Описание узлов. 
Проект одноковшового гидравлического экскаватора с ковшом активного действия

Гидравлические экскаваторы представляют собой многомоторные машины с жесткой подвеской рабочего оборудования, у которых для передачи мощности от двигателя к рабочим механизмам используется гидравлический объемный привод. Параметры гидравлических экскаваторов регламентированы ГОСТ 30 067–93 «Экскаваторы одноковшовые универсальные полноповоротные». По сравнению с механическими гидравлические экскаваторы имеют более широкую номенклатуру сменных рабочих органов, число которых постоянно растет, большее количество основных и вспомогательных движений рабочего оборудования, что значительно расширяет их технологические возможности и обеспечивает высокий уровень механизации земляных работ, особенно в стесненных условиях.

Рис. 5 Описание одноковшового гидравлического экскаватора 1 — ходовая тележка; 2 — противовес; 3— капот; 4 — кабина; 5, 8, 9 — гидроцилиндры стрелы, ковша и рукояти; 6 — стрела; 7 — рукоять; 10 — ковш; 11 — поворотная платформа

Гидравлический привод позволяет: значительно упростить кинематику трансмиссии и рабочего оборудования; расширить номенклатуру сменного рабочего оборудования; уменьшить габариты машины; рационально совмещать рабочие операции; максимально использовать мощность силовой установки; повысить мобильность и универсальность машин и улучшить качество выполняемых работ, сообщать сменным рабочим органам движения, позволяющие выполнять земляные работы в труднодоступных местах; обеспечивать плавность движения и точную ориентацию рабочего органа; реализовать большие (в 1,5…2 раза) усилия копания; повысить производительность машин в среднем на 30…35%; улучшить условия труда машиниста. Основными рабочими органами данного типа экскаватора являются:

Обратная лопата — основное рабочее оборудование для разработки (копания) грунта ниже уровня стоянки экскаватора. Применяется при копании котлованов, траншей, при планировании откосов и отсыпке насыпей. Может применяться для погрузочных работ. При работе обратной лопатой грунт копают в направлении к экскаватору. Гидравлические экскаваторы с обратной лопатой могут разрабатывать грунт и выше уровня своей стоянки, правда с меньшей эффективностью чем прямая лопата.

В зависимости от типа применяемых приводов рабочий цикл обратной лопаты различается.

Для гидравлических экскаваторов с независимым приводом стрелы, ковша и рукояти:

• · Заглубление стрелы в котлован с одновременным позиционированием рукояти;
• · Загрузка ковша его поворотом относительно рукояти;
• · Выглубление стрелы с одновременным разворотом рукояти и поворотом ковша для предотвращения высыпания грунта.
• · Поворот платформы с рабочим оборудованием;
• · Разгрузка ковша его поворотом относительно рукояти.

Для механических экскаваторов с двухканатным приводом рукояти, зависимым положением стрелы и фиксированным положением ковша:

• · Заглубление стрелы и рукояти в котлован (выполняется растормаживанием подъемного каната);
• · Загрузка ковша поворотом рукояти относительно стрелы в направлении экскаватора (выполняется натяжением тягового каната при расторможенном подъемном канате);
• · Выглубление стрелы и рукояти из котлована (выполняется натяжением подъемного каната при натянутом и заторможенном тяговом канате);
• · Поворот платформы с рабочим оборудованием;
• · Разгрузка ковша поворотом рукояти относительно стрелы в направлении от экскаватора (выполняется натяжением подъемного каната при одновременном разматывании тягового каната).

Обратная лопата является наиболее универсальным рабочим оборудованием. Обеспечивает высокую точность позиционирования ковша, как относительно грунта, так и относительно транспортного средства, в которое производится погрузка грунта.

Прямая лопата — основное рабочее оборудование для разработки (копания) грунта выше уровня стоянки экскаватора. Ковш прямой лопаты закреплен на рукояти. Рукоять в свою очередь шарнирно закреплена на стреле. Стрела шарнирно закреплена на поворотной платформе машины. У гидравлических экскаваторов ковш на рукояти закреплён подвижно — разгрузка ковша обеспечивается его опрокидыванием с помощью гидроцилиндра. У механических экскаваторов положение ковша относительно рукояти в процессе работы не меняется — разгрузка ковша выполняется при открывании его днища. Копают грунт в направлении от экскаватора. Прямая лопата обеспечивает наибольшее усилие копания и наибольшую производительность (за счёт минимального количества операций в одном цикле копания). Применяется для добычи полезных ископаемых и погрузочных работ.

Рабочий цикл экскаватора с прямой лопатой состоит из следующих операций:

• · Загрузка ковша — выполняется поворотом рукояти относительно стрелы. Положение ковша относительно рукояти и стрелы относительно машины остается неизменным.
• · Поворот платформы — по окончании загрузки ковша выполняется поворот платформы с рабочим оборудованием экскаватора. Ковш перемещается к месту разгрузки. Его положение относительно поворотной платформы машины не изменяется.
• · Подъём стрелы — перед разгрузкой ковша выполняется подъём стрелы экскаватора для увеличения погрузочной высоты.
• · Разгрузка ковша — на гидравлических экскаваторах осуществляется поворотом ковша относительно рукояти (опрокидыванием). На механических экскаваторах выполняется открывание днища ковша.

Рис. 7 Схема работы экскаватора с гидравлическим приводом с прямой лопатой

Драгламйн (англ. dragline) — одноковшовый экскаватор с гибкой канатной связью стрелы и ковша. Длина стрелы достигает 100 м, вместимость ковша — 168 мі. Оборудуется, как правило, шагающим ходом. Применяется на карьерах, в гидротехническом и мелиоративном строительстве.

Гибкая подвеска ковша и легкая решётчатая стрела драглайна обеспечивает наибольший радиус, наибольшую глубину копания, а также наибольшую высоту выгрузки по сравнению с другими видами рабочего оборудования экскаваторов. Кроме того, драглайны обладают высокой производительностью. Однако гибкая подвеска ковша не обеспечивает достаточной точности копания и выгрузки. Перемещение грунта в транспортные средства драглайнами затруднительно. Поэтому выгрузка грунта или полезных ископаемых производится в отвал — откуда перегружается в транспортные средства экскаваторами типа мехлопата или погрузчиками.

Ковш драглайна подвешивается на цепях к подъемному и тяговому канатам.

Подъёмным канатом осуществляется вертикальное перемещение (подъём ковша). Тяговым канатом осуществляется подтягивания ковша к машине. При этом происходит подрезка грунта и наполнение ковша.

При одновременном натяжении тягового и подъёмного канатов увеличивается расстояние между соединительным звеном и опрокидным блоком, что вызывает натяжение разгрузочного каната, и соответственно — подъёмом передней части ковша. В таком положении ковш, наполненный грунтом поднимают из забоя и переносят (за счёт поворота платформы экскаватора) к месту разгрузки.

Для разгрузки ковша тяговый канат ослабляют. При этом ослабляется и разгрузочный канат. В результате ковш опрокидывается и грунт высыпается из него.

Драглайн способен обеспечить высокое усилие копания, при условии, что в начале хода ковш заглубится в грунт (ковш заглубляется в грунт только за счет собственной массы). Поэтому при работе на твёрдых грунтах в зоне заглубления ковша грунт разрыхляют (например, клиновым рыхлителем, входящим в комплект некоторых драглайнов, или взрывными работами) и применяют сменные ковши меньшего объема (из-за большей насыпной плотности пород более крепких пород).

Преимущества драглайнов перед экскаваторами типа «механическая лопата»:

• — Более длинная и легкая стрела.
• — Больший радиус черпания.
• — Зачастую больший объем ковша (в некоторых моделях достигает 100 мі).

Недостатки драглайнов Хотя драглайны и способны создавать большое усилие копания, но для этого необходимо первоначальное заглубление ковша, что при гибкой подвеске проблематично. Поэтому для разработки твердых грунтов драглайнами возникает необходимость в предварительном рыхлении.

Рис. 8 Схема работы экскаватора с драглайном

Грейфер — рабочее оборудование для разработки грунтов ниже и выше уровня стоянки экскаватора, для погрузки и разгрузки сыпучих материалов, а также для некоторых видов земляных работ в мягких грунтах (рытья глубоких котлованов, очистки прудов и каналов).

Грейферы бывают однои двухканатные. На экскаваторах обычно применяют двух-канатные грейферы.

Рис. 9 Описание работы двухканатного грейфера

Грейфер 1 (см. рис.) подвешивают на поддерживающем 7 и замыкающем 8 канатах к стреле 3. Работает грейфер следующим образом. При ослаблении замыкающего каната 6 грейфер удерживается поддерживающим канатом 7, укрепленным в верхней головке 10 грейфера. Нижняя головка 13 под действием собственного веса опускается вместе с челюстями 14, смонтированными и шарнирно укрепленными на корпусе обоймы нижних блоков 12 полиспаста замыкающего каната.

При опускании нижней головки 13 челюсти 14 раскрываются, поворачиваясь относительно жестких тяг 11, шарнирно закрепленных нижними концами на челюстях, а верхними — на верхней головке (положение I). В таком положении ковш опускают на грунт или другой захватываемый материал так быстро, чтобы зубья челюстей врезались в материал. Затем ослабляют поддерживающий канат 7 и навивают на барабан 8 замыкающий канат 6. При этом стягиваются нижняя и верхняя головки грейфера, а челюсти замыкаются, врезаясь в грунт и захватывая его (положение II).

После замыкания челюстей заполненный грунтом грейфер поднимают на замыкающем канате 6. Одновременно приводят в движение барабан 9, чтобы выбирать поддерживающий канат 7 с такой же скоростью (положение III). Когда платформу со стрелой поворачивают к месту разгрузки, то барабан 9 поддерживающего каната затормаживают, а замыкающий канат 6 ослабляют, что приводит к опусканию нижней головки с челюстями и к разгрузке грейфера (положение IV).

Разгружать грейфер можно на любой высоте как указанным способом, так и затормаживанием барабана 8 при дальнейшем навивании на барабан 9 поддерживающего каната 7. После разгрузки грейфер снова поворачивают к месту разработки и цикл повторяют.

Чтобы предотвратить закручивание канатов 6 и 7 и значительное раскачивание грейфера при повороте платформы, используют оттяжное приспособление, называемое успокоителем. Успокоитель действует на ковш грейфера оттяжным канатом 2. Постоянное, независимое от положения грейфера натяжение каната 2 создается весом перемещающегося внутри стрелы по направляющим груза 5, к которому крепят канат 2, огибающий блоки 4.

На некоторых экскаваторах используют фрикционный механизм открывания днища ковша, на барабане которого крепят канат 2. Для грейфера используют решетчатую стрелу драглайна.

Применяют грейферы двухчелюстные и с большим числом челюстей; число и форма челюстей зависят от вида перегружаемого материала. Однако принципиальная схема их работы не отличается от схемы двухчелюстного грейфера.

Рис. 10 Схема грейфера, подвешенного на экскаваторе

Недостаток подвешенного на канатах грейфера заключается в том, что им невозможно разрабатывать плотные грунты: нагрузки от массы грейфера не хватает, чтобы врезаться в грунт. Изготовляют грейферы трех типов: легкого, среднего и тяжелого, причем масса применяемого грейфера должна быть тем больше, чем плотнее грунт. Однако чем тяжелее грейфер, тем меньше грунта он может поднять при данной устойчивости экскаватора. Следовательно, производительность оборудования при этом уменьшается.

На экскаваторах с гидравлическим приводом устанавливают жестко подвешенные грейферы, которые крепят на рукояти обратной лопаты вместо ковша. Основное преимущество жестко подвешенного грейфера заключается в том, что им можно создавать необходимое давление на грунт при врезании, т. е. независимо от массы грейфера разрабатывать плотные грунты.

Ковшовые рабочие органы с газовоздушной смазкой Одним из важных направлений снижения силы сопротивления копанию является уменьшение сил трения, возникающих в процессе взаимодействия рабочего органа с грунтом. Для этого используют покрытие рабочих поверхностей, контактирующих с грунтом, материалами, снижающими коэффициент трения. Получены положительные результаты по снижению сил трения и залипания, однако практическое применение таких материалов сдерживается их малой износостойкостью и высокой стоимостью.

Для уменьшения трения грунта о рабочие поверхности землеройных машин используют смазывающие прослойки из воды или газа — водяную или газовую смазку. Проведены исследования перспективного варианта смазки плугов с применением аммиачной золы как высокоэффективного удобрения. Установлено, что при нанесении жидких минеральных удобрений (аммиачной воды) на рабочую поверхность тяговое сопротивление плугов снижается на 20—25%. Применение водяной смазки рабочих поверхностей землеройных машин для снижения трения затрудняется необходимостью непрерывной подачи воды к месту работы машин, поэтому широкое использование находит газовоздушная смазка. Одним из примеров является создание подшипников скольжения, смазываемых воздухом или другим газом. Благодаря малой вязкости воздуха можно применять такую смазку в приборах с высокими частотами вращения, обеспечивая их работу практически без трения. Сжатый воздух при этом вывешивает груз и является как бы смазкой, практически устраняющей трение.

При перемещении поверхностей одна относительно другой различают газовоздушную смазку двух видов: газодинамическую, при которой несущая прослойка газа образуется из-за относительного движения поверхностей, и газостатическую, когда производится принудительный наддув газа через отверстия в соприкасающихся поверхностях.

При интенсификации процессов взаимодействия рабочих органов с сыпучей средой, обладающей сцеплением, газовоздушный поток применяют для снижения сил как внешнего, так и внутреннего трения. В первом случае используют эффект газовоздушной смазки (газовая прослойка создается между средой и поверхностью рабочего органа), во втором — эффект аэрации (сжатий газ подается внутрь среды).

Рис. 12 Кинематическая схема экскаватора Э-652Б

Рис. 13 Типовая гидравлическая схема полноповоротных экскаваторов