Глава 12. Общие сведения

12.1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

Экскаватором непрерывного действия называют машину, непрерывно разрабатывающую грунт с одновременной погрузкой его в транспортное средство или укладкой в отвал. Рабочий орган машины может быть оборудован несколькими ковшами, скреб­ками или резцами, поочередно отделяющими грунт от мас­сива. Их закрепляют на едином рабочем органе — роторе (рис. 12.1, а) или на замкнутой цепи (рис. 12.1, б), располагая на одинаковом расстоянии один от другого.

Грунт разрабатывают в процессе двух независимых движений: относительного — многократного непрерывного перемещения ковшей или заменяющих их элементов вместе с рабочим органом по замкнутой траектории относительно несущей рамы и перенос­ного — перемещения рамы вместе с рабочим органом, называе­мого также подачей. При этом, в отличие от одноковшового экскаватора, все операции рабочего процесса которого выпол­няются последовательно при обязательном участии ковша, у экс­каватора непрерывного действия те же операции совмещены во времени и функционально разделены между ковшами и транс­портирующим устройством.

Как и в одноковшовых экскаваторах, каждый ковш экскава­тора непрерывного действия работает в цикличном режиме, по­следовательно выполняя операции отделения грунта от массива и выноса его из зоны забоя (рис. 12.2). Одноименные операции и их характерные этапы для всех смежных ковшей равномерно сме­щены во времени. В любой фиксированный момент времени одни ковши отсыпают грунт на транспортирующее устройство, другие находятся на пути к месту отсыпки, третьи, располагаясь на раз­ных участках забоя, заполняются отделяемым от массива грунтом, четвертые занимают положения возврата в забой, находясь на различных расстояниях от его начала и т. д. В целом многоков­шовый рабочий орган одновременно выполняет все перечислен­ные операции.

Транспортирующее устройство, чаще в виде ленточного кон­вейера, принимая от ковшей порции грунта (ссыпки), перемещает и отсыпает его непрерывным потоком в отвал или перегружает на другие транспортирующие или транспортные устройства.

Рис. 12.1. Землеройные рабочие органы непрерывного действия:

а — ротор; б — цепной ковшовый; β — цепной с комбинированными рабочими элемен­тами; е — скребковый; д — фрезерный

Однотипность рабочих движений экскаватора непрерывного действия предопределяет определенную автоматизацию рабочего процесса и, как следствие, облегчение управления, которое на практике сводится к начальной настройке экскаватора на опре­деленный режим в соответствии с технологическими требованиями и характеристикой разрабатываемого грунта, наблюдению за его работой и оперативному ручному управлению в экстремальных ситуациях, например, для остановки рабочего органа при встрече с непреодолимым препятствием, а также для изменения режимов рабочего движения, чаще всего подачи. По этому показателю экскаваторы непрерывного действия имеют преимущество перед одноковшовыми, управление рабочим процессом которых требует постоянного участия машиниста в течение каждого экскавацион-ного цикла.

Важным преимуществом этих экскаваторов перед одноковшо­выми является также более полное использование во времени

Рис. 12.3. Графики-схемы потребления мощности для привода ковшей роторных экскаваторов (кривые 1, 2, 3) и суммарный график загрузки энергосиловой уста­новки (4)

установленной мощности энергосиловой установки и, как след­ствие, при прочих равных условиях более высокая техническая производительность. Известно, что наибольшая мощность затра­чивается одноковшовым экскаватором в конце копания. При по­воротных движениях на выгрузку и возврат в забой установленная мощность используется неполностью.

Постоянными потребителями мощности в режиме экскавации грунта экскаватором непрерывного действия являются рабочий орган, транспортирующее устройство и механизм подачи. Мощ­ность, потребляемая при работе только одного ковша, так же как и в одноковшовом экскаваторе, будет различной при выполнении им различных операций: при копании она будет наибольшей, возрастающей по мере увеличения толщины грунтовой стружки, а при возврате ковша в забой наименьшей.

На рис. 12.3 представлены графики-схемы потребляемой ков­шами мощности для некоторого идеализированного процесса ро­торного экскаватора без учета неоднородности грунта и других возмущающих факторов. Эти графики лишь иллюстрируют при­водимый сравнительный анализ и не могут быть использованы Для других целей, в частности, для количественной оценки по­операционной энергоемкости рабочего цикла одного ковша. Одно­именные характерные точки графиков мощности для привода смежных ковшей будут сдвинуты во времени соответственно шагу их расположения на рабочем органе. Суммарная кривая 4 мощ­ности, потребляемой рабочим органом, определится сложением ординат графиков для отдельных ковшей. Она отразит характер­ные точки всех этих графиков, но с меньшей, чем у последних, неравномерностью.

Рис. 12.4. Формы траншей, отрываемых траншейным экска-ватором непрерывного дейст­вия (а) и одноковшовым (б) экскаватором

Колебания внешней нагрузки на рабочем органе, которую в первом приближении можно считать пропорциональной потреб­ляемой мощности, воспринимаются также механизмом подачи При других более стабильных сопротивлениях подаче кривая потребляемой этим механизмом мощности будет подобна описанной кривой изменения мощности на рабочем органе. Еще более ста­бильным следует ожидать потребление мощности транспортирую­щим устройством, где возможны лишь вертикальные колебания несущего грунт органа (конвейерной ленты) от очередных ссыпок на него порций грунта. Существенного влияния на изменение потребляемой мощности эти колебания не оказывают.

Суммарное использование установленной мощности экскава­тором непрерывного действия может достигать 90% и более. При одинаковой установленной мощности на этих экскаваторах может быть достигнута техническая производительность, почти в 2 раза превышающая производительность одноковшовых экска­ваторов. Однако это важное преимущество практически не реа­лизуется из-за низкого коэффициента использования экскаватора во времени, причиной чему является более сложная, чем у одно­ковшовых экскаваторов, многозвенная структура и, как следствие, низкая надежность этих машин, почти повсеместно усугубляемая несоблюдением норм их технического обслуживания. В ряде случаев в строительной практике это явилось причиной замены экскаваторов непрерывного действия одноковшовыми.

Принципиально с учетом универсальности одноковшовых эк­скаваторов такая замена возможна почти всегда. Однако кроме безусловного снижения уровня технической производительности в ряде случаев она сопряжена еще и с увеличением объемов земля­ных работ по сравнению с проектными, рассчитанными на исполь­зование экскаваторов непрерывного действия, что, в конечном счете, удорожает строительство.

Например, при разработке траншеи роторным или цепным траншейным экскаватором в устойчивых грунтах получается пря­моугольный поперечный профиль (рис. 12.4, а) с проектными,

удовлетворяющими технологическим требованиям, размерами В я Η по всей ее длине. Для получения размера В по дну траншеи при ее разработке одноковшовым экскаватором с рабочим обору­дованием обратной лопаты, в соответствии с кинематическими возможностями последнего, вынуждены отрывать траншею с гре­бенчатыми стенками и уширениями кверху (рис. 12.4, б). При этом объемы земляных работ увеличиваются в 1,5—2 раза. В та­ком же отношении увеличиваются и объемы обратной засыпки грунта в траншею после монтажа в ней коммуникаций. Кроме того, менее компактная укладка грунта в бруствер одноковшо­вым экскаватором требует большей полосы отчуждения земли для устройства временного сооружения — траншеи.

Наиболее целесообразно применять экскаваторы непрерывного действия на массовых земляных работах в однородных грунтах. В то же время для широкого внедрения этих машин в строительную практику следует решить задачу повышения их надежности.

Как на перспективное направление в развитии экскаваторов непрерывного действия укажем на принципиальную научно под­твержденную возможность автоматизации всего рабочего процесса с целью получения оптимальных параметров рабочих движений.

12.2. КЛАССИФИКАЦИЯ

Экскаваторы непрерывного действия классифицируют по назначению, типу рабочего органа, способу копания, типу привода и типу ходового устройства.

По назначению или виду выполняемых работ различают экска­ваторы для рытья и засыпки выемок большой протяженности по сравнению с размерами поперечного сечения (траншей), карьер­ные для добычи строительных материалов в карьерах и карьерно-строительные, используемые для тех же целей, а также для вы­полнения массовых земляных работ в строительстве. Применяемые в мелиоративном строительстве экскаваторы-дреноукладчики и экскаваторы-каналокопатели, имеющие сходные устройства и ра­бочие процессы с траншейными экскаваторами, изучаются в спе­циальных курсах и здесь не рассматриваются. Сведения об этих машинах приведены в специальной литературе [38].

В группе траншейных экскаваторов выделяют машины соб­ственно для рытья траншей (рис. 12.5, а—г) и траншеезасыпатели (рис. 12.5, д) для разработки грунта в уложенном вдоль траншеи бруствере и засыпки им траншеи после укладки в нее комму­никаций.

В отличие от упомянутых машин, непрерывно перемещающихся в одном направлении по мере рытья или засыпки траншеи, карь­ерные экскаваторы (рис. 12.5, е и ас) длительное время работают в ограниченной рабочей зоне, чем предопределяются особенности их энергоснабжения, конструктивного решения ходовых уст­ройств и др.

Рис. 12.5. Виды экскаваторов непрерывного действия:

α — роторный траншейный экскаватор; б — цепной траншейный экскаватор, в — скреб­ковый экскаватор для разработки узких траншей; г — фрезерный роторный экскаватор; д — Роторный траншеезасыпатель; е — роторный экскаватор поперечного копания, м — цепной экскаватор поперечного копания

Карьерно-строительные роторные экскаваторы непрерывного действия (рис. 12.5, е) предназначены для выполнения однотип­ных земляных работ как в карьерах, так и на строительных пло­щадках. Их конструкция должна обеспечивать автономное пе­редвижение экскаватора при смене объекта.

По типу рабочего органа различают роторные (рис. 12.5, а, г—е) и цепные (рис. 12.5, б, в и ж) экскаваторы. У роторных экскаваторов ковши закреплены на рабочем колесе — роторе, вращающемся на раме, а у цепных — на бесконечной цепи, пере­мещающейся по направляющим роликам ковшовой рамы. Для разработки узких траншей ковши могут быть заменены скреб­ками (рис. 12.5, б и в).

По способу копания различают экскаваторы продольного (рис. 12.5, а—д) и поперечного (рис. 12.5, е и ж) копания. По пер­вой схеме выполнены траншейные экскаваторы, вектор перенос­ного движения у которых находится в плоскости относительного движения ковшей. У карьерных и карьерно-строительных экска­ваторов, выполненных по второй схеме, этот вектор составляет

с плоскостью относительного движения ковшей прямой или близкий к нему угол. Переносное движение у этих экскаваторов обеспечивается вращением поворотной платформы с установлен­ной на ней стрелой, на конце которой вращается ротор (рис. \2.5,е), или, как и у экскаваторов продольного копания, передвижением всей машины.

Большей частью экскаваторы непрерывного действия разра­батывают грунты при движении ковшей снизу вверх. Исключение составляют карьерные цепные экскаваторы поперечного копания, которые могут работать как указанным способом, называемым нижним копанием, так и движением ковшей сверху вниз — верх­ним копанием, а также роторные траншеезасыпатели, реализую­щие копание движением ковшей сверху вниз, называемое в этом случае встречным копанием в отличие от попутного копания движением ковшей снизу вверх. Иногда широкие рабочие органы выполняют в виде нескольких роторов, реализующих как попут­ное, так и встречное копание.

Тип привода экскаватора непрерывного действия определяется прежде всего его назначением, требованиями к рабочим движе­ниям, обеспечиваемым отдельными исполнительными механиз­мами, удаленностью последних от источника энергии, а также типом базовой машины. Карьерные цепные экскаваторы попереч­ного копания, работающие в ограниченной зоне, питаются электро­энергией от внешнего источника, а их исполнительные механизмы имеют индивидуальный электрический привод. Принципиально такая схема пригодна и для роторных строительных экскавато­ров. Однако с целью обеспечения автономности для выполнения работ по назначению строительно-карьерных экскаваторов их оборудуют дизель-генераторной или дизель-гидравлической энер­госиловой установкой с сохранением, как и в первом случае, ин­дивидуального электрического или гидравлического привода ис­полнительных механизмов.

На всех экскаваторах продольного копания в качестве пер­вичного двигателя применен дизель с механической, электриче­ской или комбинированной трансмиссиями. Для привода ходовых устройств все чаще применяют гидравлический привод, обеспечи­вающий бесступенчатое регулирование скоростей передачи. Рабочий орган обычно приводится через механическую подачу, известен также его электрический привод. Для привода тран­спортирующего устройства применяют все перечисленные при­воды.

По типу ходовых устройств эскаваторы непрерывного действия делятся на гусеничные (большая часть экскаваторов продольного копания, строительные роторные экскаваторы), пневмоколесные (малые модели экскаваторов продольного копания на базе пневмоколесных тракторов) и рельсоколесные (цепные экс­каваторы поперечного копания) для работы в ограниченной зоне.

12.3. РАБОЧИЕ ОРГАНЫ

Экскаваторы непрерывного действия оборудуют ков­шовыми и нековшовыми рабочими органами. Их общим назначе­нием является отделение грунта от массива и вынос его из зоны забоя. Ковшовые рабочие органы, кроме того, перегружают грунт на транспортирующее устройство.

Ковшовый рабочий орган роторного экскаватора представ­ляет собой колесо с расположенными на нем ковшами. В цепных экскаваторах ковши располагают на замкнутой цепи. Несущими элементами роторного рабочего органа служат два кольца 6 (см. рис. 12.1, а), расположенные в параллельных плоскостях с закрепленными по периферии ковшами. В рабочем положении кольца поддерживаются роликами / и 5. На широких роторах траншейных экскаваторов ковши устанавливают в два ряда с про­межуточным третьим кольцом и со смещением одного ряда отно­сительно другого на половину шага ковшей. Этим обеспечивается более равномерная нагрузка на части ротора, находящиеся в зоне забоя.

Ковш ротора состоит из арочного козырька 4 с установлен­ными в его передней части зубьями 2 и днища 3 из переплетенных в двух направлениях цепей. Ковши открыты в лобовой части для поступления в них грунта и с внутренней стороны для раз­грузки.

Все операции рабочего процесса роторного рабочего органа выполняются при непрерывном вращении ротора с жестко уста­новленными на нем ковшами. При движении ковшей вдоль груди забоя они разрабатывают грунт и заполняются им. От просыпания грунта внутрь ротора предохраняет неподвижно установленная на раме ротора обечайка / (рис. 12.6, а) с верхним краем в начале зоны разгрузки. При достижении ковшами этой зоны грунт раз­гружается в открывшуюся внутреннюю полость ротора на отваль­ный конвейер 2 в экскаваторах продольного копания или на та­рельчатый питатель 4 (рис. 12.6, б) в экскаваторах поперечного копания, где приемный конвейер 5 установлен сбоку ротора 3. При перемещении грунта снизу вверх часть его просыпается через ячейки цепных днищ. При работе траншейных роторных экскаваторов зона забоя блокирована его стенками и рабочим органом экскаватора. Поэтому осыпающийся грунт попадает в движущиеся следом ковши и в конечном счете выносится из забоя. К издержкам такого конструктивного решения днищ ковшей следует отнести дополнительные затраты энергии на повторный подъем просыпавшейся части грунта. Сплошные днища ковшей, например у некоторых цепных экскаваторов, лишены этого не­достатка, но разгружаются они хуже, чем ковши с цепными дни­щами, которые при переходе в верхнее положение вследствие сво­бодного провисания встряхиваются, опорожняясь полностью, если не считать грунта, налипшего на отдельные звенья цепей.

Рис. 12 6 Схемы разгрузки грунта из ковшей рабочего органа экскаваторов:

a — роторных продольного копания, б — роторных поперечного копания, в — цепных ковшовых, г — цепных с комбинированными рабочими элементами

Это преимущество ковшей с цепными днищами при разгрузке по сравнению со сплошными ковшами с лихвой компенсирует от­меченные издержки по энергозатратам, связанным с просыпанием грунта через цепные днища.

Цепной ковшовый рабочий орган (см. рис. 12.1, б) состоит из двух длиннозвенных замкнутых цепей 8 с закрепленными на них ковшами 9, отличающимися от роторных конструкцией днища. Каждая из ковшовых цепей огибает в верхней части при­водную звездочку 10 или граненый барабан, а в нижней части натяжное (направляющее) колесо 7.

На участке копания грунта ковши движутся прямолинейно поступательно относительно рамы рабочего органа, а на участке огибания ведущих звездочек, как и при огибании натяжных ко­лес, — вращательно. Размеры и форма ковша обеспечивают удер­жание поступившего в него грунта в течение операции копания без дополнительных ограничителей, как это имеет место в ротор­ных экскаваторах. При огибании цепьями приводных звездочек 6 (см. рис. 12.6, б) ковш 7 опрокидывается, вращаясь относительно оси приводного вала. Вследствие того, что ковш закреплен на звеньях цепи только в передней части (козырьком), его хвостовая часть при этом поднимается кверху, разгружая грунт на от­вальный конвейер 2, расположенный несколько впереди и ниже приводных звездочек. Для улучшения разгрузки грунта на совре­менных цепных траншейных экскаваторах вместо ковшей уста­новлены комбинированные устройства, состоящие из закреплен­ных на арочном козырьке 4 (см. рис. 12.1, в) резцов 2 для отделе­ния грунта от массива и скребков 11 для выноса грунта. В.преде­лах траншеи грунт от просыпания удерживается стенками и грудью забоя, а по выходе из траншеи лотком 9 (см. рис. 12.6, г), оканчивающимся в начале зоны разгрузки грунта на отвальный конвейер.

Несколько подробнее рассмотрим особенности отделения грунта от массива режущими инструментами ковшей, в качестве которых используют установленные на ковшах зубья. Известны также беззубые ковши со сплошной режущей кромкой, применяе­мые для разработки слабых грунтов. Операция отделения грунта

Рис. 12.7. Поперечное сечение грунтовой стружки (а) при разработке грунта методом «крупного скола» и реализующая его расстановка зубьев на рабочем органе роторного траншейного экскаватора (б) (показана одна половина ковшей ротора)

от массива наиболее энергоемкая в составе рабочего цикла ковша, в связи с чем ее анализ и поиск путей снижения энергетических затрат и поныне является предметом исследований конструкторов и ученых-землеройщиков.

Благодаря периодичности движения ковшей на экскаваторах непрерывного действия удалось добиться существенного резуль­тата разработки грунта методом «крупного скола» (рис. 12.7, а) путем определенной расстановки зубьев на рабочем органе (рис. 12.7, б). Суть расстановки заключается в следующем.

В пределах каждой из двух или трех групп последовательно расположенных на роторе ковшей зубья расставлены так, что каждый зуб перемещается по своей полосе, следуя за зубом пред­шествующей группы. Например, при двухгрупповой расстановке, реализуемой в конструкциях отечественных траншейных ротор­ных экскаваторов, и при 14-ковшовом рабочем органе по следу зубьев первого ковша перемещаются лишь зубья восьмого ковша, по следу зубьев второго ковша перемещаются зубья девятого ковша и т. д. По ширине передней кромки ковша зубья расстав­лены примерно с одинаковым шагом t, который назнача­ется из условия минимума энергоемкости процесса копания грунта с учетом преобладающей доли отделения грунта от массива отрывом по наклонным поверхностям АВ и EF (см. рис. 3.2, 6) вместо среза по поверхностям CD.

Соотношение сопротивлений отрыву и срезу грунта изменяется в зависимости от категории разрабатываемых грунтов, а для роторных экскаваторов, кроме того, от текущего положения зубьев ковша на забойной части их траектории. На рис. 12.7, а это положение иллюстрировано текущим значением толщины с стружки вдоль дуги забоя и ее максимальным значением с_max на выходе из забоя для конкретного грунта, а также значением Сmax, например для грунта с пониженной прочностью.

В практике проектирования экскаваторов непрерывного дей­ствия шаг t определяют по значению с_mах для расчетного грунта, принимая угол γ боковых развалов и высоту h_бок боковых срезов по данным работы [23], хотя оптимальность полученных этим способом результатов еще не доказана.

Энергоемкость процесса отделения грунта от массива также зависит от степени затупления зубьев как начального, получен­ного при их изготовлении, так и приобретенного в процессе взаимодействия с грунтом вследствие абразивного изнашивания. При сильно изношенных зубьях нарушается процесс взаимодей­ствия рабочего органа с грунтом из-за включения в работу в ка­честве землеройного инструмента козырька ковша. Для повышения износостойкости зубьев передние грани упрочняют износостой­кими наплавками или напайками из вольфрамокобальтовых пла­стин состава ВК15 [11, 15]. Благодаря высокой твердости по­следних, соизмеримой с твердостью оксида кремния, входящего в состав большинства грунтов, этим решением удалось повысить ресурс зубьев в десятки раз.

Кроме рассмотренных основных роторных и цепных рабочих органов на траншейных экскаваторах устанавливают вспомога­тельные пассивные или активные режущие органы для отделения грунта от массива в боковых расширениях траншеи. Пассивные ножевые откосники 4 (рис. 12.8, а) устанавливают с двух сторон ротора, закрепляя их неподвижно на кронштейнах 1 и 3 рамы 2. При движении экскаватора они отделяют грунт в зоне откосов от массива, где он обрушивается вниз, захватывается ковшами и выносится на разгрузку вместе с грунтом, отделяемым от массива в лобовой части забоя.

Цепные экскаваторы оборудуют активными откосниками 5 (рис. 12.8, б) в виде цепей с закрепленными в их звеньях рез­цами 6. Каждая из двух цепей одним концом закреплена на ка­чающемся относительно ковшовой рамы 7 балансире 8, а вторым — на эксцентрично расположенном пальце 9 приводимого ковшовой цепью натяжного колеса-звездочки 10, от которого цепь полу­чает возвратно-поступательное движение. Далее процесс подобен

Рис. 12.8. Пассивные но-жевые (а) и активные цеп­ные (б) откосообразова-тели

процессу, описанному в роторных экскаваторах. Активные от­косники пропиливают грунт, что менее энергоемко по сравнению со срезом у пассивных откосников, и поэтому они более эффек­тивны.

Как уже отмечалось, скребковые рабочие органы применяют для разработки узких траншей. Их устанавливают на цепных ко­лесных экскаваторах. Скребками 12 (см. рис. 12.1, г) удаляется из траншеи грунт, отделенный от массива резцами 13 и 14. Число резцов, приходящихся на один скребок (в одной группе), опреде­ляется шириной траншеи. При этом резцы различаются расстоя­ниями между режущими кромками и расположены последова­тельно от самого узкого до самого широкого, подобно расстановке зубьев на цепном траншейном экскаваторе. По сравнению с ков­шовыми скребковые рабочие органы более энергоемки прежде всего из-за более высокого уровня блокировки забоя, а также из-за дополнительных сопротивлений трения выносимого из траншеи грунта о ее стенки.

Для тех же целей применяют фрезерные рабочие органы. Основой такого рабочего органа служит вращающийся диск или кольцо с закрепленными по его периферии резцами (см. рис. 12.1, д). Как и в случае ковшовых рабочих органов, резцы по ширине располагают в определенном порядке, обеспечивающем разработку грунта крупным сколом, как было описано. Отделен­ный от массива грунт выносится на дневную поверхность перед­ними гранями резца.