине ковша, и приводится в действие от электродвигателя мощностью 60 кет (80 л. с.).

При опущенной режущей кромке ковша элеватор продвигает грунт в ковш и обеспечивает хорошее его заполнение. Предусмотренный в конструкции конечный выключатель предохраняет привод элеватора от поломок при встрече с твердыми включениями в грунте.