Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

191

нием энергоемкости рассматриваемого процесса при увеличении толщины среза, наблюдается до определенного предела с=скр, называемого критической глубиной резания. При дальнейшем увеличении толщины среза энергоемкость процесса возрастает. При этом изменяется в основном глубина центральной части прорези (штриховая линия на рис. 4.3, г), а размер по верхней части практически остается неизменным. Следовательно, для снижения энергоемкости разработки грунта толщину среза необходимо поддерживать на уровне ее критического значения.

Этого добиваются как при эксплуатации машин путем управления рабочими движениями, так и при создании машин подбором соответствующей ширины режущей кромки землеройного рабочего органа.

Обычно грунты разрабатывают послойно, снимая последующий слой после предыдущей проходки рабочего органа или серии таких проходок. Перед снятием очередного слоя, кроме первого, подлежащая разработке поверхность грунта представляет собой чередующиеся гребни и впадины, образованные в результате предыдущих проходок (рис. 4.4). При последующей разработке грунта по гребням (рис. 4.4, а) затрачивается меньше энергии, чем при разработке по впадинам (рис. 4.4, б) вследствие того, что во втором случае преодолеваются в основном сопротивления сдвигу грунта, которые по удельным значениям (на единицу площади поверхности, по которой происходит отделение грунта) значительно превосходят сопротивления отрыву грунта, характерные для первого случая.

Рис. 4.4. Поперечные сечения грунтовых прорезей при послойной разработке грунтов с расположением режущих рабочих органов (зубьев) по гребням (а) и впадинам

(б), образованным после предыдущей проходки

Первая схема также предпочтительна по суммарной площади поперечного сечения отделенного от массива грунта, а следовательно, она обеспечивает более высокую производительность. Результаты этого анализа широко используются в практике разработки грунтов, а также при проектировании рабочих органов многоковшовых экскаваторов, где режущие элементы располагаются в определенном порядке, обеспечивающем минимум энергоемкости землеройного процесса.

В рассмотренном взаимодействии режущего клина с грунтом предполагалось наличие на рабочем органе режущей кромки, что возможно только в случае острых режущих органов. В процессе эксплуатации землерой-

,

192

ные рабочие органы (зубья, режущие кромки ковшей, ножи бульдозерных отвалов и т. п.), взаимодействуя с грунтом, обладающим абразивными свойствами, изнашиваются и затупляются. При этом между передней и задней гранями режущего рабочего органа образуется поверхность, близкая к цилиндрической, без явно выраженной режущей кромки. При разработке грунта таким рабочим органом в зоне поверхности затупления образуется грунтовый нарост – ядро 1 (рис. 4.5), которое перемещается вместе с рабочим органом, как бы восполняя его изношенную часть. Перемещаемая вверх по передней грани режущего рабочего органа стружка будет отделяться от массива по поверхности, расположенной несколько выше следа рабочего органа в соответствии с формой и размерами грунтового ядра. Часть грунта 2 между поверхностью раздела и следом рабочего органа при проходке последнего уплотнится в оставшийся массив грунта. Из сравнения взаимодействия с грунтом острого и затупленного рабочих органов следует, что в последнем случае возникают дополнительные

сопротивления уплотнению землеройного рабочего органа грунта и повыше-

Рис. 4.5. Взаимодействие с грунтом грунта и повышенных сил трения между затупленного рабочего органа грунтом и уплотненным ядром, а также между ядром и отделяемой стружкой. С увеличением затупления режущего рабочего органа энергоемкость процесса разработки грунта возрастает.

Для повышения износостойкости режущих рабочих органов переднюю грань упрочняют твердым сплавом в виде наплавок износостойкими электродами или напаек из металлокерамических твердосплавных пластин. Последние более эффективны по сравнению с наплавками. Они обладают высокой твердостью (несколько выше твердости оксида кремния, содержащегося в песчаных грунтах), но подвержены хрупкому разрушению при встрече с валунами. Упрочненные по передней грани землеройные рабочие органы обладают эффектом самозатачивания, который проявляется в том, что державка рабочего органа 1 (рис. 4.6), имеющая более низкую твердость по сравнению с упрочняющим слоем 2, изнашивается быстрее последнего (формы износа показаны на рис. 4.6 тонкими линиями), так что рабочий орган во все время работы остается практически острым с затуплением лишь по толщине упрочняющего слоя.

Такие рабочие органы обеспечивают менее энергоемкую разработку грунта по сравнению с рабочими органами без упрочнения.

Процессу отделения грунта от массива, называемому резанием, сопутствует перемещение грунта перед рабочим органом или нему. Совокупность этих процессов называют копанием. При копании

,

где k1 – коэффициент пропорциональности, называемый удельным сопротивлением грунта копанию, кПа; при разработке песков, легких и средних супесей и суглинков одноковшовым экскаватором k1 =18...80 кПа, а при разработке тех же грунтов траншейным многоковшовым

экскаватором k1 = 70...230 кПа; при разработке теми же способами тяжелых и очень тяжелых глин соответственно k1=220... 400 кПа и k1=650...800 кПа; b и с − ширина и толщина

рию, а также по средней плотности в плотном состоянии грунты делят на группы, используемые для определения норм выработки при механизированных земляных работах.

Согласно этой классификации одни и те же грунты могут быть отнесены к различным группам в зависимости от того, какими машинами они разрабатываются. Это затрудняет сравнительную оценку землеройных машин, реализующих различные способы разработки грунтов, в связи с чем при проектировании и испытаниях указанных машин пользуются научно обоснованной классификацией не мерзлых землистых грунтов по методу проф. А. Н. Зеленина, в основу которой положена сопротивляемость грунтов внедрению в них плоского штампа — стержня (табл. 4.1).

,

194

Согласно этой классификации грунты делят на восемь категорий, из которых первые четыре разрабатываются машинами в состоянии природной плотности, а для разработки грунтов V...VII категорий их предварительно разрыхляют, преимущественно взрывом.

Нормальная составляющая сила сопротивления грунта копанию (кН)

где ψ – коэффициент пропорциональности; например, для одноковшовых экскаваторов, работающих в однородных грунтах, ψ = 0,1...0,15; при рабо-

,

195

те в неоднородных грунтах и тупой режущей кромке значения ψ увеличиваются в 1,5...2 раза и более.

Боковая составляющая сопротивления грунта копанию F03 , численно равная боковой силе копания F3 , возникает лишь в случае разработки неоднородных по ширине режущей кромки грунтов, а также когда режущая кромка наклонена к направлению движения под углом, отличным от прямого — косое резание

Влияние этих сил на энергетические характеристики процесса будет рассмотрено ниже при изучении взаимодействия с грунтом наклонного в плане отвала бульдозера.

В случае необходимости выделения из усилия R1 силы резания F р ее абсолютное значение (кН)

где k1, – удельное сопротивление грунта резанию, кПа (см. табл. 4.1); b, h

– ширина и толщина срезаемой стружки.

Сила сопротивления перемещению призмы волочения

изменяется в пределах от 0,65 до 0,6 для связных и от 0,45 до 0,35 для несвязных (типа песков и супесей) грунтов.

Толщина срезаемой стружки может быть определена по формуле h qkн /(lнbkраз),

где q емкость ковша; kн коэффициент наполнения; lн длина заполнения; b ширина срезаемой стружки; kраз коэффициент разрыхления.

При механической разработке осуществляются два процесса: резание и копания. Толщина стружки может изменяться по длине траектории. В процессе резания грунта рабочему органу сообщается движение в двух направлениях: вдоль забоя и перпендикулярно ей. Движение по первому направлению называется основным, так как в результате его срезается стружка. Движение по второму направлению называется движением подачи, определяющим толщину стружки и тем самым загрузку рабочего органа.

Копанием называется процесс, включающий резание грунта и перемещение его разрушенной части перед рабочим органом.

Как отмечалось выше, землеройные рабочие органы обычно объединяют с транспортирующими ковшовыми или отвальными органами, конструкция, форма и размеры которых должны удовлетворять требованиям землеройного процесса. Основным параметром ковша является его вме-

,

196

стимость, которая должна быть достаточной для накопления в нем грунта, отрытого за один рабочий цикл. Рассчитывая вместимость ковша, учитывают, что при разрыхлении грунт увеличивается в объеме. Это увеличение характеризуется коэффициентом разрыхления (см. табл. 4.1), равным отношению объемов грунта определенной массы после и до разрыхления. Ту же способность накапливать грунт перед отвальным рабочим органом оценивают длиной и высотой последнего, а также размерами боковых щек и открылков. При расчете этих размеров кроме разрыхляемости грунта учитывают его способность сохранять устойчивое положение в естественном откосе, характеризуемую либо крутизной откоса, равной отношению его заложения к высоте, либо углом естественного откоса по отношению к горизонту, который изменяется для сухих грунтов от 25° (для мелких песков) до 50° (для суглинков). С повышением влажности этот коэффициент уменьшается в большей мере для связных глинистых, растительных и торфянистых грунтов, составляя 14...15° в их мокром состоянии, в меньшей мере для малосвязных песке суглинков и гравия — 20...35°.

Большая часть грунтов, особенно влажных, обладает способностью прилипать к рабочим поверхностям землеройных транспортирующих рабочих органов. При разгрузке часть грунта остается на внутренних поверхностях рабочего органа, вследствие чего уменьшается его вместимость, повышаются сопротивления перемещению грунта по рабочему органу, снижается производительность землеройной машины. Это свойство грунтов учитывают при конструировании и изготовлении землеройных рабочих органов, придавая им соответствующие формы, а также оборудуя их специальными очистными устройствами. В процессе эксплуатации землеройных машин их рабочие органы периодически очищают внешними средствами, кроме того, осуществляют газовую и жидкостную смазки рабочих поверхностей землеройных органов, их облицовку полимерами и др. Однако широкого промышленного применения последние три способа пока не получили из-за их дороговизны и сложной технологии производства.

Описанное выше взаимодействие землеройных рабочих органов с грунтом справедливо главным образом для грунтов не мерзлого состояния. При замерзании свойства грунтов изменяются прежде всего из-за цементирующего влияния замерзшей воды, находящейся в их порах, повышаются их прочность, абразивность, связность. Разработка таких грунтов традиционными способами становится малоэффективной.

4.3. Экскаваторы

Экскаватором называют землеройную машину, выполняющую операции по отделению грунта от массива и перемещению его в отвал или транспортные средства в пределах зоны досягаемости рабочего оборудования. Экскаваторы оборудуют одним или несколькими ковшами. В первом случае их называют одноковшовыми, во втором — многоковшовыми.

,

197

Одноковшовые экскаваторы. Рабочий процесс одноковшового экскаватора (экскавация) состоит из последовательно выполняемых операций: отделения грунта от массива, заполнения им ковша, транспортирования грунта в ковше к месту разгрузки, разгрузки грунта из ковша, возвращения последнего в забой на исходную позицию. Совокупность этих операций составляет рабочий цикл экскаватора, в результате выполнения которого выдается одна порция продукции в объеме разгруженного из ковша грунта. По этому признаку в соответствии с принятой ранее классификацией строительных машин одноковшовые экскаваторы относят к машинам цикличного действия. По назначению одноковшовые экскаваторы делят на строительные – для выполнения земляных работ, погрузки и разгрузки сыпучих материалов; строительно-карьерные – для выполнения работ по назначению строительных экскаваторов, а также для разработки карьеров строительных материалов и добычи полезных ископаемых открытым способом; карьерные – для работы в карьерах; вскрышные – для снятия верхнего слоя грунта или горной породы перед карьерной разработкой; туннельные и шахтные − для работы под землей при строительстве подземных сооружений и разработке полезных ископаемых.

Одноковшовые экскаваторы могут разрабатывать грунты выше 8 (рис. 4.7) и ниже 9 уровня своей стоянки соответственно рабочим оборудованием прямой и обратной лопат.

Рис. 4.7. Базовая часть одноковшового экскаватора и основные виды рабочего оборудования: 1− кабина; 2− рама; 3,5−поворотная платформа; 4− движитель; 6−противовкс

7− двигатель; 8, 9− ковш прямой и обратной лопатой; 10− грейфер; 11, 12 − драглайна

Для увеличения рабочей зоны, например, при разработке котлованов больших размеров, на погрузочных и разгрузочных, а также на вскрышных работах на экскаваторы устанавливают рабочее оборудование драглайна

12.

Для отрывки глубоких котлованов, ям, колодцев используют рабочее оборудование грейфера 10, для планировочных работ — специальное планировочное оборудование и т. п. На экскаваторы может быть установлено также крановое, сваебойное и другое сменное рабочее оборудование — всего более 40 видов.

Одноковшовый экскаватор может иметь только один вид рабочего оборудования или комплектоваться его сменными видами, устанавливаемыми

,

198

на машину в зависимости от выполняемых работ. В первом случае экскаваторы называют специальными, а во втором – универсальными. К последним относится большинство строительных экскаваторов. В нашей стране более 90 % выпускаемых одноковшовых экскаваторов являются универсальными. Используемые на массовых разработках горных пород открытым способом специальные карьерные экскаваторы имеют только один вид рабочего оборудования — прямую лопату.

Вскрышные экскаваторы имеют одинаковую с карьерными машинами базу и отличаются от последних главным образом размерами рабочего оборудования — ковшом большей вместимости, увеличенным его вылетом

–расстоянием от оси вращения экскаватора до центра масс ковша. Это позволяет более полно использовать энергетические параметры силовой установки, прочностной ресурс машины и другие характеристики с целью получения наибольшей производительности на разработке вскрышных грунтов, менее прочных по сравнению с залегающей под ними горной породой. Для работы в карьерах широко применяют мощные шагающие драглайны, которые используют как на погрузке взорванной породы, так и на вскрышных работах. Карьерные и вскрышные экскаваторы, а также шагающие драглайны относятся к горным машинам. Однако их широко используют на строительстве крупных земляных сооружений, например плотин, дамб, водохранилищ, каналов и т. п.

Одноковшовые экскаваторы различают по исполнению рабочего оборудования, элементы которого могут быть соединены между собой и с базой машины шарнирами и канатами или иметь жесткие шарнирные сочленения. Последние присущи гидравлическим экскаваторам. Жесткое сочленение позволяет более полно использовать массу экскаватора для реализации больших усилий на зубьях ковша, благодаря чему представляется возможным разрабатывать грунты с повышенными площадями поперечных сечений срезов; что существенно повышает производительность этих машин.

Гидравлический привод одноковшовых экскаваторов обеспечивает рабочему оборудованию большую маневренность, позволяет выбирать более рациональные рабочие движения. Благодаря существенным преимуществам перед канатными машинами гидравлические экскаваторы в общем объеме производства одноковшовых экскаваторов в нашей стране составляют более 80 %. В отдельную группу по рассматриваемому признаку выделяют экскаваторы с телескопическим оборудованием, применяемым в конструкциях экскаваторов-планировщиков 11 (см. рис. 4.7), с помощью которых выполняют планировочные, зачистные и обычные экскавационные работы.

Одноковшовые экскаваторы изготовляют как самоходные машины, способные передвигаться в пределах строительной площадки, а также при смене строительного объекта. Для передвижения по грунтам с пониженной несущей способностью применяют гусеничные ходовые устройства с увеличенной опорной поверхностью. При частой смене строительных объектов для придания экскаваторам большей мобильности их оборудуют пнев-

,

199

моколесными ходовыми устройствами, используя для этого также автомобильную или тракторную базу, или специальные шасси автомобильного типа. Карьерные и вскрышные экскаваторы оборудуют, как правило, гусеничными ходовыми устройствами, а мощные драглайны — шагающим ходом с развитой поверхностью опорной рамы, что позволяет снизить удельное давление машины на грунт до допустимых значений.

По возможности вращения поворотной части различают полноповоротные (с неограниченными угловыми перемещениями) и неполноповоротные (с ограниченными угловыми перемещениями) экскаваторы. Неполноповоротными изготовляют лишь экскаваторы на базе пневмоколесных тракторов, все остальные одноковшовые экскаваторы изготовляют полноповоротными. По числу установленных двигателей различают одно- и многомоторные экскаваторы. К одномоторным относят также экскаваторы с несколькими двигателями, работающими на один вал. Одноковшовые строительные экскаваторы оборудуют преимущественно одномоторной силовой установкой с механическим, гидромеханическим или гидравлическим приводом. Лишь отдельные модели экскаваторов с канатной подвеской рабочего оборудования имеют многомоторный привод. Карьерные и вскрышные экскаваторы, а также шагающие драглайны оборудуют многомоторным электроприводом постоянного тока с питанием от сети высокого напряжения.

Главным параметром одноковшового экскаватора является вместимость ковша, которая совместно с продолжительностью рабочего цикла определяет производительность экскаватора. Каждой вместимости строительного универсального экскаватора соответствует определенная размерная группа:

Для других типов экскаваторов такое соответствие не регламентировано. На гидравлических экскаваторах устанавливают ковши больше или меньше приведенных вместимостей. По назначению и области применения одноковшовые экскаваторы можно разделить на четыре типа.

– экскаваторы строительные общего назначения, оснащаемые ковшами вместимостью от 0,15 до 5 м3 и находящие самое широкое применение в промышленном и жилищном строительстве. Обозначаются они индексом

«ЭО»;

– экскаваторы карьерные, гусеничные, используемые для добычи полезных ископаемых на открытых разработках и в карьерах. Машины оснащаются ковшами вместимостью от 2 до 8 м3 и обозначаются ЭКГ;

–экскаваторы вскрышные гусеничные, предназначенные для производства вскрышных работ на угольных разрезах и открытых разработках в горной промышленности, оснащаемые ковшами вместимостью от 6 до 160

м3. Такие машины обозначаются ЭВГ;

–шагающие экскаваторы-драглайны ЭШ с большим вылетом крюка.

Такие экскаваторы оснащаются ковшами от 4 до 200 м3.

,

200

В соответствии с принятой в 1968 г. системой индексации одноковшовые строительные экскаваторы обозначают индексами, состоящими из двух заглавных букв ЭО (экскаватор одноковшовый универсальный) и через дефис обязательных четырех цифр, которые соответственно определяют: размерную группу экскаватора, тип ходового устройства, конструктивное исполнение рабочего оборудования, порядковый номер модели данного типа и исполнения. Для обозначения типа ходового устройства применяют индексы: 1 – гусеничное, 2 – гусеничное с увеличенной опорной поверхностью, 3 – пневмоколесное, 4 – специальное шасси автомобильного типа, 5 – шасси грузового автомобиля, 6 – на базе трактора и т. д., а исполнения рабочего оборудования: 1 – рабочее оборудование с канатной подвеской, 2 – то же, с жесткой подвеской, 3 – то же, телескопическое. Например, ЭО-4123 означает: экскаватор одноковшовый универсальный четвертой размерной группы (вместимость основного ковша 1,0 м3) с гусеничным ходовым устройством и жесткой гидравлической подвеской рабочего оборудования, модель 3. Буквами после цифр обозначают очередную модернизацию экскаватора А, Б, В и т. д. и специальное климатическое исполнение (ХЛ – северное, Т – тропическое, ТВ – тропическое влажное), рис. 4. 8.

Рис.4.8. Структура индексация одноковшовых экскаваторов

Строительные экскаваторы, выпущенные до 1968 г., имеют другую структуру индексов, например, Э-652Б, что означает: экскаватор одноковшовый универсальный с ковшом вместимостью 0,65 м3 второй модели, прошедший вторую модернизацию. Индексы карьерных и вскрышных экскаваторов строят по типу ЭГ-12 (экскаватор гидравлический с ковшом вместимостью 12 м3), ЭШ.20/90 (экскаватор-драглайн шагающий с ковшом вместимостью 20 м3 и стрелой длиной 90 м) и т. д. Различие экскаваторов по вместимости ковша велико от 0,15…0,25 до 200 м3. Универсальный одноковшовый неполноповоротный гидравлический экскаватор ЭО-2621А на базе пневмоколесного трактора «Беларусь» имеет емкость ковша 0,25…0,5 м3, мощность двигателя 50 кВт, рис. 4 9.

,