БУЛЬДОЗЕР ВЕДЕТ ОГОНЬ

Студенческая научно-техническая конференция факультета дорожных машин Московского автомобильно-дорожного института в этом году привлекла к себе внимание не только самих студентов и преподавателей, но и представителей промышленности. Еще бы: во многих докладах молодых исследователей речь шла о проблемах, имеющих большое значение для народного хозяйства страны.

Как, например, тема пятикурсника Евгения Фролова: «Исследование работы бульдозера с выступающим средним ножом в условиях строительства автодорог», или его однокурсника Владимира Богатырева: «Исследование модели большегрузного скрепера с газодинамическим интенсификатором». Научный руководитель обоих исследователей профессор, доктор технических наук Владилен Иванович Баловнев, заведующий кафедрой эксплуатации дорожных машин, остался доволен: оба доклада вызвали большой интерес. И хотя студенты Фролов и Богатырев делают первые самостоятельные шаги, их исследования были отмечены дипломами Московского городского комитета ВЛКСМ и Московского городского совета по научно-исследовательской работе. Ведь речь шла об интенсификации наиболее трудоемких — землеройных работ.

Наша Родина — страна-стройка. Один за другим появляются новые города, гигантские промышленные комплексы, плотины, каналы, железные и автомобильные дороги. И в основе каждого строительства лежит так называемый нулевой цикл. Как ускорить, интенсифицировать процесс выемки и перемещения земли?

Что, если, например, рабочий орган землеройной машины делать не сплошным, как сейчас, а составным? Скажем, отвал бульдозера не может сразу сдвинуть слой земли по всей плоскости. Тогда вперед, подобно острию ножа, выходит средняя часть отвала и сдвигает более узкую часть земли — остальную будет срезать уже легче. Можно придать отвалу пусть не совсем обычную, зато идеально приспособленную для данного грунта форму. Именно этой теме и был посвящен одни из докладов.

Есть и другие способы. И все они вытекают из одной задачи: уменьшить трение между слоем снимаемой земли и рабочим органом машины. Чтобы преодолеть это трение, машина расходует от 30 до 60% мощности. И легко представить, какой огромный выигрыш в производительности будет получен, если эту задачу удастся решить хотя бы частично.

Может быть, покрывать рабочий орган машины хорошо скользящим, антифрикционным материалом, например тефлоном? Такое использование достижений современной химии полимеров позволяет снизить потери мощности чуть ли не до 40%. Но… тефлоновое покрытие быстро изнашивается, а более стойкое химия пока еще не предложила.

Электроосмос — проникновение электрически заряженных частиц сквозь слой твердого вещества — тоже может быть использован. Если воткнуть во влажную землю проводник, а другим будет рабочий орган машины, то капельки подпочвенной воды поползут невидимыми капиллярными ходами и будут Смачивать рабочий орган. Опыты показали, что при использовании этого метода коэффициент трения между отвалом (или ковшом) и грунтом в некоторых случаях уменьшался на 80%. Поразительный результат! Но, во-первых, дело это очень тонкое и требует еще больших проработок, а во-вторых, этот метод неприменим для сухих грунтов.

А если использовать принцип воздушной подушки? Сегодня он находит себе все более широкое применение в транспортной технике. Что получится, если на отвал бульдозера подать сжатый воздух? Между ним и слоем земли образуется воздушная подушка. Тогда трение резко уменьшится. По данным Харьковского автомобильно-дорожного института, в некоторых случаях сопротивление отвалу бульдозера снизится на 30%. Тот же эффект у скрепера (рис 1).

Рис. 1. Скрепер с газодинамическим воздействием на грунт:

1 — ковш; 2 — источник сжатого газа; 3 — трубопровод подачи газа к ковшу; 4 — выхлопные отверстия в ковше; 5 — выхлопные сопла у заслонки; 6 — заслонка; 7 — трубопровод к заслонке.

И еще более современные научные достижения приходят на помощь традиционной лопате. Проведены эксперименты по разрушению сверхпрочных грунтов и даже скал гидромониторами сверхвысокого давления: 7000 кгс/см², огромная начальная скорость струи, пульсирующей с частотой 5 выстрелов в секунду. Это то, что может дать нынешняя гидравлика. А квантовая физика предлагает лазерные лучи, плазму. В печати появились сообщения об электронно-лучевом устройстве для резания мерзлых грунтов и скальных пород.

В Ленинградском горном институте создана проблемная лаборатория разрушения горных пород электромеханическим методом. Здесь используются токи сверхвысокой частоты: до 2400 МГц. Вот, например, одна из конструкций, предложенная ленинградскими учеными (авторское свидетельство № 319225). С обычным бульдозером связана рама, движущаяся впереди него. К раме шарнирно прикреплены движущиеся по земле лыжеобразные стальные электроды. Токи СВЧ разогревают почву, и ковш бульдозера режет ее. Независимая подвеска позволяет лыжам копировать рельеф разрабатываемого массива.

А можно обойтись и без рамы, поместив электроды прямо в ковш экскаватора или на нож бульдозера (авторское свидетельство № 378598). Генератор СВЧ тоже в ковше. Он отгорожен дополнительной стенкой и включается только при сопротивлении мерзлого грунта режущим кромкам зубьев. Грунт перед зубьями при этом мгновенно теряет прочность. Все это означает, что рождается принципиально новый класс землеройных машин.

Но, пожалуй, наиболее далеко продвинулись ученые и инженеры в создании машин, где грунт снимается не ножом, а… взрывом. Ну и что? — могут сказать некоторые. Давно известен способ, при котором плотные грунты сначала взрывают, а уж потом перемещают землеройными машинами. Это так, но здесь речь идет совершенно о другом. Взрывное устройство располагается на самом рабочем органе машины — отвале бульдозера, ковше экскаватора и т. д.

Рис. 2. Схема работы взрывного устройства:

1 — базовая машина; 2 — камера сгорания; 3 — свеча зажигания; 4 — отвальное устройство: а) — отвал внедряется в грунт, в камеру сгорания подается топливо и воздух; б) — смесь в камере воспламенилась; в) — газы, прорвавшиеся через отверстия в отвале, уносят землю и расчищают путь отвалу для следующего передвижения.

Слово «взрыв» в нашем сознании ассоциируется исключительно с энергией разрушения, с применением для этой цели специальных веществ. И невольно забываешь о том, что работа любого автомобильного двигателя — это, в сущности, серия последовательных взрывов: В цилиндрах взрывается рабочая смесь, состоящая из топлива и воздуха. Газы, образующиеся при этом, толкают поршень. А что, если поршня нет? Тогда газовая струя вырвется наружу с силой, вполне достаточной, чтобы разрыхлять даже твердую, как камень, землю. Этот именно способ и взяли на вооружение ученые и инженеры для разработки прочных грунтов.

Принцип действия устройства таков (рис. 2): на рабочий орган машины 1 помещено взрывное устройство — нечто вроде двигателя внутреннего сгорания, где есть цилиндр, а поршня нет. Камера 2 (цилиндр) заряжается смесью топлива и сжатого воздуха. Свеча зажигания 3 воспламеняет смесь. Все идет обычным путем: в камере резко повышается температура газа и его давление. Открываются выпускные клапаны; газы с силой устремляются наружу через отверстия в нижнем части рабочего органа 4 (отвал, ковш и т. д.). Грунт при этом разрыхляется, и рабочему органу гораздо легче сдвинуть его в сторону.

А на рисунке 3 изображен уже новый бульдозер, оборудованный такой установкой. Эксперименты на моделях н опытных образцах показали, что ‘машины такого типа, изготовленные на базе обычных гусеничных тягачей, могут иметь производительность в 15—20 раз большую, нежели существующие бульдозеры того же класса. Вот пример: опытный экземпляр бульдозера с взрывным устройством перебросил за час 11 500 м3 земли; обычный же тяжелый бульдозер за то же время справляется всего лишь с 500 м3 грунта. Траншею шириной в 3 м и глубиной в 1,5 м бульдозер, оборудованный взрывным устройством, копает со скоростью 3,2 км/ч.

Но испытания показали и серьезные недостатки нового способа: бульдозер при взрывах уводит в сторону, нужно каким-то образом изменить конструкцию рабочего органа — отвала; велика реактивная отдача от силы взрыва; сложно обеспечить камеры сгорания сжатым воздухом для продувки и зарядки их свежей смесью, для этого необходим компрессор высокой производительности — 30—40 м³/мин — иначе рабочую скорость машины придется уменьшить. Решением всех этих задач и занялись ученые.

Чем сильнее сопротивление взрыву, тем разрушительнее его действие: значит, нужно, чтобы отвал плотно внедрился в грунт. Тогда земля прочными пробками забьет выпускные отверстия. Всесоюзный научно-исследовательский институт строительного и дорожного машиностроения предложил конструкцию отвала бульдозера, к которому приделан спереди дополнительный клин (а. с. 253627). Клин раздвигает грунт так, что он уплотняется именно перед выпускными отверстиями иа отвале.

Для того чтобы отпала необходимость в компрессоре, МАДИ предлагает конструкцию камеры сгорания, оборудованную поршнем. Так что на отвале бульдозера получается уже как бы настоящий маленький двигатель. С помощью этого поршня и сжимается в камере сгорания воздух (а. с. 379749).

Одним словом, конструктивных вариантов множество, потому что поиск в этом направлении ведется интенсивнейший. И неудивительно: подсчитано, что экономия от работы одного бульдозера, оборудованного взрывным устройством, составляет до 700 тыс. руб. в год.

Ну а чем скрепер хуже бульдозера? Пусть и его работе поможет взрыв. Разница лишь в том, что здесь надо не откидывать грунт в сторону, а наоборот, забрасывать его в ковш. Взрыв это и делает. Причем усилие копания резко снижается, дополнительный трактор, подталкивающий скрепер сзади, оказывается ненужным; полезный же объем ковша можно увеличить.

В № 2 «М-К» за этот год в статье «Рубанок для планеты» рассказывалось о самом большом в нашей стране скрепере, емкость ковша которого равняется 26 м³. Помните рисунок? Гигантская машина, под ковшом которой может пройти легковой автомобиль. А сейчас конструкторы работают над проектами скреперов с ковшами объемом 40—60 м³. Какими же гигантами должны быть эти машины?!

Исследования в Московском автомобильно-дорожном институте показали, что использование взрыва, газодинамической интенсификации увеличивает производительность скреперов на 10—15 и более процентов. Именно этой теме и был посвящен доклад студента Богатырева.

Рис. 3. Бульдозер, оборудованный взрывным устройством (внизу — в разрезе):

1 — отвал; 2 — компрессор; 3 — двигатель; 4 — механизм подъема рабочего оборудования, 5 — тягач; 6 — топливный бак; 7 — направляющие пластаны для отбрасывания грунта в сторону; 8 — система подачи воздуха, 9 — система подачи топлива; 10 — свеча зажигания; 11 — камера сгорания; 12 — выхлопные отверстия для выхода газа; 13 — датчик включения зажигания.

Но такие бульдозеры и скреперы пока не вышли за пределы лабораторий н испытательных полигонов. Экспериментальный же образец новой машины, прокладывающей каналы методом взрыва, испытан в этом году в Молдавии.

Оказалось, что из всех серийно выпускаемых промышленностью землеройных машин лучше всего приспособлен для использования энергии взрыва плужный каналокопатель. И вот почему. Рабочий орган этой машины имеет форму клина, который проделывает в земле глубокую V-образную борозду. Еще раз, еще — и вот готов мелиоративный канал нужной глубины и профиля. Камеру сгорания, или, как ее называют, импульсный газогенератор, можно разместить между плоскостями клина без всякой его переделки. Только в плоскостях нужно просверлить отверстия, чтобы через них в грунт вырывались газы.

И еще одно преимущество. Когда газы взрываются в грунте, образуются именно V-образные выемки. Для бульдозера это плохо: он должен дать ровную поверхность. Ему приходится эти выемки разравнивать. А для каналокопателя хорошо — мелиоративный канал должен иметь именно такой профиль.

Новая машина, сконструированная в Московском инженерно-строительном институте, получила название КВД-1, что означает каналокопатель взрывного действия, а почему первый, объяснять не нужно.

КВД-1 тоже конструировался с использованием прежних узлов. То же шасси, тот же рабочий орган. Только между плоскостями его размещен импульсный газогенератор. Он работает в обычном режиме нормального сгорания рабочей смеси. И потому назван ИГН — импульсный генератор нормального сгорания. Камера сгорания — часть генератора —- сообщается с выпускными отверстиями в передней кромке клина.

КВД-1 отличает от стандартного каналокопателя энергоблок, размещенный в передней части тяговой рамы. В него входит компрессор, узлы системы питания и зажигания, а также лебедка для подъема рабочего органа. Тяговое усилие снижается в два-три раза.

Девятая пятилетка финиширует. Страна готовится встретить XXV съезд партии, который наметит рубежи нового пятилетнего плана. В его гигантской программе будет предусмотрено и строительство новых автомобильных дорог, каналов, промышленных предприятий. Выполнять же этот объем станет гораздо легче с помощью землеройных машин, впереди которых «идет» взрыв.

Р. ЯРОВ, инженер