Конструкція прямих механічних лопат та розрахунки навантажень і потужності піднімального та напірного механізмів

Пряма лопата − найпоширеніший тип робочого устаткування одноківшевих екскаваторів. При гнучкій підвісці розрізняють напірні прямі лопати з висувною рукояттю й безнапірні, які найчастіше використовують в універсальних будівельних екскаваторах з ємністю ковша до 1 м³.

Робочий цикл машини складається з послідовних операцій: відділення від масиву ґрунту і його захвата ковшем; перекосу ґрунту при повороті екскаватора в напрямку вивантаження, що сполучається з висуванням або втягуванням рукояті; вивантаження ґрунту при відкритому днищі ковша; зворотного переміщення ковша, здійснюваного сполученням повороту екскаватора з опусканням ковша до підошви вибою й висуванням або втягуванням рукояті.

Напірна пряма лопата з рухливою рукояттю (рисунок 3.1) складається з ковша 10, рукояті 9, стріли 6, піднімального каната або поліспаста 8 і напірного механізму з зубчасто–рейковою передачею 5. Стріла опирається на поворотну платформу за допомогою п’яткового шарніра 1. Через головні блоки 7 піднімальний канат іде до барабана піднімальної лебідки 2. Стріла верхнім кінцем за допомогою поліспаста 3 підвішена до двоногої стійки на платформі екскаватора.

Нерухомою ланкою–стійкою виконавчого механізму є стріла, що у точках О₁ і O₂ утворює обертальні пари з рухомими ланками − головними блоками 7 і напірними шестірнями або блоками. Останні в точці А кінематично пов'язані з деталями рукоятки. Рукоятка із ковшем утворює рухому ланку, тим що у точці В шарнірно з'єднується з піднімальним канатом, який огинає головний блок стріли, починаючи із точки С.

Положення рукояті в сідловому підшипнику 4 дозволяє їй повертатися навколо валу напірного механізму під дією зусилля в піднімальному канаті, а також переміщатися поступально в сідловому підшипнику в результаті дії напірного механізму. Таким чином, механізм має два ступені свободи, необхідні для керування ковшем у процесі копання. Ківш переміщається в результаті складання піднімального й напірного рухів, а ґрунт розробляється просуванням заглибленого в масив ковша.

Рисунок 3.1 – Пряма лопата напірна з висувною рукояттю

Рукоять пов’язує ківш зі стрілою і напірним механізмом, надаючи ковшу направленого руху. Конструкція двох балочної рукояті показана на рисунку 3.2. Вона складається з трубчатих балок 1 і оголовка 2. До балок приєднані накладки 3, вздовж яких ковзають повзуни сідлових підшипників. Знизу знаходяться зубчасті рейки 4. З ковшем рукоять з’єднується через кронштейни 5 і тяги.

ДП – двигун постійного струму; ДН – двигун напору

Рисунок 3.2 – Кінематична схема підйомного і напірного механізмів екскаватора

У екскаваторів з канатним механізмом напору (рисунок 3.3) стріла, яку шарнір О₁ ділить на дві частини верхню 2 і нижню 1, підтримуються підвісом 3, та канатами механізму підйому стріли.

Рисунок 3.3 – Схема канатного механізму напору

Напірна лебідка 9 розташовується на платформі. Висування і повернення рукояті відбувається канатами 4 і 5, які огинають центральні блоки 6, закріплені на вісі О₁, і напівблоки 7 і 8, закріплені на рукояті.

Зворотна лопата (рисунок 4.5) складається з ковша 10, рукояті 9, стріли 6, тягового 17 і піднімального 8 канатів, передньої стійки 12 із блоком 14, тягового 2 і піднімального 11 барабанів лебідки. Ківш жорстко пов'язаний з рукояттю, з'єднаної зі стрілою шарніром 15. Стріла шарнірно опирається на поворотну платформу.

а — підйому ковша; б — підйому стріли; в — відкривання днища ковша;

1 — барабан підйомної лебідки; 2 — головні блоки; 3 — вирівнювальний блок ковша; 4 — барабан лебідки підйому стріли; 5 — головні блоки двоногої стійки; 6 — підтримуючі блоки стріли; 7 — барабан механізму відкривання днища ковша

Рисунок 3.4. – Схеми поліспастів екскаватора ЕКГ–5А

Схема запасовки підйомних канатів механізму підйому зображена на рисунку 3.4. Лебідка механізму підйому ковша зображена на рисунку 3.4 а і включає привідний барабан 1, канат 2 підйому ковша закріплюється одним кінцем на барабані 1, огинає послідовно головний блок 3 на стрілі, зрівноважу вальний блок 3 на стрілі, вирівнювальний блок 5 на ковші, головний блок 4 і закріплюється іншим кінцем на правому барабані 1.

Визначення навантажень на виконавчі механізми слід виконати в такій послідовності: по отриманим результатам геометричних розмірів будують конструктивну схему ОЕ; схему будують для декількох положень ковша в вибої, а саме при горизонтальному та вертикальному положенню рукоятки, та при максимально піднятому ковші над забоєм (кількість положень залежить від точності розрахунків навантажень на механізми натиску і підйому); на схемі прикладають всі зусилля, що діють на робоче обладнання, тобто сили різання, вагу ковша з ґрунтом, рукоятки та інше; за умов рівноваги знаходять навантаження, що діють на механізми натиску і підйому ковша. В основу приведеної методики положено методики, які використовуються на ЗАТ НКМЗ, та розроблені в МДГТУ під редакцією проф. Подерні Р.Ю. та ХНАДУ під редакцією проф. Холодова А.Н. [____].

Для визначення навантажень піднімального і напірного механізмів будують схеми розрахункових положень робочого устаткування екскаватор.

Зусилля, що виникає у піднімальному канаті, яким обумовлюється навантаження двигуна піднімального механізму при копанні, у загальному вигляді визначається із співвідношення

; ;

де , , , – довжини пліч прикладення сил щодо осі напірного вала, м;

– кут між піднімальним канатом і рукояттю, град.;

– кут між рукояттю і горизонтальною лінією, град.;

_. – вага ковша з породою, кН;

– вага рукояті, кН.

Опір породи копанню, кн.

де – питомий опір породи копанню, обумовлений у залежності від характеру породи, Н/см²;

– ширина ковша, см;

– товщина стружки породи, що знімається, обумовлена з умови заповнення повного обсягу ковша на шляху, рівному висоті вибою, см.

Вага ковша з породою і вага рукояті

де , – маси ковша і рукояті, т;

Зусилля, що виникає в напірному механізмі при копанні, обумовлюється силами, що діють уздовж осі рукояті. До них відносяться стискальні зусилля породи , зусилля в піднімальному канаті і складові ваг рукояті і ковша з породою, рівні відповідно і .

Рисунок 3.5 – Розрахункова схема прямої механічної лопати на прикладі кар’єрного екскаватора ЕКГ – 5Н

ЗАТ „НКМЗ” (Україна)

У загальному випадку, при різних положеннях рукояті ковша під час копання, зусилля в напірному механізмі

; ;

;

Зусилля в піднімальному і напірному механізмах, що відповідають вертикальному положенню піднімального каната β =90° і горизонтальному положенню рукояті α =0° (рисунок 3.5), заведено брати за розрахункові максимальні при визначенні потужності двигуна за час копання. Тому в розрахунках при визначенні зусилля в піднімальному і напірному механізмах за час копання при β =90°, α =0°

,

,

де , , , – довжини пліч (рисунок 3.5).

З урахуванням наповнення породою ковша

.

Зусилля, що виникає в піднімальному механізмі при повороті платформи на розвантаження, визначають з рівняння моментів, створюваних вагою ковша з породою і вагою рукояті щодо осі напірного вала:

;

,

де – довжини пліч при верхньому положення ковша, м (рисунок 3.5).

Зусилля в напірному механізмі

,

де – зусилля в піднімальному механізмі, кН.

При поверненні платформи з порожнім ковшем у вибій зусилля в піднімальному механізмі визначається з рівняння моментів, створюваних вагою ковша без породи і вагою рукояті:

;

.

Зусилля в напірному механізмі визначається вагою ковша і рукояті

.

Визначення потужності двигунів піднімального і натискного механізмів можна вести по двом методикам: класичній, коли знаходять максимальні навантаження на виконавчі механізми, задаються номінальними швидкостями та визначають максимальну потужність двигуна; або за методикою МГТУ [4, 5, 6] за якою визначається середньо вагова потужність двигуна, тобто визначається потужність двигуна при навантаженнях в кожній складовій циклу, а потім знаходиться потужність двигуна для кожної складової циклу з урахуванням зміни швидкостей і на заключному етапі знаходиться середньо вагова потужність за залежностями [4]:

,

де – тривалість роботи механізму за один цикл, с;

– потужність двигуна за окремі складові часу протягом циклу, кВт.

Потужність двигуна піднімального механізму під час копання породи

,

де – зусилля в піднімальному механізмі при копанні, Н;

– номінальна швидкість переміщення піднімального каната, м/с;

– ККД піднімального механізму.

Швидкісні параметри механізмів одноківшових екскаваторів наведені в таблиці 2.2.

Деякі вихідні дані, або коефіцієнти для їх розрахунків наведені в додатку Б.

Потужність двигуна піднімального механізму при повороті платформи на розвантаження

,

де – зусилля в піднімальному механізмі при повороті платформи на розвантаження, Н;

– швидкість піднімального каната, м/с.

Середня швидкість переміщення піднімального каната при повороті платформі на розвантаження, відповідає повзучим частотам обертання двигуна, .

Потужність двигуна піднімального механізму при повороті платформи з порожнім ковшем у вибій

,

де – зусилля в піднімальному механізмі при повороті платформи з порожнім ковшем у вибій, Н;

– швидкість піднімального каната при опусканні ковша, м/с.

При повороті платформи і спуску порожнього ковша у вибій схемою управління приводом піднімального механізму забезпечується ослаблення поля навантаження двигуна. При цьому частота обертання двигуна збільшується на 10...30%, що відповідає розрахунковій швидкості переміщення піднімального каната.

Середньозважена потужність двигуна піднімального механізму

,

де – час копання, с;

і – час повороту платформи на розвантаження і з порожнім ковшем у вибій, с;

– час циклу екскаватора, с.

Потужність двигуна натискного механізму, що необхідна для копання ґрунту

,

де – зусилля, необхідне для копання ґрунту, Н;

– швидкість переміщення рукоятки, м/с.

.

Потужність двигуна натискного механізму при повороті платформи на розвантаження

,

де – зусилля в натискному механізмі при повороті платформи на розвантаження, Н.

Потужність двигуна при повороті платформи з порожнім ковшем у вибій при номінальній частоті обертання двигуна

,

де – зусилля в натискному механізмі, Н.

Середньозважена потужність двигуна напірного механізму

.

Потужність механізмів підйому і натиску можна визначити і по максимальним навантаженням, які виникають при копанні ґрунту. Для цього по розрахунковій схемі (рисунок 3.4) визначають максимальні навантаження в період копання ґрунту і по залежностям

де і – максимальні значення навантажень на підйомний і натискний механізми в період копання, Н.

Для порівняння технічні характеристики та параметри виконавчих механізмів сучасних одноківшових екскаваторів вітчизняного і закордонного виробництва наведено в додатку Б (таблиці Б1...Б6).