1. Общие сведения

Известны следующие основные способы разрушения горных пород: механический, взрывной и гидравлический. Наиболее распространенным является механический, с помощью которого разрушается примерно 85% почв от объема всех землеройных работ.

Механическое средство разрушения прочных пород при малой (2,5 м/с) скорости силового воздействия называется статическим, тогда как вибрационное, ударное, высокоскоростное и импульсное разрушения - динамическим [1].

Процесс копания грунта с помощью механических лопат одноковшовых экскаваторов можно разбить на следующие периоды: разрушение почв; накопления почв в рабочем органе; транспортировки почв к месту разгрузки; возвращение рабочего органа в забой (исходное положение). Наиболее энергоемкой частью этого процесса является разрушение почв, сопровождающееся перемещением части почвы перец рабочим органом (рисунок 1, а) (призмой волочения), перемешиванием почвы в ковше и призме волочения, потерями мощности на трение грунта о стенки ковша и частиц между собой. Силы, действующие при разрушении почвы, достаточно значительны и зависят как от физико-механических характеристик разрабатываемой породы, так и от геометрических параметров режущей кромки (рисунок 1, б). Так, уменьшение угла заострения г в пределах от г = 45 ° до г = 15 ° ведет к уменьшению коэффициента удельного сопротивления почв разрушения на 5 ... 15%, а уменьшение заднего угла в <5 ° может привести к значительному увеличению сил трения между забоем и передней стенкой ковша [2].

карьерный экскаватор горный порода

а - ковш прямой лопаты; б - геометрия режущей кромки

Рисунок 1 - Схема разрушения почв с помощью клиновидного рабочего органа

Для длительного сохранения производительности рекомендуются зубья с углами заострения 250 ? г ? 00.

Изменение угла резки (копание) влияет на величину сил и и на ступень наполнения ковша, что отмечалось в работах Н.Г. Домбровского [2] и Ю.А. Ветрова [3]. Оптимальность определенных углов резки и обострение для каждого типа забоев может определяться как теоретически, так и экспериментально. О величине наполнения ковша можно судить по коэффициенту наполнения

(1)

где -теоретическая вместительность ковша, м3;

- обьем грунта, зачерпнутого в процессе копания, м3,

, (2)

где - масса зачерпнутого грунта, кг;

с- плотность грунта т/м

Одноковшовый экскаватор - землеройная машина для разработки, нагружения и укладки грунта.

Основные составные части одноковшового экскаватора - рабочее оборудование, ходовое устройство, привод, поворотное устройство, кабина машиниста. Рабочим органом является ковш, которому предоставляются движения и усилия, достаточные для отделения от массива, захвата, переноса и нагрузки (или заключения) почвы в зоне действия ковша.

Загрузка почвы может происходить в транспортные машины и устройства (автомобили-самосвалы, землевозных тележки, саморазгружающиеся вагоны, бункеры, гидроприемники почвы, на конвейеры), укладки - в отвал или земляное сооружение, что сводится.

Особенность одноковшовых экскаваторов заключается в стационарности рабочего процесса: разработка грунта ведется ими со стоянки до тех пор, пока из зоны действия ковша будет удален весь необходимый грунт.

Для продолжения разработки грунта экскаватор перемещается на новую стоянку.

Главным отличительным признаком одноковшовых экскаваторов является рабочее оборудование. Основные виды его - прямая лопата и обратная лопата. Прямая лопата служит для разработки грунта выше уровня стоянки экскаватора, для чего ковш движется в процессе копания вверх от экскаватора. Обратной лопатой почву разрабатывается ниже уровня стоянки: ковш движется вверх в направлении экскаватора.

Прямая и обратная лопаты - это жестко направлено рабочее оборудование: ковш связан с платформой с помощью системы жестких элементов.

Прямая лопата - самый распространенный тип рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов. При гибкой подвеске различают напорные прямые лопаты с выдвижной рукоятью и безнапорные.

Напорная прямая лопата с подвижной рукоятью (рисунок 1) состоит из ковша 10 рукояти 9, стрелы 6, подъемного каната или полиспаста 8 и напорного механизма 5. Стрела опирается на поворотную платформу с помощью пятов шарнира 1. Через главные блоки 7 подъемный канат идет к барабану подъемной лебедки 2. Стрела верхним концом с помощью полиспаста 3 подвешена к двуногой стойки на платформе экскаватора.

Неподвижной звеном-стойкой исполнительного механизма является стрела в точках О1 и O2 образует вращательные пары с подвижными звеньями - главными блоками 7 и напорными шестернями или блоками. Последние в точке А кинематически связанные с деталями рукояти. Рукоять с ковшом образует подвижную звено, в точке В шарнирно соединяется с подъемным канатом, который огибает приемник стрелы, начиная с точки С.

Положение рукояти в седельный подшипнике 4 позволяет ей поворачиваться вокруг вала напорного механизма под действием усилия в подъемном канате, а также перемещаться поступательно в седельный подшипнике в результате действия напорного механизма. Таким образом, механизм имеет две степени свободы, необходимые для управления ковшом в процессе копания. Ковш перемещается в результате добавления подъемного и напорного движений, а почва разрабатывается продвижением погруженного в массив ковша.

Рабочий цикл машины состоит из последовательных операций: отделения от массива грунта и его захвата ковшом; перекоса почвы при повороте экскаватора в направлении выгрузки, что сочетается с выдвижением или втягиванием рукояти; выгрузки грунта при открытом днище ковша; обратного перемещения ковша, осуществляемого сообщением поворота экскаватора с опусканием ковша к подошве забоя и выдвижением или втягиванием рукояти.

Рисунок 2 - Прямая лопата напорная с выдвижной рукоятью

В безнапорных прямых лопастях (рисунок 2) неподвижной звеном исполнительного механизма является платформа с дополнительной передней стойкой 12 содержащейся полиспастом 1 В точках О3, О4 и O5 они образуют вращательные пары с подвижными звеньями - стреловым 2 и подъемным 11 барабанами лебедки, блоками 14 стрелового полиспаста 3 и стрелой 6 Стрела образует вращательные пары с рукоятью 9 в шарнире 15 главными блоками 7, а в шарнире 1 с платформой экскаватора. В точке B в вращательную пару с ковшом 10 входит арка его подвески, соединена с подъемным канатом 8, в точке C сталкивается с главным блоком стрелы и огибает его.

Прямая лопата выполняет рабочие движения при повороте звеньев 6 и 9. Траектории резки образуются добавлением движения подъемного каната с движением стрелы вокруг ее шарнирной пяти. Рабочий цикл машины то же, что и прямой лопаты с выдвижной рукоятью.

Рисунок 3 - Прямая лопата безнапорная

Безнапорные прямые лопаты применяют главным образом в моделях универсальных строительных экскаваторов.

Рисунок 4 - Обратная лопата

Обратная лопата (рисунок 3) состоит из ковша 10 рукояти 9, стрелы 6, тягового 17 и подъемного 8 канатов, передней стойки 12 с блоком 14 тягового 2 и подъемного 11 барабанов лебедки.

Ковш жестко связан с рукоятью, соединенной со стрелой шарниром 15. Стрела шарнирно опирается на поворотную платформу.

Неподвижной звеном исполнительного механизма является платформа экскаватора с двуногой и передней стойками. В точках О3, О4 и О5 с ними входят в вращательные нары подвижные звенья механизма - блок передней стойки, стрела, подъемный и тяговый барабаны лебедки. Стрела, в свою очередь, в точках 16 и 15 образует вращательные пары с рукоятью и направляющим блоком, а рукоять из ковшом в точках B и D - вращательные пары с подъемным и тяговым канатами. Механизм воспроизводит рабочее движение обратной лопаты вращением звеньев 6 и 9 .

Процесс резки является результатом добавления вращательного движения рукояти относительно шарнирного соединения ее со стрелой и вращательным движением стрелы относительно ее пятов шарнира.

Ковш, заброшенный на вытянутой рукояти, подтягивается тяговым канатом и врезается в грунт под действием силы тяжести. Перемещаясь вдоль поверхности массива, ковш заполняется грунтом и подтягивается к стреле. В таком положении ковш и стрела поднимаются подъемным полиспастом.

Поворотная платформа вместе с рабочим оборудованием возвращается к месту разгрузки, где ковш разгружается, и возвращается обратно, а рукоять из ковшом опускается в забой.

Усилия в канатах механизма подъема (см рисунок 2)

, (3)

где - сопротивления грунта резанию, Н;

-геометрические параметры (радиусы действия сил относительно оси напорного вала ), м;

- сила веса элементов рабочего оборудования, Н;

і - углы наклона каната подъема к оси рукоятки и оси рукоятки к горизонтали, °.

Теоретические исследования динамических нагрузок действующих на рабочее оборудование и металлоконструкцию экскаватора типа прямой механической лопаты (рисунок 2) проводятся на математических моделях. Для данной конструктивной схемы составим структурную схему динамической модели экскаватора (рисунок 4), на которой представим основные массовые и характеристики жесткости, а именно:

- суммарная приведенная масса экскаватора без массы стрелы с присоединенным на ней оборудованием;

- приведенная масса стрелы;

- суммарная приведенная масса выходного вала редуктора и канатного барабана механизма подъема; промежуточных валов редуктора механизма подъема; якоря двигателя и ведущей полумуфты моторного вала и ведомой полумуфты моторного вала, зубчатых колес первой передачи;

- суммарная приведенная масса верхней половины рукояти и кремальерних шестерен;

- суммарная приведенная масса промежуточных валов редуктора механизма напора; якоря двигателя и тормозного шкива и первой передачи механизма напора;

- суммарная приведенная жесткость подвеса стрелы, л-образной стойки и поворотной платформы;

- суммарная приведенная жесткость канатов подъемного механизма;

- суммарная приведенная жесткость промежуточных валов редуктора механизма подъема и суммарная приведенная жесткость от вала двигателя к первой передачи редуктора механизма подъема;

- суммарная приведенная жесткость верхней половины рукояти и кремальерних шестерен;

- суммарная приведенная поперечная жесткость стрелы;

- суммарная приведенная жесткость промежуточных валов редуктора механизма напора и суммарная приведенная жесткость вала двигателя к первой передачи редуктора механизма напора;

- приведено движущее усилие, обеспечиваемое двигателем подъемного механизма;

- приведено движущее усилие, обеспечиваемое двигателем механизма напора;

- приведенная сила тяжести массы экскаватора;

- приведенная сила тяжести массы стрелы и установленных на ней механизмов.

Рисунок 5 - Структурная схема динамической модели экскаватора

Проанализировав динамику процесса копания можно выделить три динамических модели работающих поочередно одна за другой, а именно динамическая модель в режиме: копания (усилие на режущей кромке не превышают расчетных); стопорения (происходит стопорения рабочего органа); срыва породы (переход от стопорения к нормальным условиям копания).

Опишем динамическую модель системой дифференциальных уравнений опираясь на принципы теоретической механики:

Наибольшие напряжения в рабочем оборудовании и металлоконструкции возникающие при стопорения ковша в забое. Составим динамическую модель поведения масс системы при стопорения ковша в забое (рисунок 5).

Рисунок 6 - Динамическая модель движения масс в ходе стопорения механизмов подъема и напора.