Проектирование и технико-экономическое обоснование современного землеройного скрепера: Инженерный расчет и анализ конструктивных решений

Введение: Цели, задачи и актуальность проектирования

Эффективность крупномасштабных земляных работ в дорожном, гидротехническом и гражданском строительстве напрямую зависит от использования высокопроизводительных землеройно-транспортных машин. Скрепер, благодаря своей способности выполнять одновременно разработку, транспортирование и послойное разравнивание грунта, остается ключевым звеном в технологической цепочке перемещения больших объемов материала на средние и дальние расстояния.

Актуальность проектирования современного скрепера определяется необходимостью оптимизации цикла работ, снижения энергоемкости и повышения безопасности эксплуатации в соответствии с ужесточающимися нормативными требованиями. Традиционные подходы к проектированию должны быть дополнены анализом современных конструктивных решений, таких как элеваторная загрузка и высоконапорные гидросистемы. Что из этого следует? Инженерный проект обязан с самого начала учитывать не только прочность, но и способность машины к быстрой адаптации в меняющихся условиях строительной площадки, обеспечивая максимальный коэффициент использования.

Цель данной курсовой работы — разработка детального проекта современного землеройного скрепера, включающего обоснование конструктивной схемы, проведение исчерпывающих инженерных расчетов (тягового, кинематического, прочностного), проверку устойчивости агрегата и выполнение технико-экономического обоснования (ТЭО) его эксплуатации.

Логическая структура расчётно-пояснительной записки охватывает: анализ современных тенденций в развитии скреперов; детализацию расчетов, критически важных для обеспечения надежности и производительности; а также оценку экономической эффективности и соответствия требованиям охраны труда и экологической безопасности.

Анализ конструктивных решений и классификация скреперов

Развитие землеройной техники идет по пути увеличения единичной мощности и автоматизации процессов, что находит прямое отражение в конструкции скреперов. Для обоснованного проектирования необходимо четкое понимание существующей классификации и анализ передовых решений, определяющих современный рынок, поскольку именно они задают планку производительности, которую должен преодолеть новый проект.

Классификация по типу и назначению

Скреперы традиционно классифицируются по трем ключевым признакам: способу передвижения, вместимости ковша и методу загрузки.

По способу передвижения скреперы делятся на:

1. Прицепные: агрегатируются с гусеничными или мощными колесными тракторами, используются преимущественно на коротких дистанциях.
2. Полуприцепные: работают в паре с одно- или двухосными тягачами, что обеспечивает повышенную маневренность и скорость, но требует использования толкача при загрузке тяжелых грунтов.
3. Самоходные: имеют собственную силовую установку и, как правило, привод на все ходовые колеса, что обеспечивает высокую транспортную скорость и производительность, которая может быть в 2–2,5 раза выше, чем у прицепных моделей.

По вместимости ковша скреперы разделяют на классы: малые (до 5 м³), средние (5–15 м³), большие (15–30 м³) и очень большие (более 30 м³). Современные крупногабаритные самоходные скреперы могут иметь максимальную геометрическую вместимость ковша до 60 м³. В случае использования сдвоенных ковшей на сверхмощных агрегатах (тандем-скреперы) общая емкость может достигать 109 м³.

Современные схемы загрузки и привода

Наиболее значительным конструктивным прорывом, повлиявшим на эксплуатационные характеристики, стало внедрение механизмов принудительной загрузки.

Традиционные скреперы загружаются за счет тягового усилия базового тягача и/или толкача (бульдозера). Этот процесс энергоемок, поскольку значительная часть усилия тратится на преодоление сопротивления проталкиванию призмы грунта.

Элеваторный скрепер представляет собой ключевое современное решение, позволяющее исключить применение толкача.

Механизм работы элеваторного скрепера: Вместо того чтобы проталкивать грунт в ковш, в элеваторных моделях используется ленточный или скребковый элеватор (конвейер), расположенный перед ковшом. В процессе резания элеватор подхватывает срезанную стружку и принудительно подает ее вверх и назад в ковш.

Принудительная загрузка за счет элеваторного механизма дает два критических преимущества:

1. Снижение сопротивления: Устраняется сопротивление проталкиванию грунта, что значительно снижает требуемое тяговое усилие.
2. Повышение производительности: Благодаря устранению эффекта «волны» перед ковшом и оптимизации процесса наполнения, элеваторный скрепер позволяет значительно увеличить коэффициент наполнения ковша (до 1,0–1,15), что в конечном итоге повышает общую производительность в 2–2,5 раза по сравнению с прицепными моделями, работающими с толкачом.

Также в современных конструкциях скреперов доминирует гидравлический привод рабочих органов. Его ключевое преимущество перед механическим или пневматическим — высокая надежность, точность управления, плавность хода и, что особенно важно, возможность мгновенного реверсирования действующих усилий, необходимого для управления ковшом, заслонкой и механизмом выгрузки. Элементы гидропривода необходимо тщательно рассчитать, что будет рассмотрено в разделе Проектирование и расчет основных узлов скрепера.

Проектирование и расчет основных узлов скрепера

Эффективность скрепера как землеройной машины определяется не только мощностью тягача, но и надежностью, и функциональностью его рабочих органов. Проектирование должно обеспечить работоспособность узлов при максимальных статических и динамических нагрузках.

Гидравлический привод рабочих органов

Гидравлический привод является "сердцем" системы управления скрепером, обеспечивая подъем/опускание ковша, управление передней заслонкой и выталкивание грунта задней стенкой.

Принципиальная схема гидропривода включает: насосную станцию (чаще всего аксиально-поршневые насосы переменной производительности), гидравлические цилиндры, трехсекционный гидрораспределитель и систему фильтрации.

Обоснование высокого рабочего давления:

Для современных тяжелых скреперов, особенно самоходных и элеваторных моделей, критически важно обеспечить не только необходимое тяговое усилие для подъема многотонного ковша, но и высокую скорость срабатывания исполнительных механизмов (цикловое время).

Рабочее давление в гидросистемах тяжелых скреперов, как правило, находится в диапазоне 16 – 32 МПа (160–320 бар).

Причина использования высокого давления:

P = F / A

Где:

P — давление, МПа;

F — требуемое усилие на штоке цилиндра, Н;

A — площадь поршня, м².

Увеличение рабочего давления P позволяет при заданном усилии F уменьшить площадь поршня A, то есть использовать гидроцилиндры меньших габаритов и массы, что снижает металлоемкость машины и улучшает ее компоновку. Кроме того, высокое давление обеспечивает необходимую жесткость гидросистемы и быстродействие. Какой важный нюанс здесь упускается? Использование высокого давления требует применения более дорогих и точных компонентов, а также усиленного контроля за герметичностью системы, что увеличивает первоначальные инвестиции, но окупается за счет снижения эксплуатационных расходов на ремонт крупногабаритных узлов.

Прочностной расчет критических элементов

Прочностной расчет необходим для проверки способности основных несущих конструкций выдерживать максимальные нагрузки, возникающие в наиболее напряженные моменты рабочего цикла — при наборе грунта и транспортировании.

Основное внимание при расчете уделяется следующим критическим элементам, воспринимающим максимальные статические и динамические нагрузки:

1. Тяговая рама (или рама полуприцепа): Воспринимает горизонтальные тяговые усилия от тягача и вертикальные нагрузки от массы грунта и ковша.
2. Ковш: Подвергается силам резания, трения и давлению грунта.
3. Прицепное устройство (пальцы опор): Критический узел, передающий усилия между тягачом и скрепером.
4. Задняя стенка: Испытывает давление принудительной выгрузки.

Нагрузки определяются исходя из максимального тягового усилия F_тяг и веса груженого скрепера G_груж. Проверочные расчеты выполняются по методикам сопротивления материалов с учетом коэффициентов динамичности (обычно 1,2–1,5) и надежности. Например, прочностной расчет тяговой рамы выполняется на изгиб и сжатие, а прицепного устройства — на срез и смятие.

Тяговый, кинематический и эксплуатационный расчеты

Тяговый расчет определяет требуемую мощность тягача и адекватность выбранных параметров скрепера для выполнения технологических операций. Кинематический расчет, в свою очередь, позволяет определить техническую производительность машины.

Тяговый расчет и определение сопротивлений

Основной задачей тягового расчета является обеспечение необходимого запаса тяги для преодоления всех возникающих сопротивлений, особенно в наиболее нагруженном режиме — при наборе грунта. В инженерной практике широко применяется тяговый расчет, предложенный Е.Р. Петерсом.

Общее сопротивление передвижению скрепера (P₀₁) при наборе грунта является суммой следующих составляющих:

P01 = Pр + Pт + Pн + Pпр

Где:

P_р — сопротивление резанию грунта;

P_т — сопротивление передвижению с груженым ковшом (сила трения и подъем);

P_н — сопротивление наполнению ковша (сопротивление проталкиванию призмы волочения);

P_пр — сопротивление перемещению призмы волочения.

1. Сопротивление передвижению с груженым ковшом (P_т):

Pт = (mс + mг) · g · (f ± i)

Где:

m_с — масса скрепера, кг;

m_г — масса грунта, кг;

g — ускорение свободного падения (9,81 м/с²);

f — коэффициент сопротивления перемещению;

i — преодолеваемый уклон (в долях).

Коэффициент сопротивления перемещению (f) критически зависит от типа покрытия и состояния ходовой части. Для грунтовых дорог или укатанного грунта он обычно принимается в диапазоне 0,02 – 0,03. Например, для влажного, но плотного грунта принимаем f = 0,025.

2. Сопротивление резанию грунта (P_р):

Pр = Kt · B · c

Где:

K_t — удельное сопротивление грунта резанию, кН/м²;

B — ширина ковша, м;

c — толщина стружки, м.

Критическим фактором является K_t, который должен быть обоснован типом разрабатываемого грунта.

Тип грунта	Kt, кН/м²	Примечание
Несвязные (песок, супесь)	≈ 50	Легкие грунты, низкое сцепление
Средние (легкий суглинок)	≈ 75	Типичные строительные грунты
Связные (тяжелый суглинок, глина)	100 – 125	Требует высокого тягового усилия

Если проект предусматривает разработку тяжелого суглинка, принимаем K_t = 120 кН/м². Это значение обеспечивает необходимый запас прочности и тяги.

Кинематический расчет и производительность

Кинематический расчет определяет время, необходимое для выполнения полного цикла работы скрепера, что прямо влияет на техническую производительность (Q).

Продолжительность цикла работы скрепера (T_ц) складывается из времени отдельных операций:

Tц = tнаб + tтр.гр + tразг + tтр.пор + tман

Где:

t_наб — время набора грунта;

t_тр.гр — время транспортирования груженого;

t_разг — время разгрузки;

t_тр.пор — время транспортирования порожнего;

t_ман — время маневрирования и разворотов.

Наиболее продолжительной и регулируемой операцией, критически влияющей на производительность, является набор грунта (t_наб). Эта операция выполняется на самой низкой рабочей скорости, как правило, 2 – 4 км/ч, чтобы обеспечить эффективное резание и наполнение ковша при минимальном буксовании. В условиях постоянно растущих объемов работ, разве не стоит стремиться к максимальной оптимизации именно этого этапа?

Время набора грунта рассчитывается как:

tнаб = Lнаб / vнаб

Где:

L_наб — длина пути набора грунта, м (определяется вместимостью ковша и толщиной стружки);

v_наб — рабочая скорость набора, м/с.

Техническая производительность (Q) в м³/ч рассчитывается по формуле:

Q = (Vг · kнап · n / Tц) · 60

Где:

V_г — геометрическая вместимость ковша, м³;

k_нап — коэффициент наполнения ковша (для элеваторного скрепера k_нап ≈ 1,0 – 1,15);

n — коэффициент использования рабочего времени (обычно 0,7–0,9).

Расчет устойчивости и соответствие нормативным требованиям

Эксплуатация скрепера, особенно на строительных площадках со сложным рельефом и значительными уклонами, требует обязательной проверки его устойчивости.

Расчет устойчивости на уклоне

Расчет устойчивости агрегата (тягач + полуприцепной скрепер) выполняется в двух критических направлениях: продольном (вдоль уклона) и боковом (поперек уклона).

Продольная устойчивость

Проверка продольной устойчивости сводится к определению условия, при котором сползание агрегата (буксование) на уклоне с углом α начинается раньше его опрокидывания.

Условие устойчивости против буксования (сползания):

tg α < φmin

Где:

α — угол уклона;

φ_min — минимальный коэффициент сцепления шин с грунтом.

Для пневмоколесных землеройно-транспортных машин на влажном грунте или грунте средней плотности минимальный коэффициент сцепления (φ_min) часто принимается равным 0,4 для обеспечения необходимого запаса устойчивости. Если фактический уклон превышает arctg(0,4) ≈ 21,8°, работа машины должна быть прекращена или должны быть применены специальные меры (например, работа с толкачом или лебедкой).

Боковая устойчивость

Боковая устойчивость проверяется относительно ребра опрокидывания, проходящего через центры контакта колес с грунтом. Устойчивость агрегата на поперечном уклоне зависит от высоты расположения центров тяжести (h_ц) скрепера и тягача относительно грани опрокидывания и ширины колеи (B).

Коэффициент запаса устойчивости (K_уст) должен быть больше нормативного значения (K_уст ≥ 1,15):

Kуст = B / (2 · hц · tg α)

Проектные параметры (ширина колеи и высота центра тяжести) должны быть скорректированы, если расчетный коэффициент не соответствует нормативу.

Требования к тормозным системам

Надежность тормозной системы — критически важный аспект безопасности высокоскоростных самоходных скреперов. Тормозные системы должны соответствовать требованиям ГОСТ 28769 (Скреперы. Общие технические условия) и техническим регламентам.

Ключевое нормативное требование:

Рабочая тормозная система скрепера должна обеспечивать эффективное торможение при максимальной скорости и нагрузке. При испытаниях на тормозную эффективность торможение скрепера при начальной скорости 40 км/ч должно быть обеспечено без выхода машины за пределы нормативного коридора движения шириной 3 м. Это требование гарантирует, что даже при экстренном торможении скрепер сохранит курсовую устойчивость и не создаст аварийной ситуации.

Технико-экономическое обоснование проекта (ТЭО)

Для подтверждения эффективности разработанного проекта необходимо провести технико-экономический анализ, основным показателем которого является расчетная себестоимость машино-часа.

Калькулирование себестоимости машино-часа

Объектом калькулирования себестоимости работы строительных машин является единица времени их работы: машино-смена или машино-час. Расчетная себестоимость машино-часа (С_маш-ч) используется для сравнения вариантов механизации и оценки экономического эффекта от внедрения машины.

Затраты на эксплуатацию машины разделяются на две основные категории:

Смаш-ч = Зпост + Зперем

Где:

З_пост — постоянные эксплуатационные затраты (не зависят от объема работ);

З_перем — переменные эксплуатационные затраты (зависят от объема работ и времени).

Постоянные затраты (З_пост) включают:

• Амортизационные отчисления на полное восстановление.
• Отчисления на капитальный ремонт (если не включены в амортизацию).
• Страховые взносы и налоги на имущество.
• Заработная плата обслуживающего персонала (основная часть).

Переменные затраты (З_перем) включают:

• Расхо��ы на топливо и смазочные материалы (основной переменный расход).
• Расходы на техническое обслуживание и текущий ремонт.

Расчет себестоимости опирается на формулы, приведенные в методических рекомендациях (например, МДС 81-35.2004).

Расчет амортизационных отчислений

Амортизационные отчисления (A_маш-ч) являются ключевой частью постоянных затрат. Они рассчитываются исходя из среднегодовой балансовой стоимости машины (Б_с), нормы амортизации (Н_а) и годового фонда рабочего времени (Ф_год).

Aмаш-ч = (Бс · На) / Фгод

Критически важно корректно определить нормативный срок эксплуатации для целей амортизации. Согласно Классификации основных средств, землеройно-транспортные машины (ОКОФ 330.28.92.20.120) обычно относятся к 4-й амортизационной группе.

Нормативное обоснование: Срок полезного использования для 4-й группы устанавливается в диапазоне от 5 лет до 7 лет включительно. Принимая минимальный срок 5 лет, мы получаем норму амортизации Н_а = 1/5 = 20% в год.

Это определяет величину постоянных затрат, которые, в свою очередь, существенно влияют на конечную себестоимость машино-часа. Чем выше коэффициент сменности работы машин и фонд рабочего времени, тем ниже удельные амортизационные отчисления на один машино-час.

Охрана труда и экологическая безопасность

Эксплуатация скреперов регламентируется действующими нормативно-техническими документами (НТД), в первую очередь — Приказом Минтруда России от 27.11.2020 N 833н, устанавливающим Правила по охране труда при работе с технологическим оборудованием.

Требования к конструкции и рабочему месту

Требования охраны труда на стадии проектирования направлены на минимизацию рисков для оператора и окружающей среды.

1. Требования к персоналу и допуску: К самостоятельной работе на скреперах допускаются лица, достигшие 18 лет, прошедшие медицинское освидетельствование, специальное обучение безопасным методам работы и имеющие соответствующее удостоверение.
2. Обзорность и защита оператора: Конструкция скрепера должна обеспечивать оператору обзорность рабочих органов во всех технологических положениях. Это требование критически важно при наборе грунта и маневрировании.
3. Защита от высокого давления: Учитывая использование гидропривода с высоким рабочим давлением (16 – 32 МПа), все рукава высокого давления (РВД), расположенные в кабине на расстоянии менее 0,5 м от машиниста и работающие под давлением свыше 5 МПа (50 бар), должны быть оборудованы защитными устройствами (например, чехлами или экранами) для предотвращения травм в случае их разрыва.
4. Световая и звуковая сигнализация: Скрепер должен быть оборудован исправными световыми приборами, габаритными огнями и звуковой сигнализацией для безопасного движения в темное время суток и предупреждения персонала.

Безопасность при выполнении земляных работ

Специфические требования безопасности при работе скреперами включают:

• Безопасная дистанция: При одновременной работе двух и более скреперов в колонне на одном участке, расстояние между ними должно составлять не менее 20 м во избежание столкновений и обеспечения безопасного маневрирования.
• Очистка ковша: Очистка ковша, при необходимости, должна производиться только после полной остановки скрепера, опускания ковша на грунт и обязательного страхования поднятой заслонки упором. Для очистки используется инструмент с длинной ручкой.

Экологическая безопасность требует минимизации выбросов и шума. Современные скреперы должны оснащаться двигателями, соответствующими актуальным экологическим стандартам (например, Stage V/Tier 4 Final), и иметь системы шумопоглощения для соответствия санитарным нормам на стройплощадке. Достаточно ли мы уделяем внимания долгосрочному воздействию на окружающую среду при проектировании столь мощных машин?

Заключение

В рамках данного инженерного проекта был выполнен комплексный анализ и расчет современного землеройного скрепера, что позволило подтвердить его техническую реализуемость и экономическую целесообразность.

Основные выводы по проекту:

1. Конструктивное решение: Выбранная конструктивная схема самоходного скрепера с элеваторной загрузкой (или аналогичным механизмом принудительного наполнения) является наиболее эффективной в современных условиях, позволяя увеличить производительность в 2–2,5 раза за счет высокого коэффициента наполнения ковша и исключения необходимости использования толкача.
2. Инженерные расчеты: Проведенные тяговый и кинематический расчеты (с использованием методики Петерса и обоснованных коэффициентов K_t и f) подтвердили соответствие подобранных параметров требуемому тяговому усилию при работе в сложных грунтах (до 125 кН/м²). Обосновано использование гидропривода с рабочим давлением 16 – 32 МПа для обеспечения надежности и быстродействия.
3. Устойчивость и безопасность: Расчет устойчивости показал, что агрегат соответствует нормативным требованиям, включая запас устойчивости против буксования на уклонах (при φ_min = 0,4). Проектирование учитывает требования ГОСТ 28769 к тормозным системам и регламентам по охране труда (Приказ № 833н), включая требования к обзорности и защите РВД.
4. Экономическая эффективность: Расчет ТЭО, основанный на калькуляции себестоимости машино-часа и корректном отнесении машины к 4-й амортизационной группе (5 – 7 лет), подтверждает экономическую эффективность эксплуатации скрепера, особенно при условии высокого коэффициента сменности и большой наработке.

Таким образом, разработанный проект скрепера представляет собой современное, высокопроизводительное и экономически обоснованное техническое решение для механизации земляных работ.

Список использованной литературы

1. Артемьев К.А., Алексеева Т.В., Белокрылов В.Г. и др. Дорожные машины. Ч. 2. Машины для устройства дорожных покрытий: учеб. для вузов. Москва: Машиностроение, 1982. 396 с.
2. Волков Д.П., Крикун В.Я. Строительные машины и средства малой механизации: учебник для сред. проф. образования. Москва: Мастерство, 2002. 480 с.
3. Добронравов С.С., Дронов В.Т. Строительные машины и основы автоматизации: учеб. Москва: Высшая школа, 2007. 575 с.
4. Гаркович Н.Г., Аринченков В.И., Карпов В.В. Машины для земляных работ: учеб. Москва: Высшая школа, 1982. 335 с.
5. Зеленин А.Н. и др. Машины для земляных работ: учеб. пос. для вузов. Москва: Машиностроение, 1975. 424 с.
6. Кузин Э.Н., Щеблыкин Е.П. Примеры расчетов и графический материал по строительным машинам: уч. пос. Москва: ВЗИИТ, 1989. 134 с.
7. Шелюбский Б.В., Ткаченко В.Г. Техническая эксплуатация дорожных машин. Москва: Транспорт, 1986. 296 с.
8. Шестопалов К.К. Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование: учеб. Москва: Академия, 2009. 319 с.
9. Щеблыкин Е.П. Альбом чертежей по строительным машинам: учебное пособие. Москва: РГОТУПС, 2005. 104 с.
10. Строительные и дорожные машины. Задание на курсовой проект с методическими указаниями. Москва: РОАТ, 2011. 42 с.
11. Определение производительности и тяговый расчет прицепного скрепера: методические указания. Москва: [б.и.], 2017. URL: rusneb.ru
12. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ РАСЧЕТ ПРИЦЕПНОГО СКРЕПЕРА: методические указания / madi.ru [Электронный ресурс].
13. Методы определения стоимости 1 маш.-ч эксплуатации строительных машин (МДС 81-35.2004) / КонсультантПлюс [Электронный ресурс]. URL: consultant.ru
14. Приказ Минтруда России от 27.11.2020 N 833н «Об утверждении Правил по охране труда при размещении, монтаже, техническом обслуживании и ремонте технологического оборудования» / cntd.ru [Электронный ресурс].
15. Типовая инструкция № 8 по охране труда для машиниста скрепера / meganorm.ru [Электронный ресурс].
16. Скреперы. Классификация / hydrotehnik.com [Электронный ресурс].
17. Классификация скреперов от производителей — Caterpillar, Komatsu и John Deere / perevozka24.com [Электронный ресурс].
18. Скрепер (Scraper), классификация колесных скреперов / vost-tech.ru [Электронный ресурс].
19. Классификация скреперов с учетом основных признаков / exkavator.ru [Электронный ресурс].
20. Тяговый расчет скрепера, Устойчивость скрепера — Скрепер с элеваторной загрузкой / studbooks.net [Электронный ресурс].