Экскаватор

Рабочим оборудованием называется комплекс узлов экскаватора, содержащий рабочий орган (например, ковш, крюк или грейфер, с помощью которого копают грунт, поднимают груз, захватывают сыпучие и кусковые материалы) и обеспечивающий его действие в зоне работы экскаватора.

Основной рабочий орган экскаватора — ковш, предназначен для копания, удерживания при перемещении и разгрузки грунта или другого материала. Копанием называется одновременное срезание грунта и заполнение им ковша. Срезаемая часть грунта называется стружкой (рис. 3).

По виду конструктивного исполнения рабочего оборудования экскаваторы бывают с гибкой подвеской, жесткой и телескопической стрелой. У экскаваторов с гибкой подвеской стрела, а иногда и рабочий орган (например, ковш) подвешены на канатах, которыми приводятся в действие.

У экскаваторов с жесткой подвеской стрела и  остальные элементы рабочего оборудования соединены шарнирно друг с другом и приводятся в действие гидроцилиндрами.

С телескопической  стрелой выпускают экскаваторы-планировщики, у которых выдвижение и втягивание стрелы являются рабочими движениями.

Универсальный строительный экскаватор имеет обычно несколько видов рабочего оборудования, которыми он может работать в зависимости от условий эксплуатации. Эти виды рабочего оборудования могут легко заменяться одно другим, поэтому они называются сменными.

Рабочее оборудование с жесткой подвеской (шарнирно-рычажное) и с телескопической стрелой применяют только на гидравлических экскаваторах.

Рабочий орган к рабочему оборудованию также  крепят гибкой или жесткой связью. На рис. 4 показаны различные крепления рабочего органа у разных видов рабочего оборудования с гибкой (канатной) подвеской.

Рабочий процесс одноковшового экскаватора  состоит из рабочего цикла, т. е. разработки и перемещения грунта, и передвижения экскаватора к забою, после того как с места стоянки экскаватора станет неудобно или невозможно продолжать дальнейшую разработку грунта. Во время передвижения экскаватора работа не производится, поэтому время, затрачиваемое на передвижки, следует максимально сокращать.

 

 

 

Рабочий цикл экскаватора состоит из следующих операций:

 

1) Собственно копание грунта (срезание грунта и заполнение им ковша).

2) Выведение ковша с грунтом из забоя, чтобы обеспечить возможность беспрепятственного поворота платформы.

3) Перемещение заполненного грунтом ковша к месту разгрузки, для чего или поворачивают платформу с рабочим оборудованием (у полноповоротных), или только рабочее оборудование (у неполноповоротных машин).

4) Разгрузка грунта из ковша в отвал или в транспортное средство.

5) Перемещение ковша (поворот платформы) к забою.

6) Опускание ковша для подготовки к следующей операции копания.

 

До конца 60-х годов в нашей стране в  основном выпускали полноповоротные  экскаваторы с механическим приводом и гибкой подвеской рабочего оборудования. В девятой пятилетке (1970—1975 гг.) быстро развивалось производство гидравлических экскаваторов с жесткой подвеской рабочего оборудования. Такое расширение выпуска гидравлических экскаваторов определяется целым рядом их конструктивных, технологических и экономических преимуществ по сравнению с экскаваторами с механическим приводом.

 

 

 

 

 

Гусеничный экскаватор ЭО-4121 с рабочим оборудованием –  грейфер:

 

Структура индекса одноковшовых универсальных экскаваторов

 

 

Забой экскаватора.

Забой экскаватора  представляет место его работы: площадка, на которой размещается экскаватор, часть поверхности, с которой производится выемка грунта, а также площадка для установки транспортных средств, подаваемых под погрузку грунта. При работе в отвал к забою относится также площадка для размещения выгружаемого из ковша экскаватора грунта.

Забой по мере разработки грунта экскаватором перемещается. Геометрические размеры и форма забоя зависят от типа рабочего оборудования, его рабочих параметров — радиуса резания высоты резания Нр, радиуса выгрузки Rв и высоты выгрузки Нв, назначения земляного сооружения и принятой схемы разработки грунта.

Основными видами забоев являются боковой и  лобовой.

При разработке грунта боковыми забоями ось перемещения экскаватора находится за пределами разрабатываемого массива. В этом случае при подаче экскаватором грунта в транспортные средства или в отвал места выгрузки и отсыпки должны располагаться сбоку экскаватора параллельно оси его движения. Боковыми забоями разработка грунта ведется экскаваторами, оборудованными прямой лопатой (при работе в карьерах или при рытье котлованов), а также экскаваторами, оборудованными обратной лопатой или драглайном (при работе в котлованах, широких траншеях и при отсыпке насыпей из резервов).

Разработка  грунта боковыми забоями позволяет  наиболее полно использовать рабочие параметры машины и повысить производительность за счет уменьшения угла поворота и продолжительности рабочего цикла.

Лобовыми  забоями разрабатывают преимущественно узкие траншеи. В этом случае ось перемещения экскаватора находится в пределах полосы, на которой разрабатывается грунт. При разработке грунта этим способом экскаваторы оборудуются обратной лопатой или драглайном.

Рабочий процесс одноковшового экскаватора  состоит из наполнения ковша, поворота стрелы и ковша к месту выгрузки, выгрузки грунта или другого материала из ковша и обратного поворота стрелы и ковша к месту для следующего цикла работы.

 

Производительность одноковшовых экскаваторов

 

Эксплуатационную производительность экскаватора (в м3/ч) определяют по формуле

 

 

где t_ц — продолжительность рабочего цикла, с; q — геометрический объем ковша экскаватора, м³; К_n — коэффициент наполнения ковша грунтом (для грунтов I, II и III групп принимается 0,95—1,0); К_р— коэффициент разрыхления грунта (в среднем для грунтов I и II групп принимается 1,1—1,3); К_v — коэффициент использования рабочего времени (принимается 0,80—0,85).

Продолжительность рабочего цикла t_ц устанавливается на основании хронометражных данных. Средняя продолжительность рабочего цикла при работе экскаватора прямой лопатой в транспортные средства при повороте стрелы экскаватора на 90°: для ковша объемом 0,65 м³ - 14—16 с; для ковша объемом 1,25 м³ — 18—20 с.

Производительность  экскаватора зависит главным  образом от правильного выбора режима его работы, продолжительности рабочих операций и общей длительности рабочего цикла. Из всех операций наиболее продолжительной, определяющей производительность этой машины, является операция копания.

 

 

Зависимость производительности экскаватора  от продолжительности операции копания.

Продолжительность операции копания зависит от усилий, возникающих на зубьях ковша экскаватора, создаваемого двигателем этой машины (рис. IV.37).

 

 

Усилие  на зубьях ковша S_к создается натяжением подъемного каната, закрепленного на ковше и соединенного с силовой лебедкой, а также составляющей усилия напора Sн, действующей вдоль рукоятки экскаватора. Сопротивлениями, возникающими при резании грунта, являются: сопротивление грунта копанию Рк, вес ковша с грунтом и вес рукояти экскаватора. Сопротивление грунта копанию зависит от ширины режущей кромки ковша b, толщины снимаемой стружки с и удельного сопротивления копанию К:

 

Рк=b*с*К.

 

Как видно  из рис. IV.37, толщина стружки с  является величиной переменной для различных высот копания, но ее горизонтальная проекция будет величиной постоянной, т. е. с= cos ( - ).

При = , т. е. при высоте копания на уровне вала напорного механизма, толщина стружки, а следовательно, и сопротивление резанию будет максимальным, т.е. с_max=

Тогда Р_кmax=b* *K, соответственно b= .

 

Объем грунта в ковше q_r в плотном теле определяется из соотношения

 

, где q – геометрический объем ковша.

 

Объем срезаемой  ковшом стружки за период одного копания  составляет

 

 

Подставляя  в предыдущую формулу значения b из пред предыдущей формулы будем иметь:

 

 

 

Из приведенного выражения видно, что увеличение усилия на режущей кромке ножа, т. е. на зубьях ковша, позволяет за счет увеличения толщины стружки сократить  длину пути ковша во время копания и тем самым уменьшить продолжительность этой операции. Это один из путей повышения производительности одноковшовых экскаваторов. Увеличение усилия на режущей кромке зубьев ковша, позволяющее увеличить толщину срезаемой стружки с, может быть достигнуто в результате уменьшения длины вылета рукояти.

 

Зависимость производительности экскаватора  от величины угла поворота стрелы.

 

Производительность  одноковшовых экскаваторов зависит  от величины угла поворота его стрелы — чем меньше этот угол, тем выше будет производительность и наоборот Известно, что из общего цикла работы экскаватора наиболее продолжительное время требуется на копание и наполнение ковша грунтом, а также на два поворота стрелы (от забоя к месту опорожнения ковша и от места опорожнения к забою). Причем время на повороты стрелы в общем цикле занимает около 60%.

Если  принять угол поворота стрелы 90°  как наиболее часто встречающийся в практике, то уменьшение поворота стрелы до 70° дает возможность увеличить производительность экскаватора не менее чем на 10%, тогда как увеличение угла поворота до 135° дает уменьшение производительности на 20—25%, а при увеличении угла поворота до 180° производительность машины не будет превышать 65% в сравнении с производительностью при повороте стрелы на 90°.

Сокращение  затрат времени на повороты стрелы может быть обеспечено благодаря  некоторому уменьшению ширины забоя при работе с прямой лопатой, что позволяет несколько выдвинуть вперед по отношению к экскаватору загружаемые грунтом транспортные средства, а также путем размещения транспортных средств ниже уровня экскаватора на отметке планируемой площадки при работе драглайном.

 

Производительность  экскаваторов во многом зависит от организации транспортирования грунта.

Исследованиями  и практикой установлено, что  вместимость кузовов транспортных средств, предназначенных для перевозки грунта или других материалов, должна быть не менее чем в 4—6 раз больше вместимости ковша экскаватора. К числу основных условий высокой производительности экскаваторов относится отсутствие их простоев в ожидании транспортных средств.

Количество  транспортных единиц N определяется делением часовой производительности экскаваторов П_э на часовую производительность транспортной единицы П_а:

 

Производительность  выбранной транспортной единицы  для перевозки грунта определяется по формуле (в м³/ч)

 

где q_r — грузоподъемность выбранной транспортной единицы, т; у — плотность грунта в плотном теле, т/м³; m — число рейсов транспортной единицы.

 

Число рейсов составляет

 

Числовое  значение одного цикла транспортирования  может быть определено по формуле:

 

где t_n — время, необходимое на загрузку одной транспортной единицы, мин; L — расстояние транспортирования, км; v₁— скорость движения груженой транспортной единицы, км/ч; t_p— время разгрузки одной транспортной единицы, включая время на маневрирование машины, мин; v₂ — скорость движения порожней транспортной единицы, км/ч.

 

Время на загрузку одной транспортной единицы  экскаватором определяется по следующей формуле:

 

 

 

 

Тенденции развития

Сегодня в России разработку и производство карьерных экскаваторов ведут МК «Уралмаш» и ООО «ИЗ-КАРТЭКС» (оба входят в корпорацию «Объединенные  машиностроительные заводы»). Отечественный рынок экскаваторов, невзирая на достояние привезенных из других стран моделей, не стоит на пространстве. Конструкторы постоянно выдумывают новейшие решения для повышения конкурентоспособности выпускаемой отечественной техники и экскаваторов. Плюсами российских экскаваторов является их невысокая цена и доступность конечному покупателю.

Направления в разработке могут быть последующими:

1) разработка  дисковых употреблял, для прокладки  коммуникаций под слоем бетона  и асфальтобетона.

2) разработка  гидравлического привода рабочих  органов взамен механического; 

3) разработка  базовых машин: мощных и маневренных,  способных работать в стесненных условиях;

4) расширение  модельного ряда цепных экскаваторов. В данной сфере наблюдается  преобладание только средних  машин, но нет ни компактных  ни огромных экскаваторов.

6) улучшение  роторных экскаваторов в сфере  нефтяной и газовой индустрии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  используемой литературы