Модернизация экскаватора ЭО-4324 с разработкой новой конструкции рабочего органа, с целью повышения эффективности работы при разработке пр

Бульдозеры используют для разрушения способом подламывания снизу мерзлых слоев толщиной до 20-25 см.

В отдельных случаях  для разработки тонких слоев слабосмерзшихся  песчаных грунтов используют также  большегрузные скреперы. Воздушно-сухие  песчаные грунты смерзаются слабо, не образуя прочных монолитов. В  начале зимы при глубине промерзания менее 15-20 см их можно разрабатывать непосредственно скреперами. При большой толщине и прочности мерзлого слоя его необходимо предварительно рыхлить бульдозерами или рыхлителями.

Ко второй группе относят  машины, имеющие оборудование, специально .предназначенное для рыхления мерзлых грунтов. Таким оборудованием являются тяжелые металлические отливки шаровой или клинообразной формы, мощные прицепные или навесные рыхлители, баровые машины. С их помощью можно разрыхлять слои мерзлого грунта толщиной 0,8-1,4 м, а иногда и более.

Наиболее простой вид  оборудования для рыхления мерзлых  грунтов ударной нагрузкой —  чугунные или стальные шары-молоты массой 1,5-4 т, которые подвешивают  на канате к стреле крана или экскаватора  и затем сбрасывают на разрыхляемый грунт с высоты 3—5 м и более.

Более совершенным подвесным  оборудованием к экскаваторам являются различные клин-молоты, представляющие собой массивные металлические  отливки, имеющие в нижней части  острый угол. Их сбрасывают так, чтобы они при падении откалывали куски мерзлого грунта. Наибольшую производительность в мерзлых связных грунтах клин-молоты имеют при угле заострения 25-30°. При разработке несвязных мерзлых грунтов угол может быть увеличен до 35°. При меньших углах заострения клин легче погружается в мерзлый грунт, но не всегда откалывает мерзлые глыбы, так как расклинивающее усилие может оказаться недостаточным. При большом угле заострения возрастает расход энергии на смятие мерзлого грунта и уменьшается глубина погружения клина. Клин-молотом массой 3—4 т, сбрасываемым с высоты 8-10 м, можно дробить слои мерзлого грунта толщиной 0,8-1,4 м.

Недостатками применения свободно падающих отливок любой  формы, закрепленных на тросе, являются низкая производительность, износ троса  и самого экскаватора.

В гражданском строительстве, особенно при рытье траншей для  различных трубопроводов, с успехом  используются машины, разрабатывающие  мерзлые грунты по способу нарезания  в них узких щелей и затем  скола ослабленного грунта между  щелями. В дорожном строительстве подобные машины применяют редко.

Значительно чаще при  разработке резервов и карьеров в  зимних условиях применяют различного рода прицепные и навесные рыхлители, производящие послойное рыхление мерзлых  грунтов. Одностоечные рыхлители на тягачах мощностью 200 кВт и более за несколько проходов рыхлят слои мерзлого грунта толщиной до 1,0 м. Эффективность применения их повышается при объединении в одной конструкции рыхлящего зуба и пневмомолота и работе зуба в виброударном режиме.

Недостаток работы мощных одностоечных рыхлителей — разделение грунта на крупные глыбы, зачастую требующее дополнительного дробления.

Во всех случаях разработки мерзлых грунтов необходимо учитывать  дальнейшее использование его после  рыхления. Для разрыхленного мерзлого грунта величина глыб ограничивается только размерами ковша используемого экскаватора. При укладке грунта в насыпь размеры получаемых при отколе кусков не должны превосходить размеров, допускаемых техническими указаниями из условий уплотнения отсыпаемых слоев (15-30 см).

Выбор машин и оборудования для  рыхления мерзлых грунтов определяется в основном глубиной промерзания, прочностью мерзлого слоя и стоимостью производства работ. В начале зимнего периода  может быть использовано большинство  из перечисленных выше машин и оборудования. При малой толщине мерзлых слоев чаще всего используют экскаваторы и бульдозеры. Этими машинами производят как рыхление мерзлых поверхностных слоев, так и разработку расположенных ниже талых грунтов.

Из известных способов механического разрушения мерзлых грунтов лучшими показателями обладают динамический скол грунта с отрывом. Эти обстоятельства обусловили разработку ковшей активного действия к гидравлическим экскаватором с использованием данных способов разрушения. Оснащение парка экскаваторов сменными ковшами активного действия позволит выполнить весь комплекс по рыхлению и удалению мерзлого грунта и горной породы одной машиной, обеспечить равномерное и круглогодичное использование экскаваторного парка, увеличить производительность экскаваторов не только в мерзлых, но и тяжелых талых и скальных грунтах при одновременном снижении трудовых затрат и стоимости работ.

В настоящее время  разработаны различные конструктивные схемы активных ковшей, использующие принцип ударного воздействия на забой.

 

 

2.4 Анализ конструктивных схем ковшей активного действия

 

Используя принцип ударного воздействия на забой были разработаны  различные конструктивные схемы  активных ковшей с электрическим, пневматическим и гидравлическими приводами.

С электрическим приводом можно выделить работы НИИ по строительству (г. Екатеринбург, Россия), которым были созданы различные модели ковшей с виброударными зубьями, а также МИСИ и ВНИИСтройдормаш (Россия), проводивших теоретические и экспериментальные исследования активных ковшей с принудительными колебаниями передней стенки. Однако они не нашли применения в практике вследствие отсутствия обратной связи между исполнительными механизмами и забоем, низкой удельной энергии на рабочих инструментах, значительных динамических нагрузках на электродвигателях, трудности регулирования энергии и частоты колебаний исполнительных механизмов, а также потери амплитуды колебания при суммарном воздействии напорного, режущего усилия и веса грунта в ковше.

 С 1969 по 1971 г.г. в  СССР осуществлялся выпуск ковшей активного действия отдельными небольшими сериями, в которых передняя стенка оснащена пневмоударными механизмами, использующих в качестве привода сжатый воздух. Эксплуатация их на различных строительных объектах подтвердила перспективность непосредственной экскавации прочных и мерзлых грунтов рабочими органами, оснащенными источниками импульсной энергии. К недостаткам ковшей с пневматическими ударными устройствами следует отнести применение дорогостоящих и громоздких компрессорных установок, имеющих малый коэффициент использования мощности и снижающих маневренность базовой машины.

Широкое применение гидравлических экскаваторов, создают предпосылки к созданию ковшей активного действия с гидравлическими импульсными системами. Гидравлический привод импульсных систем активных ковшей по конструктивным особенностям исполнительных механизмов, подразделяется на: виброударный, вибрационный, кулачковый с гидросвязью и гидроударный. Гидропривод импульсных систем активных ковшей можно выделит в три структурные схемы: общий, индивидуальный, насосно-аккумуляторный. Одним из направлений использования гидропривода в ковшах активного действия является импульсная система с гидропневмоаккумуляторным приводом, достоинство которой – высокая энергия единичного удара, малые габаритные размеры, низкая металлоемкость, высокий КПД, возможность плавного в широком диапазоне изменения энергии и частоты ударов.

Для обобщения и систематизации импульсных систем ковшей активного  действия составлена их классификация (рисунок 2.1), учитывающая вид энергии, принцип действия исполнительных механизмов, наличие обратной связи между забоем и исполнительным механизмом и вид импульсов, возникающих на режущей кромке ковша.

 

 

Рисунок 2.1 – Классификация импульсных систем ковшей активного действия

 

Рассмотрим реализацию различных конструктивных схем ковшей активного действия. Ковш с виброударными зубьями ВК-2 (рисунок 2.2) был выполнен как сменное навесное оборудование к экскаватору Э-505. Параметры виброударных механизмов обеспечивали получение на режущей кромке ковша удельной энергии 0,05 Н/м.

 

 

1 – зуб; 2 – вибромолот; 3 -  дебаланс; 4 – спинка ковша; 5 – шток зуба

Рисунок 2.2 – Ковш активного  действия типа ВК-2

 

Ударной частью вибромолота является вибратор, состоящий из электродвигателя АО-42-4, на выходных валах которого насажены дебалансы и плита с наковальней. При работе электродвигателя с дебалансами, последние сообщают ударные нагрузки плите с наковальней, которая в свою очередь через зубьям. На оптимальный режим вибромолоты настраиваются путем изменения степени поджатия пружин, регулировкой  стяжных болтов. Для гашения холостых ударов, при отсутствии контакта с грунтом, предусмотрены амортизационные пружины.

В заграничной практике импульсные системы с электрическим приводом имеют малое распространение. Попыткой создания активного ковша с электрическим приводом является конструкция, показанная на рисунке 2.3. Рыхлители грунта 2, опирающиеся в раме 1 на пружины 6, подвергаются вибрациям при помощи двигателя 4, который вращает два эксцентрика 3 с параллельными осями. Двигатель с эксцентриком установлен на раме 5, соединенный со стержнями 7, и направляется так, чтобы они скользили вертикально и передавали вибрации рыхлителям.

Сменное рабочее оборудование с  ковшом активного действия, приведенное  на рисунке 2.4, включает в себя ковш с тремя пневмоударными блоками, воздухопровод с флюгерным устройством  и передвижной компрессор.

Ударный блок состоит из трех основных узлов, компактно объединенных в один рабочий орган: узла крепления инструмента, ударного механизма с воздухораспределительным устройством, узла автоматического запуска пневмомолота в работу. Узел крепления инструмента состоит из собственного инструмента, корпуса и шпонки.

 

1 – рама; 2 – рыхлитель грунта; 3 – эксцентрик; 4 – двигатель; 5 – рама; 6 – пружина; 7 – стержень

Рисунок 2.3 – Активный ковш. Патент Франции №2277943

 

 

1 – компрессор; 2 – ресивер; 3 –  гибкий рукав; 4 – горизонтальная  труба; 5 – флюгерное устройство; 6 – промежуточная опора; 7 – рукав; 8 - ковш

Рисунок 2.4 – Оборудование с ковшом активного действия прямой лопаты

 

Ковш модели «Hymas Dynamin» (Швеция) емкостью 0,11 м³ (рисунок 2.5) имеет шесть сменных рабочих органов различного типа и используется на гусеничных и пневмоколесных гидравлических экскаваторах различных моделей для рыхления мерзлых грунтов и скальных пород, уплотнения грунтов, погружения шпунта и ударного бурения. Ударный механизм позволяет развивать энергию единичного удара 400 Дж с частотой 8,3…10,0 Гц.

 

Рисунок 2.5 - Ковш активного действия фирмы «Hymas Dynamin» (Швеция)

 

Ковш экскаватора с кривошипно-шатунным механизмом (патент США №3436849) применяется для обратной лопаты в качестве сменного навесного оборудования гидравлического экскаватора (рисунок 2.6). Зубьям ковша сообщается маятниковое движение, которое обеспечивает рыхление и экскавацию грунта. Все зубья ковша жестко крепятся на секторе 2, имеющего возможность колебания на оси 3, закрепленного на днище ковша. Колебание зубьев осуществляется с помощью пальца 4, эксцентрично насаженного на шестерню 5 и паза 6.

 

 

1 – зуб; 2 – сектор; 3 – ось; 4 –  палец; 5 – шестерня; 6 - паз

Рисунок 2.6 – Активный ковш. Патент США №3436849

Возвратно-поступательное движение зубьев осуществляется в конструкции ковша обратная лопата (патент США №3448535). В данной конструкции (рисунок 2.7) гидродвигатель 1 при помощи гибкой передачи соединяется с кулачковым валом 2, имеющим большое количество выступов; выступы, воздействуя на стержневые толкатели зубьев 3, обеспечивают возвратно-поступательное движение последних. Гидравлический двигатель и зубья смонтированы в общем кожухе 4, который может быть легко и быстро снят.

 

 

1 – гидродвигатель; 2 – кулачковый  вал; 3 – стержневые толкатели; 4 кожух

Рисунок 2.7 – Активный ковш. Патент США №3448535

 

Предложенная французскими фирмами  конструкция активного ковша  экскаватора драглайна (рисунок 2.8) снабжена отбойным молотком 1 с возвртано-поступательным его движением, обеспечиваемым пружиной 2 и ударным рычагом 3, взаимодействующим с отбойными плитами.

 

 

1 – отбойный молоток; 2 – пружина; 3 – рычаг

Рисунок 2.8 - – Активный ковш. Патент Франции №2058334

 

 

 

3 МОДЕРНИЗАЦИЯ И РАСЧЕТ ЭКСКАВАТОРА ЭО-4324

 

3.1 Назначение и техническая характеристика экскаватора ЭО-4324

 

Гидравлический экскаватор ЭО-4324 (рисунок 3.1) на пневмоколёсном ходу 4-ой размерной группы наиболее эффективно может быть использован на рассредоточенных объектах в условиях городского, сельского, промышленного и транспортного строительства для разработки грунтов I-IV категорий, погрузки сыпучих материалов, разрыхлённых скальных пород и мёрзлых грунтов с величиной кусков не более 200 мм, а также для планировочных земляных работ в районах с умеренным климатом при температуре воздуха от-40 до +40 градусов Цельсия.

 

 

1 – опорно-поворотное устройство; 2 – пневмоколесное ходовое устройство; 3 – выносная опора; 4 – поворотная  платформа; 5 – силовая установка; 6, 8, 9 - гидроцилиндры стрелы, рукояти  и ковша; 7 – стрела; 10 – рукоять; 11 – ковш; 12 – отвал; 13 - кабина

Рисунок 3.1 – Одноковшовый экскаватор ЭО-4324

 

Поворотная платформа  экскаватора  ЭО-4324 является основной металлоконструкцией экскаватора, на которой установлены рабочее оборудование, гидропривод, кабина с системой управления, механизм поворота. Основной целью размещения оборудования на поворотной платформе является получение наибольшего статического момента, удерживающего экскаватор от опрокидывания. Для этой цели на поворотной платформе устанавливают противовес. Поворотная платформа опорно-поворотным кругом соединяется с ходовым устройством, через которое нагрузки, действующие на рабочее оборудование при работе, а также сила тяжести поворотной части машины передаются на ходовое устройство.

Опорно-поворотный круг состоит из наружной обоймы, прикрепляемой к поворотной платформе, и зубчатого венца, жестко соединенного с рамой ходового устройства. На профильной дорожке обоймы размещен ряд роликов, в постоянном зацеплении с зубчатым венцом находится обегающая шестерня. Механизм поворота с помощью гидроприводов обеспечивает поворот рабочего оборудования к месту выгрузки и обратно в забой. Удержание поворотной платформы при копании траншей и при расположении машины на уклонах обеспечивается автоматическим колодочным тормозом, срабатывающим при выключении гидродвигателя. К поворотной  платформе крепится подвижная часть центрального масляного коллектора, через который рабочая жидкость подается к гидромоторам ходового устройства.