Побудова, призначення і конструктивні особливості потужних одноківшових екскаваторів

Екскаватор — самохідна машина, призначена для розробки й переміщення ґрунту (гірської породи), а також сипучих і кускових матеріалів. Назва походить від латинського слова «экскавео» – довбаю, викопую.

Прототипом сучасних екскаваторів була багатоківшева парова землечерпалка, яка вперше була побудована на Іжорському заводі (Росія) в 1812 році під керівництвом А. Бетанкура – директора Петербурзького інституту інженерів шляхів сполучення [4]. Перший екскаватор з паровим приводом було побудовано і запатентовано в 1836 році механіком Отісом (США). Це була землерийна машина з ємністю ковша 1,14 м³ з приводом від парової машини потужністю 15 кс з рейковим механізмом пересування, а продуктивність такого екскаватора досягала до 30...80 м³/год і він міг замінити до 150 землекопів. Перші екскаватори використовувались як на будівництві (на приклад залізничної дороги Москва – Петербург). так і при видобутку корисних копалин (залізної руди на кар’єрах Уралу).

Основним недоліком таких машин була обмежена маневреність та необхідність застосування індивідуальних нерегульованих парових машин для виконавчих механізмів. Ці недоліки були повністю ліквідовані в період з двадцятих до сорокових років XX століття, коли було винайдено електричний привід, гусеничний та пневмоколісний механізми пересування, двигуни внутрішнього згорання, гідравлічний привід та елементи складних механічних трансмісій.

На Україні екскаваторобудування отримало широкий розвиток у післявоєнні роки. Будівництво екскаваторів почалось на заводах: „Червоний екскаватор” (АО „Атек”); Новокраматорському машинобудівному заводі (ЗАТ „НКМЗ”); Донецькому машинобудівному заводі (ЗАТ „Донгірмаш”); Маріупольському машинобудівному заводі (ВАТ „Азовмаш”) та інших. В період з 1950 до 1990 років на Україні щорічно випускалось до 100 потужних екскаваторів і ще більше будівельних універсальних екскаваторів. Екскаватори поставлялися на всі будівельні майданчики та кар’єри не тільки України, але і СРСР та за кордон (Югославія, Болгарія, Ірак, Китай та ін.).

На сьогоднішній день в Україні працюють сотні потужних екскаваторів на підприємствах по видобутку корисних копалин та приблизно стільки ж на будівництві земляних споруд.

При загальній подібності основних технологічних операцій, які виконують екскаватори, вони значно відрізняються за принципом роботи, а саме одноківшові або екскаватори циклічної дії та багатоківшеві екскаватори безперервної дії.

Екскаватори циклічної дії (в подальшому одноківшові екскаватори ОЕ) можуть виконувати: землерийні роботи; значна частина екскаваторів при відповідному нескладному переустаткуванні може використатися для монтажних і вантажно–розвантажувальних робіт; забивання паль; корчування пнів; трамбування; розпушування мерзлого ґрунту; планування земляних споруд та інших роботах. Для цього екскаватори з місткістю ковша до 4 м³ можуть забезпечуватися знімним робочим обладнанням, тобто обладнанням, яке забезпечує виконання різних технологічних операцій. Такі екскаватори ще називають універсальними.

Різні види змінного робочого обладнання одноківшових екскаваторів показані на рисунку 1.9 [ ].

а — пряма лопата; б — зворотна лопата; в — драглайн; г — кран;

д — грейфер; е — струг; ж — копер; з — драглайн для бокового різання; и – для руйнування мерзлого ґрунту; к – планувальник; л – корчувальний

Рисунок 1.9 – Види змінного робочого обладнання одноківшових універсальних екскаваторів

Терміни та визначення основних конструктивних елементів і геометричних параметрів одноківшових екскаваторів приведені у відповідних державних та галузевих стандартах (ГОСТ 15134–69 та інших). Так наприклад одноківшовий універсальний екскаватор має таке визначення: „Екскаватор циклічної дії з одним ковшем або другим видом робочого обладнання, виконуючий, крім виймання і переміщення ґрунту (або другого матеріалу), навантажувальні, пальобійні і інші роботи при допомозі одного із видів змінного робочого обладнання. При виконанні робочих операцій не переміщується”.

Класична схема сучасного одноківшового кар’єрного екскаватора зі всіма основними складовими частинами представлена на рис. 1.10.

1 – платформа поворотна; 2 – головний енергетичний агрегат; 3 – лебідка піднімальна; 4 – ходове устаткування; 5 – кузов; 6 – вінець зубчастий;

7 – кабіна машиніста; 8 – надбудова; 9 – підвіска стріли; 10 – круг роликовий; 11 – ківш; 12 – рукоять; 13 – механізм натиску; 14 – стріла

Рисунок 1.10 – Екскаватор одноківшевий, та його основні складові частини

На ньому виділені слідуючи основні елементи: робоче обладнання до якого входять ківш 11, рукоять 12, стріла 14; виконавчі механізми серед яких виділяють механізми підйому 3, натиску 13, повороту з опорно–поворотним устаткуванням 10; поворотну платформу 1 з кабіною 7; механізм пересування (ходове устаткування) 4; та силовий агрегат (електричний 2, або двигуни внутрішнього згорання).

Робоче обладнання – комплекс вузлів екскаватора, до складу яких входить робочий орган і забезпечує його дії в зоні роботи екскаватора. А робочий орган з ріжучим контуром, призначеним для копання, накопичення, транспортування і розвантаження ґрунту або іншого матеріалу називається ківшевим.

Згідно існуючих термінів і визначення до робочого обладнання прямої механічної лопати (див. рис. 1.10) відноситься „обладнання для розробки ґрунту вище рівня стояки з закріпленим на рукоятці ковшем, який копає в напрямку від екскаватора”. Так як на схемі приведено робоче обладнання з привідним механізмом для натискного руху ковша то це є натискна пряма механічна лопата, до робочого обладнання такого екскаватора відносяться також стріла 14, яка шарнірно закріплена на поворотній платформі на якій розміщено натискний механізм 13. Рукоятка 12 входить в сідловий підшипник і цим забезпечує жорстке з’єднання ковша 11 з поворотною платформою 1.

Поворотна платформа являє собою жорстку раму, на якій установлені основні механізми екскаватора, а саме силова установка (двигун), виконавчі механізми і робоче обладнання. Поворотна платформа опирається на ходову раму через спеціальний пристрій 7, який називається опорно–поворотним 10, (див. рис. 1.10). Цей пристрій забезпечує плавний поворот платформи разом з робочим устаткуванням навколо вертикальної осі щодо ходового обладнання. Якщо обертання робочого обладнання не обмежене й воно може повертатися разом із платформою в обидва боки на будь–який довільний кут, то екскаватор називають повнообертовим. Якщо ж кут повороту обмежений і становить величину, меншу 360°, то екскаватор називають неповнообертовим. У неповнообертових екскаваторів повертається звичайно тільки робоче обладнання, поворотної платформи в цих екскаваторів немає.

Ходові механізми забезпечують пересування та маневрування екскаваторів при виконанні технологічних процесів, вони бувають гусеничні, пневмоколісні та крокуючі.

Пневмоколісні механізми пересування застосовують, як правило, на екскаваторах з невеликою (до 2,0 м³) ємністю ковша, які часто переміщують із одного місця роботи на інше, та в тих випадках коли екскаватори мають необхідність маневрувати у стиснених умовах.

Гусеничні рушії застосовують як на будівельних екскаваторах з ємністю ковша більше 2,0 м³, так і на потужних та надпотужних екскаваторах масою від декількох десятків до 5 тисяч тон і більше..

Крокуюче ходове обладнання найбільш часто застосовують на екскаваторах з робочим обладнанням – драглайн і ємністю ковша 4 м³ і більше.

Екскаватори кар'єрні гусеничні, наприклад ЕКГ–5Н кар'єрні повнообертові електромеханічні прямі лопати на гусеничному ходу з канатним приводом підйому.

Екскаватори призначені для розробки і навантаження в транспортні засоби корисних копалин або порід (рис. 1.11) на відкритих гірських роботах у чорній і кольоровій металургії, у вугільній промисловості, у промисловості будівельних матеріалів, а також для виконання земляних робіт у промисловому будівництві і на відвальних роботах.

Кар’єрні екскаватори мають наступну систему індексації: наприклад, ЕКГ–5Н – екскаватор кар’єрний, гусеничний з ємністю ковша – 5 м³, виробництва НКМЗ; ЕКГ–8І – екскаватор кар’єрний, гусеничний з ємністю ковша – 8 м³ виробництва ІЗВМ (Росія). Основні техніко–економічні показники сучасних екскаваторів, які виробляються, або експлуатуються на Україні наведено в додатку Б.

Екскаватори призначені для розробки породи об'ємною вагою в цілині не більш 2800 кг/м³, при цьому породи об'ємною вагою до 1800 кг/м³ (міцне вугілля, щільна глина, рослинний ґрунт із щебенем і галькою) розробляються без розпушення, а породи об'ємною вагою від 1800 кг/м³ і до 2800 кг/м³ (щільні марганцеві руди, міцні боксити, міцний піщаник, граніт, мармур) повинні попередньо розпушуватися вибухом, для зменшення опору копання та забезпечення вільного розміщення шматків породи в ковші. Екскаватори здатні розробляти високо абразивний піщаник, що має після розпушення питому вагу 1800 кг/м³.

У конструкціях екскаваторів враховані усі вимоги безпеки, регламентовані ISO, установлені необхідні блокування і захисти.

Екскаватори здатні робити навантаження в автосамоскиди вантажопідйомністю від 31 до 110 тон.

Робоче устаткування відрізняється рейковим або канатним механізмом натиску, що забезпечує стабільне положення ковша при копанні.

Загальний вигляд кар’єрного екскаватора та його конструктивна схема представлені на рисунку 1.11.

а

б

а – робота екскаватора ЕКГ–5Н у вибої; б – конструктивна схема та основні параметри екскаватора ЕКГ–5Н

Рисунок 1.11 – Екскаватор ЕКГ–5Н виробництва НКМЗ

Крокуючі екскаватори–драглайни призначені для виїмки порід до IV категорії включно (по класифікації «Єдиних норм вироблення на відкриті гірські роботи») на розкритих роботах по без транспортній системі з укладанням породи у вироблений простір або на борт траншеї. При розробці порід III–IV категорій проводиться часткове або суцільне розпушення підриванням.

1 – опорна база, 2 – опорно–поворотне обладнання, 3 – центральна цапфа, 4 – зубчастий венець, 5 – крокуючий механізм, 6 – механізм повороту, 7 – блоки наведення, 8 – тяговий канат, 9 – ківш, 10 – розвантажувальний канат, 11 – стріла, 12 – підйомний канат, 13 – головні блоки, 14 – розтяжки, 15 – кабіна, 16 – кузов, 17 – рейки мостового крану, 18 – стійка, 19 – механізм підйому стріли, 20 – механізм тяги, 21 – механізм підйому ковша, 22 – силове встаткування, 23 – поворотна платформа

Рисунок 1.12 – Екскаватор драглайн та його складові частини

Крокуючі екскаватори мають таку систему індексації: наприклад, ЕШ–10.70А – екскаватор – драглайн, крокуючий механізм пересування, ємність ковша 10 м³, довжина стріли 70 м, А – показує кількість модернізацій.

Для всього ряду крокуючих екскаваторів ПО «Уралмаш» відмітними особливостями їх конструкції є: вантові стріли – з одним трубчастим жорстким поясом (для ЕШ–15.90А), з двома трубчастими поясами (для ЕШ–25.100А), з трьома трубчастими поясами – тригранні (для ЕШ–15.90А, ЕШ–20.90, ЕШ–100.100).

Номенклатура виробництва драглайнів АТ «НКМЗ» ім. В.І. Леніна передбачає випуск трьох базових моделей: ЕШ–6,5.45У, ЕШ–10.70АУ, ЕШ–20.50 і модифікацій (наприклад ЕШ–13.50У, ЕШ–15.80), призначених для роботи при температурі навколишнього середовища ± 40 ⁰С^. Робота екскаваторів допускається на висоті над рівнем моря не вище 1000 м і швидкості вітру не більше 20 м/с.

Екскаватор ЕШ–6,5.45У поставлений на промислове виробництво в 1985 році замість екскаваторів ЕШ–6.45МУ, що раніше випускалися. Конструкції екскаваторів ідентичні і відрізняються тільки місткістю ковша.

Одним з найбільш поширених є екскаватор крокуючий ЕШ–10.70А (рис. 1.12), створений на базі екскаваторів ЕШ–10.60, що раніше випускалися, оснащений жорсткою стрілою завдовжки 70 м і ковшем ємністю 10 м³ нової конструкції, могутнішим встановленим електроустаткуванням і більш довершеною системою управління, що дозволило підняти продуктивність даного класу машин на 15%.