5.5. Проектирование забоев и проходок для экскаваторов с прямой лопатой

Прямая ло­пата режет грунт при движении ковша снизу вверх. При этом, помимо усилия резания, действующего по направлению касательной к траектории, необходимо также напорное усилие, благодаря которому зубья или режущая кромка ковша внедряются в грунт на нужную глубину нормально к траектории. В машинах с канатным приводом напорное усилие создается выдвижением рукояти, с гидравлическим приводом — увеличением наклона стрелы под действием гид­роцилиндров. В целом процесс отделения грунта от массива, включающий, по­мимо резания, перемещение грунта относительно рабочего органа и впереди него, что сопровождается преодолением дополнительных сопротивлений, назы­вают копанием (экскавацией).

При копании ковш движется по сложной траектории, срезая стружку переменного сечения (рис.5.6). В начале процесса копания ковш обычно находится в нижней части забоя. При этом, чтобы обеспечить заглубление, создают близкое к наибольшему напорное усилие. По мере подъема оно уменьшается и, когда рукоять занимает приблизительно горизонтальное положение, становится близким к нулю. Толщина стружки и усилие резания в этот момент достигают максимума. Поворота рукояти в вертикальной плоскости примерно до высоты Н_п напорного вала обычно бывает достаточно, чтобы произошло наполнение ковша. Но при необходимости можно продолжать копание с дальней­шим увеличением угла поворота рукояти вплоть до достижения его конструк­тивно возможной величины. Высота расположения кромки режущего контура ковша над уровнем стоянки экскаватора, т. е, проекция рабочей части траек­тории на вертикаль, называется при этом наибольшей высотой копания Н_кн, а высота расположения нижней кромки откинутого днища ковша — наиболь­шей высотой разгрузки Н_рн.

В обычных грунтах для наполнения ковша необходима меньшая длина стружки - высота копания составляет (0,5 - 0,6) Н_н, а в мягких (0,3 - 0,4) Н_н по условиям наполнения ковша е «шапкой — за одно рабочее движение рукояти. Для экскаваторов с ковшами 0,5—2,5 м³, применяемых на массовых земляных работах в железнодорожном строительстве, наименьшая высота в грунтах I—II групп трудности разработки лежит в границах 2--3 м, в грунтах Ш группы — 3,5—4,5 м, в грунтах IV группы — 5—6м. При меньших высотах забоя за одно движение ковша экскаватора с канатным приводом не происходит полного его наполнения и производительность экскаватора сни­жается. Гидравлические экскаваторы, в особенности при наличии механизма поворота ковша на рукояти, такого недостатка практически не имеют.

В начале разработки траншеи, при так называемом зарезании экскаватора в грунтовый массив, приходится выполнять копание с заглублением по от­ношению к уровню стоянки. Возможность выполнения такой работы характе­ризуется глубиной копания ниже уровня стоянки Нко, которая колеблется для канатных экскаваторов в пределах 1,5—2,5 м, а для крупных гидравлических экскаваторов достигает 3,5—5 м. Производительность канатного экскаватора при зарезании снижается в среднем примерно втрое по сравнению с нормаль­ной. Поэтому нередко начальный участок траншеи готовят для работы экска­ваторов с помощью других машин, например бульдозеров. С их помощью разрабатывают, так называемую, пионерную траншею.

Гидравлические экскаваторы, практически не снижающие производительности при малых вы­сотах забоев, имеют в таких условиях серьезные преимущества по сравнению с канатными машинами.

Наибольшую высоту забоя при копании грунта экскаватором принимают равной наибольшей высоте копания. Если наибольшая высота значительно превышает наименьшую (в 2 раза и более) и грунт с верхней части стенки забоя не обваливается, сначала разрабатывают верхнюю, а потом нижнюю часть за­боя. В случае если массив разрыхляют взрывным способом, а экскаватор ис­пользуют для погрузки разрыхленного грунта, наибольшую высоту забоя при­нимают равной полуторному значению наибольшей высоты копания.

Все рассмотренные размеры забоя относятся к плоскости, в которой происходит перемещение рукояти в процессе одного рабочего цикла. Эта плоскость по мере отработки грунта поворачивается, поскольку экскаватор с одной сто­янки ведет копание веерообразно. Точки контура машины при ее повороте описывают в плане окружности, и расстояния до них называют радиусами. Важнейшее значение имеют 2 радиуса: радиус копания R_k — расстояние в пла­не от оси вращения поворотной платформы до наиболее удаленной точки режу­щего контура и радиус разгрузки Rр — аналогичное расстояние до центра раз­грузочного проема ковша. В паспортах экскаваторов указывают наибольший радиус копания R_кн и наибольший радиус разгрузки Rрн, определяемые при горизонтальном положении и максимальном выдвижении стрелы. В паспорте также приводят высоту разгрузки Нрн при наибольшем радиусе разгрузки. Эта высота меньше наибольшей высоты разгрузки Н_рн. Радиус Rрс при наи­большей высоте разгрузки также меньше, чем наибольший радиус разгрузки R_рн. Указывают в паспорте и радиус копания Rко на уровне стоянки экскавато­ра, или, иначе, радиус планировочной площадки, и другие параметры. Паспорт­ные характеристики экскаваторов приведены в справочниках.

Работа экскаватора с наибольшим радиусом копания и малой толщиной стружки представляет невыгодный режим нагружения силовой установки машины, поэтому она систематически не практикуется. Рабочий радиус копания R_кр обычно составляет (0.8 - 0,85) Rкн, причем экскаватор начинает копание при еще меньшем радиусе, что обеспечивает внедрение рукояти в массив при­мерно на два размера ковша за счет ее постепенного выдвижения, затем экска­ватор перемещается по фронту на величину передвижки и процесс повторяется вновь.

Рис. 5.7. Разработка фронтального (лобового) забоя

прямой лопатой с разгрузкой: а - на обе стороны; б - на одну сторону

Размер поверху симметричной траншеи при лобовом забое может быть найден с использованием теоремы Пифагора (рис. 5.7, а) по формуле:

(5.3) причем величину передвижки L_ПЭ принимают в зависимости от вместимости ковша q. С некоторыми допущениями эту величину можно определить, как

(5.4)

где q - емкость ковша экскаватора в м³.

Полный угол фронта экскавации при этом составляет около 160". Средний угол поворота на разгрузку, измеряемый между лучами, соединяющими ось поворота с центрами масс разрабатываемого слоя и грунта в зоне разгрузки, не должен превышать 135⁰, что позволяет пользоваться нормами выработки машин, приводимыми в ЕНиР.

Поворот экскаватора на разгрузку является наиболее продолжительной операцией цикла и в нормальных условиях занимает почти 2/3 его общего времени. Понятно, что угол поворота следует по возможности уменьшать. Поэтому раз­работку правой и левой частей лобовой стенки симметричной траншеи ведут с поворотом в разные стороны. Автомобили подают к экскаватору тоже с разных сторон: при разработке левой части забоя — с левой, правой части — с правой (см. рис. 5.7, а). Автомобили подают на разгрузку задним ходом с разворотом в два приема и останавливают, возможно ближе к экскаватору, но так чтобы между контуром автомобиля и окружностью, описываемой хвосто­вой частью экскаватора, оставался свободный промежуток не менее 0,5м. Следовательно, для установления места остановки автомобиля необходимо знать радиус R_X окружности, в пределах которой перемещается при поворотах хвостовая часть экскаватора.

При ковшах экскаваторов обычной вместимости ширина B_T изменяется в пределах от 13 до 23 м и является в общем достаточной для разворота автомо­биля в 2 приема. Однако такая ширина нужна далеко не всегда. Например, для въездной траншеи карьера она велика. Траншеи уменьшенной ширины разра­батывают с несимметричным расположением передней стенки и смещением экс­каватора вправо или влево к борту траншеи (рис. 5.7, б). Расстояние d_б до ближайшего борта определяют из условия, чтобы хвостовая часть экскаватора не задевала этого борта, для чего оставляют просвет не менее 0,5 м. Ориенти­ровочно d_б = R_х + (0,7 ÷ 0,8). Автомобиль подают задним ходом с одной стороны экскаватора и поворачивают на разгрузку в одном направлении Пол­ный угол фронта копания в таких условиях около 100°.

При невозможности разворота автомобилей в узкой траншее длиной до 50—60 м в нее заезжают задним ходом, а при большой длине в одном из бор­тов вырезают экскаватором тупиковый карман, в который автомобили заез­жают для разворота. Если необходимо лобовой проходкой получить сразу уширенную траншею, экскаватор в забое передвигают зигзагообразно. Рис. 5.8.

Рис. 5.8. Уширенная траншея лобовой проходки при зигзагообразной

передвижке экскаватора в забое

При наличии пионерной траншеи, понижающей уровень проезда транспор­та, дно следующей проходки обычно удается расположить на глубине, обеспе­чивающей нормальную высоту забоя экскаватора. Эта проходка является боковой, но уровни стоянки экскаватора и транспортных средств в ней разные. Встречается также необходимость боковых проходок при одном уровне стоянки экскаватора и путей транспорта. Так, например, отрабатывают уступы карьеров.

При боковых проходках известные неудобства всегда вызывает наличие ребра в сопряжении стенки забоя и открытого борта ранее пройденной траншеи. Здесь образуется выступающий мысок, в пределах которого, особенно в нижней части, грунт из-за недостаточного сопротивления копается плохо. Экскаватор располагают в траншее таким образом, чтобы поворот на острие мыска происходил с углом не более 45° (рис. 5.9, а).

Рис. 5.9. Схема определения размеров одноярусного

и двухъярусного забоя.

Если уровень проезда транспорта оказывается выше уровня стоянки экскаватора (рис 5.9, б), то обычно возникает необходимость в проверке условия свободной проходимости хво­стовой части у борта траншеи. Поэтому при проектировании разработок вые­мок экскаваторами основной целью является рациональное разме­щение лобовых и боковых проходок по всему разрабатываемому массиву (рис 5.9).

Наиболее часто боковые проходки осуществляются при разработке котлованов. При этом расчет и проектирование проходок производится в следующей последовательности.

1. Определяется расстояние от оси движения экскаватора до верхней кромки забоя b₁

(5.5)

где R_п — величина практического радиуса резания. Он может быть найден, как R_п = R_max - 0,1 l_п, Rмах - максимальный радиус резаная на уровне напорного вала; 1_П — величина передвижки экска­ватора равная 0,75 длины рукояти экскаватора l_p , т.е. l_п = 0,75 l_p.

2. Находим расположение оси движения экскаватора относительно нижней кромки забоя с помощью выражения

(5.6)

где r_max — максимальный радиус резания на уровне стоянки экскаватора.

Схема построения приведена на рисунке 5.10.

Рис. 5.10. Построение бокового забоя экскаватора прямая лопата

3. От оси стоянки экскаватора откладывают величины b₁ , b₂ и h₀ — высоту напорного вала экскаватора (высота подъема ковша при максимально вытянутой рукояти). Затем производим построение левой части забоя. Из точки О радиусом АО проводим дугу АВ до А¹, где h_k — высота котлована. Из точки О₁ (план забоя) радиусом R_П очерчиваем верхнюю кромку за боя от А^’.

4. Откладываем величину Ь₃, которая может быть определена как

b₃ = R_П ּSinα или b₃ = R_В - a / 2 - 1 - (b₁ - b₂) (5.7)

где α =15 ÷ 20°; R_В - радиус выгрузки экскаватора при максимально поднятом ковше; а - ширина колеи автотранспорта.

5. Тогда ширина бокового и лобового забоя составит

В_б = b₁ + b₃ , B_Л = 2 b₁. (5.8)

Определение параметров забоя позволяет произвести разметку проходок экскаватора и определить точки его стоянок при разработке котлована, как это показано на рис. 5.11.

Рис. 5.11. План проходок экскаватора прямая лопата

при разработке котлована.