PRO REALIZACI STAVEBNÍCH PRACÍ

JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH ZEMĚDĚLSKÁ FAKULTA --------------------------------------------------------------------------------------------- Katedra zemědělské, dopravní a manipulační techniky České Budějovice STROJNÍ ZAŘÍZENÍ PRO REALIZACI STAVEBNÍCH PRACÍ Interní učební text Ing. Ivo C e l j a k, CSc. České Budějovice 2009

OBSAH SKRIPT 0 Úvod 6 1 Pracovní materiál strojů pro zemní práce horniny 7 1.1 Vlastnosti hornin 7 1.1.1 Fyzikální vlastnosti hornin 7 1.1.2 Mechanické vlastnosti hornin 11 1.1.3 Technologické vlastnosti 13 1.2 Klasifikace hornin 14 2 Teorie rozpojování hornin 17 2.1 Způsoby rozpojování hornin 17 2.2 Základní tvary a geometrie pracovních nástrojů 19 2.2.1 Nástroje na řezání 20 2.2.2 Rozpojování hornin horizontálním a vertikálním nožem 21 3 Teorie konstrukce strojů pro zemní práce 22 3.1 Silové poměry mezi pracovním zařízením a strojovým spodkem 22 3.2 Vymezení hledisek a režimů 22 3.3 Pevné spojení pracovního zařízení a strojového spodku 23 3.3.1 Stroj s kolovým strojovým spodkem - analytické řešení 23 4 Přehled strojů pro zemní a meliorační práce 25 4.1 Dozery (Dozers) 25 4.1.1 Rozdělení dozerů 25 4.1.2 Pracovní zařízení dozerů 26 4.1.3 Technické požadavky na dozery 27 4.1.4 Základní rozměry a parametry dozerů 27 4.1.5 Pracovní proces dozerů 28 4.1.6 Teoretický výpočet maximálního objemu zeminy hrnutého před radlicí 29 4.1.7 Hodnocení vlastností dozerů 31 4.1.8 Výpočet výkonnosti dozerů 32 4.1.8.1 Teoretická výkonnost 32 4.1.9.2 Provozní výkonnost Q p 33 4.1.9.3 Pracovní výkonnost Q s 34 4.1.10 Výpočet pracovních odporů stroje 35 4.1.11 Konstrukce dozerů 37 4.1.12 Předpokládané využití dozerů 37 4.2 Nakladače (Loaders) 38 4.2.1 Rozdělení nakladačů 38 4.2.2 Pracovní zařízení nakladačů 39 4.2.3 Konstrukce strojového spodku nakladačů 40 4.2.4 Určování základních parametrů nakladačů 41 4.2.5 Hodnocení nakladačů 42 4.2.6 Výpočet výkonnosti nakladačů 42 4.2.7 Teoretická výkonnost 42 4.2.8 Provozní výkonnost Q p 42 4.2.9 Pracovní výkonnost Q s 44 4.2.10 Výběr nakladače 44 4.2.11 Předpokládané využití nakladačů 45 4.3 Univerzální čelní nakladače smykem řízené (Skid Control Loaders) 45 2

4.3.1 Předpokládané využití smykem řízených nakladačů 46 4.3.2 Nejpoužívanější přídavné adaptéry smykem řízených nakladačů 46 4.4 Teleskopické nakladače (Telescopic Handlers) 48 4.5 Lopatová rýpadla (Hydraulic Excavators) 50 4.5.1 Hlavní části a celky rýpadel 51 4.5.2 Hlavní konstrukční části pásových a kolových podvozků 52 4.5.3 Hlavní parametry rýpadel 53 4.5.4 Technické a technologické požadavky kladené na rýpadla 53 4.5.5 Výkonnost hydraulických lopatových rýpadel 54 4.5.6 Teoretická výkonnost 54 4.5.7 Provozní výkonnost Q p 54 4.5.8 Pracovní výkonnost Q s 56 4.5.9 Výkonnost lopatových rýpadel při hloubení příkopů 56 4.5.10 Předpokládané využití rýpadel 56 4.5.11 Sací rýpadlo využívající k těžení horniny energii vody 57 4.5.12 Sací rýpadlo využívající energii vzduchu 57 4.6 Skrejpry (Tractor Scrapers) 60 4.6.1 Hlavní výhody skrejprů 62 4.6.2 Hlavní nevýhody skrejprů 62 4.6.3 Rozdělení skrejprů a jejich použití 62 4.6.4 Problematika pracovního procesu skrejpru 63 4.6.5 Teoretická výkonnost skrejpru 64 4.6.6 Provozní výkonnost Q p 64 4.6.7 Pracovní výkonnost Q s 64 4.6.8 Stanovení pracovních odporů skrepru 66 4.6.9 Předpokládané využití skrejprů 70 4.7 Grejdry (Road graders) 71 4.7.1 Technický popis grejdru 72 4.7.2 Pracovní proces grejdru 72 4.7.3 Pracovní výkonnost Q s 73 4.7.4 Potřeba energetického zdroje 74 4.7.5 Předpokládané využití grejdrů 75 4.8 Dampry (Dump Trackers) 76 4.8.1 Rozdělení damprů 76 4.8.2 Technický popis dampru 76 4.8.3 Pracovní výkonnost Q s 77 4.8.4 Potřeba energetického zdroje 79 4.8.5 Předpokládané využití damprů 80 4.8.6 Výkonnost damprů a motorových vozidel při přepravě materiálu 81 4.8.6.1 Teoretická výkonnost dopravy 82 4.9 Univerzální zemní stroje (Backhoe Loaders) 84 4.9.1 Výkonnost univerzálního zemního stroje 84 4.9.2 Předpokládané využití univerzálního zemního stroje 85 4.9.3 Technický popis univerzálního zemního stroje 86 4.9.4 Poznámky k pohybu univerzálních zemních strojů na svazích při práci 86 4.10 Hutnící mechanizace 87 4.10.1 Válce (Rollers) 88 4.10.1.1 Výpočet tloušťky zhutnění válci 90 3

4.10.1.2 Stanovení celkového odporu závěsného válce 91 4.10.1.3 Pracovní výkonnost Q s válců 92 4.10.1.4 Předpokládané využití válců 94 4.10.1.5 Zhutňování pneumatikovými válci 94 4.10.2 Vibrační desky (Vibrating Plates) 94 4.10.2.1 Předpokládané použití vibračních desek 94 4.10.3 Vibrační pěchy (Vibratory Ramers) 94 4.10.3.1 Předpokládané použití vibračních pěchů 94 4.10.4 Poznámka k hutnění zpětných zásypů rýh v silničním tělese 95 4.11 Kompaktory (Landfill and Soil Compators) 97 4.11.1 Technický popis kompaktoru 97 4.11.2 Předpokládané využití kompaktorů 98 4.12 Bezvýkopové technologie (Dirt Moving Technology) 98 4.12.1 Přehled hlavních technologií pro realizaci bezvýkopových otvorů 98 4.12.2 Obecné výhody bezvýkopové technologie řízeného horizontálního vrtání se zpětným vtahováním užitného potrubí 99 4.12.3 Nevýhody bezvýkopové technologie řízeného horizontálního vrtání se zpětným vtahováním užitného potrubí 100 4.12.4 Předpokládané využití 100 4.12.5 Technické údaje řízeného vrtání se zpětným zatahováním užitného potrubí 100 4.12.6 Technologie s využitím propichovací neřízené rakety pro přímý směr protlačování potrubí, tvorba otvorů v hornině s využitím materiálu horniny k vytvořením stěn 101 4.12.7 Technické údaje běžně používaných propichovacích raket 101 5 Stroje pro údržbu staveb k odvodnění pozemků 101 5.1 Korečkový rýhovač (Bucket Elevator) 103 5.1.1 Výpočet výkonnosti korečkového rýhovače 103 5.2 Řetězový rýhovač s řeznými noži (Chain Elevator) 104 5.2.1 Výpočet výkonnosti řetězového rýhovače 104 5.3 Frézový rýhovač s hroty z tvrdokovu (Cutting Ditch Cleaner) 105 5.4 Kolesový frézový rýhovač (Wheel Cutter) 105 6 Zemní vrtací stroje (Drilling Machines) 105 6.1 Funkční principy vrtných systémů 105 6.2 Rozdělení vrtných souprav podle konstrukční koncepce 106 6.3 Rozdělení podle způsobu pohybu 107 6.4 Rozdělení podle průměru a hloubky vrtaných otvorů 107 6.5 Předpokládané využití zemních vrtacích strojů 107 7 Stabilizační frézy (Stabilizing Rotary Hoes) 107 7.1 Předpokládané využití stabilizační frézy 107 8 Mechanizace určená k odstraňování nežádoucích nárostů na melioračních a stavebních plochách 108 8.1 Rozdělení mechanizace podle způsobu odstranění nežádoucích nárostů 108 8.2 Drtiče biomasy (Shredders) 108 8.2.1 Drtič nesený s horizontální osou rotoru 109 8.2.2 Mobilní uzavřené drtiče pro zpracování odpadní dřevní hmoty 110 8.2.3 Předpokládané využití drtičů 111 8.2.4 Předpoklady pro dosažení optimální výkonnosti drtiče 112 8.3 Mulčovače (Mulchers) 112 8.3.1 Výkonnost mulčovačů 114 4

8.4 Motorové řetězové pily (Chain Saws) 114 8.4.1 Výkon spotřebovaný na řezání 115 8.4.2 Výkonnost při práci s motorovou řetězovou pilou 116 8.4.3 Předpokládané využití motorové řetězové pily 116 8.5 Štěpkovače (Chippers) 116 8.5.1 Výpočet výkonnosti štěpkovače 118 8.5.2 Předpokládané využití štěpkovačů 119 8.6 Mechanizace pro klučení pařezů (Uprooting mechanizatins) 119 8.7 Frézy na pařezy (Stump Cutters) 119 8.8 Rotační kladivový rozbíječ (půdní fréza) (Soil Cutters) 121 8.8.1 Potřeba energetického zdroje pro rotační kladivový rozbíječ 121 8.9 Křovinořezy (Rotary Shrub Slashers) 125 8.9.1 Řezné orgány křovinořezu 125 8.9.1.1 Řezné orgány pro vyžínání měkkého bylinného pokryvu 125 8.9.1.2 Řezné orgány pro vyžínání odrostlého a zdřevnatělého bylinného pokryvu a odstraňování keřové vegetace 125 8.9.1.3 Řezné kotouče pro kácení dřevinné vegetace 125 8.9.2 Předpokládané využití křovinořezů 127 9 Manipulační prostředky (Operating of Mechanization) 127 9. 1 Hydraulické jeřáby jako manipulační prostředky 127 9.1.1 Technologické a technické parametry hydraulických jeřábů (hydraulic cranes) 129 9.1.2 Příklady technických parametrů hydraulických jeřábů 130 9.1.3 Technicky možná výkonnost hydraulického jeřábu 130 9.1.4 Směnová výkonnost hydraulického jeřábu 131 10 Mechanizace pro odstraňování sněhu z komunálních ploch a vozovek 131 11 Použitá literatura 5

0 Úvod Vazba předmětu Stroje pro zemní a meliorační práce na obor Pozemkové úpravy a převody nemovitostí má své hluboké opodstatnění, protože úpravy pozemků zahrnují zejména následující úkoly: 1. Půdoochranná opatření v krajině (protierozní opatření, půdní eroze, větrná eroze, trvale zamokřené pozemky - odvodnění); 2. Ekologická opatření v krajině (biokoridory podél cest, biocentra, parky, lesy); 3. Krajinotvorná opatření (meliorační objekty, polní a lesní cesty, ochranné nádrže, hnízdiště ptáků, úkryt zvěře, podpora biodiverzity) 4. Vybudování a údržba ochranných staveb pro zajištění životního prostředí obyvatel (stavby proti hluku, vodě, větru); 5. Vybudování a údržba staveb sloužících k průmyslovému využití (odkaliště, plavební kanály, recyklační dvory, skládky komunálního odpadu); 6. Výstavba a údržba vodních děl (rybích útulků přechodů, skluzů, umělých tůní, retenčních nádrží); 7. Správné hospodaření a využití pozemků (ne vše je určeno k zemědělskému hospodaření); 8. Obnovení pořádku ve vlastnictví, což někdy vyžaduje úpravu tvarově nevhodných parcel nebo nepřístupných míst; 9. Vybudování a údržba staveb sloužících k využití volného času občanů (parky, golfová hřiště, sportovní areály); 10. Realizace přípravných a dokončovacích staveb složišť komunálního a jiného odpadu (nepropustnost podloží, uzavření vrchní části pro osázení zelení, resp. další využití). Bez využití zemních strojů a mechanizace, při provádění zemních prací a údržby objektů, by realizace výše uvedených úkolů nebyla možná. Domnívám se, že je velmi důležité znát problematiku nasazení zemních strojů. Zejména je důležité orientovat se v nabídce zemních strojů, mít představu kde mohou být nasazeny na práci, za jak dlouho práci provedou a jaké překážky přitom budou muset překonávat. To znamená, že je třeba vědět o možnostech pro překonání překážek, resp. za jakých podmínek a v jakém prostředí mohou stroje pracovat. Do problematiky správného nasazení zemních strojů vstupuje mnoho faktorů. Například to, že povrch Země není tvořen jednou homogenní horninou, ale skládá se z mnoha rozmanitých, střídajících se hornin. Rozpojitelnost hornin může být rozdílná téměř na každém metru stavby. Zemský povrch není plochý, naopak, jsou zde kopce, řečiště, nádrže, ostrožny, údolí a podobně, což vytváří obtíže při pohybu a práci strojů. Důležitou roli také hraje obsah vody v hornině, protože může dojít ke změně vlastností horniny při střídajícím se počasí. Stroj, který jeden den bez problémů pracoval, již druhý den nepracuje, protože dochází ke skluzu nebo prokluzu kol jeho podvozku a jeho pohyb je nemožný, resp. nebezpečný pro operátora i pro okolní prostředí. Existuje mnoho vlivů, které ovlivní výkonnost strojů. V praktickém nasazení zemních strojů totiž nelze uvažovat matematicky na základě technických údajů z katalogu. Je nutné vždy do výpočtů zahrnout určité opravné koeficienty, které výpočty výkonnosti výrazně ovlivní. Opravné koeficienty reagují na konkrétní podmínky při práci strojů. V extrémních případech sníží výkonnost stroje až polovinu! To je zásadní problém v časových a finančních kalkulacích. Většina strojů má možnost realizovat práce s mnoha pracovními nástroji. Umožňuje to hydraulické ovládání pracovních orgánů. Použití strojů je téměř univerzální. I 6

mohutný stroj může připravit povrch terénu do podoby, která byla kdysi úkolem pečlivého pracovníka s hráběmi. 1 Pracovní materiál strojů pro zemní práce - horniny 1.1 Vlastnosti hornin Z hlediska zpracovatelnosti se řadí horniny (nerudné) k materiálům nehomogenním a anizotropním. Jejich mechanické vlastnosti jsou do značné míry ovlivněny působením vnějších vlivů (vlhkostí, erozí a podobně), což způsobuje značné potíže při výpočtech odporů, kterými reagují na svojí zpracovatelnost. Proto je nutné se seznámit se základními a vzájemnými závislostmi těchto materiálů. Horniny vznikají v průběhu geologických procesů zvětrávání, transportu a sedimentace z vyvřelých, hlubinných a sedimentárních skalních hornin. Toto zvětrávání může být buď: mechanické - nastává v důsledku atmosférických účinků, vlivem střídání nízkých a vysokých teplot, gravitačními účinky, erozní činností povrchové a prosakující podzemní vody, ledu a větru; chemické - způsobené slabými chemickými roztoky, které se vyskytují v přírodě. V zemské kůře se vyskytují prvky ve sloučeninách, které nazýváme minerály - primární horninotvorné - sekundární Ve skalních horninách je známo asi 200 horninotvorných materiálů primárních (například křemen, živec, uhličitany, slídy). Sekundární minerály se ve sklaních horninách nevyskytují. Vznikají chemickým zvětráváním, které způsobuje rozpad a změny mineralogického složení skalních hornin. Dále bude věnována pozornost zjišťování vzájemných účinků mezi nástrojem a rozpojovanou horninou, vnějšími vlivy při jízdě, při zatížení strojů a jejich částí, při činnosti pracovních orgánů, apod. Vždy půjde o spojení materiál pracovní mechanismus příslušného stroje. Z tohoto hlediska bude nutno se zajímat o takové vlastnosti hornin, které ovlivňují předchozí účinky z hlediska energetické náročnosti, protože vždy je nutné, aby byl pro rozpojování horniny pracovním nástrojem k dispozici potřebný výkon motoru stroje. 1.1.1 Fyzikální vlastnosti hornin Tyto vlastnosti charakterizují horninu buď trvale (měrná hmotnost) nebo vyjadřují okamžitý stav, který se může vlivem vnějšího prostředí měnit (vlhkost, objemová hmotnost). Fyzikálními (popisnými) vlastnostmi se rozumí takové vlastnosti, které popisují hmotu materiálu ve vztahu k objemu, vztah mezi fázemi horniny nebo si všímají důsledků vzájemného působení těchto fází. Granulometrické složení (zrnitost) Granulometrické složení (zrnitost) patří k základní vyhodnocovací vlastnosti nesoudržných i soudržných hornin, která zpravidla rozhoduje o zařazení horniny. Údaje o zrnitosti jsou uvedeny v následující tabulce. Zrnitost hornin má přímý vliv na jejich zpracovatelnost a jejich další mechanické vlastnosti. 7

Tabulka 1 - Označení zrn podle ČSN 72 1002 Velikost zrn (mm) Označení (název) menší než: 0,002 jíl, slín 0,002-0,063 prach 0,063-0,250 jemný 0,250-1 písek střední 1-2 hrubý 2-8 drobný 8-32 štěrk střední 32-128 hrubý 128-256 kameny větší než: 256 balvany Pórovitost Pórovitost horniny je určena poměrem objemu pórů V p k celkovému objemu vzorku V, tedy: V p n = -----, nebo vyjádřeno v procentech n = -------. 100 V V Často se používá k hodnocení pórovitosti hornin tzv. číslo pórovitosti e, které udává poměr objemu pórů V p k objemu sušiny (zrn) V s, tedy: V p V p e = -----, kde V s = V - V p V s Z praktického hlediska je pórovitost měřítkem ulehlosti hornin. Čím je hornina více zhutněná, tím je pórovitost menší. Pórovitost má dále vliv na objemovou hmotnost, stabilitu, nasákavost, filtrační schopnosti a mrazuvzdornost hornin. Při těžení hornin dochází k jejich nakypření, čímž se pórovitost zvětšuje. Pórovitost hornin kolísá ve velkém rozsahu a je závislá především na způsobu vzniku horniny, dále na tvaru a velikosti zrn. Sypké horniny usazené v rychle tekoucí vodě mají větší pórovitost než při sedimentaci v pomalu tekoucí, nebo stojaté vodě. Čím je nehomogenita horniny větší, tím je menší pórovitost, neboť menší zrna dobře zaplňují mezery mezi zrny většími. Pórovitost horniny je tím větší, čím větší je poměr povrchu jednotlivých zrn k jejich objemu. Horniny se zrny kulovitého tvaru mají pórovitost menší než horniny se zrny ostrohrannými, nepravidelnými. Maximální pórovitost se určuje zpravidla jako pórovitost vysušené horniny, sypané do odměrné nádoby pomocí násypky z malé výšky. Maximální pórovitosti se dosáhne umělým zhutněním horniny v pevné nádobě za současného účinku zatížení a vibrace nebo úderů. S tímto souvisí i princip hutnění prostřednictvím hutnící mechanizace. 8

U soudržných hornin se maximální ani minimální pórovitost nedají zjistit. O jejich mechanickém chování rozhoduje vlhkost a plastické vlastnosti. Podle velikosti se póry dělí kapilární (vlásečnice) s průřezem do 0,2 mm a na póry nekapilární (vzdušné), které mají průřez větší. Zatímco kapilárními póry vzlíná voda k povrchu horniny, nekapilárními póry naopak prosakuje směrem dolů. Nekapilární póry jsou většinou naplněny vzduchem. Propustnost Propustnost závisí ve značné míře na tvaru a velikosti zrn a dále na pórovitosti. Čím obsahuje hornina více kapilárních pórů, tím se propustnost snižuje a naopak. Písčité horniny jsou velmi propustné a proto se s výhodou používají jako horní, krycí vrstvy, neboť nezamrzají. Vzlínavost Představuje pohyb vody v hornině od hladiny spodní vody směrem k povrchu. Závisí na množství a jemnosti kapilárních pórů - čím jsou póry menší, tím více vzrůstá vzlínavost. Horniny hrubozrnné (například hlinitopísčité) mají malou vzlínavost, naopak horniny jemnozrnné, homogenní mají vzlínavost větší. Pórovitost, propustnost a vzlínavost jsou tedy v úzké vzájemné souvislosti. Z praktického hlediska jsou tyto vlastnosti zajímavé zejména z hlediska mrazuvzdornosti hornin. Čím více volné vody hornina obsahuje, tím dochází k většímu promrzání a vzniká nebezpečí vážných poruch staveb. Pro budování násypů jsou nejvhodnější nesoudržné horniny, protože jsou propustné a dobře zhutňují. Namrzající hornina působí vážné problémy při rozpojování. Měrná hmotnost Měrná hmotnost, resp. hustota, je poměr hmotnosti pevných částic horniny vysušené při teplotě 100 110 C do stálé hmotnosti m s k jejich objemu V s. Voda, která je pevně vázaná k povrchu zrn a zůstane v hornině i po vysušení, se počítá za součást horniny. Objemová hmotnost Objemová hmotnost je hmotnost objemové jednotky horniny, sestávající z pevných částic a pórů, které jsou vyplněné částečně (případně úplně) vodou nebo vzduchem. Pro praktické použití má největší význam objemová hmotnost v přirozeném stavu. Tato hodnota je potřebná při výpočtech výkonnosti zemních strojů a při přepravě horniny. Objemová hmotnost vysušené horniny je měřítkem její ulehlosti, a proto je používána k hodnocení zhutnění hornin. Pokud je možno vyřezat z horniny pravidelné těleso, určuje se objemová hmotnost (ať již v přirozeném nebo vysušeném stavu), jako podíl hmotnosti tělesa k jeho objemu, tedy: m ρ v = --------. 1000 ( kg.m 3 ) V kde m - hmotnost vzorku (g) V - objem vzorku (cm 3 ) Takto stanovená objemová hmotnost udává hmotnost horniny v původním, tzv. rostlém stavu. Při těžbě hornin dochází k jejich nakypřování, tedy ke zvyšování původního objemu. To znamená, že objemová hmotnost vytěžené horniny se zmenšuje podle stupně 9

nakypření. Při výpočtech výkonnosti zemních strojů a při výpočtech objemu přepravené horniny se používají hodnoty objemových hmotností v rozpojeném stavu. Vlhkost Vlhkostí horniny se rozumí množství vody v ní obsažené, které lze z horniny odstranit vysoušením při teplotě 100-110 C do stálé hmotnosti (viz. ČSN 72 1012). Vyjadřuje se jako poměr hmotnosti vody k hmotnosti vysušené horniny. Nejčastěji se vlhkost udává v procentech podle vztahu: m - m s w = ---------. 100 ( % ) m s kde m - hmotnost vlhké horniny m s - hmotnost vysušené horniny (kg) (kg) U písčitých hornin se vyjadřuje vlhkost často podle stupně nasycení S r, který je dán vztahem: V v V v S r = --------- = ------- V - V s V p S r = 1 - vodou nasycený písek V - celkový objem vzorku m3 S r 0,8 - velmi vlhký písek V v - objem vlhké horniny m 3 Sr = 0,25-0,8 - vlhký písek V s - objem sušiny m 3 S r 0,25 - zavlhlý písek V p - objem pórů m3 S r 0,02 - suchý písek Vlhkost má na vlastnosti hornin podstatný vliv, přičemž se u různých hornin projevuje nestejně. Sypké horniny (písky) zvětšují s narůstající vlhkostí svůj objem, ztrácí sypké vlastnosti a hůře se přepravují. Soudržné horniny s přibývající vlhkostí zmenšují svou pevnost, čímž se snižují odpory při rozpojování, avšak zpravidla se současně zvětšuje jejich lepivost. U jílovitých hornin dochází k rozbředání jejich povrchu, což vede ke zhoršování průjezdnosti strojů. Zejména u kolových podvozků dochází k prokluzu kol při překonávání svahu nebo terénních nerovností. Tvrdé horniny snižují na vrstevnatých plochách svou pevnost v tlaku při zvětšování vlhkosti, v důsledku zmenšení tření na plochách. Konzistence Jak je důležitá u nesoudržných hornin jejich ulehlost a stupeň nasycení vodou, tak u hlinitých a jílovitých hornin je rozhodující vlastností jejich soudržnost, která je bezprostředně závislá na konzistenci horniny. 10

Konzistence představuje soudržnost mezi jednotlivými částicemi horniny závisející na její vlhkosti. Podle obsahu vody může být hornina v různých konzistenčních stavech. Stav tvrdý a pevný odděluje mez smrštitelnosti w s, stav pevný a plastický mez plasticity (vláčnosti) w p a stav plastický a tekutý mez tekutosti w L. Kvantitativní výraz konzistence hlinitých hornin je udáván tzv. ukazatelem konzistence I C, který je vyjádřen vztahem : w L - w w L - w I C = ----------- = ---------- w L - w p I P kde I P = w L - w p je index (číslo) plasticity, w = vlhkost horniny Soudržnost hornin je způsobena vnitřními molekulárními silami a silami kapilárními. Soudržnost od kapilárních sil je soudržnost pravá, která nepomíjí při změnách vlhkosti. Soudržnost od nekapilárních sil je soudržnost zdánlivá, která mizí při vysušení horniny.podle hodnot konzistenčních mezí lze usuzovat na pevnost a stlačitelnost hornin. Má-li například určitá hornina vyšší mez tekutosti, pak to znamená, že má menší propustnost a sníženou stlačitelnost, resp. pevnost. Rozpustnost Rozpustnost charakterizuje chování hornin působí-li na ně proudící voda. Rozpouštění a s tím související odplavování hornin nastává při určité rychlosti proudění vody. Tato rychlost je závislá na druhu horniny. U hlinitých hornin se odplavování začne projevovat při rychlostech větších než je 0,1 m.s -1. Rozpustnost a odplavování mají svou důležitost při těžení hornin proudem vody. 1.1.2 Mechanické vlastnosti hornin K mechanickým vlastnostem patří vlastnosti, k jejichž zjištění je třeba vyvodit sílu, jejíž účinek na přetvárné charakteristiky materiálů se vyžaduje. Mechanické vlastnosti podstatně ovlivňují průběh rozpojovacího procesu a spotřebu energie (požadavek na výkon motoru stroje). Kypřitelnost Při rozpojování hornin dochází vždy ke zvětšování jejich původního objemu. V běžné praxi je zaveden pojem součinitele nakypření k n, který vyjadřuje poměr objemu rozpojené horniny k původnímu objemu horniny v rostlém stavu. Hodnota součinitele nakypření k n závisí na druhu horniny a také na způsobu těžby. Jeho průměrná hodnota se pohybuje v rozmezí 1,1 až 1,5. Ve stejném poměru, v jakém zvětší vytěžená hornina svůj objem, sníží se její objemová hmotnost. Z hlediska spotřeby energie může mít zvětšování objemu těžené horniny v případě, kdy odřezaná tříska nemá možnost volného odsunu k povrchu horniny, za následek zvýšení tření v místě rozpojování, a tedy tomu odpovídající zvýšení spotřeby energie. Smyková pevnost 11

Při mechanickém rozpojování horniny, např. působením pracovních nástrojů u strojů pro zemní práce, vzniká v hornině prostorový stav napětí, který se při pronikání pracovního nástroje zvětšuje, až dosáhne mezní hodnoty, odpovídající smykové pevnosti dané horniny. V tom okamžiku dojde k usmýknutí odřezávané třísky. Smyková pevnost je rozdílná u hornin nesoudržných a soudržných. U hornin nesoudržných (písčitých) je hlavním zdrojem jejich pevnosti ve smyku tření mezi zrny, které je dáno úhlem vnitřního tření horniny ϕ 1, viz následující tabulka 2. Tabulka 2 - Průměrné hodnoty úhlů vnitřního tření ϕ 1 nesoudržných hornin Popis horniny Nakypřený stav Ulehlý stav Jemné písky s oblými zrny 28 0 35 0 Písky různorodé 32 0 40 0 Písky různorodé ostrohranné 35 0 45 0 Štěrk 35 0 50 0 Pevnost hornin ve smyku τ se u nesoudržných hornin vyjadřuje pomocí Coulombovy rovnice: τ = σ. tg. ϕ 1 ( Pa ), kde σ - normální zatížení působící na plochu porušení (Pa) ϕ 1 - úhel vnitřního tření horniny Určení smykové pevnosti písčitých hornin laboratorně je obtížné, protože ze sypkých hornin nelze odebírat neporušené vzorky. Proto se jejich smyková pevnost určuje jednoduše podle úhlu přirozeného sklonu, který u sypkých hornin přibližně odpovídá úhlu vnitřního tření a snáze se zjišťuje, viz následující tabulka 3. Tabulka 3 - Úhly přirozených sklonů horniny Druh a stav horniny Úhel přirozeného sklonu ( ) suchý 35-40 Písek vlhký 40 mokrý 25 Písčito-hlinitá hornina suchá 40-50 Písčito-hlinitá hornina vlhká 30-40 Písčito-hlinitá hornina mokrá 20-30 Štěrk suchý 35-40 Štěrk mokrý 25 U soudržných hornin je smyková pevnost závislá na součiniteli vnitřního tření f 1 a na soudržnosti - kohezi - horniny c. Závisí tedy, jak na třecí síle mezi částicemi a normálním tlaku, tak na vnitřních silách soudržnosti. Coulombův vztah má v tomto případě tvar : τ = σ. tgϕ 1 + c = σ. f 1 + c ( Pa ) c - koheze - soudržnost horniny Smyková pevnost soudržných hornin se určuje laboratorně na smykových přístrojích. 12

Průměrné hodnoty úhlů vnitřního tření a soudržnosti pro soudržné hodnoty jsou uvedeny v následující tabulce 4. Tabulka 4 - Hodnoty úhlů vnitřního tření a soudržnosti pro soudržné horniny Popis horniny Úhel vnitřního tření ϕ 1 ( ) Soudržnost c ( ) Suché spraše 20-35 ( 0,1-0,3 ). 10 5 Mokré jíly 1-3 Vlhké jíly méně jak 25 ( 0,2-0,4 ). 10 5 Suché jíly méně jak 28 ( 1-2 ). 10 5 Pevné jíly 30 ( 3-5 ). 10 5 Tření horniny o ocel Toto tření má značný vliv na efektivnost rýpání. Závisí na podmínkách, druhu a stavu obou materiálů a na dalších faktorech, zejména na specifickém tlaku, rychlosti vnikání břitu nástroje do horniny a pod. Vyjadřuje se přibližně součinitelem tření horniny o ocel, resp. o pracovní nástroj, f 2 = tg ϕ 2, nebo třecím úhlem ϕ 2, jak je uvedeno v následující tabulce 5. Tabulka 5 - Průměrné hodnoty součinitele tření horniny o ocel f 2 Ocel, stav povrchu Hornina hlinito-písčitá Křemičitý písek Hornina písčito-hlinitá Humus Stav horniny Leštěná ocel 0,45 0,526 0,63 0,45 vlhká Neopracovaná ocel 0,48 0,559 0,78 0,52 vlhká Leštěná ocel 0,33 0,445 0,36 0,36 suchá Neopracovaná ocel 0,41 0,471 0,50 0,43 suchá 1.1.3 Technologické vlastnosti Technologické vlastnosti hornin mají vztah především k provádění zemních a podzemních staveb. Akustická impedance K určení akustické impedance hornin slouží tzv. metody sonické, které zkoumají šíření zvuku ve zkoušeném materiálu. Podle druhu použitého zvuku se používá buď metody ultrazvukové impulsové nebo metody rezonanční. Mrazuvzdornost Mrazuvzdornost je schopnost horniny nasáknuté vodou odolávat střídavému zmrazování a rozmrazování. U pórovitých a nasákavých hornin se vady způsobené mrazem vyskytují tehdy, když vnitřní napětí vzniklé zvětšením objemu zmrzlé vody naruší strukturu horniny. Rozsah změn závisí na velikosti, tvaru, druhu a rozdělení pórů, na množství nasáknuté vody, na maximální a minimální teplotě, rychlosti zmrazování a počtu zmrazovacích a rozmrazovacích cyklů. Sklon horniny 13

Hodnota přirozeného sklonu horniny závisí na druhu horniny, její zrnitosti a vlhkosti. Je podmíněna hodnotami úhlů vnitřního tření a kohezí. Jedná-li se o sypkou horninu, pak se uvažuje tzv. sypný úhel, jehož velikost bude záviset na součiniteli vnitřního tření, na zrnitosti a vlhkosti. Objemová tíha elementu horniny je ρ. g = γ. Tato síla se rozloží do směru rovnoběžného se svahem a do směru kolmého. Proti posunutí elementu působí tření o povrch svahu. Z podmínky rovnováhy vyplývá : a po úpravě : ρ. g. sinβ = ρ. g. cosβ. tgϕ 1 tgβ = tgϕ 1 tedy β = ϕ 1 Při vytvoření násypu ze sypaniny s dodržením určité bezpečnosti svahu, je nutno zvolit sklon menší než je sypný úhel dané horniny. Pokud by se jednalo o stavbu násypu ze soudržných hornin (při současném zhutňování), pak v podmínce rovnováhy elementu horniny je třeba uvažovat též soudržnost horniny. Soudržné horniny jsou schopné se udržet na určitou výšku jako svislá stěna. Dojde-li k sesunutí svahu, vytváří se u těchto hornin samovolná kluzná plocha zakřiveného tvaru. Většina teorií i výpočtových metod k řešení stability svahů vychází z předpokladu, že kluzná plocha má v řezu tvar kruhový. Tabulka 6 - Typické vlastnosti některých hornin v oblasti zemních prací Hornina Objemová hmotnost rozpojené horniny ρ n (kg.m -3 ) Objemová hmotnost rostlé horniny ρ r (kg.m -3 ) Koeficient nakypření k n Koeficient zhutnění k z Vlhkost horniny v rostlém stavu (%) Čedič 1960 2900 1,47 0,7 Hlína 1600 1920 1,2 0,8 22 Jíl 1660 1909 1,15 0,9 Písek vlhký 1840 2100 1,14 0,95 40 Suchý písek 1420 1620 1,14 20 Pískovec 1510 2400 1,6 18 Štěrk 2020 2700 1,34 0,6 Žula 1660 2750 1,65 Vápenec 1540 2710 1,75 1.2 Klasifikace hornin Při praktickém nasazení strojů pro zemní práce je otázka určení charakteristiky příslušné horniny, zejména z hlediska vzájemného působení pracovního nástroje a podvozku s půdou, zcela zásadní. Je zřejmé, že jiné specifické vlastnosti hornin budou důležité při provádění zemních prací, jiné při sondovacích pracích a jiné při podzemních stavbách či zakládání staveb. Z hlediska působení pracovních nástrojů strojů pro zemní práce na horninu při těžení horniny bude důležitá klasifikace hornin podle obtížnosti jejich rozpojování. 14

Klasifikace hornin pro zemní práce - podle rozpojitelnosti Klasifikace hornin podle jejich rozpojitelnosti je stanovena normou ČSN 73 3050 - Zemní práce. Tato norma zatřiďuje horniny podle charakteristických vlastností a podle obtížnosti rozpojitelnosti do sedmi tříd. Na rozpojitelnost mají vliv petrografické vlastnosti hornin, úložné poměry, mocnost vrstev, jejich směr a sklon vzhledem ke hloubení, hustota a rozpukání, odlučnost a stupeň zvětrání horniny. Pro posouzení rozpojitelnosti je nutné brát v úvahu i vlivy klimatu, zvláště v případech, kdy se posuzuje rozpojitelnost horniny dodatečně, po delším časovém období nebo v období mrazů. Rozpojitelnost hornin je třeba určit již předběžně pro účely projektu a volbu strojního zařízení. 1. Třída Horniny sypké až kypré, rozpojitelné lopatou a) Lehce rozpojitelné soudržné, měkké konzistence I C = 0,05-0,75 (ukazatel konzistence), I P menší než 17 (číslo plasticity). Patří sem například : Ornice, hlína, písčitá hlína, hlinitý písek b) Nesoudržné kypré, popř. se štěrkovými zrny do 5 cm, I P menší než 0,33. Patří sem například: Písek, písek se štěrkem, písčitý štěrk a drobný štěrk se zrny do 2 cm bez omezení a se štěrkovými zrny od 2 do 5 cm v množství menším než 10% objemu z celkového objemu rozpojované horniny 1. třídy c) Stavební odpad a navážka obdobného charakteru jako horniny zařazené do 1. třídy. 2. Třída Horniny lehce rozpojitelné, které lze rýpat zahradním rýčem. a) Lehce rozpojitelné soudržné, tuhé konzistence, I C = 0,75, I P = menší než 17. Patří sem například: Ornice, hlína, prachová hlína, písčitá hlína, hlinitý písek b) Nesoudržné, středně ulehlé, I P = 0,33 až 0,67, popřípadě se štěrkovými zrny do 10 cm. Patří sem například: Písčitý štěrk a střední štěrk se zrny do 5 cm bez omezení a štěrkovými zrny od 5 do 10 cm v množství menším než 10% z celkového objemu rozpojované horniny 2. třídy. c) Stavební odpad a navážka obdobného charakteru jako horniny zařazené do 2. třídy. 3. Třída Horniny rozpojitelné kopáním krumpáčem plochým koncem. a) Středně rozpojitelné - soudržné, pevné a tvrdé konzistence, I C = větší než 1,00, I P = menší než 17. - soudržné, měkké a tuhé konzistence, I C = 0,05 až 1,00, I P = menší než 17. Patří sem například : Hlína, spraš, jílovitá hlína, písčitý jíl a jíl. b) Nesoudržné ulehlé, I P = větší než 0,67, popřípadě s kameny největšího rozměru 25 cm. Patří sem například: Hrubý písčitý štěrk a hrubý štěrk se zrny do 10 cm bez omezení a s kameny největšího rozměru 10 až 25 cm v množství menším než 10% objemu z celkového objemu rozpojované horniny 3. třídy. c) Nesoudržné, zařazené do 2. a 3. třídy se soudržným tmelem měkké a tuhé konzistence, I C = 0,05 až 1,00, nesoudržné, zařazené do 2. a 3. třídy se soudržným tmelem pevné a tvrdé konzistence, I C = větší než 1,00, I P = menší než 17. 15

d) Skalní a poloskalní silně zvětralé, s velmi oslabenou strukturní vazbou, technicky hodnocené jako jílovito-písčité a skeletové horniny, popř. zvětraliny. Patří sem například: Eluvia, tektonicky porušené zóny, hydrotermální rozložené horniny. e) Stavební odpad a navážka obdobného charakteru jako horniny zařazené do 3. třídy. 4. Třída Horniny těžce rozpojitelné kopáním, resp. ostrým koncem krumpáče s vylamováním, snadno rozpojitelné mechanicky. a) Těžce rozpojitelné soudržné, pevné a tvrdé konzistence, I C = větší než 1,00, I P = větší než 17. Patří sem například: Jíl, písčitý jíl, jílovitá hlína, písčitá hlína, prachovitá hlína. b) Nesoudržné, popř. s balvany do objemu 0,1 m 3 jednotlivě. Patří sem například: Hrubý štěrk se zrny do 10 cm bez omezení, s kameny největšího rozměru 10 až 25 cm v množství 10-50% objemu z celkového objemu rozpojované horniny 4. třídy a s balvany nad rozměr 25 cm do objemu 0,1 m 3 jednotlivě v množství menším než 10% objemu z celkového objemu rozpojované horniny 4. třídy. c) Nesoudržné, zařazené do 2, a 3. třídy se soudržným tmelem pevné a tvrdé konzistence, I C = větší než 1,00, I P = větší než 17. Patří sem například: Drobný a střední štěrk s jílovitým nebo hlinitým tmelem. d) Poloskalní středně zpevněné, navětralé poloskalní zpevněné, zvětralé s oslabenou strukturní vazbou. Patří sem například: Navětralé jílovce, slínovce, prachovce, vulkanické tufy, tufity, zvětralé pískovce a břidlice, zvětralé měkké vápence, zvětralá opuka. e) Skalní rozrušené, zvětralé se silně oslabenou strukturní vazbou, středně a značně rozpukané, hornina je podél puklin porušená a při jejím rozpojování se uvolnění šíří do okolí záběru, jednotlivé kusy odpovídají zrnitostí nesoudržným horninám 4. třídy. Patří sem například: Rozrušená žula, rozrušená rula, rozrušený andezit, rozrušený vápenec, rozrušený křemenec. f) Kašovité a tekuté konzistence, I C = menší než 0,05. Patří sem například: Bahnité náplavy, tekutý písek. g) Stavební odpad a navážka obdobného charakteru jako horniny zařazené do 4. třídy. 5. Třída Horniny obtížně rozpojitelné mechanicky, snadno rozpojitelné trhacími pracemi. a) Nesoudržné balvany do objemu 0,1 m 3. Patří sem například: Hrubý štěrk s kameny do 25 cm bez omezení a s balvany od 25 cm do objemu 0,1 m 3 jednotlivě v množství 10 až 50% objemu z celkového objemu rozpojované horniny 5. třídy. b) Nesoudržné zařazené do 4. třídy se soudržným tmelem pevné a tvrdé konzistence, I C = větší než 1,00, I P = menší než 17. Patří sem například: Střední a hrubý štěrk s jílovitým nebo hlinitým tmelem. c) Poloskalní zpevněné, zdravé, ve vrstvách o mocnosti do 15 cm. Patří sem například: Slepenec s jílovitým tmelem, jílovec, jílovité břidlice, písčité břidlice, travertin, pískovce s jílovitým nebo slinitým tmelem, fylit, chloritické břidlice, opuka. d) Skalní vyvřelé, přeměněné a usazené, porušené, navětralé, rozpukané s plochami dělitelnosti ( vrstevnatost, pukliny ) vzdálenými méně než 15 cm. Patří sem například: Navětralá žula, navětralá rula, navětralý andezit, navětralý vápenec, navětralý křemenec, navětralý pískovec. e) Navážka obdobného charakteru jako horniny zařazené do 5. třídy 16

f) Zmrzlé horniny 6. Třída Horniny těžce rozpojitelné trhacími pracemi. a) Nesoudržné s balvany do objemu 0,1 m 3. Patří sem například: Balvany do objemu 0,1 m 3 bez omezení, balvany nad 0,1 m 3 v množství do 50% objemu z celkového objemu rozpojované horniny 6. třídy. b) Skalní vyvřelé a přeměněné, zdravé, s plochami dělitelnosti vzdálenými do 1,0 m v lavicovité, kvádrovité odlučnosti, vzdálenost ostatních puklin je menší než 25 cm. Patří sem například: Žula, rula, andezit, čedič, křemité břidlice, svor, svorová žula, porézní čedič, fylitická břidlice. c) Skalní usazené, zdravé, s mocností vrstvy do 1 m (hrubě lavicovité) se vzdáleností ostatních puklin do 25 cm. Patří sem například: Hrubě úlomkovité až balvanité slepence a aglomeráty s vápnitým a slinitým tmelem, vápence, droby, pískovce s vápnitým a křemitovápnitým tmelem, dolomit. 7. Třída Horniny velmi těžko rozpojitelné. Skalní, zdravé, masívní nebo s odlučností polyedrickou, kulovitou, sloupcovitou a pod. s jednotlivými zaklíněnými hranami, s plochami dělitelnosti sevřenými ve vzdálenosti větší než 25 cm. Patří sem například: Křemence, křemité žuly, diority, diabasy, čediče s hrubě sloupcovitou odlučností, spility, buližníky, rohovce, gabra, andezity, amfibolity, granulity, grandiority, slepence s křemitým tmelem, rohovcové vápence, žilné křemeny, znělce. 2 Teorie rozpojování hornin Rozpojování hornin je ovlivněno třemi základními faktory: a) Druhem a vlastnostmi horniny b) Základními parametry nástroje c) Technologií práce 2.1 Způsoby rozpojování hornin V současné době jsou používány následující způsoby primárního rozpojování hornin: a) Mechanický - pracovní nástroj působí bezprostředně na horninu b) Hydraulický - k rozrušování horniny využívá kinetické energie proudu vody c) Explozivní - k rozrušení horniny využívá přetlaku plynu vzniklého explozivním prohořením třaskavin d) Fyzikální - využívá se účinků ultrazvuku e) Chemický - těžený materiál se převádí do tekutého nebo plynného stavu. Všechny horniny nelze rozpojovat pracovními nástroji zemních strojů. Bez vážnějších problémů lze rozpojovat horniny 1. třídy rozpojitelnosti všemi stroji, naopak horniny 7. třídy rozpojitelnosti nelze rozpojovat vůbec. Pro zemní stroje je určení třídy rozpojitelnosti důležité, zejména z hlediska vzájemného působení pracovního nástroje a horniny, se kterou 17

přichází v průběhu pracovního procesu do bezprostředního styku. V následující tabulce je přehled zemních strojů ve vazbě na třídy rozpojitelnosti hornin. Tabulka 7 - Nasazení zemních strojů při rozpojování horniny příslušné třídy rozpojitelnosti Třída horniny Zemní stroj vhodný pro rozpojování 1. Nakladače Univerzální zemní stroje Skrejpry Rýpadla Dozery Grejdry Rotační rozbíječ 2. Nakladače Univerzální zemní stroje Skrejpry Rýpadla Dozery Grejdry Rotační rozbíječ Rozrývače (nesené grejdry nebo dozery) 3. Univerzální zemní stroje pouze s rýpacím zařízením Skrejpry Rýpadla s vyšším výkonem motoru Dozery Rotační rozbíječ Rozrývače nesené dozery Zemní vrtací stroje 4. Rýpadla s vyšším výkonem motoru Dozery s rozrývači Rotační rozbíječ (STC) Zemní vrtací stroje 5. Rýpadla velmi výkonná Dozery s rozrývači Rotační rozbíječ (STC) Zemní vrtací stroje 6. Rozpojování explozivním způsobem Zemní vrtací stroje 7. Rozpojování explozivním způsobem Zemní vrtací stroje Mechanický způsob rozpojování Z hlediska měrné spotřeby energie na vytěžení 1 m 3 horniny je mechanický způsob nejvýhodnější s 0,05 až 0,3 kwh.m -3. Tento způsob je nejrozšířenější. U těžkých hornin bez předchozího nakypření je nutno použít vyšších pracovních tlaků a spotřeba vzroste na 3,0 až 4,0 kwh.m -3. Mechanickým způsobem je těženo 80-85% hornin (podíl hydraulického těžení je 7-8%, podíl explozivního těžení je 1-3%). Mechanický způsob rozpojování lze rozdělit podle způsobu technologie na: 18

1. Řezání - tříska horniny je odřezávána od horninového masívu elementárním nožem 2. Vrtání - k rozpojování hornin dochází v důsledku otáčení stroje. Princip řezání je využíván u strojů pro zemní práce, proces vrtání tvoří zpravidla přípravnou část k rozpojování odstřelem. Hydraulický způsob rozpojování Tento způsob využívá účinku proudu tlakové vody. Zpravidla se vody využívá i k dopravě a ukládání vytěžené horniny - tzv. hydromechanizační způsob těžby. Vlastním těžícím nástrojem je zde hydromonitor, kterým se přivádí k místu těžení usměrněný proud tlakové vody o vysoké rychlosti, při těžbě z vody se používá sacích rypadel. Způsob hydraulický pracuje s tlaky 0,6-1,0 MPa a má spotřebu energie 0,2-2,0 kwh.m -3. Výhodou tohoto způsobu těžby je poměrně malá hmotnost i pořizovací cena strojního zařízení přepočtená na jednotku výkonnosti. Nevýhodou je vysoká spotřeba vody a poměrně rychlé opotřebování kalových čerpadel a potrubí a dále velká závislost efektivnosti tohoto způsobu těžení na fyzikálně-mechanických vlastnostech hornin. Explozivní způsob rozpojování Explozivní způsob rozpojování využívá energii výbuchu třaskavin, přičemž dochází k vývinu vysoké teploty a k tvoření velkého objemu horkých plynů, které způsobují při svém rozpínání mechanickou práci. Jednotlivé nálože se umísťují do vyvrtaných otvorů situovaných podle požadované technologie těžby. Tento způsob rozpojování se používá u skalních masívů. Vlastní rozpojovací proces je časově krátký, ovšem množství přípravné práce a manipulace s trhavinami jsou náročné a spojené s dodržováním přísných bezpečnostních předpisů. Spotřeba energie k nakypření 1 m 3 horniny s využitím explozivního způsobu je 0,8-1,1 kwh.m -3. Fyzikální a chemické rozpojování Tyto a další způsoby rozpojování jsou v oblasti zemních prací ve stádiu zkoušek. Jedná se například o využití ultrazvuku, vysokých teplot a vibrací k rozpraskání povrchové vrstvy na drobné částice, které se pak odstraňují proudem vody nebo vzduchu. 2.2 Základní tvary a geometrie pracovních nástrojů Znalost silových účinků působících v procesu rozpojování mezi horninou a nástrojem je nutná z hlediska optimální konstrukce pracovního nástroje a dimenzování jednotlivých částí stroje. Pracovním nástrojem se nazývá ta část stroje pro zemní práce, která bezprostředně působí na horninu prostřednictvím břitů a způsobuje její rozpojování, případně současné těžení. Vlastní tvar pracovního nástroje je závislý na koncepci stroje pro zemní práce a na jeho provozním určení. Pracovní nástroje mohou mít různě tvarované břity. Pracovní nástroj je součástí, radlice, lopaty, korečku, rotoru frézy, korby skrejpru, rozrývače a podobně. Jejich společným znakem je odebírání třísky horniny, přičemž působí na masív rypnou silou vyvíjenou zdrojem energie. 19

Základním požadavkem na konstrukci pracovních nástrojů je dosažení jejich optimálních parametrů, což lze charakterizovat: 1. Minimální spotřebou měrné energie pro proces rýpání 2. Dostatečnou tuhostí a pevností pracovního nástroje 3. Co největší životností jeho aktivní části S těmito problémy souvisí i případná vyměnitelnost opotřebovaného nástroje, tedy způsob upevnění řezné části na základní těleso pracovního nástroje. 2.2.1 Nástroje na řezání Většina strojů pro zemní práce má pracovní nástroj vybaven základními řeznými prvky, zubem, nebo nožem nebo kombinací obou. Na proces rozpojování má největší vliv úhel řezu δ. Mezi jeho hodnotami a odporem rozpojování F r existuje závislost dosahující za určitých podmínek minima. Je-li jako základ nůž s řezným úhlem 90 (kolmý k povrchu rozrušování horniny), pak při zmenšování úhlu a zachování ostatních podmínek řezání potřebná rýpací síla klesá. Konstrukční důvody obyčejně nedávají možnost použití optimálních úhlů. Úhel hřbetu musí být vždy větší než nula, aby se vyloučilo tření horniny o hřbet pracovního nástroje i při jeho zahlubování. Jeho hodnota bývá 5 12. Také úhel ostří musí zajistit dostatečnou tuhost a odolnost proti opotřebení pracovního nástroje a pohybuje se v mezích 20 25 a neměl by přesahovat hodnotu 30. Z uvedeného vyplývá, že úhly řezu mohou být minimálně 25, běžně je to 30 a více. Jejich velikost závisí na ostatních funkcích pracovního nástroje. Řezná hrana u většiny pracovních nástrojů má tvar přímky. Většinou je tento břit nazýván jako obdélníkový. Břit pracovního nástroje ve tvaru prostorové křivky, kde břit vystupuje obloukovitě vpřed a je přitom oblý i v rovině kolmé k pohybu stroje (oblý břit). Vlivem vystupujícího břitu probíhá šikmé řezání a pracovní nástroj s tímto břitem vyžaduje o 15-20% menší tažnou sílu do řezu než u ostří obdélníkového. Pracovní nástroje s oblou hranou však zanechávají oblou stopu, což brání jejich většímu rozšíření. Řezných hran se zuby se používá u pracovních nástrojů s obdélníkovými řeznými hranami určených do různorodých, kamenitých, těžce rozpojitelných hornin. Základní předností pracovních nástrojů vybavených zuby je snazší pronikání do tvrdých hornin v důsledku větší koncentrace rypné síly na břitech zubů. Zuby zvyšují až dvojnásobně hodnotu měrné rypné síly (síly vyvozené na délkové jednotce břitu) a navíc chrání řeznou hranu pracovního nástroje před poškozením. Rypný odpor u těžce rozpojitelných hornin se při použití řezné hrany se zuby sníží až o 10%. Na hodnotu řezného odporu má značný vliv tvar odebírané třísky, daný poměrem tloušťky třísky (hloubka řezání) h k její šířce b. Hodnota řezného odporu prudce narůstá při zvětšování hloubky řezu vzhledem k šířce. 2.2.2 Rozpojování hornin horizontálním a vertikálním nožem Při čelním řezání pomocí horizontálního nože (úhel nastavení nože vzhledem k podélné ose stroje je 90 ) probíhají následující procesy: 20