Самоходные машины. Экскаваторы

Оглавление

 

 

 

Введение

В настоящее  время ни одна стройка в стране не обходится без экскаваторов. Их высокая производительность, способность  работать в любых условиях, надежность, качество и разнообразие выполняемых ими земляных работ обеспечили этим машинам широкое применение в различных областях народного хозяйства.

Область их применения в строительстве практически  не ограничена. Там, где есть доступ для этой машины, земляные работы будут  выполнены с высоким темпом и качеством.

Экскаваторы могут  вести разработку грунта как выше уровня площадки, на которой они  стоят, так и ниже этого уровня. Они могут действовать в стесненных условиях и разрабатывать грунт  под слоем воды, выгружать выкопанный грунт в транспортные средства и отсыпать его на значительное расстояние от места копания в отвал, могут окончательно отделывать уклон и поверхность стенок траншей и котлованов, а также с достаточной точностью планировать горизонтальную поверхность строительной площадки или дна траншей и котлованов.

Очевидно, что  каждый вид работы требует применения приспособленных для этого экскаваторов и предназначенного для каждого  конкретного случая рабочего оборудования. Под рабочим оборудованием подразумеваются  те узлы машины, при помощи которых экскаватор непосредственно копает грунт (ковш, стрела, рукоять с системой их привода). Играет определенную роль в этих случаях также тип ходовой части машин: снабжен ли экскаватор гусеничным ходом, дающим машине возможность доступа в любое место строительной площадки при отсутствии подъездных путей и при плохих грунтовых условиях или имеет он пневмоколесную ходовую часть, хотя и обладающую худшей проходимостью, но позволяющую быстро перемещать машину с объекта на объект. Для выполнения определенных работ имеет значение вид привода рабочего оборудования. Так, экскаваторы с гидравлическим приводом более производительны, лучше приспособлены для планировочных, отделочных операций, однако машины с канатной подвеской более применимы при отрывке и углублении каналов с помощью ковша-драглайна, при земляных работах на значительном удалении от машины. И, конечно, большую роль при аренде экскаватора играет возможность поворота рабочего оборудования или, иными словами, наличие у них поворотной платформы, которая создает широкие возможности для выгрузки грунта и прочих работ.

Таким образом, особенности конкретных видов земляных работ, которые необходимо выполнить  экскаватору, — например, вырыть котлован, траншею, канал, спланировать поверхность площадки или перегрузить строительные материалы, а также объем грунта, предполагаемого к выемке, и грунтовые условия на объекте диктуют применение экскаваторов с определенными рабочим оборудованием, ходовой частью и типом привода рабочего оборудования.

 

Целью данной работы является изучение конструкции экскаваторов, его разновидностей.

 

 

1.История происхождения экскаваторов

Историю землеройной  техники, в частности экскаваторов, можно начать писать с начала 15 века, когда в венецианском издании  «Кодекса Джованни Фонтана» 1420 года был опубликован рассказ о ковшедолбежной землечерпалке, использовавшейся для углубления дна каналов, расширения морских гаваней. Но официально идея создания землеройных машин принадлежит Леонардо да Винчи, который в начале 16 в. предложил схемы экскаваторов-драглайнов. К 1500 году относится набросок чертежа грейфера для землечерпалки. Несколько лет спустя Леонардо руководил прокладкой каналов в засушливой Миланской долине. На земляных работах он применил землечерпалку собственной конструкции.

В 1597 году для очистки  каналов в Венеции была сконструирована  и построена плавучая землечерпалка. Автором ее был венецианский механик  Буанаюто Лорини, который описал устройство машины в труде “Делле Фортификационе”. Далее в 1718 г. проект землеройного устройства с двумя ковшами представили Французской Академии наук механики де ла Бальм и Белидор. Механизм работал в портах Тулона и Бреста. Затем в 1795 году известный американский изобретатель, создавший первый практически пригодный пароход, Роберт Фултон сконструировал и первый четырехколесный грейдер-элеватор. Однако испытана машина была только через 70 лет на строительстве дорог в Америке. Но в 1796 году на дноуглубительных работах в английском порту Сандерленд была применена ковшовая драга с приводом от паровой машины. Построена она при участии изобретателя паровой машины Джеймса Уатта. За один рабочий ход ковши доставали со дна гавани до полутора тонн грунта, что примерно в 4 раза превышало производительность ручной драги. Большой вклад в развитие технологии экскаваторостроения внести французы: в 1860 году инженер М. Кувре создал сухопутный цепной многоковшовый экскаватор с двигателем 15 лошадиных сил. Он был испытан на строительстве дороги Седан — Тионвиль, а позднее работал на сооружении Суэцкого канала.

В начале 20 века, с развитием  электроэнергетической отрасли  семимильными шагами развивались и  конструкции экскаваторов. В 1905 году были выпущены первые паровые полноповоротные (с поворачивающейся кабиной) экскаваторы  немецкой фирмой “Оренштейн & Коппель”. Ковши этих машин вмещали до 4 кубометров земли. В 1910 году появились первые электрические экскаваторы, а американская фирма “Бюсайрус” выпустила в свет полноповоротный экскаватор на гусеничном ходу. Начиная с 1912 года начал работать первый экскаватор с двигателем внутреннего сгорания на гусеничном ходу.

В 1847 году русский изобретатель Кушелевский сделал еще один шаг в области открытия экскаваторов. Он предложил идею землечерпательной машины, которая могла работать как на воде, так и на суше. Эта машина соединяла в себе достоинства речной землечерпалки и сухопутного экскаватора.

Производство одноковшовых экскаваторов в России было начато в 1901 на Путиловском (ныне Тверской экскаваторный) заводе. В СССР производство экскаваторов было организовано в 1931. Выпущены первые 15 машин. С 1947 Уральский завод тяжёлого машиностроения (УЗТМ) впервые в мире организовал серийный выпуск карьерных экскаваторов с ковшами ёмкостью 3-5 м3. В 1958 на УЗТМ был изготовлен шагающий экскаватор-драглайн с ковшом 25 м3 и стрелой 100 м, а на Новокраматорском машиностроительном заводе (НКМЗ) в 1965 - экскаватор-лопата с ковшом 35 м3 для крепких грунтов. В 1975 УЗТМ закончил изготовление шагающего драглайна с ковшом ёмкостью 100 м3 и стрелой 100 м. УЗТМ осваивает наиболее мощную карьерную лопату, с ковшом 20 м3, для крепких грунтов (1976).

Во второй половине девятнадцатого века масштабное строительство железных дорог и каналов потребовало  перемещения все больших масс земли, которое уже не могло быть осуществлено с помощью ручного труда землекопов. Это привело к активному развитию разнообразных землеройных машин.

До конца века основные объемы земляных работ на строительстве  железных дорог в России выполнялись  вручную (лопаты, тачки, грабарки), поскольку  дешевая рабочая сила существовала в избытке. Когда при строительстве западносибирского участка Транссибирской магистрали возникли затруднения с рабочей силой, были закуплены в Америке «землекопные машины»

После первой Мировой  войны, одновременно с общим развитием  техники, активизировалось и развитие экскаваторов. Двигатели внутреннего сгорания и электропривод, применение гусеничного (и шагающего) хода позволили существенно увеличить мощности и мобильность экскаваторов. Экскаваторы стали полноповоротными, увеличилась номенклатура их рабочего оборудования (прямая и обратная лопата, драгляйн, струг и пр.) и сфера их применения (вскрышные, тоннельные работы и пр.). В США и в России совершенствовались одноковшовые экскаваторы. В Германии начали строить все более мощные многоковшовые экскаваторы. Появились многочисленные специальные машины (канавокопатели и др.).

Во второй половине XX века традиционные типы экскаваторов совершенствовались в основном за счет применения новых машиностроительных технологий и оборудования (гидропривод  и пр.).

 

Ручной труд на земляных работах сохранился только в тех  случаях, когда имеется избыток  бесплатной рабочей силы либо при  малом объеме и стесненных условиях работ, не позволяющих применить  необходимую землеройную технику.

 

 

2.Определение экскаватора

ЭКСКАВАТОР выемочно-погрузочная машина цикличного действия для земляных работ и добычи полезных ископаемых. Экскаваторы применялись еще в Древнем Египте и Древнем Риме как средство механизации работ по углублению русел рек и каналов. В зависимости от организации процесса черпания они делятся на ряд типов: механическая лопата (прямая и обратная), драглайн, многоковшовый, роторный, грейферный и т.д. Первая паровая механическая лопата была запатентована в 1836. В настоящее время большинство экскаваторов имеет электрический или дизельный приводы. Механическая лопата. Усилие черпания прямой механической лопаты складывается из направленной вверх силы тяги, прилагаемой к ковшу подъемной цепью или подъемным проволочным канатом, и осевого усилия напора, прилагаемого к рукояти, на которой закреплен ковш. По своему назначению (и вместимости ковша) механические лопаты подразделяются на универсальные (0,2-2 м3), карьерные и добычные (2-5 м3) и вскрышные (8-90 м3). Все эти экскаваторы выполняются на гусеничном ходу. На основании устанавливается поворотная платформа, несущая стрелу. Нижний конец стрелы опирается (через шарниры) на эту платформу, а верхний удерживается в рабочем положении канатным подвесом, опорой которого служат треугольные рамы, тоже закрепленные на платформе. Стрела может быть рассчитана на работу с ковшом прямой или обратной лопаты, ковшом драглайна, грейферным ковшом или работу с грузоподъемным крюком. Универсальный одноковшовый экскаватор. Экскаватор такого типа легко перестраивается на любой вид работ путем замены переднего рабочего оборудования. Все основные параметры таких экскаваторов (вылет стрелы, размеры гусеничных опор, габариты, мощность привода, линейные скорости, вместимость ковша, грузоподъемность, вид двигателя) стандартизованы. Как правило, они выпускаются с бензиновыми или дизельными двигателями, но может быть предусмотрен и электропривод. Карьерные и добычные одноковшовые экскаваторы. Такие машины рассчитаны на самые тяжелые условия эксплуатации. Они проектируются как механические лопаты, допускающие переоборудование в драглайн. Поскольку они предназначаются для карьеров, шахт, крупных строительств, где имеется подвод электроэнергии, их, оборудуют системой электропривода, основанной на управлении по напряжению всеми или некоторыми функциями - черпанием, поворотом стрелы, напором и перемещением. Основой такой системы служит двигатель-генераторный агрегат, в котором электродвигатель переменного тока механически связан с отдельными электрогенераторами, питающими приводы разных групп оборудования. Частоты вращения и вращающие моменты приводов регулируются изменением тока возбуждения электрогенераторов и электродвигателей. Вскрышные механические лопаты. Для таких экскаваторов характерны большие радиусы черпания и разгрузки (более 100 м) и большая вместимость ковша (90 м3 и более). От малых универсальных и карьерных экскаваторов, перемещающихся на двух жестко закрепленных гусеничных тележках, они отличаются конструкцией гусеничного хода. Каждый из четырех углов их основания опирается на двухленточную гусеничную тележку. Горизонтальность основания автоматически поддерживается гидравлическими домкратами, цилиндры которых закреплены на основании экскаватора, а поршни - на гусеничных тележках. Шире других используются существуют два варианта конструкции переднего оборудования. В одном из них основными узлами являются одноканатная двух барабанная лебедка, рукоять круглого сечения и канатный напорный механизм, закрепленный на поворотной платформе. Подъемный механизм сбалансирован, так что при опускании ковша поднимается противовес, а опусканием противовеса облегчается поднятие ковша при срезании грунта. В другом варианте используется трехканатная лебедка без противовеса. Стреле, рукояти и напорному механизму придается особая конструкция с промежуточным шарниром, обеспечивающая независимость подвеса. Напорный механизм, закрепленный на треугольной или портальной ферме, воздействует на двухзвенную рукоять, которая поддерживается и направляется подвижным жестким звеном. Драглайн. В отличие от прямой механической лопаты, которая разрабатывает забой, расположенный выше горизонта установки самого экскаватора, экскаватор-драглайн (как и обратная лопата) разрабатывает грунт ниже уровня стояния машины. Его ковш подвешен на подъемном канате, а черпание осуществляется подтягиванием "на себя" вторым, тяговым канатом. Ковш врезается в грунт под тяжестью собственного веса. Такое устройство позволяет разрабатывать даже крепкую скальную породу, разрыхленную взрывом. Благодаря своим большим рабочим размерам (глубине черпания, радиусу и высоте разгрузки) драглайн особенно подходит для строительства каналов и дамб, подводного черпания, разработки россыпных месторождений и месторождений требующих раздельной выемки покрывающей породы и промышленной руды. Производительность драглайна зависит от глубины черпания и высоты подъема, а также от рабочего угла поворота стрелы. Экскаватор с вместимостью ковша 20 м3 снимал покрывающую породу с угольного пласта с производительностью ок. 640 000 м3 в месяц (720 рабочих часов). В ходе 14-дневных испытаний драглайн с вместимостью ковша 9 м3, разгружавший материал в хоппер, показал производительность погрузки, равную 400 м3 за 1 ч. Основание драглайна служит для закрепления поворотной платформы. На платформе установлены стрела и барабаны лебедок для подъемного и тягового канатов. Барабаны через муфты и зубчатые передачи связаны с отдельными дизелями или электродвигателями. Подъемный канат огибает шкив на конце стрелы, а тяговый пропассован через направляющее устройство у основания стрелы. Для опускания ковша и стравливания подъемного каната машинист выключает сцепление барабанов, и ковш опускается под собственным весом. Скорость опускания регулируется тормозами. Для поворота стрелы даже на дизельных экскаваторах предусматривается система управления с двигатель-генераторным агрегатом. На экскаваторах же с электроприводом такая система управления применяется для всех функций. Большие драглайны выпускаются на шагающем ходу, который состоит из центральной опорной плиты, боковых лыж и кулачкового или рычажного механизма, приводящего их в движение. Когда экскаватор опирается на плиту, лыжи приподняты и могут перемещаться. После их опускания экскаватор вместе с центральной плитой приподнимается, опирается на лыжи и перемещается. Шаг перемещения составляет ок. 2 м. Поскольку лыжи закреплены на поворотной платформе, ее поворотом можно изменить направление перемещения, так что машина может перемещаться даже в боковом направлении. Благодаря высокой маневренности и проходимости шаговый ход вытесняет гусеничные и другие ходовые устройства. Башенный драглайн (канатно-скреперная установка). Это экскаватор-драглайн, стрела которого заменена натянутым между двумя башнями канатом, несущим ковш. Такой драглайн может иметь эффективный "вылет стрелы" (расстояние между башнями) до 500 м. Применяются башенные драглайны двух типов: с волочением ковша по земле от точки черпания до точки разгрузки и с перемещением его над землей. Башни могут быть установлены на гусеничном ходу. По натяжному канату ходит кабельная тележка, к которой прикреплен ковш. Когда натяжному канату дается слабина, ковш под собственным весом движется от высокой башни к низкой. На больших пролетах ковш снабжается хвостовым канатом. При приспущенном натяжном канате посредством тягового каната осуществляется черпание. По заполнении ковша натяжной канат натягивается, и ковш приподнимается для перемещения по поверхности земли. Когда ковш приходит в зону разгрузки, натяжной канат натягивают так, чтобы можно было поднять ковш на нужную высоту. Ковш разгружается через дно, для чего ему часто придают серповидную форму. Такие драглайны применяются преимущественно на строительстве дамб обвалования. Канатно-скреперные установки второго типа широко используются на заводах по производству щебня и гравия; ковш в них обычно без открывающегося дна, и управление разгрузкой осуществляется посредством тягового каната.

3.Классификация

Экскаваторы разделяют  на несколько групп по назначению и мощности. Если машина производит все операции в определенном порядке, повторяя их через некоторые промежутки времени, она относится к машинам прерывного (цикличного) действия, если производит все операции одновременно,— машиной непрерывного действия. К экскаваторам прерывного действия относятся одноковшовые, а к экскаваторам непрерывного действия — многоковшовые, скребковые и фрезерные.

Одноковшовые и многоковшовые  экскаваторы бывают сухопутные и  плавучие. Сухопутные экскаваторы имеют  гусеничное, пневмоколесное, рельсовое  и шагающее ходовое устройство.

Все механизмы экскаватора  приводятся в движение дизелями, карбюраторными, паровыми или электрическими двигателями. Наиболее экономичными являются дизельные и электрические двигатели. Выбор двигателя определяется условиями, в которых будет работать экскаватор. Так, на экскаваторах, работающих в карьере, выгодно применять электродвигатели, так как электричество — наиболее дешевый вид энергии, а при работе на строительстве дорог, где машину часто перевозят с места на место, целесообразно использовать дизельные двигатели.

Если все механизмы  экскаватора приводятся в движение от одного двигателя, такой привод называют одномоторным. Если в экскаваторе каждый механизм (или группа механизмов) приводится в движение отдельным двигателем, такой привод называется многомоторным.

С целью передачи движения от двигателя к рабочим механизмам используют следующие виды приводов:

– механический, когда  движение передается с помощью валов, шестерен, червячных пар, цепных передач;

– гидравлический объемный, где роль привода выполняют гидронасос, маслопроводы и гидромоторы (или  гидроцилиндры); в маслопроводах циркулирует жидкость, передающая энергию от насосов к гидромоторам (или гидроцилиндрам), приводящим рабочие механизмы в движение;

– гидромеханический, в  котором для передачи энергии  используют гидротрансформатор в сочетании  с механической трансмиссией;

– электрический, применяемый  на экскаваторах с многомоторным  приводом в сочетании с механическим;

– смешанный, состоящий  из приводов двух видов, например механического  и электрического.

Таким образом, экскаваторы классифицируют:

– по способу перемещения (плавучие и сухопутные);

– по типу силового оборудования (с дизелем, карбюраторным, электрическим, дизель-электрическим и т. д.);

– по числу двигателей (одномоторные, многомоторные);

– по виду привода (механические, гидравлические, гидромеханические, электрические);

– по типу ходового устройства сухопутных экскаваторов (гусеничные, пневмоколесные, рельсовые и с  шагающим ходовым оборудованием).

Каждая из групп экскаваторов отличается более мелкими признаками — размерами, мощностью, назначением.

Одноковшовые  экскаваторы классифицируют по назначению.

Существуют  три основные группы:

– строительно-универсальные  — с ковшами емкостью до 3 м3, предназначенные  для производства земляных работ;

– карьерные — с  ковшами емкостью от 2 до 8 м3, предназначенные для работы в карьерах на разработке рудных и угольных месторождений;

– вскрышные — с  ковшами емкостью более 6 м3, предназначенные  для разработки верхних слоев  пород (вскрыши).

Одноковшовые  экскаваторы различают по использованию  их с различными видами рабочего оборудования.

Универсальные экскаваторы  предназначены для работы с различными видами сменного оборудования; прямой и обратной лопатой, драглайном, крановой стрелой с крюковой подвеской  или грейфером, копром для забивки  свай и т. д.

Полууниверсальные экскаваторы кроме основного рабочего оборудования имеют один или два вида дополнительного сменного оборудования (прямую лопату, обратную лопату, драглайн).

4.Основные  рабочие органы

Рабочее оборудование включает комплекс узлов экскаватора с  рабочим органом (ковш, крюк, грейфер и др.). Грунт разрабатывают ковшом, после чего перемещают к месту разгрузки в отвал или в транспортное средство. В зависимости от вида сменного оборудования применяют жесткую или гибкую подвеску рабочего органа. Характер работы определяет рабочее оборудование: прямую лопату, обратную лопату, драглайн, кран или грейфер.

Одноковшовые  экскаваторы. Одноковшовым универсальным экскаватором называется машина цикличного действия, предназначенная для выемки и перемещения грунтов и иных материалов с помощью одного из видов рабочего оборудования с одним ковшом, и для выполнения погрузочных сваебойных и прочих работ другими видами сменного рабочего оборудования.

Одноковшовые экскаваторы состоят из следующих основных узлов: ходового устройства, поворотной платформы с силовым оборудованием и основными кинематическими звеньями и рабочего оборудования.

Гусеничное ходовое  оборудование обеспечивает высокую  проходимость и хорошую устойчивость при работе экскаватора.

 

Рис. 1. Cхемa основного оборудования одноковшового экскаватора

 

Поворотная платформа опирается  через катки или специальное (шариковое  или роликовое) опорно-поворотное устройство на раму ходового устройства. Платформа  поворачивается в горизонтальной плоскости  относительно ходовой части.

Угол поворота ходового оборудования в горизонтальной плоскости определяет возможность экскаватора быть полноповоротным  или неполноповоротным. Поворотная часть полно-новоротного экскаватора  может вращаться вокруг своей  оси на 360°.