Эта статья для прорабов и сметчиков, которые считают объём грунта в ковше экскаватора, чтобы спланировать сроки и стоимость земляных работ. Разбираю разницу между паспортным объёмом ковша и реальной наполняемостью, от чего она зависит и как это сказывается на расчёте выработки.
В 2017 году я подбирал JCB JS200 под траншею для коммуникаций в Балашихе - взял машину с ковшом 0,9 м³, ориентируясь на паспортную цифру из каталога. На месте выяснилось: грунт - влажный суглинок, ковш реально набирал почти полный объём с горкой, а траншея была узкой, под 600 мм, и широкий ковш просто не влезал в проектную ширину. Пришлось менять ковш прямо на объекте, теряя смену - за годы на стройплощадках Подмосковья такой сценарий встречался не раз.
Разница между паспортной цифрой и реальным объёмом описывается коэффициентом наполнения ковша - показателем того, насколько реально заполнен ковш относительно его паспортного (геометрического) объёма. Она возникает за счёт шапки - грунта над кромками ковша, который держится благодаря углу естественного откоса (максимальному углу, под которым грунт лежит горкой без осыпания).
Дальше в расчёт выработки входит коэффициент разрыхления - во сколько раз вынутый грунт увеличивается в объёме по сравнению с плотным телом в земле. Для прикидки сроков на объекте ориентируются на нормы ЕНиР (единые нормы и расценки, нормативный документ для расчёта выработки и сроков земляных работ), конкретно раздел Е2-1 по земляным работам.
Геометрический объём ковша экскаватора всегда отличается от фактической наполняемости - разница доходит до 15-30% за счёт шапки грунта, которая держится над кромками ковша.
Коротко
- Геометрический объём ковша и реальная наполняемость расходятся на 15-30% - разницу даёт шапка грунта над кромками ковша.
- Коэффициент наполнения ковша падает до 0,75 на сухой скале и поднимается до 1,25 на влажной глине - почти двукратный разброс.
- Ковш под траншею подбирают не только по массе экскаватора, но и по ширине выемки - широкий ковш в узкую траншею физически не влезает.
- Выработку экскаватора считают как объём ковша на коэффициент наполнения и число циклов в час, делённое на коэффициент разрыхления грунта.
- Нормы ЕНиР Е2-1 дают ориентир по выработке экскаватора в смену - по ним планируют сроки земляных работ на объекте.
От чего зависит объем грунта в ковше экскаватора
Паспортный объём ковша из каталога - это стартовая точка, не гарантия того, сколько грунта экскаватор реально вынесет за цикл. Фактический объём складывается из нескольких факторов: геометрии самого ковша, типа и влажности грунта, массы и мощности машины, усилия копания гидравлики.
Геометрия ковша - это его паспортная вместимость, заданная производителем по одному из стандартов. Дальше в дело вступает грунт: сухой песок осыпается с кромок и не держит горку, влажный суглинок или глина липнет к стенкам и легко формирует шапку сверху. Коэффициент наполнения ковша зависит от типа и влажности грунта - на одном и том же ковше цифра может отличаться почти в два раза.
Масса и мощность экскаватора определяют, какой ковш машина способна наполнить и поднять без перегрузки гидравлики. Лёгкий мини-экскаватор на 1,5-2 т физически не разовьёт усилие копания, чтобы продавить ковш через плотный суглинок на полную глубину - значит, и реальная наполняемость у него ниже паспортной чаще, чем у тяжёлой машины с тем же номинальным ковшом. Слишком большой ковш на лёгкой базе даёт и обратную нагрузку на стрелу и поворотный механизм, что ускоряет их износ.
На практике я видел, как два экскаватора одного класса с одинаковым паспортным объёмом ковша 0,8 м³ показывали разную реальную выработку на одном объекте - у машины с более слабой гидравликой ковш просто не доходил до полной шапки на плотном грунте.
Вместимость ковша по марке экскаватора проще всего узнать из технической документации производителя - там указывают геометрический объём для каждого типоразмера ковша, который идёт в комплектации или доступен как опция. Для обратной лопаты (рабочего оборудования для копания ниже уровня стоянки машины) компания-производитель обычно приводит отдельную таблицу подбора ковшей под массу и усилие копания конкретной модели.
Разные стандарты - SAE (американская методика замера вместимости ковша), CECE (европейский аналог), ISO, PCSA, JIS - задают разные методики измерения вместимости ковша, поэтому цифры в характеристиках двух производителей не всегда сравнимы напрямую. Американский SAE и европейский CECE считают объём по разной высоте заполнения и углу естественного откоса грунта, из-за чего один и тот же физический ковш может иметь разные паспортные литры в зависимости от того, по какому стандарту его измерили.
Геометрический объем и фактическая вместимость: в чем разница
Геометрический объём ковша - это объём, который помещается строго до кромок, без горки сверху. Шапка грунта на ковше увеличивает фактический объём на 15-30% от геометрического значения - именно эта надбавка объясняет, почему паспортная цифра в характеристиках редко совпадает с тем, что экскаваторщик реально вынимает за цикл.
Максимальный объём шапки определяет угол естественного откоса материала: у сухого песка угол маленький, горка почти не держится, и ковш работает близко к геометрическому объёму. У влажной глины угол больше, грунт липнет и держит заметную шапку - отсюда и коэффициент наполнения выше единицы.
В разных стандартах разница между геометрическим и фактическим объёмом заложена по-разному: кто-то измеряет вместимость с горкой заранее, кто-то - строго по кромкам. Для прораба на объекте это означает одно: при планировании выработки нельзя просто брать цифру из рекламного буклета дилера, нужно смотреть, по какому стандарту она посчитана и какой грунт на объекте.
Разница между геометрическим объёмом ковша и фактической вместимостью на моей практике чаще всего всплывает на влажной глине - там коэффициент наполнения доходит до 1,2-1,25, и машина реально вынимает больше, чем написано в паспорте.
Отвечая прямо на частый вопрос: геометрический объём - это фиксированное конструктивное значение ковша, одинаковое для конкретной модели независимо от грунта, а фактическая вместимость - переменная величина, которая меняется от смены к смене вместе с типом и влажностью грунта, износом кромок ковша и манерой оператора набирать грунт.
Коэффициент наполнения ковша по типам грунта
Коэффициент наполнения - показатель, который демонстрирует, какую часть геометрического объёма ковша реально занимает грунт после черпания, и он напрямую зависит от группы грунта. Сухой скальный грунт снижает коэффициент наполнения до 0,75-0,85: кусковатая порода не укладывается плотно, между обломками остаются пустоты, а часть материала скатывается с режущей кромки при повороте стрелы.
На песке и супеси коэффициент держится в районе 0,9-1,0: сыпучий материал легко заполняет полость ковша, но плохо формирует шапку из-за низкого сцепления частиц. Суглинок обычно даёт 1,0-1,1 - связность грунта уже достаточна для устойчивой шапки, но влажность ещё не мешает резанию.
Влажная глина способна увеличивать коэффициент наполнения до 1,1-1,25: вязкий грунт налипает на зубья и днище, формирует высокую шапку и держит угол естественного откоса лучше любого другого типа. У меня на объекте в Подмосковье с суглинком экскаватор заметно сбавлял выработку в сухую погоду и прибавлял после дождя - именно из-за этого эффекта, который по формуле напрямую влияет на итоговый объём грунта в ковше.
| Группа грунта | Коэффициент наполнения |
| Песок, супесь | 0,90-1,00 |
| Суглинок | 1,00-1,10 |
| Глина (влажная) | 1,10-1,25 |
| Разрыхлённый грунт | 0,95-1,05 |
| Скальный грунт (сухой) | 0,75-0,85 |
На скальном грунте с разрыхлением взрывом или гидромолотом ковш редко набирает больше 80% своего геометрического объёма - остальное съедают пустоты между обломками породы.
Как рассчитать объем ковша и производительность экскаватора
Производительность экскаватора рассчитывается через объём ковша, коэффициент наполнения, число циклов в час и коэффициент разрыхления: часовая выработка в плотном теле равна объёму ковша, умноженному на коэффициент наполнения и число циклов, с делением на коэффициент разрыхления. По этой формуле объём грунта в разрыхленном виде переводится обратно к объёму в естественном залегании, который считают проектировщики.
Пример на экскаваторе с ковшом 0,8 м³: при коэффициенте наполнения 1,05 на суглинке, 90 циклах в час и коэффициенте разрыхления 1,2 часовая выработка составит 0,8 × 1,05 × 90 / 1,2 - около 63 м³ плотного грунта в час. На практике число циклов падает при глубоком копании или развороте с полным разворотом стрелы на 180 градусов, так что фактическая выработка на реальном объекте обычно на 10-15% ниже расчётной.
Нормы ЕНиР Е2-1 устанавливают выработку экскаватора в смену по группам грунтов - этот документ до сих пор используют сметчики для расчёта сроков земляных работ, хотя разработан он был для строительной отрасли прошлых десятилетий. Норма задаёт не абстрактное время, а конкретные часы на разработку одного кубометра с привязкой к группе грунта и емкости ковша.
Группа грунта по ЕНиР влияет на нормативное время разработки одного кубометра: для первой группы (пески, супеси) время минимальное, для четвёртой (плотные глины, разрыхлённая скала) - в полтора-два раза больше. Прораб, который считает сроки по паспортной производительности машины без поправки на группу грунта, почти всегда получает отставание от графика уже на первой неделе.
Паспортная производительность экскаватора в рекламных материалах почти всегда дана для первой группы грунта при полном коэффициенте наполнения - в реальных условиях со второй-третьей группой её нужно делить минимум на 1,3.
Как подобрать объем ковша под задачу и тип экскаватора
Объём ковша подбирается по весовому классу экскаватора, а не наоборот - производитель жёстко ограничивает максимальный объём навесного оборудования исходя из массы противовеса и мощности гидросистемы. Поставить ковш большего объёма, чем рекомендует завод, можно физически, но стрела начнёт работать на пределе прочности, а насос - постоянно в режиме перегрузки.
Мини-экскаваторы массой до 3-5 тонн оснащаются ковшом объёмом 0,02-0,1 м³ - такой объём подходит для прокладки инженерных сетей, работы в стеснённых дворах и подвалах, где больше машине просто негде развернуться. Лёгкие машины 6-12 тонн обычно работают с ковшом 0,2-0,4 м³ и закрывают основной объём частного строительства.
Экскаваторы среднего класса 15-25 тонн работают с ковшом 0,6-1,2 м³ - это стандарт для котлованов под многоэтажные дома, прокладки магистральных коммуникаций и разработки траншей под канализацию. Тяжёлые машины 30-40 тонн берут ковш 1,2-2,0 м³ и чаще встречаются на промышленных объектах с большим объёмом вывозки.
Карьерные экскаваторы массой свыше 40 тонн используют ковш объёмом от 2,5 м³ - здесь важен не сам объём ковша, а суммарная производительность на вскрышных работах, где счёт идёт на тысячи кубометров в смену. Оптимальный ковш по ширине должен соответствовать ширине проектируемой траншеи или котлована: если взять ковш шире траншеи, придётся дорабатывать профиль вручную, а узкий ковш на широком котловане увеличивает число проходов и расход топлива.
На объекте среднего класса мне доводилось переставлять ковш с 0,6 м³ на 1,0 м³ под траншею шире проектной - машина справилась, но расход топлива за смену вырос почти на четверть из-за постоянной работы на пределе насоса.
Дополнительное оборудование и материал ковша
Стандартный ковш общего назначения закрывает большинство земляных работ, но на объекте встречаются задачи, где он не подходит. Скальный ковш - узкий, с усиленными зубьями (стальными клыками на кромке, которые врезаются в грунт первыми и принимают основной износ), ставится на разработку щебня и мёрзлого грунта. Усиленный ковш отличается от стандартного толщиной стенки и наличием дополнительных накладок в зоне контакта с грунтом - его берут на абразивные грунты с крупным камнем.
Грейфер - раскрывающийся ковш из двух челюстей, нужен не для копания траншеи, а для выборки сыпучих материалов из колодцев, узких приямков и при погрузке без возможности завести стрелу по оси выемки. Обратная лопата - не отдельный ковш, а тип рабочего оборудования экскаватора, когда ковш установлен зубьями к оператору и тянет грунт на себя: именно так работает большинство гусеничных машин на городских объектах.
Скальный ковш изготавливается из стали повышенной твёрдости для снижения абразивного износа кромки - обычный ковш на щебёнке теряет геометрию зубьев за один сезон, усиленный держит два-три.
Материал кромки - отдельный параметр, который часто упускают при заказе. Зубья из обычной конструкционной стали истираются быстрее и требуют замены каждые 300-500 моточасов на абразивных грунтах, тогда как твёрдосплавные накладки заметно увеличивают межремонтный интервал - на моей практике разница в сроке службы кромки хорошо видна уже за один сезон. На песке и суглинке разница в ресурсе менее критична, и платить за усиленный материал там, где хватает стандартного ковша, экономически не оправдано.
Нестандартный ковш - узкий под траншею конкретной ширины, увеличенного объёма под лёгкий грунт или с иной геометрией режущей кромки - делают под заказ на производстве навесного оборудования для строительной спецтехники. Срок поставки такого ковша от трёх до шести недель против нескольких дней на складскую позицию, и цена выше на 30-50% за нестандартное литьё и индивидуальные крепления. На объекте с жёсткими сроками по проектной документации это нужно закладывать в график техники заранее, а не решать вопрос ковша после выхода экскаватора на площадку.
Что проверить перед заказом техники
Перед тем как рассчитать оптимальный объём и тип ковша, я беру с прораба или заказчика четыре вещи: тип грунта на объекте, ширину и глубину выемки по проекту, класс экскаватора, который будет работать, и сроки по проектной документации. Без этого набора подбор ковша превращается в угадывание, а переделка после начала земляных работ стоит дороже, чем день на расчёт.
- тип грунта - песок, суглинок, глина или скальный грунт определяет коэффициент наполнения и материал кромки ковша;
- ширина и глубина выемки по проекту - траншея под коммуникации требует узкого ковша, котлован под фундамент - широкого;
- весовой класс и усилие копания экскаватора - паспортное значение в технической документации на машину;
- сроки по проектной документации - если ковш нужен нестандартный, срок поставки от трёх недель закладывается в график заранее;
- способ отгрузки грунта - в отвал рядом с выемкой или в самосвал с вывозом.
Усилие копания ковшом - паспортная характеристика экскаватора, и она ограничивает максимально допустимую нагрузку на рукоять: превышение разумного объёма ковша относительно этого параметра бьёт по гидравлике раньше, чем по производительности.
Погрузка в самосвал требует отдельного расчёта: нужно учитывать коэффициент разрыхления грунта и фактическую вместимость кузова, а не геометрический объём ковша. Если взять ковш крупнее, чем позволяет грузоподъёмность самосвала, машину либо перегружают, либо возят недогруженной - в обоих случаях теряют деньги на рейсах. На объектах дорожного строительства и коммунального хозяйства, где самосвалы работают по расписанию, этот расчёт делают до выхода техники на площадку, а не в процессе.
Когда расчёт выходит за рамки типовых таблиц - нестандартная геометрия выемки, слабый грунт на границе несущей способности, работа рядом с действующими коммуникациями - решение по объёму ковша должен проверить специалист по земляным работам, а не только оператор на месте. Это не формальность: неправильно подобранный объём ковша приводит к перегрузке гидравлики или к падению производительности, и обе ошибки обходятся дороже консультации на этапе разработки проекта.
Частые вопросы про объем ковша экскаватора
Сколько кубов грунта вмещает ковш экскаватора?
Зависит от класса машины: мини-экскаваторы берут ковш 0,02-0,1 м³, техника массой 13-20 т - 0,5-1,0 м³, тяжёлые машины от 30 т - от 1,5 м³ и выше. Это геометрический объём по паспорту производителя, фактический объём грунта в ковше за проход обычно ниже на 10-30% в зависимости от грунта.
Сколько ковшей нужно, чтобы загрузить самосвал?
Считают по формуле: грузоподъёмность самосвала в тоннах делят на плотность грунта в разрыхлённом состоянии, затем делят на фактический объём ковша. Для самосвала на 20 т и ковша фактическим объёмом 0,7 м³ на суглинке обычно выходит 12-15 проходов. Точное число зависит от того, грунт в отвале или сразу из выемки - во втором случае коэффициент разрыхления выше.
Чем отличается геометрический объем ковша от фактического?
Геометрический объём - паспортное значение по чертежу, объём корпуса ковша без учёта шапки. Фактический объём - то, что экскаватор реально поднимает за один проход с учётом коэффициента наполнения конкретного грунта. На плотной глине фактический объём может быть выше геометрического за счёт шапки, на сыпучем сухом песке - заметно ниже.
Какой коэффициент наполнения у глины и суглинка?
У влажной глины коэффициент наполнения обычно 1,10-1,25, у суглинка 1,00-1,10 - оба грунта держат шапку над кромкой ковша за счёт связности частиц, но глина заметно связнее и держит более высокую шапку. Это выше, чем у сухого скального грунта, где коэффициент падает до 0,75-0,85 из-за осыпания материала при подъёме ковша.
Как объем ковша влияет на скорость разработки траншеи?
Крупный ковш зачерпывает больше грунта за цикл, но в узкой траншее он физически не помещается или задевает стенки, и машина теряет время на доработку профиля вручную. На траншее шириной менее 0,8 м узкий ковш на 0,3-0,4 м³ проходит быстрее широкого за счёт меньшего числа повторных заходов, хотя объём за один цикл у него ниже.
Нужно ли менять ковш при переходе с глины на песок на одном объекте?
Если геология объекта меняется по глубине или по участку, менять ковш не обязательно, но пересчёт производительности нужен: на песке с коэффициентом наполнения 0,90-1,00 та же машина вывозит меньше грунта за час, чем на влажной глине с коэффициентом 1,10-1,25. Погрузка в самосвал при этом требует учёта коэффициента разрыхления и фактической вместимости кузова отдельно для каждого типа грунта на объекте.
Список литературы
- Caterpillar - каталог навесного оборудования, ковши для экскаваторов общего назначения и для тяжёлых условий эксплуатации // cat.com
- Госстрой СССР, Госкомтруд СССР, ВЦСПС - ЕНиР. Сборник Е2. Земляные работы. Выпуск 1. Механизированные и ручные земляные работы, нормативная база строительства, 1987
- ГОСТ 30067-93. Экскаваторы одноковшовые универсальные полноповоротные. Общие технические условия
- Дорожно-строительный техникум (г. Благовещенск) - методическое пособие «Как выбрать ковш»
