Рис. 1. Схемы устройства и работы скреперов:
1 — с принудительной разгрузкой; 2 —полупринудительной разгрузкой; 3 — со свободной разгрузкой; а — загрузка; б — транспортное положение; в — разгрузка

Скреперы принято классифицировать по емкости ковша, способу их передвижения, схеме подвески ковша, способу загрузки и разгрузки и по системе управления.

В зависимости от емкости ковша скреперы бывают малой (до 5 м3), средней (6—15 ма) и большой (> 15 м3) емкости.

По способу передвижения скреперы разделяются на прицепные, полуприцепные и самоходные. Прицепные скреперы работают с гусеничным или двухосным колесным трактором или тягачом и большей частью выполняются двухосными, а в некоторых случаях — одноосными.

Полуприцепные скреперы обычно устраиваются одноосными, поэтому часть своего веса они передают на тягач, что повышает его сцепной вес и улучшает тем самым тяговую характеристику. Полуприцепные скреперы, как правило, рассчитываются на работу с одноосными тягачами, хотя в отдельных случаях для этой цели применяются также и двухосные тягачи. Полуприцепной скрепер с одноосным тягачом (рис. 50) представляет собой весьма маневренную тележку с небольшим радиусом поворота, способную развивать скорость до 45—60 км/ч. Эти машины получили наибольшее распространение.

Самоходные скреперы исполняются колесными или гусеничными. Здесь тяговое и рабочее оборудование представляет собой одну машину и потому, в отличие от полуприцепной машины, тягач отдельно использован быть не может.

По схеме подвески ковша скреперы разделяются на машины рамной конструкции, где имеется специальная рама, на которой и укрепляется ковш, и на скреперы безрамной конструкции, где рамой является сам ковш.

Загрузка грунта в ковш может происходить под действием давления срезаемой стружки и в результате работы специального загрузочного скребкового конвейера (рис. 49), установленного в передней части ковша. В последнем случае необходимое при заполнении ковша тяговое усилие снижается на 20—25%.

По способу разгрузки скреперы разделяются на машины с принудительной, полупринудительной и свободной разгрузкой (рис. 1). В первом случае грунт выталкивается перемещающейся задней стенкой, что обеспечивает наилучшую очистку ковша. Однако при этом развиваются большие усилия и затрачивается значительная работа. При полупринудительной разгрузке днище ковша вместе с задней стенкой поворачивается вокруг своей передней части, что обеспечивает хорошую очистку боковых стенок ковша, но само днище и задняя стенка при липких влажных грунтах очищается неудовлетворительно.

Рис. 2. Схема скрепера со скребковым конвейером

При свободной разгрузке грунт выгружается путем опрокидывания всего ковша. Здесь условия очистки ковша от грунта наихудшие, поэтому этот способ применим лишь при емкости ковша до 2—3 м3.

По системе управления различают скреперы с канатным и гидравлическим управлением. При канатном управлении подъем ковша осуществляется натяжением каната, а его опускание производится под действием собственного веса. Гидравлическое управление позволяет осуществлять принудительное заглубление ковша в грунт.

Общий вид полуприцепного скрепера представлен на рис. 3. Рабочим органом машины служит ковш, который снабжен ножом. Нож в плане может иметь прямоугольную, ступенчатую и полукруглую формы (рис. 4, а, б, в). Ступенчатая форма ножа при некотором выглублении ковша позволяет иметь стружку меньшей ширины. Кроме основного ножа к боковым стенкам ковша крепятся еще вспомогательные ножи, которые как бы подрезают грунт, что снижает общее усилие резания, так и понижают потери грунта, которые могут иметь место, за счет перемещения призмы волочения вбок.

В передней части ковша имеется заслонка, которая увеличивает его геометрическую емкость и обеспечивает необходимый для наполнения напор грунта. Последний создается ввиду пропуска грунта в щель, которая образуется между нижней частью заслонки и ножом. Заслонка может быть самооткрывающейся (плавающей) или управляемой. Самооткрывающаяся заслонка устроена и подвешена к ковшу так, что она самопроизвольно поднимается под влиянием усилия, действующего на нее со стороны призмы волочения грунта. Подъем и фиксирование в определенном положении управляемой заслонки производится при помощи специального подъемного механизма, который в случае канатного управления может быть блокирован с механизмом подъема и опускания ковша.

Каждому виду грунта соответствует определенная величина подъема заслонки, которая обеспечивает наилучшее заполнение ковша. Однако регулирование высоты подъема заслонки возможно лишь в случае управляемого варианта. Поэтому скреперы, как правило, снабжаются только управляемыми заслонками.

Следует стремиться к возможно более полному заполнению ковша скрепера грунтом. Степень заполнения зависит от большого количества факторов, из которых главными являются физико-механические свойства грунта, соотношение между основными размерами ковша, форма ковша, а также конструкция заслонки. Основным параметром не только ковша, но и всего скрепера является емкость. Кроме того, к числу основных параметров ковша относятся его ширина В, высота Я и длина L.

Процесс заполнения ковша грунтом исследовали неоднократно. Установлено также, что характер заполнения зависит от физико-механических свойств грунтов. Н. А. Артемьев процесс заполнения ковша разделяет на фазы. Во время первой фазы грунт, двигаясь по направлению к задней стенке ковша, заполняет часть общего объема ковша. Во время второй фазы заполняется объем заслонки и, наконец, наступает момент, когда дальнейшее наполнение ковша становится возможно лишь путем продавливания вновь поступающего грунта через уже находящийся в ковше грунт. Это происходит во время третьей фазы заполнения.

Рис. 3. Формы ножей скрепера

Рис. 4. Схема ковша скрепера

Выше уже отмечалось, что наилучшая форма ковша соответствует той форме, которую приобретает грунт при его свободной укладке, т. е. когда задняя стенка отсутствует. Эта форма зависит от природы и состояния грунта. Ввиду невозможности иметь ковши для каждого вида грунта, при его проектировании следует ориентироваться на какие-то средние условия.

На сопротивление наполнению огромное влияние оказывает высота ковша Я, под которой понимается расстояние от днища до наиболее высокой его точки (рис. 52). По мере роста высоты сопротивление заполнению прогрессивно возрастает, подчиняясь примерно кубической зависимости. Поэтому высоту следует выбирать возможно меньших значений, добиваясь получения необходимого объема в основном за счет ширины и длины ковша.

Для перевозки скрепера по железной дороге ширина его ограничена железнодорожным габаритом и должна быть увязана с шириной колес тягача или трактора. Для лучшей проходимости скрепера ширину колеи его задних колес целесообразно делать равной ширине колес колесного или гусеничного хода тягача.

Аб = 30ч-60 мм — необходимый зазор между внутренней поверхностью шины и боковой стенкой ковша. При такой ширине ковша возможно рыть траншеи с вертикальными стенками и колеса будут всегда следовать по срезанной ковшом поверхности грунта, что облегчит их передвижение и будет способствовать получению одинаковой по ширине ковша стружки грунта. Кроме того, при этом колеса будут уплотнять выгруженную из ковша призму грунта. Вообще ширину ковша следует выбирать возможно большего значения, так как такое стремление при одной и той же емкости ковша позволит снизить его высоту, что, в свою очередь, позволит уменьшить энергоемкость.

Тяговый расчет скрепера. Возникающие при работе скрепера сопротивления в сильной степени зависят от совершаемой операции. Максимальное сопротивление развивается в процессе наполнения ковша грунтом и особенно в конце наполнения, а минимальные сопротивления обычно соответствуют обратному движению порожнего скрепера в забой. Если мощность двигателя скрепера выбирать по максимальному значению сопротивления, то в остальное весьма продолжительное время работы она не будет использоваться, что является невыгодным. Поэтому, для преодоления развивающихся при наполнении ковша, хотя и очень больших, но кратковременных сопротивлений применяют специальные тракторы-толкачи или устанавливают воздействующий на заднюю ось скрепера дополнительный двигатель. В связи с этим определение сопротивлений для транспортного и рабочего режимов следует производить раздельно.

Режимы работы и производительность. Копание грунта и наполнение ковша может осуществляться различными способами: при постоянной толщине стружки (работа тонкой стружкой), путем неоднократного подъема и опускания ковша (гребенчатая схема работы), быстрым заглублением ковша на значительную глубину (до 30—40 см) с последующим постепенным его подъемом (клиновая схема работы). Наиболее рациональным режимом является работа по клиновой схеме, так как в этом случае в процессе врезания и наполнения механическая работа расходуется более равномерно и имеющий место в конце процесса «пик» мощности сглаживается, а необходимый для наполнения ковша путь скрепера сокращается по сравнению с работой тонкой стружкой в 2 раза, а по сравнению с работой по гребенчатой схеме — на 30—40%. При этом способе работы возможно добиться также и максимального коэффициента наполнения kH — 1,0н-1,1.

Длина пути разгрузки обычно составляет 3—10 м.

Для повышения производительности скреперов предпринимается ряд конструктивных мероприятий, которые в основном направлены на увеличение коэффициента наполнения и снижение времени цикла. Коэффициент наполнения при прочих равных условиях зависит от формы ковша. Поэтому при проектировании скреперов соотношения между параметрами ковша должны быть оптимальными. Снижение времени цикла производится путем повышения транспортных скоростей движения. Применение колесных тягачей на пневматических шинах и самоходных машин позволяет иметь большие скорости движения, обеспечивающие их высокую производительность.

В современном скреперостроении наблюдается стремление к повышению емкости ковша и в связи с этим — к увеличению мощности двигателя. Так, в настоящее время имеются самоходные скреперы с емкостью ковша свыше 40 л«3 и суммарной мощностью двигателей в 980 л. с; ведутся работы по созданию скреперов с емкостью ковшей в 75 и 100 м3.

Для увеличения производительности созданы агрегаты, состоящие из одноосного тягача и двух сцепленных с ним скреперов, имеющих емкость ковшей в 46 м3. Ковши могут заполняться грунтом одновременно или поочередно. Большой вес таких машин заставляет принимать меры к повышению их проходимости. Поэтому увеличиваются размеры шин и снижается давление воздуха в них. Последнее устанавливается равным 2,5— 3 am. На скреперах применяется дизель-электрический привод, при котором электродвигатели постоянного или переменного тока устанавливаются на каждом колесе скрепера или тягача.

Создана также универсальная самоходная гусеничная машина скрепер-бульдозер. Здесь ковш расположен между гусеницами, а перед его заслонкой имеется отвал бульдозера. Управление ковшом и отвалом гидравлическое. Скрепер предназначен для тяжелых работ и применяется для транспортирования грунта на сравнительно небольшие расстояния (0,7—1,0 км).

Силы, действующие на скрепер. Силы, действующие на скрепер, можно разделить на две группы: активные, к числу которых принадлежат силы тяжести скрепера с грунтом Gc, сила тяги тягача Т и толкающая сила толкача Тт, и реактивные — реакции грунта, действующие на рабочий орган Р01 и Р02, реакции грунта, действующие на колеса: вертикальные Rn и R3 и горизонтальные FА и FB. Силы Р01 и Р02 должны определяться с учетом сопротивлений наполнению ковша.

Сила тяжести изменяется но мере наполнения ковша грунтом и приобретает максимальное значение в конце наполнения. Она может быть легко определена как сумма сил тяжестей отдельных агрегатов и деталей скрепера и грунта.

Сила тяги приобретает максимальное значение в конце наполнения. Максимально возможные значения силы тяги следует определять по мощности двигателя, установленного на тягаче, или по условиям сцепления ходового устройства с грунтом [см. формулу (11.20)]. При полуприцепном и самоходном скрепере силу тяги удобно рассматривать как окружную силу, а в случае прицепного варианта местом ее приложения является дышло. Здесь надо иметь в виду, что при канатном управлении, во время перевода ковша из рабочего положения в транспортное, сила тяги передается не только по дышлу, но и по канату подъема ковша.

При работе скрепера его нож находится под воздействием давления стружки грунта, развивающейся от движения этой стружки — силы трения, и горизонтальной и вертикальной составляющих сопротивления грунта резанию.

Рис. 5. Схема для определения

Активные силы, т. е. тяговое и толкающее усилия тягача и толкача, а также сила тяжести приобретают наибольшее значение в конце заполнения ковша. В этом положении будут наибольшими и реакции грунта, действующие на рабочий орган. Поэтому конец заполнения ковша будет являться расчетным положением для проверки на прочность рамы скрепера, деталей ковша, сцепного устройства, хобота и ходовой части. При этом силу Раг следует полагать действующей на ковш сверху вниз, как показано на рис.53. Прочность этих агрегатов надо также проверить, предположив внезапный наезд задних колес груженого скрепера на непреодолимое препятствие. В этом расчетном положении силу тяги следует определить по условию сцепления ходового устройства машины с грунтом, с учетом коэффициента динамичности kd — 1,5.

Расчет механизма подъема ковша целесообразно проводить, предполагая начало выглубления ковша, т. е. подъем его в транспортное положение. В этом расчетном положении будут действовать те же силы, что и в конце наполнения.

Рис. 6. Схема для определения усилий, развивающихся при подъеме заслонки (а) и разгрузке ковша (б и в)

В скрепере с полупринудительной разгрузкой усилие, необходимое для опрокидывания ковша Sp, приобретает максимальное значение вначале процесса. Его можно найти из уравнения моментов сил относительно оси опрокидывания Ог. В уравнение моментов кроме усилия Sp входят: сила тяжести днища Gd и сила тяжести грунта Gap, которая определяется в предположении полного заполнения ковша.

При свободной разгрузке ковша сила, необходимая для его подъема, определяется из уравнения моментов относительно оси опрокидывания.

При расчетах производится проверка на прочность таких основных частей скрепера как рама, ковш, заслонка, задняя стенка, ходовое и прицепное устройство. Эти детали рассчитываются на действия найденных выше усилий обычными методами.