Zpět na materiály, výrobky, technologie

Stroje pro zemní stavební práce

21. dubna 2008
Ing. Branko Remek, CSc.

Následující text popisuje segment strojů a zařízení pro zemní a skalní práce ve stavebnictví a okrajově segment strojů a zařízení pro výstavbu a údržbu vozovek pozemních komunikací a liniových tratí.


V bývalém Československu bylo několik významných výrobců stavebních strojů a těžkých nákladních automobilů. Na stavbách stále nacházíme výrobky nesoucí značky STAS (Stasis), Stavostroj Nové Město nad Metují, Uničovské strojírny Uničov, či Detvan ZŤS (Závody ťažkého strojárstva) Dubnica nad Váhom. Některé z nich zanikly, např. automobilka LIAZ, jiné fúzovaly se silnějšími partnery nebo se transformovaly do konkurenceschopnějšího uspořádání. Trh v České republice ovšem již ovládají největší globální výrobci s širokým výrobním programem, např. Atlas - Copco, Case, Caterpillar, IVECO (Astra, New Holland, Perlini), JCB, Komatsu, PTC, Terex (Schaeff), Volvo Construction Equipement a Volvo Trucks a další.

Stavební práce a těžba surovin
Mezi základní stroje používané pro povrchovou těžbu surovin patří rypadla lopatová a speciální, nejčastěji korečková nebo kolesová. Rypadla rozrušují, rozdělují, nabírají a nakládají horniny a podle konstrukce jsou mobilní nebo jen omezeně mobilní. Kontinuální korečkové nebo kolesové rypadlo, obvykle s elektrickým pohonem, je jen omezeně pohyblivé v těžební lokalitě, a pro stavební práce je proto nevhodné. Stavebnictví vyžaduje rypadla menší a snadno přemístitelná, ať již vlastní silou ?po ose? nebo na podvalníku se silničním tahačem. Ve stavebnictví se k zemním pracím proto používají mobilní lopatová rypadla s kolovým nebo pásovým podvozkem. Ústrojí pohonu tvoří vznětový motor s mechanickými nebo hydrostatickými převody. Základním pracovním nástrojem je výšková nebo hloubková lopata na sklopném výložníku. Objem nakládací lopaty bývá až 5 m3 a objem hloubkové lopaty je vždy menší, cca 1 m3. S hloubkovou lopatou je pracovní hloubkový dosah až 5 m pod rovinu stanoviště stroje a s výškovou až 15 m nad tuto rovinu. Vodorovný dosah bývá menší.
Původní mechanické lanové ovládání je na ústupu a v současné době se používá ovládání hydraulické. Většina výrobců nabízí vedle různých typů výložníků i doplňkové pracovní nástroje, jakými jsou např. překlápěcí lopata, čelisťová lopata, drapák, rozrývací trn, bourací kladivo aj. Snahou výrobců je, aby stroj nebyl jen čistě jednoúčelový, ale naopak univerzálně použitelný v širokém spektru pracovních činností na stavbě. Vedle již zmíněných strojů se v oblasti rypadel uplatňují i výrobky společností Kubota, Neuson-Wacker a Yanmar.
Nakladače kolové a pásové slouží k rychlé velkokapacitní nakládce materiálu, rozrušené zeminy či kameniva. Jejich podvozky i ústrojí pohonu jsou obdobné jako u mobilních rypadel. Hlavní výrobci rypadel proto nabízejí i nakladače a nabídku na trhu doplňují stroje Ercolino a Locust Way. Vytěžená zemina se nakládá na vhodné přepravní a dopravní stroje.

Příprava staveniště
Z hlediska nasazení mechanizačních prostředků pro přípravu staveniště je zásadní rozdíl mezi stavbou ve volné přírodě, extravilánu a stavbou v intravilánu, tj. v již dříve zastavěné oblasti, např. v městské aglomeraci. V obou případech však jde o těžbu zeminy či materiálu, jeho přemístění a odvoz. Pro účinné a bezpečné nasazení kapacitních stavebních strojů a zařízení, včetně zdvihací techniky, však musí předcházet výstavba provizorních vozovek, jejichž zemní těleso musí být konstrukčně upraveno v příčném i podélném sklonu a dostatečně zhutněno. Podobně musí být upraveny i potřebné manipulační plochy a napojení na veřejné komunikace. Zvláštní důraz je kladen na zamezení znečištění veřejných komunikací při přejezdu a výjezdu staveništních vozidel a strojů. K základním používaným strojům patří dozery, grejdry, skrejpry a zhutňovací stroje a zařízení. K plošné těžbě zeminy a jejímu povrchovému přemísťování slouží dozery a skrejpry.
Dozery se rovněž používají pro odstraňování porostů, pařezů, rozprostírání zeminy, svahování, případně i k postrku skrejprů a při osazení přídavným zařízením i k rozrývání zemin a hornin. Dozery jsou použitelné při jízdě do sklonu 25o/30o (nahoru/dolů) a příčně do 25o. Podle postavení radlice dozeru, resp. možnosti jejího natáčení se rozeznává buldozer, angldozer a tiltdozer. Radlice buldozeru je výškově stavitelná a kolmá na směr pojíždění. Radlici angldozeru lze ve vodorovné rovině natáčet do šikmé polohy, což je vhodné pro boční shrnování, a radlici tiltdozeru lze natáčet ve svislé rovině pro účely vytvoření šikmých hran nebo rýh. Možné jsou rovněž různé kombinace těchto základních typů. Šířka radlice bývá 2,5 až 6 m. Ekonomická přepravní vzdálenost u pásového dozeru je do 50 m a u kolového až dvojnásobná. Kolové dozery, vycházející konstrukčně z kolových nakladačů, jsou obecně rychlejší než dozery pásové, nepoškozují povrch a mohou být přepravovány ?po ose?. V obtížných terénních podmínkách je však nasazení kolových dozerů problematické nebo dokonce nemožné.
Skrejpry rozpojují zeminu břitem na spodní straně korby, do které je následně rozpojená zemina vtlačována. Elevátorový skrejpr plní korbu nuceně lopatkovým elevátorem po předchozím seříznutí zeminy nožem korby. Po rozpojení a naložení je zemina přepravována v korbě skrejpru, která je při převozu uzavřená. Objem korby bývá 10 až 40 m3 a přepravní vzdálenost dosahuje v závislosti na velikosti korby až 2000 m. Skrejpr může pracovat ve svahu, jehož příčný sklon nepřesáhne 10o a podélný asi 15o, ale pro výjezd či nájezd na pracovní plochu jen 10o. Podle způsobu pohonu jsou skrejpry přívěsné, návěsné a motorové. Zvláštností je použití dvou samostatných motorů u největších kloubových strojů. Zajímavostí je použití dvou skrejprů spřažených do ?tandemu?, kdy v první fázi těží a nakládá první z nich a druhý jen tlačí a ve druhé fázi první táhne a druhý těží a nakládá. Pro přesun a vykládku se tandem rozpojuje. Vyprazdňování korby je prováděno vyklápěním nebo výtlačnou stěnou a zpětným chodem elevátoru.
Grejdry jsou zemní stroje určené k přesnému dorovnávání povrchu u zemních prací, odřezávání tenkých vrstev zeminy s malým odporem, na rozhrnování sypkých hmot a na dokončovací práce. Původní přívěsné grejdry se dnes využívají jen výjimečně a většina výrobců nabízí samohybné grejdry s vlastním pohonem vznětovým motorem. Obvyklé uspořádání pohonu je 6x4, tj. dvojice zadních poháněných náprav a řiditelná přední náprava. Pokud je grejdr vybaven i dozerovou radlicí a rozrývačem, lze jej využít i pro těžení zeminy. Poloha grejdrové radlice je variabilní ve velmi širokém rozsahu, např. ji lze vysunovat do stran mimo podvozek, otáčet o 360o a měnit úhel břitu, čili sklon radlice. Ovládání je hydraulické z místa strojníka-řidiče. Nabídku oblíbených grejdrů firem Caterpillar a Volvo doplňuje specialista Nobas.

Zhutňovací a dokončovací práce
Zhutňování je velmi důležitá technologická operace, vyskytující se na stavbě pozemních komunikací prakticky po celou dobu výstavby. Optimální zhutnění zemního tělesa i všech vrstev samotné konstrukce vozovky má zásadní vliv na životnost celého díla. Zhutňovací stroje pro stavební práce využívají několika metod zhutňování. Podle způsobu vyvození zhutňovacího účinku dochází ke zhutnění zeminy či materiálu:

  • statickým tlakem, vyvozeným hmotností hladkého válce s ocelovým běhounem;
  • tlakem a hnětením, vyvozeným válcem ježkovým, mřížovým nebo pneumatikovým;
  • rázem, vyvozeným pěchem či pěchovací deskou;
  • dynamickým tlakem, vyvozeným vibračním válcem nebo vibrační deskou.

Tlak způsobený vlastní hmotností válce je přenášen do zhutňované vrstvy, čímž v ní vyvolává smyková napětí vedoucí k pohybu částic a zhutnění. Důležitým parametrem pro zhutnění je tzv. statické lineární zatížení, dané zatížením válce a jeho šířkou. K základním parametrům statického válce (stroje) s hladkým ocelovým běhounem patří jeho celková hmotnost, počet poháněných běhounů, pracovní rychlost a způsob řízení. Nejběžnější jsou dvouosé tandemové válce s dvojicí stejně velkých poháněných válců a dvouosé tříběhounové válce s dvojicí větších poháněných válců a jedním menším válcem řiditelným. Hmotnost statických válců bývá až 15 t a statické lineární zatížení 20 až 50 N/mm.
Nejjednodušší válce zhutňující tlakem a hnětením jsou válce rýhované, mřížové a ježkové. První dva jsou vhodné pro hutnění písků a štěrkopísků. Válce ježkové se uplatňují u těžkých jílovitých zemin. Univerzální použití mají tzv. tampingové (dusací) válce, nevhodné jsou pouze pro skalnaté materiály. Nejčastěji se však v praxi uplatňují pneumatikové samopojízdné válce s možností změny tlaku v pneumatikách. Počet kol bývá lichý (3 až 11) a často se používá tzv. izostatické zavěšení zaručující rovnoměrné zatížení všech kol. Pneumatikové válce jsou vhodné pro zhutňování soudržných zemin a asfaltových směsí. Naopak nevhodné jsou pro stejnozrnné nesoudržné materiály.
Vibrační válce využívají ke zhutnění nejen statického, ale i dynamického účinku síly, resp. tlaku ve zhutňované vrstvě. Vibrace snižují vnitřní tření mezi jednotlivými zrny materiálu, a proto může být statické lineární zatížení běhounu válce nižší. Tento efekt zohledňuje tzv. dynamický součinitel, jehož hodnota bývá 1,5 až 1,8. Znamená to, že pro stejné zhutnění může mít vibrační válec asi o polovinu nižší hmotnost než válec statický. Pro dynamické účinky je rozhodující frekvence a amplituda vibrací, přičemž frekvenci lze v určitém rozsahu plynule měnit, obvykle v rozmezí 20-40 Hz. Podle konstrukce se vibrační válce dělí na:

  • malé ručně vedené, často s pomocným řídicím kolem a hmotností do 1500 kg;
  • jednoběhounové, samopojízdné s kloubovým propojením přední běhounové části a zadní částí s dvojicí poháněných kol s pneumatikami;
  • tandemové dvouosé s hmotností až 15 t;
  • kombinované dvouosé s jedním vibračním válcem s hladkým ocelovým běhounem a jednou řadou tří až pěti pneumatik.

Vibrační válce jsou nejvhodnější pro zhutňování nestejnozrnných písků a štěrkopísků, s výjimkou skalnatých materiálů. K tradičním dodavatelům vibračních válců patří především Amman a Bomag. Mezi drobné zhutňovací stroje se řadí nesené vibrační desky, výbušné pěchy a tzv. žáby.
Velmi důležitým příslušenstvím vibračních válců je elektronický kompaktometr, průběžně vyhodnocující míru zhutnění, který je schopen vyhodnotit z paměti místa s nedostatečným zhutněním a okamžik, kdy další zhutňování je již neúčinné. Principem je snímání odrazu vibrací od zhutňované vrstvy.
Nivelační systém a dokončovací práce Při práci na rozlehlých stavebních plochách se používá i navigační systém GPS ke sledování a řízení pohybu pracovních strojů.
Hydraulické ovládání pracovních nástrojů zemních strojů umožňuje snadnou aplikaci opto-elektronických nivelačních systémů, které jsou v praxi označovány jako laserová nivelace. Základní princip je velmi jednoduchý. Poblíž upravované plochy je na stojanu umístěn otočný vysílač laserového paprsku, který vytváří základní laserovou rovinnou plochu. Na řízeném stroji je umístěn všesměrový přijímač sledující polohu stroje, resp. pracovního nástroje vůči základní rovině. Elektronická řídicí jednotka jednoduchým algoritmem porovnává okamžitou polohu pracovního nástroje s požadovanou polohou a ručním nebo samočinným zásahem do elektrohydraulického ovládání polohy se dosahuje požadovaných výškových parametrů upravované plochy. Laserový nivelační systém je běžně použitelný u dozerů, skrejprů i grejdrů. Pracovní oblast je asi 300 m okolo vysílače a přesnost zemních prací je vynikající ±20 mm.
Univerzální dokončovací stroje jsou v podstatě rypadla na kolovém nebo pásovém podvozku s teleskopickým výložníkem a širokýmpříslušenstvím. K základním pracovním nástrojům patří nejen různé typy lopat, radlice, rozrývací nůž, kleště, zhutňovací válec, ale také zvláštní nástroje, jako např. řezač asfaltu či hydraulické kladivo. Tyto stroje jsou určeny pro přesné dokončovací práce, rozpojování, nakládání, přemísťování zeminy, svahování a lze je využít i pro hloubení jam. Vlastní pracovní pohyb zajišťuje teleskopicky výložník, přičemž kolový automobilový nebo traktorový podvozek musí být pevně jištěn výsuvnými podpěrami, nutnými z hlediska dostatečné stability stroje při práci.

Trendy
Jednou z cest ke zvýšení konkurenceschopnosti na trhu je zvyšování sériovosti a snižování výrobních nákladů, jak materiálových, tak i mzdových. Je zřejmé, že technický vývoj musí stále více využívat komponent, které již na trhu jsou a pro použití ve stavebních strojích potřebují jen minimální úpravy. Příkladem jsou nejen elektrické a hydraulické komponenty, ale i ústrojí pohonu. K pohonu se používají většinou přeplňované vznětové motory nezávislých výrobců, např. Caterpillar, Cummins, Detroit Diesel (Daimler) ad., s výkonem 100 až 500 kW. Je samozřejmé, že ti z výrobců, kteří vyrábí i těžké nákladní automobily, jako jsou IVECO a Volvo, používají vlastní motory. Standardem je, že i motory pracovních strojů plní emisní normy platné pro silniční vozidla, tj. v Evropě Euro 4 a 5 a jim obdobné v Japonsku a Severní Americe. Převodovky jsou obvykle samočinné Allison. Výjimkou však není ani hydrostatický přenos výkonu, především u kloubových (článkových) strojů.
I když z technologických důvodů snižování hmotnosti není u řady strojů prioritou, je zjevný trend náhrady lisovaných ocelových nenosných dílů plastovými, především z důvodů poměrně snadných změn a úprav designu. I těžký pracovní stroj musí být dnes esteticky zdařilý a líbivý. Průmyslový design je na zjevném vzestupu, což se zřetelně projevuje i v designu a ergonomii pracoviště řidiče či strojníka. Vytápění, větrání, klimatizace, komfortní sedadlo a další patří ke standardu.
Zcela nepřehlédnutelnou oblastí je sofistikovaná mechatronika, tj.využití elektronických řídicích systémů k ovládání pracovních systémůstroje, včetně pohonu a pojezdu. Důvodem je nejen komforta snadnost obsluhy zařízení a zvýšení přesnosti pracovních úkonů,ale také zvýšení bezpečnosti stroje proti nesprávné manipulaci, přetíženíči dokonce havárii stroje. Snížené nároky na provozní údržbustroje vedou také ke zvyšování časového využití stroje, který stálečastěji pracuje prakticky v nepřetržitém provozu. Dokonalé využitístroje se v konečném důsledku vyplácí nejen provozovatelům, ale i výrobcům.