Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

221

грейфера, ковшового и вилочного погрузчиков и крана. В качестве дополнительного оборудования на экскаватор навешивают отвал бульдозера и другие виды оборудования. Рабочее оборудование 11 (рис. 4.22) подвешивают к поворотной колонке 10, смонтированной на полой цапфе в задней части несущей рамы 9 трактора.

Поворотные движения колонки (до 90° в каждую сторону) обеспечиваются двумя попеременно работающими гидроцилиндрами 5 через цепь 4

извездочку 3. Отвал бульдозера 7, управляемый гидроцилиндром 8, смонтирован на дышле 6, шарнирно соединенном с несущей рамой 9. Для обеспечения экскаватору устойчивости в рабочем режиме в задней части рамы 9 по обе ее стороны устанавливают выносные опоры 2. Перед экскавацией грунта гидроцилиндрами 1 экскаватор устанавливают на выносные опоры, а по окончании работ их поднимают. Технико-эксплуатационные показатели канатных и гидравлических экскаваторов сравнивают по основным видам рабочего оборудования, которыми являются прямая лопата для канатных и обратная лопата – для гидравлических машин. Вместимость ковшей гидравлических обратных лопат по сравнению с канатными прямыми лопатами той же размерной группы в среднем на 60 % больше при примерно одинаковой продолжительности их рабочих

циклов, массе и энергоемкости. Фактическая энергоемкость сравниваемых машин с основными ковшами составляет 0,35...0,47 кВт∙ч/м3 для канатных

и0,47...0,55 кВт-ч/м3 для гидравлических экскаваторов, а материалоемкость соответственно 130...230 кг/(м3/ч) и 102...164 кг/(м3/ч). Приведенные данные характеризуют перспективность гидравлических экскаваторов в отличие от канатных. Среди канатных экскаваторов наибольшую производительность обеспечивают прямые лопаты, по сравнению с которыми производительность обратных лопат составляет 75...100 %, а драглайнов – 70...90 %. По сравнению с гидравлическими обратными лопатами прямые лопаты производительнее в 1,2...1,4 раза, а погрузчики — в 1,7...2 раза. Производительность гидравлических грейферов составляет в среднем 50…70 % производительности обратных лопат на той же экскаваторной базе.

Эксплуатационные расчеты. Требуемая мощность силовой установки определяется из условий преодоления расчетных сопротивлений на расчетных скоростях рабочих движений. Расчетные параметры (сопротивления и скорости) определяют как средневзвешенные из диапазона производственных условий, в которых может работать экскаватор. Значения этих величин выработаны практикой проектирования и эксплуатации одноковшовых экскаваторов. Мощность (кВт) наиболее энергоемкой операции копания равна

где Ауд – удельная энергоемкость копания, равная работе, затрачиваемой на разработку 1 м3 грунта и принимаемая равной 200 кПа для грунтов III ка-

,

222

тегории и 250 для грунтов IV категории; tk продолжительность копания, с (для экскаваторов с механическим приводом она определяется по эмпи-

рической зависимости tk 2,74mэ , где mэ масса экскаватора, т); для экскаваторов III и IV размерных групп с гидроприводом tk 5,5...8c; kм коэффициент использования мощности двигателя при копании с учетом привода вспомогательных устройств, а также запаса мощности для обеспечения долговременной работы двигателя и преодоления кратковременных случайных перегрузок (км 0,72...0,75); дв.ро – коэффициент по-

лезного действия привода и рабочего оборудования, принимаемый равным 0,65 для экскаваторов с механическим, 0,57 с гидромеханическим, 0,45...0,56 с гидравлическим приводом с насосами постоянной подачи и 0,52...0,64 с насосами переменной подачи.

В ориентировочных расчетах строительных одноковшовых гусеничных экскаваторов мощность силовой установки Pс у (кВт) назначают по наиболее энергоемкой операции копания, принимая ее пропорциональной вме-

подвеской рабочего оборудования kk =73,5 кВт/м3, а с жесткой подвеской kk = 88 кВт/м3.

Скорость передвижения гусеничных экскаваторов определяют, исходя из полученной мощности силовой установки и расчетных сопротивлений передвижению. Для обеспечения необходимой скорости передвижения пневмоколесного экскаватора мощность силовой установки принимают на 25...30 % больше полученной приведенным расчетом. Теоретическая

где п –максимально возможное число рабочих циклов за 1 ч работы экскаватора; tцmin – минимальная продолжительность рабочего цикла при задан-

ных условиях работы, с; в соответствии с действующим стандартом про-

должительность рабочего цикла определяют при разработке грунта III категории, средних параметрах забоя, повороте платформы на разгрузку на угол 90° с выгрузкой в отвал.

Техническую производительность (м3/ч) определяют как наибольшую среднюю производительность экскаватора за 1 ч непрерывной работы в конкретных условиях (по грунту в плотном состоянии):

где kн – коэффициент наполнения ковша, равный отношению объема разрыхленного грунта в ковше перед разгрузкой к вместимости ковша; его максимальное значение для ковшей строительных лопат составляет 1,02,

,

223

для ковшей драглайнов – 0,9; kр – коэффициент разрыхления грунта; tц –

продолжительность рабочего цикла, с.

Эксплуатационную производительность (мз/см, мз/мес, мз/год) опре-

деляют также по грунту в плотном состоянии:

зования машины по времени, в среднем kв = 0,2...0,25.

Многоковшовые экскаваторы. Многоковшовые экскаваторы применяют для отрывки траншей в трубопроводном строительстве, при прокладке подземных линий связи и электроснабжения, тепловодов и других коммуникаций (траншейные экскаваторы); отрывки траншей с одновременной укладкой дренажных труб, отрывки мелиоративных каналов, их очистки и восстановления в процессе эксплуатации (мелиоративные экскаваторы); разработки карьеров строительных материалов и добычи полезных ископаемых (карьерные экскаваторы). Подобно ковшу одноковшового экскаватора каждый ковш многоковшового экскаватора работает в цикличном режиме, но рабочие движения смежных ковшей смещены по фазе. Так, если какой-либо ковш лишь начинает отрыв грунта от массива, то предшествующий ему ковш находится в промежуточной или конечной стадии этой операции, а следующий за ним ковш — в положении возврата на исходную позицию после разгрузки. Таким образом, в одно и то же время различными ковшами осуществляются операции отрыва грунта, его транспортирования, разгрузки и возврата в забой. Многоковшовые экскаваторы оборудуют, как правило, дополнительными транспортирующими устройствами, на которые разгружается грунт и которыми он отгружается непрерывным потоком в отвал, на другие перегрузочные устройства или в транспортные средства. По характеру выдачи продукции непрерывным потоком многоковшовые экскаваторы относят к машинам непрерывного действия. Их характерной особенностью является более равномерная загрузка силовых установок во времени и более высокая производительность по сравнению с машинами цикличного действия. Обычно все ковши многоковшового экскаватора закрепляют на едином рабочем звене — роторе (роторные экскаваторы) или замкнутой цепи (цепные экскаваторы), располагая их с одинаковым шагом. Рабочий орган роторного экскаватора может быть и бесковшовым (фрезерные экскаваторы). В этом случае зубья закрепляют непосредственно на роторе (фрезе).

Фрезерные экскаваторы применяют для нарезания щелей при укладке кабелей связи, а также для подготовки прочных грунтов перед последующей разработкой другими средствами, например путем сдвига расчлененных блоков грунта мощными бульдозерами. У цепных экскаваторов ковши могут быть заменены скребками (скребковые экскаваторы). Последние применяют для разработки узких траншей в слабых грунтах. В этом случае осыпание транспортируемого скребками грунта ограничивается боковыми стенками траншеи. Режущие кромки ковшей (зубьев, скребков) совер-

,

224

шают сложное движение, получаемое как результат сложения движений ковша вместе с ротором или ковшовой цепью относительно рамы, на которой они установлены (относительное движение), и рамы относительно неподвижной базовой части машины или машины в целом (переносное движение). Если относительное движение совершается в плоскости переносного движения, как, например, у траншейных экскаваторов, то этот способ разработки грунта называют продольным копанием, в противном случае копание называют поперечным, как, например, у карьерных роторных экскаваторов с неподвижной базой и вращающейся в горизонтальной плоскости стрелой, на конце которой установлен ротор с ковшами, вращающийся в вертикальной плоскости. Цепные карьерные экскаваторы также относятся к машинам поперечного копания. У них относительное движение ковшей не совпадает по направлению с перемещением в процессе экскавации всей машины, движущейся вдоль разрабатываемого карьера. Многоковшовые экскаваторы оборудуют преимущественно гусеничными (траншейные, мелиоративные и карьерные роторные экскаваторы) или рельсо-колесными (цепные экскаваторы поперечного копания) ходовыми устройствами. В отдельных случаях для траншейных экскаваторов малой мощности применяют также пневмоколесный ход. Рельсо-колесные ходовые устройства обладают невысокой маневренностью, поэтому их применяют на стабильных по длине объектах значительной протяженности. По мере выработки забоя, после исчерпания маневренности рабочего оборудования рельсы перемещают на новую позицию.

Траншейные экскаваторы. Траншейный экскаватор (рис. 4.23) состоит из тягача, рабочего органа и отвалообразователя. Тягач обеспечивает экскаватору поступательное перемещение как в режиме экскавации, так и при его перебазировании. Его оборудуют ходовым устройством 5, силовой установкой 7 с передаточными механизмами и системой управления, кабиной машиниста 6. Тягач изготовляют преимущественно на базе тракторных узлов. Для снижения удельных давлений на грунт его ходовые устройства удлиняют по сравнению с тракторными, а для обеспечения продольной устойчивости наиболее тяжелые агрегаты, например, силовую установку располагают в передней части тягача. При необходимости там же устанавливают дополнительный противовес. На тягаче также монтируют раму 8 для его соединения с рабочим органом. Рабочий орган выполняют в двух вариантах: в виде колеса (ротора) 2 с расположенными по его периферии ковшами 3 или в виде ковшовой цепи 26 (см. рис. 4.22, а, б).

,

225

Рис.4.23. Общий вид многоковшового цепного экскаватора ЭТЦ-4011: 1– тягач; 2– стойки; 3–неподвижный блок; 4– приводной вал; 5– ходовое устройство; 6– ведущая звездочка ;9, 10 –направляющая рама; 10 – вал; 12-ковш; 13– зубья ковша; 14– поддерживающие катки; 15– цепь; 16– ковшовая рама; 17– ведущая звездочка;

18–механизм подъема транспортера 19– нижняя рама

Соответственно различают роторные и цепные траншейные экскаваторы. Рабочий орган роторного экскаватора вращается в плоскости движения последнего, опираясь на раму 17 (см. рис. 4.24, а) через опорные 15 и направляющие 19 ролики. Боковыми балками 16 рама соединена с тягачом посредством ползунов, перемещающихся с помощью гидроцилиндров 9 и полиспаста 11 по направляющим 4. Установкой ползунов в требуемое положение по высоте регулируют глубину отрываемой траншеи, а для перевода рабочего оборудования в транспортное положение 1 применяют систему, состоящую из гидроцилиндра 10, стойки 12 и каната 13. Соединение рабочего органа с тягачом возможно и посредством коленчато-рычажного механизма (рис. 4.24, в). Глубина траншеи в этом случае регулируется изменением угла между тяговыми брусьями 28 и продольными балками 16 рамы рабочего органа.

Этим же механизмом рабочее оборудование переводится в транспортное положение 1. Задней частью рама 16 опирается на грунт через колесную 27 или скользящую 20 (см. рис. 4.24, а) опору, на которой устанавливают щит 18 для зачистки дна траншеи от осыпавшегося грунта при возвратном движении опорожненных ковшей в забой. Для возможности разгрузки ковшей на отвалообразователь 14 их изготовляют без внутренних стенок с днищами из цепных матов, а для удержания в них грунта при перемещении ковша снизу вверх в передней части рамы 17 устанавливают цилиндрический щит 29 (рис. 4.24, г). Ковшовая цепь цепного экскаватора с помощью ведущих звездочек 25 (см. рис. 4.24, б) перемещается по натяжному колесу 22 и поддерживающим роликам 24, установленным на ковшовой раме 23.

Как и у роторного экскаватора, ковши выполняют без внутренних стенок и закрепляют их на цепи только передней частью так, чтобы при переходе через верхнее положение хвостовая часть ковша поднималась вверх для гравитационной разгрузки грунта на отвалообразователь (положение

II ).

,

226

Рис.4.24. Траншейные экскаваторы: а) – роторного, б) – цепного типа; 1− ковш; 2− колесо; 3, 26− ковшовые цепи; 4− направляющее; 5− движитель; 6− кабина машиниста; 7− силовая установка; 8− тягач; 9, 10гидроцилиндры; 11− полиспаст; 12− стойка; 13− канат; 14− отвалообразователь; 15, 19 − ролики; 16− боковая балка; 17− рама; 18− защитный кожух; 19− направляющие ролики; 20− скользящая рама; 21−транспортер; 22− натяжное колесо; 23− ковшовая рама; 24− поддерживающий ролик; 25− ведомый ролик; 27− опорный ролик; 28 тяговый брус; 29− цилиндрический щит; 30− зубья; 31− палец натяжного колеса;32−тяговая цепь;3− качающейся балансир;

34− криволинейный конвейер

Глубину траншеи регулируют установкой в требуемое положение ползунов ковшовой рамы на направляющих 4 рамы 8 тягача. Этим же способом рабочее оборудование переводят в транспортное положение. Для снижения энергоемкости копания грунта зубья 30 (рис. 4.24, д) на ковшах как роторных, так и цепных экскаваторов устанавливают в таком порядке, чтобы по следу любого зуба перемещался зуб, расположенный на диаметрально противоположном ковше. Это обеспечивает разработку грунта с повышенной толщиной среза, близкой к критической, соответствующей минимальной энергоемкости процесса. В неустойчивых грунтах траншеи отрывают с откосами, для чего на роторных экскаваторах по обе стороны ротора устанавливают ножевые откосники 1 (см. рис. 4.24, а). Срезанный ими грунт обрушивается вниз, где он подхватывается и выносится к месту разгрузки ковшами. На цепных экскаваторах применяют активные откосники из тяговых цепей 32 (рис. 4.24, е) с закрепленными в их звеньях резцами. Каждая из двух цепей одним концом крепится на качающемся балансире 33, а вторым — на эксцентрично расположенном пальце 31 натяжного колеса, от которого она получает возвратно-поступательное движение.

,

227

Вследствие этих движений часть грунта, находящаяся в верхней части откосов, отделяется от массива и обрушивается вниз, где, как и в случае роторных экскаваторов, захватывается ковшами и выносится на поверхность для разгрузки на отвальный конвейер.

Отвалообразователи 14 (см. рис. 4.24, а, б), представляющие собой ленточные конвейеры, устанавливают в полости ротора – в случае роторных экскаваторов или на тягаче – в случае цепных экскаваторов. В современных траншейных экскаваторах применяют два типа отвальных конвейеров: криволинейные 34 (рис. 4.24, ж), у которых рабочая ветвь конвейерной ленты изогнута по цилиндрической поверхности, и двухсекционные 12 (см. рис. 4.24, а), состоящие из двух прямых участков, один из которых – горизонтальный – в зависимости от вида рабочего органа располагается в полости ротора или на тягаче и служит для эвакуации грунта из этой зоны, а второй – наклонный – отсыпает грунт в отвал с одной стороны траншеи.

Боковыми балками 16 рама соединена с тягачом посредством ползунов, перемещающихся с помощью гидроцилиндров 9 и полиспаста 11 по направляющим 4. Установкой ползунов в требуемое положение по высоте регулируют глубину отрываемой траншеи, а для перевода рабочего оборудования в транспортное положение 1 применяют систему, состоящую из гидроцилиндра 10, стойки 12 и каната 13, на экскаваторах средней и большой мощности.

В зависимости от требуемой дальности отбрасывания грунта от траншеи, определяемой глубиной траншеи и боковыми уклонами дневной поверхности земли, криволинейные конвейеры устанавливают в требуемое положение путем передвижения в поперечном направлении относительно движения экскаватора. В двухсекционных конвейерах эту регулировку производят путем изменения угла наклона внешней, наклонной секции. Отвальный конвейер может быть установлен с любой стороны экскаватора. С этой целью криволинейные конвейеры передвигают в нужное положение, как и ранее, а двухсекционные переставляют на другую сторону с помощью грузоподъемного оборудования. Траншейные экскаваторы оборудуют автономной силовой установкой с двигателем внутреннего сгорания, обычно дизелем. В зависимости от способа передачи энергии основным рабочим механизмам различают экскаваторы с механической, электрической, гидравлической и комбинированной передачами. Первый вид передач характерен для машин малой и средней мощности (до 120 кВт), а второй и последний − для машин большой мощности. Экскаваторы с чисто гидравлическими передачами в настоящее время не выпускаются. Благодаря возможности бесступенчато изменять рабочие скорости передвижения экскаватора для привода ходового устройства весьма эффективны гидрообъемные передачи с насосами переменной подачи. Для отрывки неглубоких и узких траншей при небольших объемах работ на одной строительной площадке и связанной с этим частой перебазировкой землеройных машин применяют цепные экскаваторы на базе пневмоколесных тракторов

(рис. 4.25).

,

228

Рис. 4.25. Скребковый экскаватор для разработки узких траншей: а — конструктивная схема рабочего оборудования; б — схема работы шнеков; 1− отвал; 2− рама; 3− скребок; 4− зачистный башмак; 5− тяговая цепь; 6− резец;

7− шнек

Рабочий орган этих машин, навешенный на трактор в его задней части, оснащают чередующимися резцами 6 и скребками 3 соответственно для отделения грунта от массива и его выноса на поверхность. Вынесенный на поверхность грунт отодвигают в стороны от траншеи шнеками 7, которые приводятся в движение от тяговой цепи 5. Просыпавшийся на дно траншеи грунт подгребают к скребкам зачистным башмаком 4, укрепленным на раме рабочего органа 2. Экскаватор дополнительно оборудуют бульдозерным отвалом 1. На базе траншейных роторных экскаваторов или их тягачей изготовляют роторные траншеезасыпатели, некоторые модели шнекороторных каналокопателей, а также фрезерные экскаваторы. Роторные траншеезасыпатели оборудуют широкозахватными роторами. Двигаясь вдоль траншеи, траншеезасыпатель подобно роторному экскаватору разрабатывает бруствер, отсыпая грунт из ковшей на отвальный конвейер, откуда он сбрасывается в траншею. Эти машины весьма эффективны в трубопроводном строительстве для засыпки траншей с уложенным в них изолированным трубопроводом. Отсыпанный в траншею грунт предварительно измельчается в процессе его разработки ковшами и постепенно по откосу отсыпается на уложенный трубопровод, не повреждая его изоляции. В шнекороторных каналокопателях, применяемых для отрывки каналов полного профиля в мелиоративном строительстве, полностью используют тягач и рабочее оборудование траншейного роторного экскаватора.

Его дооборудуют двумя шнеками 1 (рис. 4.26) и двумя (вместо одного у роторного траншеекопателя) отвалообразователями 3. При вращении относительно своих осей ножами, закрепленными на спиральных режущих кромках 2, шнеки разрабатывают грунт в откосах и перемещают его вниз, где он захватывается ковшами ротора 4, разрабатывающими среднюю часть поперечного сечения канала, выносится ими на поверхность и отсы-

,

229

пается на отвальные конвейеры 3, разгружающие грунт в бруствер по обе стороны канала.

Рис. 4.26. Схема разработки канала шнекороторным экскаватором

Положение бруствера относительно оси канала регулируют наклоном к горизонту отвальных конвейеров. По сравнению с базовыми машинами эти экскаваторы имеют пониженные рабочие скорости передвижения, что связано с необходимостью разработки каналов, по площади поперечных сечений более чем в два раза превышающих размеры траншеи без увеличения мощности силовой установки базовой машины. На базе цепных экскаваторов изготовляют экскаваторы-дреноукладчики (рис. 4.27, а), применяемые в мелиоративном строительстве для устройства закрытого дренажа, для чего цепной экскаватор дополнительно оборудуют ящиком-трубоукладчиком 5, шарнирно соединяемым с рамой 2 цепного рабочего органа.

Рис.4.27.Экскаватор-дреноукладчик (а) и трубоукладчик (б): 1− барабан; 2− рама рабочего органа; 3− датчик; 4− копирный канат; 5− ящик; 6,10 − корыта; 7− лоток;

8,9 − запасные кассеты

Трубоукладчик (рис. 4.27, б) дооборудуют лотком 7 для опускания дренажных гончарных трубок в траншею и корытами 6 и 10 для укладки в них рулонов подстилающей и накрывающей дренирующей стеклоткани или армированного стеклохолста. При укладке пластмассовой трубы экскаватор оборудуют, кроме того, барабаном 1 (см. рис. 4.27, а), навешиваемым на тягач в его передней части. На этот барабан насаживают бухту с пластмассовой трубой, которая по мере продвижения экскаватора разматывается с барабана и поступает в трубоукладчик, а оттуда укладывается в траншею. Экскавацию грунта эти машины осуществляют как траншейные цепные экскаваторы, но с меньшей производительностью из-за необходимости

,

230

точного соблюдения уклонов дна траншеи и остановок машин для пополнения трубоукладчика дренирующим материалом из запасных кассет 8 и 9 (рис. 4.27, б), а при укладке пластмассовой трубы, кроме того, для заправки барабана новыми бухтами трубы. Для выдерживания заданных уклонов экскаватор оборудуют автоматической системой с датчиком 3 (см. рис. 4.27, а), скользящим по копирному канату 4, натянутому по реперным столбикам рядом с отрываемой траншеей.

Среди экскаваторов траншеекопатели имеют наиболее низкие показатели удельной материалоемкости и энергоемкости: 43...63 кг/(м3/ч) и 0,16...0,23 кВт∙ч/м3 – для роторных; 42...86 кг/(мз/ч) и 0,27...0,37 кВт∙ч/м3 –

для цепных машин. По сравнению с обратными лопатами, также применяемыми для отрывки траншей, траншейные экскаваторы расходуют в 1,7...3 раза меньше энергии на отрывку каждого 1 м3 грунта при уменьшенной в 2,8...3,3 раза массе этих машин. Они отрывают выемки строго заданных проектных размеров, в то время как для получения требуемых размеров «в свету» обратными лопатами необходимо вынуть грунта в 1,5...2 раза больше расчетного. По сравнению с цепными роторные экскаваторы могут разрабатывать более прочные грунты благодаря жесткой конструкции рабочего органа. По этой же причине рабочий орган роторного экскаватора, имеющий меньше подвижных соединений по сравнению с цепным рабочим органом, в меньшей мере подвержен износу. Однако цепные экскаваторы могут разрабатывать более глубокие траншеи, в то время как роторные только до 3 м, что связано с увеличением диаметра ротора и габаритной высоты машины в ее транспортном положении.

Эксплуатационные расчеты траншейных экскаваторов. Техническая производительность (м3/ч) траншейного экскаватора

где А – площадь поперечного сечения траншеи, м2; х – максимальная скорость передвижения экскаватора в конкретных грунтовых условиях при заданной площади A, м/ч. Эта производительность обеспечивается заданными вместимостью ковша q (м3), числом ковшей на роторе z и частотой вращения ротора п (мин-1) или шагом ковшей (скребков) на ковшовой

где kн – коэффициент наполнения ковшей, который в зависимости от категории разрабатываемого грунта изменяется для ковшовых экскаваторов от 0,7 для плотных до 1,2 для слабых грунтов; для скребков этот коэффициент зависит от наклона рабочей ветви тяговой цепи к горизонту и изменя-

,