Эффективность процесса в этом случае не зависит от величины тягового или напорного усилия Т и мощности двигателя машины М.

Зависимый привод рабочих органов бывает пружинным, гидравлическим, пневматическим или их сочетанием. Эффективность процесса зависит от силы сопротивления грунта Р. В период, предшествующий сколу грунта, упругий элемент УЭ, например пружина (рис. 25, б), накапливает энергию за счет основного двигателя машины М. Во время скола пружина, разжимаясь, дает дополнительный импульс рабочему органу, передающийся на грунт. Упругий элемент устанавливается обычно между напорным НМ, ходовым ХМ или тяговым ТМ механизмами и рабочим органом. В этом случае усилие разрушения зависит от силы тяги или напора Т машины.

Смешанный привод является сочетанием двух первых и позволяет использовать для разрушения как двигатель Мх рабочего органа, так и двигатель М самой машины.

По виду перемещения машины с динамическими рабочими органами можно разделить на самоходные, прицепные и полуприцепные.

Направление движения рабочего органа может быть вертикальным, воризонтальным, прямолинейным, криволинейным, круговым (рис. 26).

Первыми машинами, работающими по принципу ударного разрушения, были клин и шар-баба. Разрушение грунтов такими рабочими Органами происходит за счет кинетической энергии, развиваемой падающим грузом или рабочим органом. Основными недостатками такого метода производства работ являются высокие динамические Нагрузки, возникающие в металлоконструкциях машин, невозможность нанесения повторных ударов на одно и то же место, большой радиус разлета разрушенного грунта, цикличность работы.

В дальнейшем была создана серия машин, как прицепных, так и навесных со свободнопадающим рабочим органом (или грузом), перемещающимся в жестких направляющих. К этому классу машин следует отнести механические рыхлители конструкции ВНИИстрой-дормаша, ВНИИземмаша, Куйбышевгидростроя, Главкиевгорстроя, НИИОМСП, Главмосстроя, Саратовского политехнического института, фирмы «Дженерал пневматик» (США) и др. К основным недостаткам таких машин относятся: цикличность работы; вертикальное перемещение рабочего органа; жесткое соединение рабочего органа со всей конструкцией машины, что приводит к появлению нежелательных динамических нагрузок, вредно действующих как на саму конструкцию, так и на обслуживающий персонал.

Рис. 26. Схемы направлений движения динамических рабочих органов: a — вертикальная; б — горизонтальная; в — прямолинейная» г — криволинейная; д — круоговая; 1— рабочий орган; 2 — привод рабочего органа; 3 — базовая машина; 4 — рама рабочего органа.

Следующим этапом развития машин с динамическим рабочим органом было создание различных типов навесного и прицепного оборудования, в основном, к экскаваторам и тракторам, работающего по принципу удара, с приводом рабочего органа от различных источников энергии. Траектория движения таких рабочих органов вертикальная или направлена под некоторым углом к поверхности.

К этому классу машин следует отнести дизель-молоты с клиньями, выпускаемые Ковровским экскаваторным заводом, конструкции, разработанные под руководством доктора техн. наук проф. М. И. Гальперина, сменное рабочее оборудование к экскаваторам Э-153 и Э-652, навесное оборудование виброударного действия.к гусеничным тракторам, разработанное в Уральском политехническом институте (УПИ-2М,ВР-25), гидропневматические молоты Карагандинского политехнического института и ряд других.

Для разрушения весьма прочных и мерзлых грунтов во ВНИИ* стойдормаше, ВНИИземмаше, Новосибирском электротехническом институте, институте горного дела АН СССР, КИСИ, Киевском Строй-дормаше, Карагандинском политехническом институте созданы конструкции динамических рыхлителей, нашедшие достаточно широкое применение в практике производства земляных работ.

Большую группу машин представляют различные вибрационные машины с вертикальным или слегка наклонным направлением движения рабочего органа; навесные и прицепные вибреклинья к гусеничным тракторам Т-140 и Т-100, разработанные в Новосибирском и Московском трестах механизации.

Отдельную группу составляют машины.с рабочими органами активного действия с пневмоударным, виброударным, вибрационным и взрывным приводом: ковши активного действия конструкции ЦНИИС Минтрансстроя СССР, ИГД Сибирского отделения. АН СССР, ИГД им. А. А. Скочинского, Свердловского НИИ по строительству, шведской фирмы «Хюмас», американской фирмы «Купер — Стенли»; виброскрепер конструкции института «Укргипроводхоз» и КИСИ; бульдозер конструкции Юго-Западного НИИ (США) и ряда других. Преимуществом таких машин является непрерывность работы, возможность регулировки амплитуды и частоты ударов.

Наиболее производительными машинами ударного и виброударного действия являются навесные и прицепные рыхлители послойного рыхления, разработанные во ВНИИстройдормаше, КИСИ, Министерстве связи СССР и ряде других организаций.

Эти машины обладают мобильностью, небольшой массой и достаточно высокой производительностью. Траектория движения рабочего органа может изменяться в зависимости от конкретных условий, как и величина возмущающей силы, ход рабочего органа и частота ударов. Возможность использования с этими машинами серийных тракторов средней мощности открыла перспективы их широкого внедрения в производство.

Рассмотрим более подробно наиболее распространенные конструкции этих машин.

Машины с вертикальной траекторией движения рабочего органа в большинстве случаев являются машинами ударного действия. Они имеют три принципиальные схемы: с падающим рабочим органом и с забиваемым рабочим органом при креплении направляющей в двух или одной точке.

Движение падающего рабочего органа машины при его внедрении имеет тенденцию к смещению от вертикали в сторону забоя (на рис. 27, а штриховой линией показаны контуры лунки при последующем ударе). С увеличением глубины внедрения рабочий орган все более отклоняется в сторону открытой стенки забоя. В ряде случаев угол наклона у траектории движения к вертикали достигает 15°. При внедрении на глубину 800—1000 мм горизонтальное смещение составляет около 300 мм. При последующем сбрасывании, падая вертикально, рабочий орган ударяется задней гранью о грунт и, частично деформируя его, отбрасывается в сторону забоя. Значительная часть энергии при этом непроизводительно затрачивается на смятие грунта задней гранью. Кроме того, при отбрасывании рабочего органа в сторону открытой стенки забоя до момента, когда рабочий орган передней гранью встретит грунтовое препятствие, горизонтальная составляющая динамического усилия воспринимается амортизатором, и через него — металлоконструкциями рабочего оборудования.

ВНИИстройдормашем проводились исследования машин с падающим клином, в результате которых было установлено, что при энергии падающего клина 30—40 кДж динамические усилия в горизонтальном направлении достигают 160—200 кН. Эти усилия воспринимаются направляющей металлоконструкцией и базовой машиной в целом. Следовательно, конструкции машин с рабочим органом, падающим в направляющих, не обеспечивают точного попадания лезвия рабочего органа в то место, откуда он был извлечен. Для достижения точности попадания амортизатор можно заменить специальным устройством, обеспечивающим при ударе свободное перемещение направляющей в сторону забоя и фиксирующим достигнутое при подъеме рабочего органа положение для нанесения следующего удара.

Недостатком машины этого типа является также необходимость извлечения рабочего органа из грунта после каждого удара. При каждом последующем сбрасывании часть энергии расходуется на повторное создание напряженного состояния грунта, которое было снято при извлечении рабочего органа. Непроизводительные затраты на повторную деформацию» когда для погружения рабочего органа при глубоком рыхлении необходимо большое количество ударов, могут превышать 50% полезного времени. Извлечение рабочего органа из грунта после каждого удара приводит к частым перегрузкам привода подъема рабочего органа, идущим на преодоление сил трения, которые в этом случав в три-четыре раза превышают вес рабочего органа. Машины с падающим в направляющих рабочим органом можно рекомендовать для неглубокого рыхления, когда для разрушения прочного грунта требуется малое число ударов. Лучшие показатели соответствуют разрушению такими машинами твердых покрытий, поскольку в этом случае рабочий орган при сравнительно малом внедрении обеспечивает хрупкое разрушение среды.

Забиваемый рабочий орган при креплении направляющей в двух точках (рис. 27, б) также может смещаться в сторону забоя. Горизонтальному смещению рабочего органа препятствует направляющая, подвергающаяся значительным динамическим нагрузкам, особенно в нижней части. Такие машины, во избежание разрушения направляющей от динамических нагрузок, целесообразно рассчитывать на малую; энергию удара.

При креплении направляющей в одной точке (рис. 27, в) рабочий орган имеет две степени свободы движения, благодаря чему получает, большую возможность перемещаться по собственной траектории. В результате резко снижаются динамические нагрузки, передаваемые на базовую машину, а машины, выполненные по этой схеме, целесообразно рассчитывать на большую энергию удара. Ими можно разрабатывать мерзлые грунты высокой прочности. Общим недостатком машин с забиваемым рабочим органом являются потери энергии при соударении бойка и рабочего органа, превышающие иногда 50%.

При разрушении прочных грунтов клиновым рабочим органом наиболее целесообразно обрушать грунт в сторону открытой стенки забоя. В этом случае грунт отделяется от массива крупными глыбами при наименьших энергетических затратах.

Важным узлом машины с рабочим органом ударного действия является рабочий инструмент. При проектировании рабочих органов ударного действия необходимо учитывать, что глубина внедрения рабочего инструмента за один удар зависит не только от свойств грунта, но и от формы рабочего инструмента и площаДи поперечного сечения. Как показали исследования, для разработки вязких грунтов (типа глин) клин должен иметь наименьший угол заострения, а для разработки других грунтов (например, мерзлого песка) оптимальный угол заострения равен 15—30°. Первый тип клина режет мерзлую глину, попутно создавая в ней трещины, второй — колет мерзлый песок.

Выбор формы рабочего органа зависит также от величины и направления нагрузок, под действием которых происходит разрушение грунта. При разрушении прочных грунтов путем последовательных погружений рабочего органа, обеспечивающих большую работу единичного удара, применяются в основном двускосные (симметричные) и односкос-ные клинья.

При погружении клинового рабочего органа в грунт на его скошенные поверхности действуют нормальные (расклинивающие) и касательные усилия, величина которых зависит от силы, приложенной к клину при ударе, углов заострения клина и трения металла о грунт. При малом угле заострения клина сопротивление внедрению его мало, и величины расклинивающих усилий может не хватить для создания предельных разрывающих напряжений в грунте. Большой угол заострения клина увеличивает объем сжимаемого грунта, что вызывает значительный рост энергоемкости разрушения.

Исследования процесса разрушения мерзлых грунтов двускосными и односкосными.клиньями показали, что оптимальный угол их заострения гр = 30 г 35°. На погружение двускосного симметричного клина с углом заострения гр == 30° необходимо затратить работу в 2,5—3 раза большую, чем на погружение в равных условиях клина с углом заострения гр = 7°. Следовательно, в случае приложения к рабочему органу дополнительных нагрузок, обеспечивающих отрыв грунта от массива в сторону забоя, целесообразно применять клин с углом заострения ф = 7-г 10°.

При разрушении мерзлых грунтов рабочими органами ударного действия, обеспечивающими сравнительно небольшую работу удара, целесообразно, согласно данным Уральского политехнического института, применять плоские рабочие органы, погружение которых сопровождается значительно меньшими деформациями смятия, чем погружение клиньев.

Плоские рабочие органы небольшого поперечного сечения могут нарезать узкие щели без окончательного отделения грунта от массива. Для уменьшения сопротивления по боковым поверхностям плоского рабочего органа его нижняя часть должна быть несколько утолщенной.

Рабочие органы ударного действия выполняются обычно в виде одиночного клина пирамидальной формы. Они обеспечивают более концентрированный удар по грунту по сравнению с двугранными клиньями, которые часто выходят из строя вследствие перекоса. Угол заострения клина необходимо выбирать таким, чтобы рабочий орган не защемлялся в грунте, поскольку при подъеме защемленного в грунте клина лебедка испытывает значительные перегрузки и может выйти из строя.

Основным недостатком технологии разрушения прочных грунтов путем последовательного погружения клина является цикличность процесса, так как на перестановку рабочего оборудования большинства машин в новое исходное положение расходуется до 50% рабочего времени.

Производительность машин цикличного действия зависит от энергоемкости процесса разрушения и числа ударов падающего груза по рабочему органу в единицу времени.

Рыхлитель цикличного действия с падающим грузом состоит из жестких направляющих, клинообразного рабочего органа, перемещающегося по этим направляющим, лебедкидля подъема рабочего органа и сцепного устройства. Последнее предназначено для автоматического соединения рабочего органа с тросом, наматываемым на барабан лебедки и поднимающим рабочий -орган в верхнее положение (рис. 28). Характеристика рыхлителей приведена в табл. 15.
Клиновые рыхлители с забиваемым рабочим органом конструируются на базе тракторов или экскаваторов. В качестве ударников используются дизель-молоты (рис. 29) или свободнопадающие грузы (рис. 30).

Рис. 31. Схема гидропружинного рыхлителя:
а — общий вид; б — гидропружинный ударник; 1 — трактор МТЗ-3; 2 — поворотная колонка; 3 — стрела; 4, 5 — гидроцилиндры; 6 — гидродвигатель; 7 — ударник; 8 — клин; 9 — цилиндр; 10 — шток; 11 — корпус; 12, 16 — амортизаторы; 13 — тяга; 14 — кольцо; 15 — направляющая; 17 — шпилька; 18 — крышка; 19 — поршень; 20 — цилиндр; 21 — тяга; 22 — гильза; 23 — кольцо; 24 — переходник.

Из этих машин наиболее распространен рыхлитель ДП-23С с двухклинным рабочим органом. Между рабочим органом и грузом установлены амортизаторы в виде металлических пластин с резиновыми листами. Такое устройство позволяет увеличить продолжительность удара, уменьшает шум, предохраняет конструкцию от поломок.

Для разработки небольших объемов мерзлых грунтов применяется машина ударного действия МНС-2 на базе трактора Т-100М. Основными узлами машины являются редуктор, приводимый в движение через кулачковую муфту сцепления от коленчатого вала двигателя трактора; двухбарабанная лебедка для подъема и сброса грузов-ударников, перемещающихся по*направляющим с помощью системы полиспастов. Рабочие органы представляют собой асимметричные клинья. Характеристики основных машин с забиваемыми рабочими органами представлены в табл. 16.

В последние годы в строительстве широкое применение находят виброударные и частоударные рыхлители.

К экскаваторам Э-1514 и Э-652 Новосибирским электротехническим институтом и Главзапсибстроем разработано сменное рабочее оборудование с гидропружинными молотами частоударного действия.

Оборудование к экскаватору Э-1514 состоит из ударного механизма и рабочего органа — клина и предназначено для разработки небольших объемов грунта и зачистных работ (рис. 31). При 80 ударах в минуту и глубине рыхления 0,75 м производительность такого сменного оборудования составляет 30—35 м3 в смену.

Другой вид навесного оборудования к экскаватору Э-1514 разработан ВНИИстройдормашем. Источником ударов служит гидромолот двойного действия. В направляющей трубе перемещается цилиндрический ударник, который наносит удары по хвостовику рабочего органа. Последний установлен в направляющей буксе. Автоматическую работу гидромолота обеспечивает распределитель, установленный на верхней части направляющей трубы. При энергии удара 3,5 кДж и 130 ударах в минуту производительность рыхлителя на мерзлоте составляет до 10 м3/ч.