IMPROVING THE USE OF UNIVERSAL MODULAR EXCAVATORS IN SMALL-SCALE CONSTRUCTION AND MAINTENANCE WORK ON HIGHWAYS AND PUBLIC UTILITIES

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.132.48
Issue: № 6 (132), 2023
Suggested:
05.04.2023
Accepted:
29.05.2023
Published:
16.06.2023
694
3
XML
PDF

Abstract

In order to ensure high productivity, resource efficiency, high-quality construction of highways, bridges, roadside infrastructure, landscaping, including at scattered facilities with small amounts of work, it is necessary to apply the most effective methods of organizing production activities.

The main directions of the technical policy in the field of increasing the low-scale work efficiency in the construction and operation of highways and public utilities are as follows: complex mechanization of labor-intensive processes with maximum use of automated equipment, including universal modular excavators. In order to improve the organization of the use of excavators, the article suggests the use of new working equipment of a universal modular excavator, in which a planetary gear rotary column with a hydraulic motor and a lock is installed on the back of the frame of a pneumatic-tyre tractor on which a draft beam and a telescopic handle with a hydraulic cylinder for controlling the beam and a hydraulic cylinder for controlling the rotation of the telescopic handle, and a cylinder with a hydraulic motor of rotation of a removable working body are fixed on the telescopic handle with the help of a sline joint, and removable working bodies in the form of a bucket grab, an excavator bucket and a ground-batching mill are controlled by means of hydraulic cylinders of rotation by a removable working body.

The proposed direction of increasing the flexibility of the excavator's working equipment will allow to improve the organization of production of low-scale zero cycle works during the construction and operation of highways and public utilities with the focus on the innovative nature of development.

1. Введение

В настоящее время имеется проблема недостаточной технической оснащенности дорожно-строительных предприятий универсальными экскаваторами модульного типа, что напрямую влияет на показатели производственной деятельности, качество и другие показатели, характеризующие эффективность производства работ.

Поэтому важно предприятиям дорожно-строительного комплекса увеличить долю универсальных экскаваторов модульного типа с применением самых эффективных методов организации производственной деятельности, обеспечивая высокую производительность, ресурсосбережение. Это обеспечит высокое качество строительства автодорог, мостов, придорожной инфраструктуры, проведения работ по благоустройству, в том числе на рассредоточенных объектах с небольшими объемами работ.

Кроме того, необходимость совершенствования организации использования экскаваторов при производстве малообъёмных работ при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог и объектов коммунального хозяйства обусловлена тем, что их организационно-технологические процессы имеют не только сложную структуру и связи, но и подвержены постоянным изменениям и развитию под действием внешних факторов и воздействий, изменению технологии производства работ при совершенствовании конструкций машин.

Системотехническая связь процесса характеризуется тем, что технология и организация рассматривается как взаимообусловленные процессы, имеющими место на этапе подготовки (проектирование работ) и производства работ (копание, транспортировка, укладка грунта, монтаж грузов и др.). Поэтому система производства работ должна рассматриваться как организационно-технологическая, а взаимосвязь процессов и параметров в ней, как состоящая из 3 уровней, иерархически связанных между собой

.

2. Методы и принципы исследования

Достижение цели интенсификации процессов производства малообъёмных работ при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог и объектов коммунального хозяйства экскаваторами в рамках данной системы осложнено большим объемом информационного материала, много вариантностью решений, многоэтапностью, вероятным характером исходных данных необходимостью многократного и быстрого принятия решения в условиях изменяющейся обстановки и многофакторного количественного анализа взаимосвязей производства

.

Для преодоления этой сложности и получения максимальной эффективности от интенсификации исследования используется теория систем с широким применением методов моделирования и оптимизации процессов технологии и организации производства работ на всех уровнях функционирования рассматриваемой системы

.

В их основу положены организационно-технологические и экономико-математические методы моделирования, которые получили в последнее время широкое признание как наиболее эффективные в решении подобного рода задач

.

В соответствии с основными рекомендациями, моделирование и оптимизация производства малообъёмных работ универсальными модульными экскаваторами должно быть основано прежде всего на формализации описания их процессов с использованием организационно-технологической модели. В ней предусматривается описание перечня дорожно-строительных работ, порядок их выполнения и характер взаимосвязи между работами, отражающих специфику технологии строительства, строительные нормы и правила, рациональное использование ресурсов.

В настоящее время разработаны различные модели технологических процессов, каждая из которых описывает определенные организационно-технологические схемы производства. Наиболее широкое применение в практике планирования строительного производства нашли детерминированные организационно-технологические модели, в которых не учитывается вероятностный характер производства. К ним относятся линейные графики (графики Ганта), которые применяются для изображения протекания производственных процессов во времени, линейные организационно-технологические модели, отличающиеся тем, что сроки окончания и начала работ могут колебаться в допустимых пределах, циклограммы, которые описывают взаимосвязь и взаимовлияние работ по технологическим и организационным требованиям, сетевые модели, в которых взаимосвязь между работами находит более реальное отражение. Однако все эти модели часто не позволяют получать с помощью ПЭВМ качественные технологические и организационно-возможные планы для универсальных модульных машин

.

Большинство моделей организации работы многофункциональных машин в настоящее время имеют «временной» характер в качестве основной характеристики работ принята их продолжительность

.

Идея многофункциональности машин не нова, но в данной статье приводится её наполнение отличное от известной в применении к универсальным модульным экскаваторам. Реализация идеи многофункциональности техники напрямую связана с повышением уровня гибкости и технологичности строительной техники. По данным исследований такая техника снижает стоимость производства работ от 18% до 30%

. Такую технику сейчас принято называть многофункциональной, но в данном случае речь идет о перспективах создания универсальных модульных экскаваторов с расширенными технологическими возможностями. Многофункциональная техника модульного типа снижает трудоемкость на доставку и переустановку сменных рабочих органов, исключает необходимость привлечения дополнительной техники и подсобного персонала для этого
. Хотя это не мешает установке на машине и сменного навесного рабочего оборудования.

Пример оснащения рабочим оборудование многофункциональной техники модульного типа

Рисунок 1 - Пример оснащения рабочим оборудование многофункциональной техники модульного типа

Примечание: рисунок взят из монографии, выполненной авторами [4, С. 108]

Это даст возможность даже финансово слабым предприятиям содержать компактный парк современной дорожно-строительной техники поскольку одна машина будет заменять от 2 до 5 машин. Такой подход приведет к значительному удорожанию самой машины, но которое компенсируется снижением расходов на содержание, ремонт и эксплуатацию за счет сокращения численности экипажа (заработная плата), топливо-смазочных материалов, расходов на перебазировку машин и др.

3. Основные результаты

Исследования, проводимые в Брянском Государственном инженерно-технологическом университете в течение ряда лет на базе мониторинга структуры, состава и стоимости парков машин брянских предприятий дорожно-строительного комплекса, технического и морального износа дорожно-строительных машин и оборудования, коэффициента использования и годовой загрузки, а также оценки уровня механовооруженности технологических процессов с учетом узкой производственной специализации, позволили подойти к идее компактного парка

. Приведённая ниже конструкция универсального модульного экскаватора может помочь в решении рассматриваемой проблемы.

В практике производства малообъёмных работ на рассредоточенных объектах дорожно-строительного комплекса и объектов жилищно-коммунального хозяйства, как показал анализ, очень редко приходится сталкиваться с грузами весом более 4 тонн, что позволяет сделать вывод о целесообразности постепенной замены автокранов грузоподъемностью 6 тонн и более на другие погрузочно-разгрузочные машины, например на экскаватор-погрузчики с различными съемными захватами и оборудованием манипуляторного типа.

Целью выполняемой работы являлось совершенствование конструкции и организации использования универсальных модульных экскаваторов на малообъёмных работах в дорожно-строительном комплексе и на объектах жилищно-коммунального хозяйства.

Исходя из цели, была определена задача повысить универсальность рабочего оборудования универсального модульного экскаватора за счёт объединения в одном устройстве возможностей экскаватора, работающего по типу «прямой лопаты» с возможностями экскаватора, работающего по типу «обратной лопаты» с добавлением функции по перевозке малоразмерных грузов при сохранении возможности выполнения погрузочно-разгрузочных работ.

В результате был получен технический результат – повышение эффективности производства малообъёмных рассредоточенных работ при строительстве малых инженерных сооружений, смешении и разравнивании материалов на местности, обустройстве и эксплуатации автомобильных дорог и объектов коммунального хозяйства. Повышение эффективности производства возможно за счёт появления в конструкции бортового кузова и возможности регулирования положения ковша по типу «прямая лопата» и «обратная лопата» из кабины оператора с возможностью установки грунтосмесительной фрезы.

Это достигается тем, что на задней части рамы пневмоколёсного трактора установлена планетарно-зубчатая поворотная колона с гидромотором и фиксатором, на которой шарнирно укреплена стрела с тягой и телескопическая рукоять с гидроцилиндром управления стрелой и гидроцилиндром управления поворотом телескопической рукояти, на телескопической рукояти с помощью муфто-шлицевого соединения укреплены цилиндр с гидромотором вращения съёмного рабочего органа, а съёмные рабочие органы в виде грейферного ковша, экскаваторного ковша и грунтосмесительной фрезы управляются с помощью гидроцилиндров поворота съёмным рабочим органом. Кроме того, в передней части на раме экскаватора размещено бульдозерное оборудование, состоящее из бульдозерного отвала, толкающих брусьев и гидроцилиндров управления бульдозерным оборудованием, которое служит для разравнивания грунта и в качестве переднего упора, а в задней части на раме укреплён бортовой кузов для размещения экскаваторного рабочего оборудования и малоразмерных грузов во время транспортировки, а также опорный домкраты, управляемые с помощью гидроцилиндров управления опорными домкратами.

В результате повышается эффективность производства малообъёмных рассредоточенных работ так как универсальный модульный экскаватор позволит производить следующие процессы: захват грузов с горизонтальных и наклонных поверхностях и их погрузку и монтаж, а также разработку сыпучих материалов с помощью челюстей грейферного ковша, разработку грунта с помощью экскаваторного ковша в положении «прямая лопата» и «обратная лопата», разравнивание объектов работ бульдозерным отвалом, транспортировку малоразмерных грузов на большие расстояния.

Сущность конструкции поясняется схемами. На рисунке 2а изображено рабочее оборудование универсального модульного экскаватора (вид сбоку) в рабочем состоянии, на рисунке 2б то же, в транспортном положении, а на рисунке 3а показан вид экскаваторного ковша, на рисунке 3б вид грунтосмесительной фрезы. Экскаваторный ковш и грунтосмесительная фреза могут подсоединяться вместо грейферного ковша для выполнения соответственно экскаваторных и грунтосмесительных работ.

Универсальный модульный экскаватор, состоящий из пневмоколёсного трактора 1, в задней части рамы которого установлена планетарно-зубчатая поворотная колона 2 с гидромотором и фиксатором, на которой шарнирно укреплена стрела 3 с тягой 4 и телескопическая рукоять 5 с гидроцилиндром управления стрелой 6 и гидроцилиндром управления поворотом телескопической рукояти 7, а на телескопической рукояти 5 с помощью муфто-шлицевого соединения 8 укреплены цилиндр с гидромотором вращения рабочего органа 9. Съёмный рабочий орган (на рисунке 2 грейферный ковш) 10 управляется с помощью гидроцилиндров поворота съёмным рабочим органом 11. Кроме того, в передней части на раме пневмоколёсного трактора 1 размещено бульдозерное оборудование, состоящее из бульдозерного отвала 12, толкающих брусьев 13 и гидроцилиндров управления бульдозерным оборудованием 14, которое служит для разравнивания грунта и в качестве переднего упора, а в задней части на раме укреплён бортовой кузов 15 для размещения экскаваторного рабочего оборудования и малоразмерных грузов во время транспортировки, а также опорные домкраты 16, управляемые с помощью гидроцилиндров управления опорными домкратами 17.

Рабочее оборудование универсального модульного экскаватора: а – вид сбоку в рабочем состоянии; б – вид сбоку в транспортном состоянии; 1 – пневмоколёсный трактор; 2 – планетарно-зубчатая поворотная колона; 3 – стрела; 4 – тяга; 5 – телескопическая рукоять; 6 – гидроцилиндр управления стрелой; 7 – гидроцилиндр управления поворотом телескопической рукояти; 8 – муфто-шлицевое соединение; 9 – цилиндр с гидромотором вращения рабочего органа; 10 – съёмный рабочий орган (грейферный ковш); 11 – гидроцилиндр поворота съёмного рабочего органа; 12 – бульдозерный отвал; 13 – толкающие брусья; 14 – гидроцилиндр управления бульдозерным оборудованием; 15 – бортовой кузов; 16 – опорные домкраты; 17 – гидроцилиндр управления опорными домкратами

Рисунок 2 - Рабочее оборудование универсального модульного экскаватора:

а – вид сбоку в рабочем состоянии; б – вид сбоку в транспортном состоянии; 1 – пневмоколёсный трактор; 2 – планетарно-зубчатая поворотная колона; 3 – стрела; 4 – тяга; 5 – телескопическая рукоять; 6 – гидроцилиндр управления стрелой; 7 – гидроцилиндр управления поворотом телескопической рукояти; 8 – муфто-шлицевое соединение; 9 – цилиндр с гидромотором вращения рабочего органа; 10 – съёмный рабочий орган (грейферный ковш); 11 – гидроцилиндр поворота съёмного рабочего органа; 12 – бульдозерный отвал; 13 – толкающие брусья; 14 – гидроцилиндр управления бульдозерным оборудованием; 15 – бортовой кузов; 16 – опорные домкраты; 17 – гидроцилиндр управления опорными домкратами

Схемы дополнительных съёмных рабочих органов: а - экскаваторный ковш; б - грунтосмесительная фреза

Рисунок 3 - Схемы дополнительных съёмных рабочих органов:

а - экскаваторный ковш; б - грунтосмесительная фреза

Действие рабочего оборудования состоит в следующем. В процессе работы, планетарно-зубчатая поворотная колона 2 с гидромотором и фиксатором поворачивается к месту производства работ с помощью стрелы 3, тяги 4, телескопической рукояти 5, гидроцилиндром управления стрелой 6 и гидроцилиндром управления поворотом телескопической рукояти 7, корректируется положение цилиндра с гидромотором вращения рабочего органа 9 над объектом производства работ. Далее с помощью гидроцилиндров поворота съёмных рабочих органов 11 происходит захват и укладка груза с помощью выше перечисленных элементов рабочего оборудования и съёмного рабочего органа 10 (грейферного ковша) или копание грунта с помощью экскаваторного ковша (рисунок 3а), положение которого по типу «прямая лопата» или «обратная лопата» регулируется вращением гидромотора вращения рабочего органа, установленного в цилиндре 9 (рисунок 2). С помощью этого же гидромотора вращается другой съёмный рабочий орган- грунтосмесительная фреза, которая используется для смешивания грунтов с улучшающими их характеристики добавками (рисунок 3б). Упорами при копании грунта и работе со штучными грузами служат передний упор в виде бульдозерного отвала 12 и задние опорные домкраты 16. После завершения производства работ происходит поворот планетарно-зубчатой поворотной колоны 2 с гидромотором и фиксатором к кузову 15 с укладкой рабочего оборудования экскаватора в бортовой кузов 15 с помощью стрелы 3, тяги 4, телескопической рукояти 5 гидроцилиндров управления стрелой 6 и гидроцилиндров управления поворотом телескопической рукояти 7 (рисунок 2б). Кроме того, с помощью бульдозерного оборудования, состоящего из бульдозерного отвала 12, толкающих брусьев 13, управляемого гидроцилиндром 14 происходит процесс копания грунта, засыпки траншей и котлованов. При этом бульдозерный отвал 12, укреплённый на толкающих брусьях 13 с помощью гидроцилиндра управления 14, опускается к месту производства работ, где работает с грунтом или как передний упор (рисунок 2а). После выполнения работ бульдозерный отвал 12, укреплённый на толкающих брусьях 13 с помощью гидроцилиндра управления 14 поднимается в транспортное положение (рисунок 2б). 

Принципиальное отличие разработанного нами универсального модульного экскаватора состоит в том, что с помощью планетарно-зубчатой поворотной колоны 2 с гидромотором и фиксатором имеется возможность перевозить рабочее оборудование и малоразмерные грузы в бортовом кузове 15, минимизируя грузовые моменты. Кроме того, благодаря цилиндру с гидромотором вращения рабочего оборудования, устанавливаемого с помощью муфто-шлицевого соединения 8 на телескопическую рукоять 5, появляется возможность вращать грунтосмесительную фрезу, а также переводить экскаваторный ковш в положения «прямая лопата» и «обратная лопата». Это обеспечивает высокую универсальность и технологичность универсального модульного экскаватора на пневмоколёсном тракторе с бортовым кузовом.

Захват длинномерных предметов с помощью челюстей грейферного ковша с грузозахватными зубьями (бре­вен, труб и др.), экскаваторные работы осуществляется с использованием переднего упора в виде бульдозерного отвала 12 и задних упоров в виде опорных домкратов 16.

Эффективность эксплуатации универсального модульного экскаватора обеспечивается получением возможности захвата грузов с помощью управляемых челюстных захватов, использования грунтосмесительной фрезы, а также ковшей «с прямой и обратной лопатой», регулирование положения которых достигается простым поворотом поворотного цилиндра, без переустановки ковшей.

Предлагаемое рабочее оборудование является многоцелевым оборудова­нием и обеспечивает выполнение экскаваторных, погрузочно-разгрузочных, грунтосмесительных работ и работ по разравниванию грунтов, засыпке траншей и котлованов.

В результате проведённых исследований установлено, что длина муфто-шлицевого соединения с гидромотором примерно равна длине гидроцилиндра-рукояти.

Увеличение универсальности, позволяет говорить об улучшении конструктивно-технологических возможностей предлагаемой конструкции.

4. Заключение

Одним из важных факторов повышения эффективности хозяйственной деятельности предприятий дорожно-строительного комплекса и организаций жилищно-коммунального хозяйства является снижение производственных издержек

. С целью снижения производственных издержек в результате проведённых исследований получили, что стоимость эксплуатации отряда машин с ведущей машиной – универсальный модульный экскаватор – меньше стоимости эксплуатации машин с использованием в качестве ведущей машины автокрана. Так при строительстве фундамента – уменьшение на 20%, при строительстве тела водопропускного коллектора – на 22%, при строительстве оголовков – на 8% и в целом при строительстве водопропускного коллектора диаметром 1 метр без укрепительных работ – на 18%.

Кроме того, такой экскаватор, оборудованный соответствующими съёмными рабочими органами позволяет избавиться от применения грунтосмесительной фрезы при укреплении грунтов вяжущими способом смешения на дороге, трудоёмких переустановок ковша для работы по типу «прямая или обратная лопата», а также широкое манипулирование захваченным грузом приближает работу экскаватора к режиму работы робота-манипулятора.

Повышение эффективности на перечисленных выше работах произойдет, прежде всего, за счёт исключения необходимости применения дополнительных машин их перебазировки, уменьшения количества машинистов и издержек на простои.

Поскольку важным условием повышения конкурентоспособности дорожно-строительных организаций и организаций жилищно-коммунального хозяйства является развитие научно-технического прогресса в области технологии и организации производства малообъёмных работ, объемы которых в годовой производственной программе предприятий значительны, в области организации производства малообъёмных работ на рассредоточенных объектах дорожно-строительного комплекса и организаций жилищно-коммунального хозяйства будут:

– прогнозирование и оптимизация параметров организации работ универсальными модульными экскаваторами как единой системы создания объекта;

– исследование эффективности использования универсальных модульных экскаваторов и определение областей их рационального применения;

– формирование пакета программ организации строительства и объектов, технологии и механизации дорожно-строительных работ с использованием универсальных модульных экскаваторов;

– организационно-технологическое обеспечение деятельности малых и средних организаций, работающих в области дорожно-строительного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства;

– разработка нормативно-методических документов.

Таким образом, в связи со значительным увеличением доли рассредоточенных малообъёмных работ в общем объёме дорожно-строительного производства и жилищно-коммунального хозяйства, требуется широкое использование универсальных модульных машин с широкой номенклатурой съёмных рабочих органов, в частности разработка новых конструкций универсальных модульных экскаваторов с внесением изменений в организацию их использования, что отражено в настоящей статье.

Article metrics

Views:694
Downloads:3
Views
Total:
Views:694