Разработка концепций развития одноковшовых экскаваторов

Состояние российской экономики во многом определяется темпами научно-технического прогресса. Не последнюю роль в этом играет наличие перспективных технологий и разработок. Процесс создания последних достаточно сложен и часто непредсказуем. Дело в том, что несмотря на наличие большого опыта и имеющихся уже отработанных технологий часто возникают ошибки в проектировании. В результате этого, обостряются не только экономические проблемы, но и социальные. Не секрет, что Россия сегодня занимает ведущее положение по наличию «грязных» технологий, а стремление западных держав транслировать нам свои устаревшие технологии лишь усугубляет эту тенденцию. Поэтому, выбор темы проекта не случаен. Сегодня на территории России имеется ряд предприятий, которые производят землеройную технику, в том числе и одноковшовые экскаваторы (Костромской экскаваторный завод — ОАО «ЭКСКО», ОАО «Кохановский экскаваторный завод», Златоусовский экскаваторный завод — ОАО «ЗЛАТЭКС», ОАО «Тверской экскаватор», Донецкий экскаваторный завод — ОАО «ДОНЭКС», Воронежский экскаваторный завод — ОАО «ВЭКС», Ковровский экскаватоный завод — ОАО «Экскаваторный завод «Ковровец»).

Однако имеющиеся конструкции экскаваторов существенно уступают по ряду показателей зарубежным аналогам. Прежде всего, по таким параметрам, как надежность, металлоемкость, энергоемкость, стоимость. Для устранения этих недостатков и совершенствования технологии производства экскаваторов нового поколения необходимо выявить источники возникновения скрытых противоречий, заложенных в существующей конструкции одноковшовых экскаваторов и разработать принципиально новые технические решения, направленные на устранение этих противоречий. Подобные задачи не могут быть решены в рамках сложившихся концептуальных решений и для дальнейшего развития экскаваторов и повышения их эффективности необходимо перейти на принципиально иную концептуальную основу.

Для этого в дипломном проекте была применена наиболее эффективная технология инновационного проектирования, построенная на отечественных разработках — «Функционально-стоимостной анализ» (ФСА) и «Теория решения изобретательских задач» (ТРИЗ).

Эффективность этой технологии проектирования подтверждена на примерах выполнения концептуальных проектов по заказам крупнейших зарубежных фирм. Применение технологии инновационного проектирования в рамках выполнения дипломных проектов студентов КГТУ — сложившаяся практика обучения студентов СДМ.

Целью курсового проекта является изучение, анализ и разработка предложений по совершенствованию технологии, оборудования, конструкции одноковшовых экскаваторов и технико-экономическое обоснование их эффективности по сравнению с существующими технологиями.

Проект выполнен в соответствии с международными стандартами технологии инновационного проектирования и содержит все его этапы: информационный, аналитический и концептуальный.

Выполненный проект содержит решения направленные на разрешение противоречий в корневых задачах существующих конструкций одноковшовых экскаваторов.

1. Структура работы

Обобщенная структура работы над проектом представлена на рисунке 1.1.

В соответствии с инновационной технологией проектирования работа над проектом состоит из трех этапов:

информационного;

аналитического;

концептуального.

Целью информационного этапа является сбор информации о возможных путях решения задач, определяемых целями проекта. Сбор информации проводится не только по конструкциям одноковшовых экскаваторов, но и в других областях науки и техники. Эти области, на первый взгляд, могут находиться очень далеко от исходной предметной области. Однако, как показывает практика, именно там часто оказываются технические решения и технологии, используемые в дальнейшем при разработке оригинальных концепций на концептуальном этапе.

Целью аналитического этапа является корректная постановка задач по совершенствованию выбранного объекта (в данном случае конструкция одноковшовых экскаваторов) в соответствии с целями проекта. Данная цель достигается путем проведения различных видов анализа объекта исследования. Результатом этого анализа являются научно обоснованные концептуальные направления и ключевые задачи, решение которых позволяет усовершенствовать объект исследования в соответствии с поставленными целями.

Целью концептуального этапа является разработка и ранжирование концепций развития одноковшового экскаватора в соответствии со сформулированными на предыдущем этапе задачами.

Таким образом, указанные этапы отвечают на следующие вопросы:

информационный этап — что и как делается?

аналитический этап — что делать?

концептуальный этап — как делать?

2. Информационный этап

2.1 Исходные данные

Инструменты исследования: инновационная технология концептуального проектирования на основе ФСА и ТРИЗ.

Объект анализа: конструкция одноковшовых экскаваторов.

Рабочий цикл экскаватора состоит из следующих операций:

1) собственно копание грунта (срезание грунта и заполнение им ковша);

2) выведение ковша с грунтом из забоя, чтобы обеспечить возможность беспрепятственного поворота платформы;

3) перемещение заполненного грунтом ковша к месту разгрузки, для чего или поворачивают платформу с рабочим оборудованием (у полноповоротных), или только рабочее оборудование (у неполноповоротных машин);

4) разгрузка грунта из ковша в отвал или в транспортное средство;

5) перемещение ковша (поворот платформы) к забою;

6) опускание ковша для подготовки к следующей операции копания.

Представленные исходные данные положены в основу дальнейшего анализа.

На рисунке 2.1 приведена типовая конструкция одноковшового экскаватора, которая состоит из: 1 — силовой установки; 2 — гидробака; 3 — капота; 4 — кабины; 5, 6 — нижней и верхней части стрелы; 7, 9, 11 — гидроцилиндров; 8 — рукояти; 10 — ковша; 12 — ходовой тележки; 13 — механизма передвижения; 14 — опорно-поворотного устройства; 15 — механизма поворота платформы; 16 — противовеса.

2.2 Общие положения

Целью информационного этапа является сбор информации о возможных путях решения задач, определяемых целями проекта, а также информационное обеспечение проекта. Сбор информации проводится не только по конструкции одноковшовых экскаваторов, но и в других областях науки и техники. Эти области, на первый взгляд, могут находиться очень далеко от исходной предметной области. Однако, как показывает практика, именно там часто оказываются технические решения и технологии, используемые в дальнейшем при разработке оригинальных концепций на концептуальном этапе.

Рис. 2.1 — Экскаваторы с жесткой подвеской рабочего оборудования обратной лопаты (а), прямой лопаты (б):

1 — силовая установка; 2 — гидробак; 3 — капот; 4 — кабина; 5, 6 — нижняя и верхняя части стрелы; 7, 9, 11 — гидроцилиндры; 8 — рукоять; 10 — ковш; 12 — ходовая тележка; 13 — механизм передвижения; 14 — опорно-поворотное устройство; 15 — механизм поворота платформы; 16 — противовес.

Информационная поддержка на различных стадиях выполнения проекта производилась в соответствии со схемой, представленной на рисунке 2.2.

Поиск информации осуществлялся по направлениям, представленным на рисунке 2.3.

Процесс информационного поиска в соответствии с инновационной технологией проектирования основывается на понятиях обобщенного объекта и обобщенной функции.

Обобщенная функция и обобщенный объект определяются путем:

абстрагирования функции технической системы или ее компонента по объекту;

абстрагирования по действию функции;

абстрагирования по ограничивающим условиям.

одноковшовый экскаватор оборудование конструкция

2.3 Выбор ведущих областей науки и техники для поиска информации

Методика выбора ведущих областей науки и техники включает:

1) анализ существующего технологического процесса с целью формирования перечня элементов и основных операций;

2) формулирование технических функций каждой операции технологического процесса (определяются объект функции, действие, проблемы реализации);

3) переход к обобщенному представлению объекта и технической функции (абстрагировавшись от особенностей объекта функции и особенностей действия);

4) переход от обобщенных представлений объекта и функции к перечню объектов-аналогов и действий — аналогов (то есть объектов по своим свойствам близким к объекту функции, и действий, посредством которых реализуется обобщенная функция). Такой шаг дает несколько дополнительных входов в информационный массив. Каждый такой вход определяет выбор ведущей области науки и техники. Содержание данного шага иллюстрируется на рисунке 2.3.

В таблицах 2.1 и 2.2 представлены основные технические характеристики российских и зарубежных одноковшовых экскаваторов.

Таблица 2.1 — Основные характеристики одноковшовых универсальных экскаваторов 2 — 4-й размерных групп.

Таблица 2.2 — Основные технические характеристики российских и зарубежных гусеничных экскаваторов

Таблица 2.3 — Результаты информационного поиска

2.4 Список патентного поиска по конструкции одноковшовых экскаваторов

Полный список патентного поиска по конструкции одноковшовых экскаваторов приведен в таблице 2.4.

Таблица 2.4 — Полный список патентного поиска

2.5 Результаты информационного поиска в различных областях науки и техники

Результаты информационного поиска в различных областях науки и техники представлены в таблице 2.4.

2.6 Анализ альтернативных систем

Альтернативой одноковшовых экскаваторов являются многоковшовые экскаваторы (экскаваторы непрерывного действия). Экскаваторы непрерывного действия применяют для выполнения различного рода земляных работ — разработки выемок и сооружения насыпей различных форм и размеров, а также для планировочных и зачистных работ. В основном эти машины представлены многоковшовыми экскаваторами. Однако изредка применяют специальные бесковшовые конструкции — скребковые, резцовые, фрезерные и шнековые, или комбинированные конструкции, имеющие два вида рабочих органов — основные и вспомогательные. Характерным типом такой конструкции является многоковшовый экскаватор со скребковым или шнековым рабочими органами, выполняющими роль планировщиков или откосников.

В отличие от одноковшовых экскаваторов, универсальные модели которых можно применять с различным оборудованием, многоковшовые экскаваторы являются более специализированными машинами, и их конструктивные схемы, в зависимости от назначения, сильно отличаются друг от друга. Поэтому классифицировать экскаваторы непрерывного действия по тому же принципу, что и одноковшовые машины, нецелесообразно, тем более, что многие их типы изготовляются всего в нескольких экземплярах.

Многоковшовые экскаваторы, подобно одноковшовым, разрабатывают грунт либо выше уровня своей стоянки, либо ниже, или же работают как верхним, так и нижним копанием, что в последнее время является обычным для большинства моделей. Разработанный грунт передается на транспортирующее устройство, а последние либо передают его на специальные разгружающие устройства, либо непосредственно разгружают в транспортные средства или отвал. В некоторых случаях транспортировка грунта производится только рабочим органом, который передает грунт на разгрузочные устройства.

По мере разработки забоя многоковшовые экскаваторы передвигаются. У одних машин эта передвижка является рабочим движением, участвуя в движении рабочего органа. Другие машины во время работы стоят на месте и передвигаются только после выработки забоя в пределах действия своих рабочих органов.

Кроме повышения производительности труда на земляных работах экскаваторы непрерывного действия обеспечивают также улучшение качества выполняемых работ. В частности, при прокладке каналов экскаваторами непрерывного действия полностью ликвидируются ручные доделочные работы; экскаваторы-дреноукладчики обеспечивают автоматизацию выдерживания заданного уклона дрен, являющегося непременным условием нормального действия дренажных систем; применение мелиоративных экскаваторов поперечного копания на очистке и восстановлении осушительных каналов дает возможность повысить срок службы каналов и надежность отвода влаги. Перечисленные преимущества экскаваторов непрерывного действия обусловливают постоянное увеличение их удельного веса в общем парке землеройных машин.

На землеройных машинах непрерывного действия существенно облегчен труд машинистов; они лишь наблюдают за правильностью выполнения рабочих процессов и периодически изменяют режимы работы механизмов.

Машинист одноковшового экскаватора в течение одного цикла работы должен опустить ковш в забой, заполнить его грунтом, поднять из забоя, повернуть платформу экскаватора к месту выгрузки, разгрузить ковш и повернуть ковш к забою. После нескольких циклов экскаватор необходимо переместить на новое место стоянки, для чего машинист должен выключить механизм поворота платформы, включить механизм хода, растормозить машину, переехать на новое место стоянки, остановить машину, поставить ее на тормоза, выключить механизм хода и включить механизм поворота платформы.

На экскаваторе непрерывного действия машинист, выбрав необходимую рабочую скорость движения, следит за правильностью курса машины и глубины копания и периодически корректирует их.

Наряду с указанными выше преимуществами экскаваторы непрерывного действия имеют недостаток — малую универсальность. Каждый экскаватор непрерывного действия предназначен для выполнения определенных операций и его нельзя использовать на других работах, как одноковшовые экскаваторы или скреперы.

Таблица 2.5 — Сравнительная оценка

Вывод по сравнительному анализу альтернативных систем:

— Достоинства и недостатки альтернативных систем взаимно противоположны;

— Существует реальная возможность объединения конструктивных особенностей одноковшового экскаватора с многоковшовым;

— Объединение альтернативных систем позволит суммировать достоинства обеих конструкций и одновременно исключить их недостатки.

2.7 Результаты информационного этапа

Определены тринадцать ведущих областей науки и техники, в которых осуществлялся поиск информации по теме проекта. К их числу относятся:

Строительная индустрия;

Металлургия;

Машиностроение и транспорт;

Горнодобывающая промышленность;

ТРИЗ;

Материаловедение;

Теоретическая механика;

Гидродинамика;

Биология;

Физика;

Электроэнергетика;

Теплоэнергетика;

Гидроэнергетика.

Поиск информации в ведущих областях науки и техники позволил выявить используемые в них ряд технологий, конструкций и устройств, которые нашли применение в совершенствуемой конструкции одноковшовых экскаваторов. К их числу, в частности, относится:

Применение активных рабочих органов (гидромолотов и пневмомолотов, встроенных в ковши экскаваторов), присоединение к металлоконструкции экскаваторов дополнительных элементов, замыкающих реактивные усилия на грунт, переход к непрерывному рабочему процессу.

Большой интерес представляет наличие аналогов в области транспорта (транспортировка сыпучих сред в условиях непрерывного транспорта), гидромеханизация, работа земснарядов в непрерывном режиме на примере аналогов из биологии. Это направление позволит в перспективе перейти к наиболее управляемым и высокопроизводительным непрерывным технологиям разрушения грунта и его транспортировки.

3. Аналитический этап

3.1 Общие положения

Целью аналитического этапа является корректная постановка задач по совершенствованию объекта исследования, в данном случае одноковшового экскаватора, в соответствии с целями проекта. Это достигается путем проведения различных видов анализа объекта исследования. Результатом этого анализа является научно обоснованные концептуальные направления и ключевые задачи, решение которых позволяет усовершенствовать объект исследования в соответствии с целями проекта.

На Аналитическом этапе выполняются следующие виды анализа:

Компонентный анализ (элементный) — выявляет составляющие компоненты объекта анализа;

Структурный анализ — определяет связи между элементами и характер воздействия между ними;

Функциональный анализ — определяет, как элементы взаимодействуют друг с другом;

Функционально-идеальное моделирование (свертывание) — выявляет возможность изменения структуры и характера взаимодействия друг с другом;

Причинно-следственный анализ — устанавливает причины возникновения вредных функций.

В ходе выполнения указанных видов анализа строится система моделей объекта (компонентная, структурная, функциональная) Совместное рассмотрение этих моделей на базе законов развития технических систем позволяет поставить задачи по преобразованию моделей (функционально-идеальное моделирование) и перейти от задач по преобразованию моделей к задачам по преобразованию объекта анализа.

В ряде случаев такие аналитические инструменты, как анализ тенденций развития позволяют не только моделировать объект и ставить задачи по его совершенствованию, но и дают возможность наметить решения поставленных задач и оценить перспективность этих решений. Этот аспект содержания аналитического этапа также отражен на рисунке 3.1.

3.2 Генетический анализ

Генетический анализ представляет собой исследование закономерностей развития конструкции одноковшового экскаватора во времени. Такое исследование позволяет установить основные тенденции в развитии исследуемого объекта и определить основную стратегию принятия решения для дальнейшего совершенствования.

Рисунок 3.2 — Чертеж землечерпалки Леонардо да Винчи Экскаваторы сегодня настолько прочно вошли в нашу жизнь, что трудно представить себе проведение землеройных, погрузочных работ, работ по разрушению бетонных конструкций или планировке поверхностей без экскаватора.

Однако мало кто сегодня задумывается о том, как появилась идея создания этой незаменимой многофункциональной машины.

«Вехи истории» предоставляют уникальную возможность проследить весь процесс эволюции экскаваторной техники со времен Леонардо да Винчи до наших дней и ознакомиться с фотогалереей. Вашему вниманию представлена история развития, как самих экскаваторов, так и экскаваторных заводов России и зарубежья.

Историю землеройной техники, в частности экскаваторов, можно начать писать с начала 15 века, когда в венецианском издании «Кодекса Джованни Фонтана» 1420 года был опубликован рассказ о ковшедолбежной землечерпалке, использовавшейся для углубления дна каналов, расширения морских гаваней. Но официально идея создания землеройных машин принадлежит Леонардо да Винчи, который в начале 16 в. предложил схемы экскаваторов-драглайнов. К 1500 году относится набросок чертежа грейфера для землечерпалки. Несколько лет спустя Леонардо руководил прокладкой каналов в засушливой Миланской долине. На земляных работах он применил землечерпалку собственной конструкции.

В записных книжках ученого наряду с чертежами летательного аппарата есть зарисовки землечерпалки с ковшом-драглайном, а также сооружения, напоминающего конструкцию экскаватора. Драглайн, предложенный Леонардо да Винчи, в основных чертах напоминает ковш современного экскаватора. Вот его описание: «Ковш, заостренный, как лемех, спереди и сзади, имеет сито. Это позволит зачерпнуть много грунта и даст стечь воде. Ковш будет подвешен на канатах, которые наматываются на ворот, расположенный на понтоне. Дно ковша может также откидываться, что облегчит его разгрузку». Сейчас, правда, не выпускаются ковши-драглайны с откидным днищем, но этот принцип успешно применяется в ковшах для прямой лопаты.

В 1597 году для очистки каналов в Венеции была сконструирована и построена плавучая землечерпалка. Автором ее был венецианский механик Буанаюто Лорини, который описал устройство машины в труде «Делле Фортификационе». Далее в 1718 г. проект землеройного устройства с двумя ковшами представили Французской Академии наук механики де ла Бальм и Белидор. Механизм работал в портах Тулона и Бреста. Затем в 1795 году известный американский изобретатель, создавший первый практически пригодный пароход, Роберт Фултон сконструировал и первый четырехколесный грейдер-элеватор. Однако испытана машина была только через 70 лет на строительстве дорог в Америке. Но в 1796 году на дноуглубительных работах в английском порту Сандерленд была применена ковшовая драга с приводом от паровой машины. Построена она при участии изобретателя паровой машины Джеймса Уатта. За один рабочий ход ковши доставали со дна гавани до полутора тонн грунта, что примерно в 4 раза превышало производительность ручной драги.

Активное строительство железных дорог в США в тридцатых годах девятнадцатого века и нехватка при этом строительных рабочих привели к созданию в 1832—1836 гг. американцем Отисом первого парового одноковшового экскаватора (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 — Первый паровой экскаватор на железнодорожном ходу Экскаватор был неполноповоротным, имел железнодорожную ходовую часть, был оснащен ковшом 1,14 куб. м, паровым двигателем мощностью 15 л.с., обеспечивал среднюю производительность 45−50 куб. м/час и заменял примерно 50 рабочих. Уже через несколько лет экскаваторы Отиса заменяли 180 рабочих. Первоначально экскаваторы использовались преимущественно на строительстве железных дорог. Один из первых экскаваторов был продан в Англию в 1842 г., а в 1843 г. четыре из семи построенных Отисом экскаваторов были проданы в Россию для использования при строительстве Николаевской железной дороги. Однако строительные подрядчики не восприняли эти машины и в 1848 г. продали на Урал. В Нижнем Тагиле экскаваторы, впервые в мировой практике, были использованы на вскрышных работах при добыче руды.

Во второй половине девятнадцатого века масштабное строительство железных дорог и каналов потребовало перемещения все больших масс земли, которое уже не могло быть осуществлено с помощью ручного труда землекопов. Это привело к активному развитию разнообразных землеройных машин.

В Германии применялись «строительные локомобили» (рисунок 3.4), оснащенные одноканатными грейферами.

Рисунок 3.4 — Строительный локомобиль с одноканатным грейфером Большой вклад в развитие технологии экскаваторостроения внести французы: в 1860 году инженер М. Кувре создал сухопутный цепной многоковшовый экскаватор с двигателем 15 лошадиных сил. Он был испытан на строительстве дороги Седан — Тионвиль, а позднее работал на сооружении Суэцкого канала. А уже 1862 году на улицах Парижа появился первый паровой каток с обеими ведущими осями. Изобретателем машины был механик Балейсон. Однако паровые катки большого распространения не получили. Ведь для поддержания необходимого давления в его котле требовалось сжигать 60 — 80 килограммов топлива в час.

В начале 20 века, с развитием электроэнергетической отрасли семимильными шагами развивались и конструкции экскаваторов. В 1905 году были выпущены первые паровые полноповоротные (с поворачивающейся кабиной) экскаваторы немецкой фирмой «Оренштейн & Коппель». Ковши этих машин вмещали до 4 кубометров земли. В 1910 году появились первые электрические экскаваторы, а американская фирма «Бюсайрус» выпустила в свет полноповоротный экскаватор на гусеничном ходу. Начиная с 1912 года начал работать первый экскаватор с двигателем внутреннего сгорания на гусеничном ходу.

Русские изобретатели предложили немало интересных устройств, способствовавших облегчению тяжелого труда на строительстве каналов, дорог, мостов и других сооружений. Так, в конце 20-х годов 19 века в Петербурге появился ржевский мещанин Немилов. Он уже построил немало мельниц, плотин и мостов, применяя при этом хитроумные машины собственной конструкции и изготовления. Вот и теперь он сдал на заключение генералу Бетанкуру чертежи: «Машины для уравнения земли у подошвы реки», «Машины для выстилки плитою из гранитного камня подошвы между столбов» и «Копра особого устроения, каковые еще нигде не виданы». Трижды пришлось Немилову продлить в столице свой паспорт, ответа он так и не дождался и вернулся на родину ни с чем. А ведь эти проекты, если б были одобрены и приняты, могли сыграть заметную роль в развитии строительных машин.

В те же годы в Петербурге на чердаке одного из домов Гороховой улицы у Каменного моста жил «страстный механик» Казаманов. Не имея ни средств, ни материалов, ни инструментов, он умудрялся все же сооружать модели своих изобретений, среди которых были и своеобразный копер для вбивания свай, и машина «для подъема тяжестей с большею легкостью и удобностью на возвышенность». Технические новинки, созданные этими и другими безвестными изобретателями-самоучками, не нашли ни должного понимания, ни должного распространения. Может быть, чуть больше повезло русским землечерпалкам. Первая плавучая землечерпалка была создана в Петербургском институте путей сообщения в 1809 году. Ее мощность составляла 15 лошадиных сил. Такое устройство могло заменить труд многих людей. Предназначалась эта машина для очистки водоемов. В 1811—1812 годах землечерпалку построили на Ижорском заводе. Начиная с 1813 и по 1819 год машина работала на очистке Кронштадтского порта.

Позднее в России и за границей были предложены усовершенствованные конструкции землечерпалок. Но это был, пожалуй, один из первых многоковшовых экскаваторов.

В 1847 году русский изобретатель Кушелевский сделал еще один шаг в этой области. Он предложил идею землечерпательной машины, которая могла работать как на воде, так и на суше. Эта машина соединяла в себе достоинства речной землечерпалки и сухопутного экскаватора.

В 1854 году в Петербурге были изданы материалы, подготовленные комиссией, изучавшей природные богатства и хозяйство Пермской губернии. В них опубликованы интересные сведения о первом русском паровом экскаваторе, который авторы документа и назвали «земляным механизмом». Кем он был построен, членам комиссии не удалось установить. Было известно только, что был этот неизвестный механик родом из Нижнего Тагила, но описанная машина выполняла, по существу, то, что делает экскаватор: она могла перемещаться и «посредством особых устройств», говорилось в описании машины, копала руду и производила ее уборку от забоя, подготавливая фронт работ для дальнейшей выемки руды. Так, почти 130 лет назад в России в руднике горы Высокой на Урале был применен способ открытой разработки полезных ископаемых с помощью экскаватора.

До конца века основные объемы земляных работ на строительстве железных дорог в России выполнялись вручную (лопаты, тачки, грабарки), поскольку дешевая рабочая сила существовала в избытке. Когда при строительстве западносибирского участка Транссибирской магистрали возникли затруднения с рабочей силой, были закуплены в Америке «землекопные машины»

В такие машины впрягались 12−16 лошадей. Для выемки и перемещения грунта использовались, также, конные волокуши с металлическим ковшом, которые назывались «скреппелами» или «землеройками».

Первый русский одноковшовый неполноповоротный железнодорожный экскаватор со сменным ковшом (2,3 куб. м. для легких грузов и 1,5 куб. м. для тяжелых грузов) был построен на Путиловском заводе (ныне Тверской экскаваторный) в 1902 году. Производительность его была 100−290 куб. м./час, вес 65−75 т. До 1917 года было построено 35 таких машин. В начале XX века экскаваторы использовались в России довольно интенсивно. Например, при возведении сухого дока в Кронштадте в 1909;1910 годах работы велись в две смены по 10 часов каждая. Машины этого типа (Рис. 3) изготавливались до 30-х годов XX века.

В отдельных случаях применялись плавучие экскаваторы. Плавучие экскаваторы выполнялись, как правило, неполноповоротными с прямой лопатой.

Во второй половине XIX — начале XX веков началось строительство гигантских каналов, при котором требовалось перемещать огромные массы грунта.

Суэцкий канал (длина 160 км, начало строительства — 1859 г.) сооружался около 10 лет (в основном, вручную). Общая численность рабочих, занятых на постройке, достигала 40 тысяч человек. За время строительства было перемещено примерно 75 млн. кубометров грунта.

При сооружении Панамского канала (1880−1913 гг.) было перемещено 160 млн. кубометров грунта. На втором этапе строительства (1903;1913 гг.) применялись более ста одноковшовых (преимущественно железнодорожных) и около 20-ти многоковшовых экскаваторов.

После первой Мировой войны, одновременно с общим развитием техники, активизировалось и развитие экскаваторов. Двигатели внутреннего сгорания и электропривод, применение гусеничного (и шагающего) хода позволили существенно увеличить мощности и мобильность экскаваторов. Экскаваторы стали полноповоротными, увеличилась номенклатура их рабочего оборудования (прямая и обратная лопата, драглайн, струг и пр.) и сфера их применения (вскрышные, тоннельные работы и пр.). В США и в России совершенствовались одноковшовые экскаваторы. В Германии начали строить все более мощные многоковшовые экскаваторы. Появились многочисленные специальные машины (канавокопатели и др.).

Рисунок 3.5 — Паровой железнодорожный неполноповоротный экскаватор «Ковровец»

В СССР производство экскаваторов было организовано в 1931. Выпущены первые 15 машин. С 1947 Уральский завод тяжёлого машиностроения (УЗТМ) впервые в мире организовал серийный выпуск карьерных экскаваторов с ковшами ёмкостью 3−5 м. Уже в начале 50-х годов XX века использовались гигантские экскаваторы с ковшами объемом до 30 куб. м. (ЭГЛ-15 Новокраматорского завода, американские экскаваторы Марион, Бюсайрус и др.)

Во второй половине XX века традиционные типы экскаваторов совершенствовались в основном за счет применения новых машиностроительных технологий и оборудования (гидропривод и пр.).

Ручной труд на земляных работах сохранился только в тех случаях, когда имеется избыток бесплатной рабочей силы либо при малом объеме и стесненных условиях работ, не позволяющих применить необходимую землеройную технику.

В 1958 на УЗТМ был изготовлен шагающий экскаватор-драглайн с ковшом 25 м и стрелой 100 м, а на Новокраматорском машиностроительном заводе (НКМЗ) в 1965 — экскаватор-лопата с ковшом 35 м для крепких грунтов. В 1975 УЗТМ закончил изготовление шагающего драглайна с ковшом ёмкостью 100 м и стрелой 100 м. УЗТМ осваивает наиболее мощную карьерную лопату, с ковшом 20 м, для крепких грунтов (1976).

Современные экскаваторы, бульдозеры и другие землеройные машины передвигаются по земле на колесах или гусеницах, по рельсам или с помощью специальных опор могут «шагать», есть и плавающие землечерпалки. Однако едва ли не самым распространенным способом передвижения тяжелых машин стал гусеничный ход. Машины на таком ходу могут надежно перемещаться по неровной поверхности, работая на стройке, в котловане или в карьере, добывая полезные ископаемые. Проблема надежного передвижения землеройных машин всегда занимала их создателей. Еще в начале прошлого века в различных странах пытались заменить колесный ход на какой-либо другой. В России в 1879 году русский крестьянин Федор Блинов получил, как тогда говорили, привилегию на «Вагон с бесконечными рельсами для перевозки грузов по проселочным дорогам». К тому времени уже были построены железные дороги, уже были известны рельсы. И изобретателю пришла идея использовать замкнутые и перебегающие по каткам «рельсы в качестве ходового устройства. Изучение чертежей и описания этого изобретения показало, что «вагон» Блинова не что иное, как гусеничный трактор. Такие машины начали строить за границей лишь в XX веке.

Освоение гусеничных тракторов позволило уже в начале 20 века использовать их как базу для землеройных машин, которые стали широко применяться при строительстве дорог, водных путей, в горнодобывающей промышленности.

Первые экскаваторы на гусеничном ходу мало походили на современные машины. Еще в начале века они изготовлялись наполовину из деревянных деталей. Деревянной была стрела, из деревянных пластин (траков) состояли гусеницы. Траки, правда, сначала обивали металлическими листами, а позднее гусеницы полностью стали металлическими.

Такой экскаватор в 1912 году был использован в США на строительстве канала Кэлуметсэг.

Экскаваторами называются землеройные машины, предназначенные для копания и перемещения грунта. Все экскаваторы в зависимости от использования рабочего времени для собственно копания грунта делят на две большие группы: непрерывного действия — многоковшовые и периодического (цикличного) действия — одноковшовые.

Многоковшовые экскаваторы обе операции — копание грунта и его перемещение выполняют одновременно; одноковшовые эти операции выполняют последовательно, прерывая копание на время перемещения грунта. Таким образом, рабочее время машины, в течение которого выбирают грунт, и производительность многоковшовых экскаваторов выше, чем одноковшовых. Несмотря на это, одноковшовые экскаваторы распространены шире вследствие их универсальности, т. е. возможности применять их как на земляных, так и на погрузочно-разгрузочных работах в самых тяжелых, в том числе скальных (с предварительным взрыванием), грунтах. Применение многоковшовых экскаваторов ограничено: в основном их используют при рытье траншей и добыче нерудных материалов в карьерах с однородными грунтами без каменных включений.

По способу перемещения экскаваторы бывают сухопутные и плавучие.

По конструкции ходового устройства сухопутные экскаваторы подразделяют на гусеничные, колесные и шагающие (последнее применяют только в одноковшовых экскаваторах).

По типу применяемого основного (первичного) двигателя экскаваторы бывают дизельными или электрическими. Выбор двигателя определяется условиями, в которых будет работать экскаватор. Так, дизели используют на экскаваторах там, где машину нужно сравнительно часто перевозить с места на место, например на строительстве нефтеи газопроводов, железных и шоссейных дорог, гражданском строительстве и т. п.

На экскаваторах, постоянно работающих в одном месте, например в карьерах по добыче нерудных материалов, выгодно применять электродвигатели, которые проще и дешевле в эксплуатации.

Одноковшовые экскаваторы по назначению делят на три основные группы: строительные универсальные, предназначенные для земляных и погрузочно-разгрузочных работ в строительстве; карьерные — для работы в карьерах на разработке рудных и угольных месторождений, а также скальных пород; вскрышные — для разработки полезных ископаемых (угля, руды) открытым способом. К последней группе относятся также и мощные шагающие экскаваторы — драглайны, используемые на горных работах для перекидки верхних слоев пород в выработанное пространство, а также на строительстве крупных гидротехнических сооружений.

Кроме этих основных групп выпускают еще специальные экскаваторы, предназначенные для использования в определенных специфических условиях: подземные — для подземной разработки полезных ископаемых при большой мощности пласта, туннельные — для погрузки взорванной породы при проходке туннелей, торфяные — для добычи торфа и др.

По виду рабочего оборудования экскаваторы подразделяются на одноковшовые с жесткой шарнирно-скользящей связью ковша со стрелой (прямая лопата), с жесткой шарнирной связью ковша со стрелой (обратная лопата), с гибкой связью ковша со стрелой (драглайн, грейфер и др.) и с телескопическим рабочим оборудованием.

Наиболее распространено оборудование прямой лопаты. Им оснащаются экскаваторы любой мощности с ковшами емкостью до 15,3 м. Экскаваторы с оборудованием прямой лопаты и с разгрузкой в транспортные средства или отвал целесообразно применять при разработке месторождений полезных ископаемых и для рытья котлованов. Преимущественно в крепких, каменистых и скальных породах и грунтах, а также в устойчивых грунтах средней крепости.

Оборудование обратной лопаты используется для рытья узких траншей (шириной 0,7 — 1,5 м и глубиной до 8 м), особенно с вертикальными стенками для прокладки сетей канализации, нефтепроводов, устройства фундаментов в крепких и каменистых грунтах, а также сооружения небольших котлованов.

Рабочее оборудование экскаватора-драглайна (англ. dragline) состоит из стрелы и ковша, подвешенного к стреле при помощи подъемного и тягового канатов. Выемку грунта драглайн производит, как правило, ниже уровня установки экскаватора. Применяются ковши различной емкости — в скальных предварительно разрыхленных породах допускается работа драглайна при емкости ковша свыше 10 м. Продолжительность цикла обычно на 10−20% больше, чем при работе экскаватора с оборудованием прямой лопаты. С оборудованием драглайна работает до 40% одноковшовых экскаваторов. Драглайны, имеющие т. н. шагающий ход, получили название шагающих драглайнов.

Планирование поверхностей со значительными углами наклона с помощью следящей системы малоэффективно из-за ограниченности рабочей зоны экскаватора. Более эффективно на указанных работах могут быть использованы экскаваторы с телескопическим рабочим оборудованием, обеспечивающие прямолинейную траекторию движения рабочего органа посредством втягивания телескопической стрелы. Возможность поворота ковша вокруг продольной оси стрелы (рукояти) у этих машин позволяет осуществлять срезку и зачистку наклонных поверхностей. Эти машины имеют малую габаритную высоту рабочего оборудования, что позволяет работать в закрытых помещениях и труднодоступных местах.

Оборудование грейфера применяется для погрузочных работ, рытья котлованов с отвесными стенками, для работ под водой.

Оборудование струга приспособлено для планировочных работ, удаления дорожной одежды и т. п. Отдельные модели экскаваторов, предназначенные в основном для строительства (с ковшами емкостью до 5 м), снабжают различным сменным оборудованием не только для земляных, но и для монтажных, подъемно-транспортных, погрузочно-разгрузочных, свайных и буровых работ, валки леса и корчевки пней и т. п. Такие экскаваторы обычно называются универсальными, т.к. они применимы во многих видах земляных и строительных работ. Если число единиц сменного оборудования не превышает трех (например, лопата, драглайн, кран), экскаватор называется полууниверсальными.

Получают широкое распространение экскаваторы с гидроприводом, т. н. гидроэкскаваторы, у которых все виды рабочих органов шарнирно связаны с поворотной платформой и перемещаются с помощью гидроцилиндров, приводимых в движение насосами высокого давления (10 — 40 МПа). В этом случае для передачи вращения (привод поворота, хода) обычно применяют гидравлические двигатели. Этот вид одноковшовых экскаваторов изготовляется с ковшами малой (до 1,8 м.), средней (2−3 м.) и большой (3,2−6 м.) емкости. На сегодняшний день в России получают распространение большие гидроэкскаваторы с объемом ковша свыше 12 м. Основным рабочим оборудованием таких экскаваторов является обратная лопата.

В зависимости от назначения одноковшовые экскаваторы подразделяют на строительные, карьерные, строительно-карьерные и вскрышные, кроме того, выделяют тоннельные экскаваторы, плавучие и др. Строительные экскаваторы — самый распространенный тип одноковшовых экскаваторов (около 60% мирового парка); насчитывают около 200 моделей, выпускаемых более чем 80 отечественными и зарубежными заводами. Различают: универсальные малой мощности (емкость ковша 0,05−1,8 м., грузоподъемность крана 0,7−45 т, масса 1,5−65 т); средней мощности — полууниверсальные (емкость ковша 2−3 м., грузоподъемность крана 60−80 т, масса 72−105 т); большой мощности — полууниверсальные (емкость ковша 3,25−6 м, грузоподъемность крана 100−150 т, масса 115−210 т). Удельная масса на 1 м емкости ковша для крепких грунтов составляет 33−36 т.

На основании проведенного анализа построен график зависимости (функции изменения) степени идеальности от времени, приведенный на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 — Функциональная зависимость степени идеальности от времени

Из графика видно, что в ходе исторического развития начиная с периода 4 века до нашей эры и кончая эпохой современности, в конструкции землеройных машин (в том числе и одноковшового экскаватора) произошли закономерные изменения.

Особенностью последних является то, что они подчиняются закону S-образного развития технических систем. И в этом случае генезис одноковшового экскаватора не является исключением.

В генезисе экскаватора наблюдается характерные три этапа:

— на первом этапе присутствуют «пионерные изобретения» такие как, парусная доска с колесами, рычаг, клин, ворот, гибкий орган простой блок, подвижный блок, ковшевой рабочий орган, в последствии — землечерпалка Леонардо да Винчи, которая практически в неизменном виде до 17 столетия дошла в неизменном виде. В дальнейшем объединение подвижных и неподвижных блоков в единую систему — полиспаст, дополненные опорными, конструктивными элементами (металлоконструкции стрелы и рукояти). При этом, несмотря на простоту исходных изобретений, они решали серьезные проблемы и имели высокий уровень изобретения. Именно с этих исходных элементов «родился» современный «одноковшовый экскаватор»;

— на втором этапе характерным моментом является достройка «неполной» технической системы до «полной» (имеется в виду современный одноковшовый экскаватор). Достройка шла по линии: «рабочий орган (веревки — стальные канаты)»; «трансмиссия (система передач и изменения механической энергии в виде блоков, полиспастов, опорных элементов, металлоконструкций и т. д.)»; «энергосиловых установок (ручной привод, использование мышечной энергии животных, энергии падающей воды, энергии пара, энергии органического, жидкого топлива и электроэнергии)» и подсистемы «управления» (остановы, тормоза механические и электромеханические, системы управления приводными двигателями и приборы безопасности).

Преимущественно, уровень изобретения второго этапа снижается с 2 до 0,5 при одновременном нарастании «идеальности» за счет приобретения экскаватором дополнительных, полезных функций (расширение зоны обслуживания, увеличения грузоподъемности, обеспечения устойчивости и др.).

— на третьем этапе характерным моментом является стабилизация идеальности. Это является характерным признаком наступившей стагнации (застоем) в развитии экскаватора. На этом этапе система радикально никак не меняется, происходит лишь оптимизация ее составляющих элементов. Оптимизационные процессы не приводят к качественному скачку в развитии подсистем экскаватора, что подтверждает низкий уровень изобретений (преимущественно 1) на этом этапе. Дальнейший процесс развития экскаватора становится невозможным в виду накопившихся в исходном, конструктивном решении противоречий.

Законы развития технических систем Технические системы развиваются в соответствии с законами развития технических систем. Закон — это «необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями в природе и обществе».

Увеличение степени идеальности Развитие технических систем есть процесс повышения их степени идеальности. Повышение идеальности технических систем проявляется в росте относительных параметров (характеристик), то есть отношения полезных характеристик (мощности, производительности, точности, надежности и других) к вредным (потери, помехи и так далее) или к конструктивным (вес, размеры, трудоемкость изготовления и так далее). В системе экскаватор в идеале, должно быть:

· сам устанавливает параметры рабочего процесса — потоки мощности к рабочему органу, изменять траекторию движения ковша по пути наименьшего сопротивления;

· сам управляет скоростью движения.

Вытеснение человека из технической системы В процессе развития экскаваторов происходит поэтапное вытеснение из нее оператора, то есть техника постепенно берет на себя ранее выполнявшие им функции, тем самым, приближаясь к полной (без участия человека) системе. Функцию вытеснения человека в современном гидравлическом экскаваторе берет на себя подсистема гидравлического привода. В частности — от перегрузок систему спасает предохранительный клапан. Потому что в существующей конструкции отсутствуют реальные механизмы саморегулирования и самоадаптации.

Повышение динамичности и управления Конструктивная схема одноковшового экскаватора изначально была динамизирована на макроуровне (шарнирные соединения в рабочем оборудовании, опорно-поворотная платформа, ходовое устройство). Сейчас наблюдается тенденция перехода на микроуровень (молекулярные взаимодействия вещества в гидроприводе и в пневмоходовом устройстве).

Появление новых конструкций одноковшовых экскаваторов диктовали свои условия развития конструктивных схем.

Конструкция одноковшового экскаватора прошла все стадии развития. На сегодняшний день развитие конструкции остановилось, исчерпав все необходимые для этого ресурсы.

Следующий шаг — замена подсистемы, исчерпавшей возможности своего развития, искать альтернативную систему, способную заменить существующую.

Подсистема рабочего органа — ковш, на протяжении 600 лет практически не изменился, рычажная система, задающая траекторию движения ковша (по траектории дуги окружности).

Развертывание — свертывание технической системы Повышение идеальности технических систем осуществляется путем развертывания — увеличения количества выполняемых полезных функций за счет усложнения системы, и свертывания — упрощения системы при сохранении или увеличении количества полезных функций.

На всех этапах развития процессы развертывания и свертывания чередовались, приходя на смену друг другу.

Развертывание технической системы начинается с момента ее рождения, то есть создания функционального центра — функциональной основной цепочки из подсистем (элементов), способных в совокупности выполнить основную функцию системы. Развертывание технологической системы (конструкции экскаватора) в процессе ее развития в рамках существующей конструкции происходит от функционального центра к периферии системы.

Свертывание технической системы идет, как правило, в направлении, обратном развертыванию — от периферии системы к ее функциональному центру.

В результате проведенного генетического анализа развития конструкции экскаваторов четко наблюдается чередование процессов развертывания и свертывания. Развертывание шло по линии: ковш — рычажная система (стрела и рукоять), функция: изменение усилий резания и копания, рабочих и геометрических параметров движения ковша (высота, глубина, радиус копания) — платформа неподвижная, функция: распределение реактивных усилий копания — платформа подвижная, функция: перемещение рабочего органа по мере выработки забоя — платформа поворотная, функция: расширение технологических возможностей за счет увеличения зоны обслуживания — ходовое устройство (рельсовое — шагающее — гусеничное — пневмоколесное), функция: мобильность, компактность, повышение транспортной скорости — паровой двигатель, функция: источник механической энергии — ДВС, функция: повышение эффективности источника механической энергии за счет роста КПД, топливная экономичность — механическая трансмиссия, далее заменена на гидравлическую и электрическую, функция: повышение управляемости и эффективности распределения силовых потоков, облегчение управления автомобилем, улучшение проходимости, улучшение компоновки машины, уменьшение веса и размеров конструкции, улучшение эксплуатационных качеств. Из приведенной линии развития конструкции одноковшового экскаватора, можно сделать вывод, что система находится на конечной стадии развертывания. В соответствии с законами развития технических систем, дельнейшее развитие конструкции возможно путем ее свертывания.