У гідравлічних екскаваторів другої - четвертої розмірних груп зворотна лопата є основним видом робочого устаткування. Її стрілу частіше за все виконують з двох секцій - корінний 2 (мал. 12, а) і подовжуючої 4 - сполучених між собою шарніром і тягою 3. Останню можна встановлювати на подовжуючій секції в отвори / // і /// , змінюючи тим самим довжину стріли (відстань між шарнірами кріплення корінної секції до поворотної платформи і рукояті 6 до подовжуючої секції). З'єднання рукояті із стрілою і ковша 10 з рукояттю - шарнірне. Для управління поворотом стріли, рукояті і ковша використовують гідравлічні циліндри /, 5 і 7. При цьому останній управляє поворотом ковша через коромисло 8 і тягу 9. Така схема забезпечує ковшу великі кутові переміщення. На деяких екскаваторах застосовують моноблокову стрілу Г-образної форми. Залежно від міцності ґрунтів і видів виконуваних робіт її, що розробляються зворотною лопатою, обладнали ковшами 11…15 (мал. 12, б) різної місткості і форми. Зокрема, ковші для дренажних робіт 14 і для риття вузьких траншей 15 виконують в розмірах і формі профілю виїмки, що розробляється.
Робочий процес гідравлічної зворотної лопати аналогічний описаному вище для канатних екскаваторів. Відмінність полягає в способі передачі руху ковшу, яке у гідравлічних екскаваторів забезпечується гідравлічними циліндрами 1, 5 і 7. Характер руху ковша залежить від конкретних умов виконання робіт і значною мірою визначається досвідом машиніста. Частіше за весь рух стріли використовують для установки ковша в початкове положення, а також для його перекладу в транспортне положення. Для копання використовують в основному рух рукояті, а в кінці цієї операції працюють ковшом, забезпечуючи його заповнення. Рухи рукояті, а потім і ковша використовують також для розвантаження останнього. Завдяки можливості відносного руху ковша він придбаває високу маневреність, що забезпечує повне заповнення його грунтом, утримання в ньому грунту під час транспортної операції без втрат, направлене розвантаження, у тому числі в транспортні засоби, що утруднене у разі канатних зворотних лопат.
Найважливішою перевагою гідравлічних зворотних лопат перед канатними є їх здатність реалізувати на зубах або ріжучій кромці ковша великі зусилля завдяки жорсткому зчленовуванню елементів робочого устаткування між собою і з базовою частиною машини, працюючої відносно стійкості як єдине ціле. У канатних екскаваторів ці зусилля обмежені силою тяжкості тільки робочого устаткування, що притискує його до забою. Спроба збільшити зусилля на зубах ковша приводить до підйому робочого устаткування - його повороту щодо шарніра у п'яти стріли в напрямі від забою. Це дозволяє за інших рівних умов навішувати на гідравлічні екскаватори ковші більшої місткості - в середньому на 60% в порівнянні з ковшами канатних екскаваторів. Слідством цього є підвищена в такому ж відношенні продуктивність зворотних лопат. Разом з тим це приводить до важчих умов навантаження ходових пристроїв, зокрема, гусеничних, уніфікованих на деяких моделях з канатними машинами. Останнім часом в конструкціях ряду моделей повноповоротних гідравлічних екскаваторів застосовують гусеничні ходові пристрої тракторного типу з ланками з прокату, що володіють високою надійністю і великим ресурсом в порівнянні з екскаваторними гусеничними пристроями. Цим досягається уніфікація з сільськогосподарськими і дорожніми машинами, скорочуються витрати на технічне обслуговування.
Драглайн
Екскаватори з робочим устаткуванням драглайна застосовують для розробки ґрунтів переважно нижче за рівень стоянки.
Завдяки подовженій в порівнянні з іншими видами робочого устаткування стрілі драглайни працюють на більшому радіусі копання, тому їх використовують переважно на уривку великих котлованів і траншей, а також для вантаження і розвантаження сипких будівельних матеріалів. Як наголошувалося раніше, могутні крокуючі драглайни використовують для видобутку корисних копалин відкритим способом і на вскришних роботах. Вітчизняною промисловістю випускаються будівельні драглайни з ковшами 0,3…3 м3, а крокуючі драглайни - від 5,45 до 100 м3.
Робоче устаткування драглайна включає стрілу 5 (мал. 13, а) звичайно гратчастої (будівельні екскаватори), рідше вантовой (крокуючі драглайни) конструкції, по довжині значно перевищуючу стрілу лопати, ківш 7, тяговий 8 і підйомний 4 канати. Останній огинає головний блок 6 і навивається на барабан 2 підйомної лебідки. Тяговий канат прямує роликовим пристроєм / і навивається на барабан 3 тягової лебідки. Ківш підвішують до тягового каната ланцюгами 9 (мал. 13, б), а до підйомного каната - ланцюгами 13. Щоб підйомні ланцюги не перешкоджали вільному переміщенню ковша при розвантаженні, між ними ставлять розпірку 12. На ковші встановлюють також розвантажувальний канат 10, закріплюючи його одним кінцем на арці ковша, а другим - у вузлі з'єднання тягових ланцюгів з тяговим канатом. З підйомними ланцюгами розвантажувальний канат з'єднується через блок 11, встановлений у вузлі з'єднання підйомних ланцюгів з підйомним канатом.
Для початку розробки ківш опускають на грунт (положення / /' /» / «' - мал. 13, а), потім тяговим канатом при ослабленому підйомному канаті його переміщають по забою (положення // ). Після заповнення ковша, не ослабляючи тягового каната, підйомним канатом його підтягають до стріли (положення /// ), включають поворотний механізм з одночасним переміщенням ковша до голови стріли підйомним і тяговим канатами. В кінці цієї операції тяговий канат відпускають, ківш перекидається і розвантажується (положення IV). Далі поворотним поворотним рухом з одночасним відпуском підйомного і тягового канатів опускають ківш в початкове положення. За рахунок відцентрових сил, що виникають при повороті, підйомний канат відхиляється від вертикалі на кут до 20…30 °, завдяки чому досягається більший радіус занедбаності ковша в початкове положення (положення /' /'»).
Гранична форма подовжнього перетину піонерної виїмки ABCD показана на мал. 4.15, а, а з урахуванням відцентрових сил при поворотному русі - A'B'C'D. Кути нахилу до горизонту західного і вихідного укосів складають в середньому 45 і 30 ° відповідно, а довжина горизонтальної ділянки - не менше за довжину ковша. Після відробітку піонерної виїмки екскаватор переміщають від забою на нову стоянку, з якою може бути розроблена виїмка з граничним контуром A'B «C " D» і т.д., до отримання необхідної глибини Н. Максимальне значення цього розміру, а також радіусу копання обмежується завдовжки стріли і кутом вихідного укосу. Управління екскаватором зводиться до включення і відключення підйомної і тягової лебідок, а також механізму повороту. При ослабленому тяговому канаті ківш вільно висить на підйомному канаті, а при натягненні тягового каната він відновлює робоче положення за допомогою розвантажувального каната. Драглайни працюють переважно з розвантаженням у відвал. Розвантаження грунту в транспортні засоби можливе, але вона різко знижує продуктивність екскаватора через необхідність виконувати цю операцію після повної зупинки поворотного руху і знижених швидкостей останнього щоб уникнути розгойдування ковша.
На відміну від прямої і зворотної лопат, у яких ківш має жорстке з'єднання з рукояттю, у драглайнів ковші підвішують до стріли на канатах. При цьому в режимі копання ківш переміщається під дією тягового зусилля (мал. 14), долаючи опір грунту копанню і частково силу тяжкості ковша з ґрунтом (при роботі на похилих ділянках).
Мал. 14. Схема силової взаємодії ковша драглайна з ґрунтом
На початку копання порожнім ковшем момент сили його тяжкості виявляється недостатнім, щоб протистояти моменту тягового зусилля відносно ріжучих кромок зубів, унаслідок чого відбувається незначне перекидання ковша вперед з урізуванням його в ґрунт. У міру заповнення ковша ґрунтом зростає сила і плече цієї сили а відносно ріжучих кромок, унаслідок чого рух ковша щодо денної поверхні землі стабілізується. Подальше збільшення сили і переміщення центру мас ковша у напрямі до задньої стінки приводять до виглубленню ковша. Стійка робота ковша драглайна можлива при певних співвідношеннях розмірів а і h. У разі недостатньої висоти установки петель тягового каната шлях урізування ковша в ґрунт збільшується, а при великій висоті може відбутися його перекидання. Процес можна стабілізувати зміною розміру h. З цією метою петлі тягових канатів роблять переставними, встановлюючи їх у верхнє положення при роботі в легких ґрунтах і в нижнє - при роботі в щільних ґрунтах, відповідно збільшуючи або зменшуючи товщину зрізу. При цьому, природно, змінюватиметься і шлях наповнення ковша, який при роботі в легких ґрунтах кратний двом - чотирьом довжинам ковша і збільшується з підвищенням міцності грунту. Для роботи в легких ґрунтах застосовують ковші збільшеної (в 1,3… 1,5 рази) місткості без зубів або з двома зубами з напівкруглим днищем і ріжучою кромкою.
При переобладнанні будівельного універсального екскаватора з прямої лопати на драглайн замінюють його робоче устаткування, встановлюють направляюче роликовий пристрій у п'яти стріли і подібно переобладнанню в зворотну лопату - напірний механізм переобладнали в тяговий.
Мал. 15. Конструктивна схема грейферного робочого устаткування
Могутні крокуючі драглайни відрізняються від описаних великими розмірами, індивідуальним приводом робочих механізмів і ходовим пристроєм. На цих екскаваторах встановлюють електродвигуни постійного струму, живлені від мережі змінного струму високої напруги через мережний двигун змінного струму і генератори постійного струму. Крокуючі ходові пристрої забезпечують переміщення екскаватора тільки у напрямі задньої частини поворотної платформи. Тому маневрові рухи здійснюються з поворотом платформи в потрібному напрямі.
Грейфер. Грейферне робоче устаткування використовують для уривки глибоких котлованів, очищення водоймищ і каналів, а також для вантаження і розвантаження сипких матеріалів. В грейферному робочому устаткуванні з канатним управлінням (мал. 15, а) використовуються стріла драглайна 3 і щелепний ківш 6, підвішений на підтримуючому 4 і замикаючому 5 канатах. Для запобігання закручування канатів при поворотних рухах і розгойдування ковша використовують відтяжний канат 7, огинаючи блоки 2 на стрілі і що закінчується підвішеним до нього вантажем 1, вільно тим, що переміщається в направляючих стріли. Ківш складається з двох щелеп 12, шарнірно сполучених з нижньою головкою 11. Тягою 9 щелепи підвішені до верхньої головки 8. Підтримуючий поліспаст 4 закріплюється на верхній головці, а замикаючий утворює поліспаст 10, обойми якого закріплені відповідно на верхній і нижній головках. При роботі грейферний ківш може бути підвішений на підтримуючому або на замикаючому канатах. В першому випадку нижня головка разом з нижньою обоймою поліспаста опускається і щелепи розкриваються. В другому випадку через виникаючі в поліспасті зусилля його головки зближуються і щелепи закриваються.
Для роботи грейфером його ківш опускають на підтримуючому канаті на ґрунт в розкритому положенні, ослабляють підтримуючий канат, а замикаючим канатом піднімають ківш. В першій стадії цього руху щелепи ковша зближуються, захоплюючи ґрунт, а потім завантажений ґрунтом ківш підіймається з виїмки. В такому його положенні екскаватор повертають на розвантаження, а в кінці цього руху перемикають підвіску канатів, утримуючи ківш підтримуючим канатом, внаслідок чого щелепи розкриваються і ґрунт висипається з ковша. Поворотним рухом і опусканням ковша на підтримуючому канаті його встановлюють у вихідну позицію наступного робочого циклу.
В гідравлічному варіанті (мал. 15, б) робоче устаткування грейфера підвішують до рукояті зворотної лопати 13 на двох циліндрових шарнірах 14 і 15, дозволяючи ковшу зайняти прямовисне положення. Для гасіння інерційних сил при розгойдуванні ковша під час повороту платформи на пальцях цих шарнірів встановлюють фрикційні диски. Щодо вертикальної осі ківш грейфера може бути поворотним або неповоротним. Поворотний ківш володіє кращою маневреністю при копанні і на навантажувально-розвантажувальних роботах. Поворотна частина складається з порожнистої штанги 16, зв'язаної шарнірами 18 з щелепами ковша. Усередині штанги поміщається гідроциліндр 17, сполучений з нею корпусом, а штоком - з траверсом 8. Остання шарнірно сполучена з щелепами ковша тягою 9. Висунутий шток гідроциліндра відповідає закритому положенню ковша /, а що всуває - відкритому положенню // . Для роботи на великих глибинах штангу подовжують вставками.
Зусилля, які можуть бути реалізовані на щелепах канатного грейфера при захопленні ними грунту, визначаються різницею сили тяжкості ковша і зусилля натягнення замикаючого каната, тобто на розробку грунту реалізується тільки частина сили тяжкості ковша. Крім того, задовольняюча вимогам виробництва грейферних робіт завантаження ковша забезпечується при низьких швидкостях зближення щелеп при діючих на ґрунт навантаженнях, близьких по значенню до статичних. Із збільшенням цих швидкостей ківш відривається від грунту, не встигнувши заповнитися. Ці чинники істотно знижують продуктивність машини, яка складає приблизно половину продуктивності драглайна змонтованого на тій же екскаваторній базі. У гідравлічних грейферів для упровадження щелеп ковша в ґрунт використовують напірне зусилля гідроциліндра, що дозволяє розробляти більш міцні ґрунти без обмеження швидкості зближення щелеп. В порівнянні з канатними грейферами це дозволяє скоротити робочий цикл більш ніж на 30%, що за інших рівних умов в такому ж відношенні знижує матеріаломісткість цього робочого устаткування.
Навантажувачі. Гідравлічні екскаватори ефективно застосовують для вантаження роздроблених і сипких матеріалів. При завантаженні ковша останній переміщають по підошві укосу, що обсипається, працюючи на малих вильотах. За умов стійкості машини і якнайкращого використовування енергетичних параметрів її силової установки на цих роботах можна застосовувати ковші підвищеної місткості (в 1,5…2 рази більше місткості ковшів прямих лопат). Відповідно до характеру роботи змінюється і схема робочого устаткування (мал. 16, а), званого навантажувачем. Для цього звичайно використовують корінну секцію стріли зворотної лопати 1, пов'язану з підвіскою 9 ковша 7 за допомогою рукояті 3 і тяга 4. Рукоять, тяга, стріла і підвіска утворюють шарнірний чотирьохзвінник (паралелограм). Ківш сполучений з підвіскою шарнірно і може переміщатися щодо неї у вертикальній площині. Робочі рухи забезпечуються чотирма гідроциліндрами: стріловидним 10, шарнірно сполученим корпусом з поворотною платформою; двома гідроциліндрами 2 для повороту рукояті і гідроциліндром повороту ковша 5; корпусом, шарнірно сполученим з рукояттю, а штоком через важіль 8 і тягу 6- з ковшем.
Мал. 16. Робоче устаткування гідравлічного навантажувача (а) і його змінні ковші (б)
При фіксованому положенні штока гідроциліндра ковша щодо його корпусу поворотом рукояті за допомогою гідроциліндра 2 забезпечують переміщення ковша паралельно опорній поверхні екскаватора, використовуючи цей рух для заповнення ковша по підошві забою. В кінці
гідроциліндром 5 ківш повертають зубами вгору, а за допомогою гідроциліндрів 10 і 2 робоче устаткування піднімають і виносять вперед. Ці рухи починають до повороту машини на розвантаження і закінчують безпосередньо перед розвантаженням. Розвантажують ківш його поворотом зубами вниз за допомогою гідроциліндра 5. Повертають ківш в початкове положення тими ж рухами в зворотному порядку. Для виконання вантажних робіт машину обладнали широким ковшем 11 без зубів. Навантажувачі застосовують також для розробки ґрунтів. В цьому випадку їх обладнали ковшами із зубами 12 і 13.
Екскаватор-планувальник. Вживання описаних вище видів робочого устаткування, виготовленого на базі схем шарнірно-важелів гідравлічних екскаваторів, для планувальних робіт вимагає чіткої координації декількох простих рухів, з яких може бути складене прямолінійний рух ріжучої кромки ковша. Виключенням є робоче устаткування навантажувача, але з обмеженим переміщенням у напрямі планованої поверхні. Більш просто ця задача розв'язується в конструкції екскаватора-планувальника з телескопічним робочим устаткуванням, яке складається з рами стріли 2 (мал. 17, а), двох секцій стріли - нерухомої 4 і рухомої 6 і ковша 8. Раму укріплюють шарнірно на поворотній платформі, а для її переміщення у вертикальній площині використовують гідроциліндр підйому стріли /. Нерухому секцію стріли вмонтовують на рамі, забезпечуючи нею можливість повороту щодо подовжньої осі останньої. З цією метою її опирають на бандаж 3 і через вісь 9 - на задню стінку рами 11. На мал. 17, а (вигляд А) показаний один з варіантів конструктивного рішення поворотного механізму, виконаного з гідроциліндра 12 і зубчатої пари, що складається із зубчатого сектора 13 і шестерні 10. Остання жорстко закріплена на осі 9, а зубчатий сектор підвішений у верхній частині задньої стінки рами. Привідний гідроциліндр закріплений шарнірно корпусом на кронштейні задньої стінки, а штоком - на зубчатому секторі. Поворотні щодо подовжньої осі рухи нерухомої секції стріли забезпечуються відповідними поступальними рухами штока гідроциліндра. Висувна секція стріли 6 може переміщатися щодо нерухомої секції 4 за допомогою гідроциліндра 5, розміщеного усередині стріли. Ківш закріплений шарнірно на кінці рухомої секції. Він може повертатися щодо цього шарніра за допомогою гідроциліндра 7. Положення ковша в просторі замітання щодо стріли, висунення рухомої секції стріли і повороту нерухомої секції щодо власної подовжньої осі, а також повороту платформи. Для планування і зачистки поверхонь нижче за рівень стоянки екскаватора використовують подовжні переміщення стріли і при необхідності - часткові поворотні рухи ковша. Для зачистки і планування горизонтальних і злегка похилих поверхонь до цих рухів додаються підйом і опускання стріли, а для зачистки бічних стінок траншей і котлованів - ще і поворот стріли щодо її подовжньої осі. Частково останні рухи використовують також для зачистки і планування горизонтальних і похилих поверхонь. Після заповнення ковша ґрунтом щоб уникнути його розсипу при подальшій транспортній операції ківш підвертають до стріли, стрілу піднімають із забою, повертають платформу у бік розвантаження і поворотом ковша зубами або ріжучою кромкою вниз розвантажують його. Повертають ківш в початкове положення тими ж рухами в зворотному порядку.
Для планувальних і зачисних робіт застосовують широкі ковші (мал. 17, б), звичайно без зубів. Екскаватори-планувальники використовують також для виконання звичайних робіт. Основними робочими розмірами екскаватора-планувальника є максимальний радіус копання (див. мал. 17, а).
Мал. 17. Екскаватор-Планувальник
Неповноповоротні гідравлічні екскаватори на базі пневмоколісних тракторів. Для виконання невеликих розосереджених об'ємів земляних робіт в умовах частого перебазування з об'єкту на об'єкт застосовують гідравлічні екскаватори, побудовані як навісне устаткування на пневмоколісні трактори, що серійно випускаються. Окрім основних робочих органів, якими є ковши прямих і зворотних лопат, ці екскаватори комплектують змінним робочим устаткуванням грейфера, ковшового і вилки навантажувачів і крана. Як додаткове устаткування на екскаватор навішують відвал бульдозера і інші види устаткування.
Робоче устаткування // (мал. 18) підвішують до поворотної колонки 10, змонтованої на порожнистій цапфі в задній частині несучої рами 9 трактора. Поворотні рухи колонки (до 90° в кожну сторону) забезпечуються двома поперемінно працюючими гідроциліндрами 5 через ланцюг 4 і зірочку 3. Відвал бульдозера 7, керований гідроциліндром 8, змонтований на дишлі 6, шарнірно сполученому з несучою рамою 9. Для забезпечення екскаватору стійкості в робочому режимі в задній частині рами 9 по обидві її сторони встановлюють виносні опори 2. Перед екскавацією грунту гідроциліндрами / екскаватор встановлюють на виносні опори, а після закінчення робіт їх піднімають.
Техніко-експлуатаційні показники канатних і гідравлічних екскаваторів порівнюють по основних видах робочого устаткування, якими є пряма лопата для канатних і зворотна лопата - для гідравлічних машин. Місткість ковшів гідравлічних зворотних лопат в порівнянні з канатними прямими лопатами тієї ж розмірної групи в середньому на 60% більше при приблизно однаковій тривалості їх робочих циклів, масі і енергоємності.
Мал. 18. Неполноповоротний гідравлічний одноківшовий екскаватор на базі пневмоколісного трактора
Фактична енергоємність порівнюваних машин з основними ковшами складає 0,35…0,47 кВт-ч/м3 для канатних і 0,47… 0,55 кВт-ч/м3 для гідравлічних екскаваторів, а матеріаломісткість відповідно 130…230 кг/(м3/ч) і 102… 164 кг/(м3/ч). Приведені дані характеризують перспективність гідравлічних екскаваторів на відміну від канатних.
Серед канатних екскаваторів найбільшу продуктивність забезпечують прямі лопати, в порівнянні з якими продуктивність зворотних лопат складає 75…100%, а драглайнів - 70… 90%. В порівнянні з гідравлічними зворотними лопатами прямі лопати в 1,2…1,4 рази, а погрузчики - в 1,7…2 рази. Продуктивність гідравлічних грейферів складає в середньому 50…70% продуктивності зворотних лопат на тій же екскаваторній базі.
Експлуатаційні розрахунки. Необхідна потужність силової установки знаходиться з умов подолання розрахункових опорів на розрахункових швидкостях робочих рухів. Розрахункові параметри (опори і швидкості) визначають як середньо вагові з діапазону виробничих умов, в яких може працювати екскаватор. Значення цих величин вироблені практикою проектування і експлуатації одноківшових екскаваторів.
Потужність (кВт) найенергоємнішої операції копання
Використана література
1. Алексеева Т.В. Гидропривод и гидроавтоматика землеройно-транспортных машин. М., «Машиностроение», 1966.
2. Анохин А.И., Петере Е.Р., Эвентов И.М. и Xархута Н.Я. Дорожные машины (основы теории и расчета). М., Дориздат, 1950.
3. Артемьев К.А. Основы теории копания грунта скреперами. М., Машгиз, 1963.
4. Артемьев' К.А. Определение сопротивления грунта отвалу бульдозера. Сборник научных работ СибАДИ. Вып. 1. 1969.
5. Бабков В.Ф. и Гербурт-Гейбович А.В. Основы грунтоведения и механики грунтов. М., Автотрансиздат, 1956.
6. Бабков В.Ф., Бируля А.К. и Сиденко В.М. Проходимость колесных машин по грунту. М., Транспорт, 1969.
7. Баловнев В.И. Новые методы расчета сопротивления резанию грунтов. М., Росвузиздат, 1963.
8. Башта Т.М., Зайченко И.З. и др. Объемные гидравлические приводы. М., «Машиностроение», 1969.
9. Бируля А.К. К теории качения пневматического колеса по деформируемой поверхности. Труды Харьковского автомобильно-дорожного ин-та. Вып. 21. Изд. Харьковского государственного университета, 1958.
10. Бромберг А.А. и др. Машины для земляных работ. Атлас конструкций. Изд. 3, М., «Машиностроение», 1968.
11. Ветров Ю.А. Расчеты сил резания и копания грунтов. Изд. Киевского университета. 1965.
12. Волков Д.П. Динамика и прочность одноковшовых экскаваторов. М., «Машиностроение», 1965.
