Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

201

Рис.4.9. Неполноповоротный гидравлический одноковшовый экскаватор ЭО 2621А на базе пневмоколесного трактора «Беларусь»: 1, 5,8,11− гидроцилиндры; 2− платформа; 3,4−опорно-поворотное устройство; 6− противовес; 7− отвал; 10− рукоять

Независимо от вида рабочего оборудования, за исключением машин, изготовленных на базе пневмоколесных тракторов, все одноковшовые экскаваторы имеют структурно одинаковую базовую часть, состоящую из нижней рамы 5 (см. рис. 4.7) с ходовым устройством 4 и поворотной платформы 2 с кабиной I, силовой установкой 7 и противовесом 6. Поворотная платформа опирается на нижнюю раму и без ограничений поворачивается на ней с помощью опорно-поворотного устройства 3, по конструкции и принципу работы сходного с аналогичными устройствами для башенных и автомобильных кранов.

Прямая лопата. Как уже отмечалось ранее, рабочее оборудование прямой лопаты применяют для экскавации грунтов выше уровня стоянки экскаватора. Строительные экскаваторы с этим видом рабочего оборудования имеют ковши вместимостью до 3,2 м3—с канатной и до 1,6 м3 – с гидравлической подвеской, а карьерные и вскрышные экскаваторы − до 20 м3. Рабочее оборудование экскаватора включает стрелу, рукоять и ковш со сплошной режущей кромкой в верхней части его лобовой стенки или оснащенной зубьями. У канатных экскаваторов (рис. 4.10, а) стрела 13 своей нижней частью (пятой) соединена цилиндрическим шарниром с поворотной платформой 1 в ее передней части, а верхней головной частью она подвешена канатом 4 стрелоподъемной лебедки 2 к двуногой стойке 3. С помощью этой лебедки изменяют угол наклона стрелы к плоскости опорной поверхности экскаватора в интервале 45...60°. Рукоять 10 с закрепленным на ней ковшом 7 опирается на стрелу через устройство 77, называемое седловым подшипником и позволяющее ей изменять свой вылет, а также поворачиваться относительно стрелы в одной с ней плоскости. Рукояти бывают однобалочными (рис. 4.10, б) при двухбалочной стреле и двухбалочными (рис. 4.10, б) при однобалочной стреле. Ковш представляет собой прямоугольную в плане емкость, слегка расширяющуюся книзу, с открывающимся днищем 8 (см. рис. 4.10, а), которое фиксируют в закрытом положении подпружиненным засовом, установленным внизу лобовой стенки ковша. Задней частью через проушины ковш крепят к рукояти, а его наклон к последней регулируют тягами 9, переставляя их из среднего поло-

,

202

жения в отверстия на рукояти ближе к ковшу при работе в плотных грунтах или дальше от ковша при работе в легких грунтах и в низких забоях, соответственно уменьшая или увеличивая угол резания.

Через уравнительный блок 18 (рис. 4.10, б, в), установленный на задней стенке ковша (рис. 4.10, б) или на коромысле 24 (рис. 4.10, в), ковш подвешивают к полиспасту 6 подъемной лебедки 12. Рабочие движения канатных одноковшовых экскаваторов в режиме экскавации грунта обеспечиваются механизмами подъема ковша, напора, поворота и открывания днища ковша. Для выработки требований, предъявляемых к этим механизмам, рассмотрим рабочий процесс экскаватора.

Рис.4.10. Одноковшовый экскаватор с рабочим оборудованием прямой лопаты:

а− конструктивная схема; б,в− схемы напорных механизмов; г− кинематическая схема механизма открывания днища ковша; д− схема экскаватора с маятниковой подвеской рукояти к стреле; 1− поворотная платформа; 2− лебедка; 3− двуногая стойка; 4, 6− канат; 5− блок; 7−ковш; 8− днище ковша; 9−тяги; 10, 21− рукоять; 11− седловидный подшипник; 12,14−лебедки; 13− стрела; 15,22 −цепная передача; 16, 18, 29− блоки; 17, 19, 20,30− трос; 23− зубчатые колеса; 24− коромысло ковша; 25, 26, 27, 28− механизмы открывания и закрывания днища ковша; 31,32 – рычажные механизмы

управления днищем ковша

Для начала экскавации машину устанавливают ближе к забою и опускают ковш до уровня стоянки (рис. 4.11, положение 1). Далее, при совместной работе механизмов подъема и напора ковша последний перемещают по траектории 1, имеющей вид трохоиды, заполняя его грунтом, отделяемым от забоя. По заполнению ковша напорное движение заменяют на возвратное, незначительно отодвигая ковш от забоя, чтобы при последующем его боковом перемещении исключить задевание за забой. Далее поворотом платформы перемещают ковш с грунтом к месту разгрузки. В зависимости от взаимного расположения экскаватора и отвала или транспортного средства обычно одновременно с поворотным движением наводят ковш на цель, после чего открыванием днища его разгружают. Далее включают возвратное движение поворотного и напорного механизмов, а

,

203

барабан подъемной лебедки растормаживают, давая ковшу возможность свободно опуститься до уровня стоянки экскаватора.

Механизмы переключают на начало копания, когда ковш займет исходную позицию для выполнения следующего рабочего цикла. Новое исходное положение ковша не совпадает с предыдущим. Оно зависит от принятой схемы копания. Так, при работе веерной схемой каждое новое положение Б (рис. 4.10, б) выбирают как смежное с предыдущим А. Этого достигают смещением поворотного движения по отношению к предыдущему на угол .

Рис. 4.11. Схема разработки грунта одноковшовым экскаватором с рабочим оборудованием прямой лопаты: а) − вид экскаватора сбоку;

б) − вид экскаватора сверху

После отработки первого слоя забоя по всему фронту, определяемому

углом , исходное положение ковша II (см. рис. 4.10, а) приближают к забою, перемещая далее ковш из этого положения по траектории 2, и т. д. После отработки забоя в пределах досягаемости рабочего оборудования (элемента забоя) экскаватор перемещают на новую стоянку. Толщина среза, а следовательно, сопротивление грунта копанию и текущее значение развиваемой силовой установкой мощности зависят от напорного перемещения, которое не остается постоянным при переходе от одной траектории к другой, а также при отработке различных по высоте забоев. При постоянной скорости этого движения, реализуемой экскаваторным приводом, требуемых напорных перемещений добиваются периодическим выключением этого движения в течение копания.

Изложенное позволяет сформулировать следующие требования к механизмам экскаватора. Механизм подъема ковша должен обеспечивать подъем ковша, удерживать его в фиксированном положении, а также обеспечивать гравитационное опускание ковша. С этой целью для одномотор-

,

204

ных экскаваторов его выполняют в виде нереверсивной, а для многомоторных экскаваторов в виде реверсивной лебедок, оборудованных тормозами.

Механизм напора должен обеспечивать перемещение рукояти в прямом (на забой) и возвратном (от забоя) направлениях, а также ее фиксирование на определенном вылете при временном отключении напора в процессе копания грунта и для удержания рукояти от произвольного опускания во время транспортной операции. Этот механизм выполняют в двух вариантах: при однобалочной рукояти – в виде реверсивной лебедки, при двухбалочной рукояти – в виде реверсивной зубчато-реечной передачи. По первому варианту (см. рис. 4.10, б) барабан 14 напорной лебедки, приводимый в прямое или возвратное вращение от силовой установки с помощью цепной передачи 15, устанавливают соосно с шарнирами пяты стрелы. Напорные канаты 19, обогнув блоки 16, установленные на стреле в ее средней части, закрепляются в хвостовой части рукояти, а канат возвратного движения 20 — в ее передней части, у ковша. Эта канатная система обеспечивает перемещение рукояти в направлении увеличения ее вылета и в возвратном при соответствующих вращениях барабана в прямом (по часовой стрелке) и возвратном направлениях.

В большинстве случаев на экскаваторах с канатным напором свободную ветвь 17 подъемного каната закрепляют на напорном барабане (см. рис. 4.9, б), обеспечивая этим монотонную зависимость напорного усилия от подъемного — с увеличением сопротивления грунта копанию возрастает также усилие в подъемном полиспасте, а следовательно, и в ветви 17, в результате чего увеличивается крутящий момент на напорном барабане. Этим достигается плавная работа подъемного и напорного механизмов, легкость управления рабочими движениями ковша при копании.

При врезании ковша в твердый грунт с поверхности земли, а также для выдвижения максимально подтянутой к головным блокам 5 рукояти с груженым ковшом, когда усилия в канате 17 недостаточно для ее выдвижения, дополнительно используют крутящий момент, передаваемый напорному барабану цепной передачей 15. По второму варианту (см. рис. 4.10, в) независимое от подъемного напорное движение рукояти передается от силовой установки через систему двух цепных передач 15 и 22 и пар шестерни 23 — зубчатые рейки 21, установленные на нижних полках балок рукояти. В любом варианте напорные механизмы оборудуют тормозами для фиксирования положения рукояти относительно стрелы.

Механизм поворота должен обеспечивать прямое (на разгрузку) и возвратное (в забой) вращения поворотной платформы. С целью снижения непроизводительных затрат времени на поворотные движения, которые в среднем составляют более 2/3 продолжительности рабочего цикла, используют режимы ускоренного разгона и торможения. В режиме копания платформа должна быть зафиксирована в заданном положении с целью предотвращения ее самопроизвольного вращения от неуравновешенных относи-

,

205

тельно оси вращения сил, для чего в кинематическую схему привода вводят тормоз.

Для открывания днища ковша применяют канатные механизмы. На рис. 4.12, представлена схема конструкции ковша. К задней стенке ковша приварены проушины для пальцев 4 и 10, соединяющих ковш с рукоятью 6 и днище ковша с его корпусом, а также проушина для пальца 11, на котором шарнирно смонтирована обойма 9 блока подъема ковша. Задняя и боковые стенки усилены поясами 12. Днище ковша может поворачиваться вокруг пальца 4. При вертикальном положении рукояти (ковш опущен) днище закрыто и в закрытом положении удерживается засовом 14. Конец засова входит в отверстие прилива 2 передней части стенки под пружины, укрепленной в стакане 15 на днище. Чтобы открыть днище, нужно поднять ковш и выдернуть засов из отверстия прилива. При этом под действием собственного веса и находящегося в ковше грунта днище открывается.

Для выдергивания засова используется механизм, который показан на рис. 4.13.

Рис.4.12. Ковш и однобалочная рукоять прямой лопаты:

1− корпус; 2 − прилив; 3 − днище; 4,7,10,11 − пальцы; 5 − тяга; 6 − рукоять; 8 − брус; 9 −обойма; 12 − пояс; 13 − зубья; 14 − засов; 15 − стакан

На стреле экскаватора установлен мембранный пневмотолкатель 3, шток которого шарнирно соединен с рычагом 2, качающимся на пальце. На другом конце рычага 2 укреплен оттяжной блок 1, огибаемый канатиком 4.

Рис.4.13. Механизм открывания днища ковша экскаватора ЭО-4112: 1−блок;2,5− рычаги; 3− мембранный пневмотолкатель; 4−канатик;6−цепь

,

206

Один конец канатика навит на компенсирующий барабан, установленный на напорном барабане, а второй закреплен на рычаге 5, соединенным цепью 6 с рычагом засова днище ковша. Блок 1 удерживается в крайнем правом положении пружиной, а рычаг 5 оттягивается вправо пружиной рычага засова днища. Натяжение канатика регулируется гайкой. При подаче сжатого воздуха в мембранный пневмотолкатель блок перемещается, и канат, поворачивая рычаг, вытягивает засов днища.

Ходовой механизм включается в работу редко – только для передвижения экскаватора на новую стоянку после отработки элемента забоя и в случае перебазирования экскаватора на новую строительную площадку. При этом обычно ограничиваются малыми скоростями передвижения. Более высокие скорости используют на машинах, часто меняющих рабочие места. Еще реже работает стрелоподъемный механизм. Его выполняют в виде реверсивной лебедки с червячным или другим приводом, в состав которого входит специальная обгонная муфта, предохраняющая от резкого падения стрелы, что может привести к аварии машины.

В случае одномоторного привода передача движения отдельным рабочим механизмам осуществляется посредством зубчатых и цепных пар. Для включения отдельных кинематических цепей используют фрикционные и кулачковые муфты. Например, дисковой фрикционной муфтой 22 (рис. 4.14) подключают к дизелю 21 главную передачу, состоящую из цепной передачи 23 и системы зубчатых колес 24, 27 и 35.

Рис. 4.14. Кинематическая схема одноковшового экскаватора:1…20 − механизм передвижения; 21,22 −двигатель с муфтой; 23, 24, 27, 30, 34, 36, 38 − цепные и зубчатые передачи; 25,26, 28−конусные муфты; 29 − вал реверса главной лебедки; 31− кулачковая муфта; 32, 39 − барабаны; 33− тормоз; 36, 37, 40, 41 − муфты с тормозами; 42− муфта

,

207

Для включения барабана 39 механизма подъема ковша и цепной передачи 38 напорного механизма применяют ленточные фрикционные муфты 41 и 36 соответственно. Ковш фиксируют на заданной высоте тормозом 40, а на заданном вылете — тормозом 37. Опускается ковш гравитационно после растормаживания барабана 39. Для возвратного движения рукояти при отключенной муфте 36 сначала кулачковой муфтой двустороннего действия 31 включают цепную передачу 30, а затем конусной фрикционной муфтой 28 — вал 29 подключают к главной передаче

Теми же муфтами включают барабан 32 для подъема стрелы. Удерживают стрелу в заданном положении тормозом 33, а опускают за счет гравитационных сил после растормаживания барабана 32 при включенной главной передаче. Частота вращения барабана 32 и, следовательно, скорость опускания стрелы ограничиваются при этом обгонной муфтой 42, с которой барабан 32 связан цепной передачей 34.

Для вращения поворотной платформы относительно центральной цапфы 11 приводят во вращение шестерню 12, которая, обегая вокруг жестко соединенного с нижней рамой зубчатого венца 10, увлекает за собой поворотную платформу. Для этого включают кулачковую муфту 19 и соответственно направлению вращения платформы одну из конусных фрикционных муфт 25 или 26. Поворот платформы на разгрузку ковша обычно выполняют на пониженной скорости, установив блок зубчатых колес 15 и 16 в верхнее положение и введя в зацепление зубчатые колеса 16 и 17, а поворот в забой — на повышенной скорости при зацеплении зубчатых колес 15 и 14. Для работы в тормозном режиме используют тормоз 18.

Ходовой механизм включают кулачковой муфтой 20 и одной из муфт 25 или 2 соответственно направлению движения — вперед или назад. Как и ранее, скорости движения регулируют положением блока зубчатых колес 15 и 16. В случае прямолинейного движения включают обе кулачковые муфты 3 и 6 на валу 5, обеспечивая передачу движения звездочкам гусеничных цепей 1 и 8 посредством цепных передач 2 и 7.

Для изменения направления движения одну из кулачковых муфт 3 или 6 отключают, вследствие чего движение будет передаваться только одной звездочке гусеничной тележки при остановленной второй звездочке. Ходовой механизм оборудован тормозом 4 и управляемым стопорным устройством 9, используемым как стояночный тормоз для удерживания машины на наклонных стоянках и предотвращения ее откатывания во время экскавационных работ.

При многомоторном приводе, особенно в случае индивидуального привода каждого механизма отдельным двигателем, кинематические схемы существенно упрощаются. Например, на дизель-электрическом экскаваторе седьмой размерной группы только два механизма – подъема ковша и подъема стрелы — приводятся от одного электродвигателя, все остальные механизмы имеют индивидуальный привод. Все электродвигатели – реверсируемые, благодаря чему отпадает необходимость в механическом ревер-

,

208

се. Объединение механизмов подъема ковша и стрелы в одну приводную группу обосновано весьма редким использованием стрелоподъемного механизма. Барабаны этих механизмов посажены на один вал и включаются раздельно фрикционными муфтами. Весь привод напорного механизма с зубчато-реечными парами (рис. 4.13, в) монтируется на стреле, чем обеспечивается его компактность. Так же компактно, в зоне шестерни, обегающей зубчатый венец, установлен на платформе механизм ее поворота. Ходовой механизм выполнен в виде двух четырехступенчатых редукторов, быстроходные валы которых с помощью кулачковых муфт подключены к электродвигателю, а тихоходные валы – к ведущим звездочкам гусеничной тележки. При прямолинейном движении экскаватора к электродвигателю подключают оба редуктора, а при поворотах один редуктор отключают и стопорят его тормозом.

Каждая из тележек ходового устройства может также приводиться в движение независимо от другой собственным двигателем. В этом случае повышается маневренность машины. Так, при включении одного двигателя на прямое, а другого на возвратное движение можно обеспечить разворот экскаватора на одном месте относительно собственной оси. Недостатком раздельного привода ходовых тележек является повышенная суммарная установочная мощность электродвигателей по сравнению с приводом от одного двигателя. Эту мощность назначают из условия обеспечения поворотного движения только одним двигателем, в то время как второй двигатель, служащий для привода остановленной гусеницы, в этом движении не участвует. В случае же привода обеих гусеничных тележек одним электродвигателем при остановке одной гусеницы вся его энергия направляется на привод второй, движущейся гусеницы.

Элементы рабочего оборудования гидравлической полноповоротной лопаты (рис. 4.13 , а) соединены между собой и с пилоном 2 поворотной платформы 7 шарнирно. Положение стрелы 3 относительно платформы и рукояти 4 относительно стрелы регулируется гидроцилиндрами 10 и 9. Соединение ковша 5 с рукоятью выполняют в двух вариантах: жестким с помощью шарнира и тяг 7 и шарнирным (рис. 4.13, б). По первому варианту ковш разгружают через донную часть после открывания днища 6 гидроцилиндром 8, а по второму варианту — поворотом ковша тем же гидроцилиндром. Поворотный ковш обеспечивает более эффективную разработку грунта в конце операции копания, его применяют также для планировки забоев. Структура рабочего цикла гидравлических прямых лопат такая же, как и у канатных экскаваторов с этим видом рабочего оборудования, но рабочие движения существенно проще: подъемное движение ковша обеспечивается поворотом рукояти, а напорное — опусканием стрелы. По характеру рабочих движений гидравлические экскаваторы имеют аналоги среди канатных машин третьей размерной группы (см. рис. 4.10, д), у которых рукоять 33 соединена со стрелой 13 шарнирно (маятниковая подвеска).

,

209

Поворотный механизм гидравлической лопаты приводится в движение от низкоили высокомоментных гидромоторов (см.1.11). В случае привода от высокомоментного гидромотора его вал соединяют с ведущей шестерней поворотного механизма непосредственно или через зубчатую передачу с небольшим передаточным числом.

Недостатком высокомоментных гидромоторов по сравнению с низкомоментными является большая масса, а преимуществом — большая надежность из-за меньшего числа структурных элементов и меньшая инерционность из-за отсутствия быстроходных звеньев, благодаря чему улучшаются условия разгона и торможения поворотной платформы. Гусеничные ходовые устройства полноповоротных гидравлических экскаваторов оборудуют, как правило, раздельным приводом на каждую гусеничную тележку. Оценка эксплуатационных качеств такого привода была дана выше. Привод пневмоколесных ходовых устройств выполняют как одномоторным от низкомоментного гидромотора через коробку передач на задний и передний мосты, так и раздельным на каждое колесо от высокомоментных гидромоторов. В последнем случае ходовые качества машины существенно повышаются. Общий вид и принципиальная схема гидравлического экскаватора показаны на рис.4.15.

в) Рис.4.15. Общий вид экскаватора с гидравлической прямой лопатой с непово-

ротным (а) − поворотным (б) −ковшом и принципиальная (в) −гидравлическая схема: 1− платформа; 2− пилон; 3−стрела; 4− рукоять; 5− ковш; 6− днища ковша;

7− тяга; 8,9, 10− гидроцилиндры

,

210

Гидроцилиндры рабочего оборудования и гидромоторы поворотного и ходового механизмов питаются рабочей жидкостью от насосов, установленных на поворотной платформе и приводимых во вращение двигателем внутреннего сгорания, обычно дизелем. Последний располагают в задней части платформы, сокращая за счет этого массу противовеса. В состав гидравлической системы входят также масляные баки, распределительная, регулирующая и контрольная аппаратура. Существуют некоторые особенности экскавации грунта прямыми лопатами, влияющие на производительность последних. Совмещение операций поворотного движения экскаватора на разгрузку с маневровыми движениями подъемного и напорного механизмов у канатных экскаваторов, а также поворотом стрелы и рукояти – у гидравлических, поворотного движения с разгрузкой, а также поворотного возвратного движения с опусканием ковша сокращает продолжительность цикла, увеличивая тем самым производительность машины. Возможность этих совмещений зависит от квалификации машиниста. При прочих равных условиях разгрузка в отвал всегда производительнее разгрузки в транспортное средство. В первом случае размер полосы разгрузки не имеет строгих ограничений, в связи с чем эту операцию можно начинать еще до окончания поворотного движения и, не останавливаясь, переключать его на возвратное. Во втором случае разгрузку можно начинать только после того, как ковш будет установлен в соответствующее положение, а начинать возвратное поворотное движение – после окончания разгрузки, иначе неизбежны потери (просыпание) грунта. Чтобы не повредить рессорную подвеску и кузов транспортного средства, грунт разгружают с небольшой высоты.

При разгрузке скалистых грунтов сначала ковш плавно опускают на дно кузова, а затем, открыв днище, также плавно поднимают его. При отработке низких забоев, когда к концу копания грунт заполняет менее половины вместимости ковша, целесообразно дополнить его повторением операции копания, а при большем заполнении необходимо доводить цикл до конца с неполным ковшом.

Для оценки эксплуатационных возможностей прямых лопат наряду с такими параметрами, как производительность, максимальное усилие на зубьях ковша и др., пользуются рабочими размерами (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Канатный одноковшовый экскаватор с рабочим оборудованием обратной лопаты: 1, 2 – лебедки; 3− стойка; 4, 7−канат; 5− рукоять; 6− ковш; 8− блок; 9− стрела

,