Лабораторная работа № 13. Изучение конструкций одноковшовых экскаваторов и погрузчиков

Цель работы: изучение назначения, состава и конструктивных особенностей одноковшовых экскаваторов и погрузчиков.

Оборудование: экскаватор одноковшовый, погрузчик.

Экскаваторы. Одноковшовые экскаваторы – землеройные машины циклического действия, предназначенные для разработки, погрузки грунта в транспортное средство или укладки в отвал.

Экскаватор состоит из рабочего оборудования, установленного на поворотной платформе, силового оборудования, системы управления и ходового устройства.

Основными видами рабочего оборудования (рисунок 1) являются прямая и обратная лопаты, драглайн.

Прямая лопата (рисунок 1, a) служит для разработки грунта выше уровня стоянки экскаватора. Ковш копает в направлении от экскаватора.

У обратной лопаты (рисунок 1, б) ковш движется в сторону экскаватора, грунт разрабатывается ниже стоянки экскаватора.

Драглайн (рисунок 1, в) также разрабатывает грунт ниже стоянки экскаватора, но связь ковша со стрелой осуществляется только гибкими элементами – канатами.

В качестве сменного рабочего оборудования могут применяться также грейфер, рыхлитель, гидромолот, планировочное и крановое оборудование и т.д.

Экскаваторы, приспособленные для работы с различным сменным оборудованием, называются универсальными.

Основным элементом рабочего оборудования является ковш. Ковш и козырек с зубьями обычно изготавливаются из сварного или литого корпуса. Ковш прямой лопаты имеет поворотное днище, необходимое для разгрузки ковша от грунта. Ковш обратной лопаты и драглайна разгружаются за счет поворота. Для предотвращения заклинивания при отрыве траншей ковш оснащается боковыми зубьями.

Ковш у прямой и обратной лопат закрепляется на рукояти, которая установлена на стреле. У драглайна рукоять отсутствует.

Особенность одноковшовых экскаваторов заключается в стационарности рабочего процесса: разработка грунта ведется ими со стоянки до тех пор, пока из зоны действия ковша будет удалён весь необходимый грунт. После этого экскаватор перемещается на новую стоянку.

а – прямая лопата; б – обратная лопата; в - драглайн

Рисунок 1 – Одноковшовые экскаваторы

Для облегчения выбора экскаватора разработана их индексация (рисунок 2).

Рисунок 2 – Индексация одноковшовых экскаваторов

В соответствии с принятой в 1968 г. си­стемой индексации одноковшовые стро­ительные экскаваторы обозначают индек­сами, состоящими из двух заглавных букв ЭО (экскаватор одноковшовый универ­сальный) и через дефис обязательных четырех цифр, которые соответственно определяют: размерную группу экскавато­ра, тип ходового устройства, конструктив­ное исполнение рабочего оборудования, порядковый номер модели данного типа и исполнения.

Для обозначения типа ходо­вого устройства применяют индексы: 1 - гусеничное, 2 - гусеничное с увеличенной опорной поверхностью, 3 - пневмоколесное, 4 – специальное шасси автомобильного типа, 5 – шасси грузового автомобиля, 6 – на базе трактора и т. д.; для обозначения исполнения рабочего оборудования: 1 – рабочее оборудование с канатной подвеской, 2 – то же с жесткой подвеской, 3 – то же телескопическое. Например, ЭО-4123 означает: экскаватор одноковшовый универсальный четвертой размерной группы (вместимость основного ковша 1,0 м³) с гусеничным ходовым устройством и жесткой гидравлической подвеской рабочего оборудования, модель 3. Буквами после цифр обозначают очередную модернизацию экскаватора А, Б, В и т. д. и специальное климатическое исполнение (ХЛ – северное, Т – тропическое, ТВ – тропическое влажное).

Строительные экскаваторы, выпущенные до 1968 г., имеют другую структуру индексов, например, Э-652Б, что означает: экскаватор одноковшовый универсальный с ковшом вместимостью 0,65 м³ второй модели, прошедшей вторую модернизацию. Индексы карьерных и вскрышных экскаваторов строят по типу ЭГ-12 (экскаватор гидравлический с ковшом вместимостью 12 м³ и стрелой длиной 90 м) и т. д.

Прямая лопата. Как уже отмечалось, 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.

Обратная лопата. Одноковшовые экскаваторы с рабочим оборудованием обратной лопаты предназначены дляот­рывки грунта ниже уровня стоянки (раз­работка котлованов, траншей). Выпускае­мые отечественной промышленностью обратные лопаты ограничены внерядовой вместимостью ковша 1,4 м³ для канатных машин и 2 м³ для гидравлических. Создаются мощные карьерные гидравли­ческие обратные лопаты.

У гидравлических экскаваторов вто­рой - четвертой размерных групп обрат­ная лопата является основным видом ра­бочего оборудования. Ее стрелу чаще все­го выполняют из двух секций (коренной 2 (рисунок 3, а) и удлиняющей 4), соеди­ненных между собой шарниром и тягой 3. Последнюю можно устанавливать на уд­линяющей секции в отверстия I, II и III, изменяя тем самым длину стрелы (рас­стояние между шарнирами крепления ко­ренной секции к поворотной платформе и рукояти 6 к удлиняющей секции). Соеди­нение рукояти со стрелой и ковша 10 с рукоятью шарнирное. Для управления поворотом стрелы, рукояти и ковша ис­пользуют гидравлические цилиндры 1, 5 и 7. При этом последний управляет пово­ротом ковша через коромысло 8 и тягу 9. Такая схема обеспечивает ковшу боль­шие угловые перемещения. На некоторых экскаваторах применяют моноблочную стрелу Г-образной формы. В зависимости от прочности разрабатываемых обратной лопатой грунтов и видов выполняемых работ ее оборудуют ковшами 11...15 (рисунок 3, б) различной вместимости и формы. В частности, ковши для дренажных работ 14 и для рытья узких траншей 15 вы­полняют в размерах и форме профиля разрабатываемой выемки.

а – схема экскаватора; б – виды рабочего оборудования; 1, 5, 7 – гидроцилиндры управления поворотом стрелы, рукояти и ковша; 2 – коренная секция стрелы; 3 – тяга; 4 – удлиняющая секция стрелы; 6 – рукоять; 8 – коромысло; 9 – тяга; 10 – ковш; 11…15 – ковши

Рисунок 3 – Гидравлическая обратная лопата

Важнейшим преимуществом гидравли­ческих обратных лопат перед канатными является их способность реализовать на зубьях или режущей кромке ковша боль­шие усилия благодаря жесткому сочле­нению элементов рабочего оборудования между собой и с базовой частью машины, работающей в отношении устойчи­вости как единое целое. У канатных эк­скаваторов эти усилия ограничены силой тяжести только рабочего оборудования, прижимающей его к забою. Попытка уве­личить усилия на зубьях ковша приводит к подъему рабочего оборудования - его повороту относительно шарнира у пяты стрелы в направлении от забоя. Это позволяет при прочих равных условиях навешивать на гидравлические экскава­торы ковши большей вместимости - в среднем на 60 % по сравнению с ковшами канатных экскаваторов. Следствием этого является повышенная в таком же отноше­нии производительность обратных лопат. Вместе с тем, это приводит к более тяже­лым условиям нагружения ходовых уст­ройств, в частности, гусеничных, унифи­цированных на некоторых моделях с ка­натными машинами. В последнее время в конструкциях ряда моделей полнопо­воротных гидравлических экскаваторов применяют гусеничные ходовые устройст­ва тракторного типа со звеньями из про­ката, обладающие высокой надежностью и большим ресурсом по сравнению с эк­скаваторными гусеничными устройствами. Этим достигается унификация с сельско­хозяйственными и дорожными машинами, сокращаются затраты на техническое об­служивание.

Драглайн. Экскаваторы с рабочим оборудованием драглайна применяют для разработки грунтов преимущественно ни­же уровня стоянки. Благодаря удлинен­ной по сравнению с другими видами ра­бочего оборудования стреле драглайны работают на большем радиусе копания, поэтому их используют преимущественно на отрывке больших котлованов и тран­шей, а также для погрузки и разгрузки сыпучих строительных материалов. Как отмечалось, мощные шагающие драглайны используют для добычи полез­ных ископаемых открытым способом и на вскрышных работах. Отечественной промышленностью выпускаются строи­тельные драглайны с ковшами 0,3...3 м³, шагающие драглайны – от 5,45 до 100 м³.

Рабочее оборудование драглайна вклю­чает стрелу 5 (рисунок 4, а) обычно решет­чатой (строительные экскаваторы), реже вантовой (шагающие драглайны) кон­струкции, по длине значительно превы­шающую стрелу лопаты, ковш 7, тяговый 8 и подъемный 4 канаты. Последний огибает головной блок 6 и навивается на барабан2 подъемной лебедки. Тяговый канат направляется роликовым устройством 1 и навивается на барабан 3 тяговой лебед­ки. Ковш подвешивают к тяговому кана­ту цепями 9 (рисунок 4, б), а к подъемно­му канату – цепями 13. Чтобы подъем­ные цепи не препятствовали свободному перемещению ковша при разгрузке, меж­ду ними ставят распорку 12. На ковше устанавливают также разгрузочный ка­нат 10, закрепляя его одним концом на арке ковша, а вторым – в узле соедине­ния тяговых цепей с тяговым канатом. С подъемными цепями разгрузочный канат соединяется через блок 11, установлен­ный в узле соединения подъемных цепей с подъемным канатом.

Для начала разработки ковш опускают на грунт (положения I,I', I", I'"- рисунок 4, а), затем тяговым канатом при ос­лабленном подъемном канате его переме­щают по забою (положение II). После заполнения ковша, не ослабляя тягового каната, подъемным канатом его подтяги­вают к стреле (положение III), включают поворотный механизм с одновременным перемещением ковша к голове стрелы подъемным и тяговым канатами. В конце этой операции тяговый канат отпускают, ковш опрокидывается и разгружается (положение IV). Далее возвратным пово­ротным движением с одновременным отпусканием подъемного и тягового кана­тов опускают ковш в исходное положение. За счет центробежных сил, возникающих при повороте, подъемный канат отклоня­ется от вертикали на угол до 20...30 °, благодаря чему достигается больший радиус заброса ковша в исходное положение (положения I ', I"').

а – схема; б – ковш; 1 – роликовое устройство; 2 – барабан подъемной лебедки; 3 – барабан тяговой лебедки; 4 – подъемный канат; 5 – стрела; 6 – головной блок; 7 – ковш; 8 – тяговый канат; 9 – цепь; 10 – разгрузочный канат; 11 – блок; 12 – распорка; 13 – цепь

Рисунок 4 – Драглайн

Предельная форма продольного сечения пионерной выемки ABCD показана на рисунке 4, а, а с учетом центробежных сил при возвратном поворотном движении -A'B'C'D. Углы наклона к горизонту заходного и выходного откосов составляют в среднем 45 и 30⁰ соответственно, а дли­на горизонтального участка - не менее длины ковша. После отработки пионерной выемки экскаватор перемещают от забоя на новую стоянку, с которой может быть разработана выемка с предельным конту­ром A'B"C"D" и т. д., до получения тре­буемой глубины Н. Предельное значение этого размера H_max, а также радиуса копания R_mах ограничивается длиной стрелы и углом выходного откоса.

Управ­ление экскаватором сводится к включе­нию и отключению подъемной и тяговой лебедок, а также механизма поворота. При ослабленном тяговом канате ковш свободно висит на подъемном канате, а при натяжении тягового каната он вос­станавливает рабочее положение посред­ством разгрузочного каната. Драглайны работают преимущественно с разгрузкой в отвал. Разгрузка грунта в транспортные средства возможна, но она резко снижает производительность экскаватора из-за не­обходимости выполнять эту операцию после полной остановки поворотного дви­жения и пониженных скоростей послед­него во избежание раскачки ковша.

При переоборудовании строительного универсального экскаватора с прямой лопаты на драглайн заменяют его рабо­чее оборудование, устанавливают направ­ляющее роликовое устройство у пяты стрелы и подобно переоборудованию в обратную лопату напорный механизм переоборудуют в тяговый.

Мощные шагающие драглайны отлича­ются от описанных большими размерами, индивидуальным приводом рабочих меха­низмов и ходовым устройством. На этих экскаваторах устанавливают электродви­гатели постоянного тока, питаемые от сети переменного тока высокого напряжения через сетевой двигатель переменного тока и генераторы постоянного тока. Ша­гающие ходовые устройства обеспечивают перемещение экскаватора только в на­правлении задней части поворотной плат­формы. Поэтому маневровые движения осуществляются с поворотом платформы в нужномнаправлении.

Грейфер. Грейферное рабочее оборудование используют дляотрывки глубоких котлованов, очистки водоемов и каналов, а также для погрузки и разгрузки сыпу­чих материалов. В грейферном рабочем оборудовании сканатным управлением (рисунок 5, а) используются стрела драг­лайна 3 и челюстной ковш 6, подвешен­ный на поддерживающем 4 и замыкаю­щем 5 канатах. Для предотвращения за­кручивания канатов при поворотных дви­жениях и раскачивания ковша применяют оттяжной канат 7, огибающий блоки 2 на стреле и заканчивающий­ся подвешенным к нему грузом 1, свобод­но перемещающимся в направляющих стрелы. Ковш состоит из двух челюстей 12, шарнирно соединенных с нижней го­ловкой 11. Тягами 9 челюсти подвешены к верхней головке 8. Поддерживающий полиспаст 4 закрепляется на верхней головке, а замыкающий образует полис­паст 10, обоймы которого закреплены соответственно на верхней и нижней головках. При работе грейферный ковш может быть подвешен на поддерживаю­щем или на замыкающем канатах. В пер­вом случае нижняя головка вместе с ниж­ней обоймой полиспаста опускается и челюсти раскрываются. Во втором случае из-за возникающих в полиспасте усилий его головки сближаются и челюсти за­крываются.

Для работы грейфером его ковш опус­кают на поддерживающем канате на грунт в раскрытом положении, ослабляют поддерживающий канат, а замыкающим канатом поднимают ковш. В первой ста­дии этого движения челюсти ковша сбли­жаются, захватывая грунт, а затем загруженный грунтом ковш поднимается из выемки. В таком его положении экскаватор поворачивают на разгрузку, а в конце этого движения переключа­ют подвеску канатов, удерживая ковш поддерживающим канатом, в результате чего челюсти раскрываются и грунт высы­пается из ковша. Возвратным поворотным движением и опусканием ковша на под­держивающем канате его устанавливают в исходную позицию следующего рабо­чего цикла.

а – канатное управление; б – гидравлическое управление; 1 – груз; 2 – огибающий блок; 3 – стрела драглайна; 4 – поддерживающий канат; 5 – замыкающий канат; 6 – челюстной ковш; 7 – оттяжной канат; 8 – верхняя головка; 9 – тяги; 10 – полиспаст; 11 – нижняя головка; 12 – челюсти; 13 – рукоять обратной лопаты; 14, 15 – цилиндрические шарниры; 16 – полая штанга; 17 – гидроцилиндр; 18 – шарниры

Рисунок 5 – Конструктивная схема грейферного рабочего оборудования

В гидравлическом варианте (рисунок 5, б) рабочее оборудование грейфера подвешивают к рукояти обратной лопаты 13 на двух цилиндрических шарнирах 14 и 15, позволяющих ковшу занять отвесное положение. Для гашения инерционных сил при раскачивании ковша во время по­ворота платформы на пальцах этих шар­ниров устанавливают фрикционные диски. Относительно вертикальной оси ковш грейфера может быть поворотным или неповоротным. Поворотный ковш обла­дает лучшей маневренностью при копании и на погрузочно-разгрузочных работах. Поворотная часть состоит из полой штан­ги 16, связанной шарнирами 18 с челюс­тями ковша. Внутри штанги помещается гидроцилиндр 17, соединенный с ней кор­пусом, а штоком – с траверсой 8. Послед­няя шарнирно соединена с челюстями ковша тягами 9. Выдвинутый шток гидро­цилиндра соответствует закрытому поло­жению ковша I, а вдвинутый – открыто­му положению II. Для работы на боль­ших глубинах штангу удлиняют вставками.

Погрузчики. Одноковшовый погрузчик представляет собой самоходную машину, оснащенную ковшовым рабочим органом, и предназначен для выполнения погрузочно-разгрузочных работ, перемещения сыпучих грузов, а также для вспомогательных работ в строительстве. Погрузчики используются и для послойной разработки грунтов.

По грузоподъемности погрузчики делят на малогабаритные (до 5 кН), лёгкие (5...20 кН), средние (20…40 кН), тяжёлые (40...100 кН) и большегрузные (свыше 100кН). По способу установки рабочего оборудования на тягаче – перекидные, полуповоротные, фронтальные.

Наибольшее распространение получили фронтальные погрузчики (рисунок 6).

1 – ковш; 2 – стрела; 3 – рычаги поворота ковша; 4 – тягач

Рисунок 6 – Погрузчик фронтальный

Рабочее оборудование такого погрузчика включает ковш, стрелу, рычаги поворота ковша и гидросистему для привода рабочих органов. Гидроцилиндры стрелы предназначены для подъёма и опускания стрелы со всем рабочим оборудованием, а гидроцилиндры поворота ковша изменяют в процессе работыположение ковша и опрокидывают егопри разгрузке. Плечи рычагов поворота ковша выбраны таким образом, что при подъеме и опускании рабочего оборудования гидроцилиндрами стрелы ковш не изменяет своего углового положения.

Производительность погрузчиков во многом определяетсяпризмами выполнения рабочих операций и расположением нагружаемых транспортных средств.

Различают следующие способы копания.

Раздельный способ заключается в том, что под воздействием напорного усилия тягача, ковш внедряется на максимальную длину в штабель и после этого поворачивается и подается на разгрузку.

При совмещенном способе ковш внедряется в штабель примерно на треть, после чего поворачивается, затем напорным движением погрузчика и подъемом ковша стрелой осуществляется движение режущей кромки ковша параллельно поверхности откоса.

При экскавационном способе, применяемом в забоях, копание осуществляется за счет подъёмаковша стрелой.

Экскаватор-планировщик. Применение описанных выше видов рабочего оборудо­вания, изготовленного на базе шарнирно-рычажных схем гидравлических экскава­торов, для планировочных работ требует четкой координации нескольких простых движений, из которых может быть составлено прямолинейное движение режущей кромки ковша. Исключением является рабочее оборудование погрузчика, но с ограниченным перемещением в направле­нии планируемой поверхности. Более просто эта задача решается в конструк­ции экскаватора-планировщика с телескопическим рабочим оборудованием, кото­рое состоит из рамы стрелы 2 (рисунок 7, а), двух секций стрелы (неподвижной 4 и подвижной 6) и ковша 8. Раму укрепляют шарнирно на поворотной платформе, а для ее перемещения в вертикальной плос­кости используют гидроцилиндр подъема стрелы I. Неподвижную секцию стрелы монтируют на раме, обеспечивая ей воз­можность поворота относительно продоль­ной оси последней. С этой целью ее опи­рают на бандаж 3 и через ось 9 – на заднюю стенку рамы II. На рисунке 7, а (вид В) показан один из вариантов конструктивного решения поворотного механизма, выполненного из гидроцилинд­ра 12 и зубчатой пары, состоящей из зубчатого сектора 13 и шестерни 10. Последняя жестко закреплена на оси 9, а зубчатый сектор подвешен в верхней части задней стенки рамы. Приводной гидроцилиндр закреплен шарнирно кор­пусом на кронштейне задней стенки, а штоком – на зубчатом секторе. Поворот­ные относительно продольной оси движе­ния неподвижной секции стрелы обеспе­чиваются соответствующими поступатель­ными движениями штока гидроцилиндра. Выдвижная секция стрелы 6 может пере­мещаться относительно неподвижной сек­ции 4 с помощью гидроцилиндра 5, размещенного внутри стрелы. Ковш закреп­лен шарнирно на конце подвижной сек­ции. Он может поворачиваться относи­тельно этого шарнира посредством гидро­цилиндра 7. Положение ковша в прост­ранстве определяется совокупностью сле­дующих движений: его поворотного перемещения относительно стрелы, выдвиже­ния подвижной секции стрелы и поворота неподвижной секции относительно собст­венной продольной оси, а также поворота платформы. Для планировки и зачистки поверхностей ниже уровня стоянки экска­ватора используют продольные перемеще­ния стрелы и при необходимости час­тичные поворотные движения ковша. Для зачистки и планировки горизонтальных и слегка наклонных поверхностей к этим движениям добавляются подъем и опускание стрелы, а для зачистки боковых стенок траншей и котлованов – еще и поворот стрелы относительно ее продоль­ной оси. Частично последние движения используют также для зачистки и плани­ровки горизонтальных и наклонных по­верхностей. После заполнения ковша грунтом во избежание его просыпания при последующей транспортной операции ковш подворачивают к стреле, стрелу поднимают из забоя, поворачивают платформу в сторону разгрузки и поворотом ковша зубьями или режущей кромкой вниз разгружают его. Возвращают ковш в исходное положение теми же движения­ми в обратном порядке.

Для планировочных и зачистных работ применяют широкие ковши (рисунок 7, б), обычно без зубьев. Экскаваторы-плани­ровщики используют также для выполне­ния обычных экскавационных и погрузочно-разгрузочных работ. Основными рабо­чими размерами экскаватора планировщи­ка являются максимальный радиус копания R_max (рисунок 7, а), максимальные глубина H^/_maxи высота H^//_maxкопания, а также максимальная высота разгрузки.

а – схема работы; б – рабочее оборудование; 1 – гидроцилиндр подъема стрелы; 2 – рама стрелы; 3 – бандаж; 4 – неподвижная секция стрелы; 5, 7, 12 – гидроцилиндр; 6 – выдвижная секция стрелы; 8 – ковш; 9 – ось; 10 – шестерня; 11 – рама; 13 – зубчатый сектор

Рисунок 7 – Экскаватор-планировщик

Содержание отчёта

В отчете приводятся схемы машин и их техническая характеристика, а также основные геометрические параметры рабочего оборудования.

Контрольные вопросы

1 Чем отличается рабочий процесс экскаватора от рабочего процесса погрузчика?

2 Какие имеются отличия между прямой и обратной лопатами?