2.4.Экскаваторы

Экскаватор – это землеройная машина, предназначенная для разра-

ботки грунтов и полезных ископаемых с последующим их перемещением и выгрузкой в отвал или в транспорт. Экскаваторы относятся к числу наибо-

лее распространенных машин: они применяются в гражданском, гидротех-

ническом и транспортном строительстве.

Рабочий процесс экскаватора включает операции резания грунта и наполнения ковша, транспортирования грунта, разгрузки ковша, возвра-

щения в рабочее положение и перемещения самого экскаватора.

Несмотря на большое многообразие конструктивных решений по принципу действия рабочего оборудования экскаваторы делятся на две большие группы. К первой группе относятся машины прерывного(цикли-

ческого) действия, для которых характерна последовательная сменяемость операций за полный цикл. В эту группу входят все одноковшовые экскава-

торы.

Ко второй группе относятся все многоковшовые экскаваторы(ро-

торные и цепные, а также скребковые и фрезерные), а также машины с ра-

бочим органом специального типа, выполняющие все операции по реза-

нию и перемещению грунта непрерывно. Наибольшее применение в лес-

ной отрасли получили одноковшовые экскаваторы, так как они обладают высокой маневренностью, универсальностью и способностью к разработке разнообразных грунтов.

Одноковшовые экскаваторы классифицируют:

-по виду рабочего оборудования:

а. прямая и обратная лопаты– для разработки грунта соответст-

венно выше и ниже уровня стоянки экскаватора;

б. драглайн – для разработки котлованов, траншей и каналов, по-

52

грузки и разгрузки сыпучих материалов, вскрышных работ;

в. грейфер – для отрывки глубоких выемок, погрузки сыпучих и кусковых материалов;

г. планировщик – для планировки горизонтальных поверхностей

иоткосов;

-по исполнению рабочего оборудования(канатные – с гибкой подвес-

кой; гидравлические – с жесткой подвеской рабочего оборудования);

-по виду ходовых устройств (пневмоколесные, в том числе с использо-

ванием автомобильной или тракторной баз, а также специальных шас-

си автомобильного типа; гусеничные и шагающие);

-по возможности вращения поворотной части(полноповоротные и не-

полноповоротные);

-по числу установленных двигателей (одно- и многомоторные).

Кроме перечисленных выше одноковшовые экскаваторы могут иметь крановое, сваебойное, трамбовочное и другое сменное оборудование. Экс-

каваторы, имеющие только один вид рабочего оборудования, называют специальными, а укомплектованные сменными видами рабочего оборудо-

вания – универсальными. К последним относится большинство строитель-

ных одноковшовых экскаваторов, используемых в лесной отрасли.

Строительные экскаваторы предназначены для разработки грунтов до IV категории включительно без предварительного разрыхления, а также более прочных грунтов (включая мерзлые и скальные), после их разрыхле-

ния другими средствами.

Большинство одноковшовых экскаваторов являются полноповорот-

ными. К неполноповоротным относятся экскаваторы небольшой мощности на базе пневмоколесных тракторов или короткобазовых погрузчиков(в ос-

новном мини-экскаваторы), а также на базе универсальных мотоблоков

(микро-экскаваторы).

53

Главным параметром одноковшового экскаватора является его масса,

в соответствии с которой экскаваторы подразделяются на размерные груп-

пы, характеризуемые определенным набором основных параметров(мощ-

ностью силовой установки, вместимостью ковша, усилием на его зубьях,

размерами рабочей зоны, продолжительностью рабочего цикла, скоростя-

ми передвижения, частотой вращения поворотной платформы, преодоле-

ваемыми уклонами, удельным давлением на грунт или нагрузкой на ось,

габаритными размерами и др.). Для более полного использования энерге-

тических возможностей силовой установки при разработке различных по прочности грунтов одноковшовые универсальные экскаваторы комплек-

туют несколькими сменными ковшами различных вместимостей а также другими видами сменного рабочего оборудования.

Отечественные универсальные экскаваторы обозначают индексами типа ЭО–ХХХХ, в которых первая цифра обозначает размерную группу;

вторая – тип ходового оборудования (1 – гусеничное, 2 – гусеничное с уве-

личенной опорной поверхностью, 3 – пневмоколесное, 4 – специальное шасси автомобильного типа, 5 – шасси грузового автомобиля, 6 – на базе трактора и т. д.); третья – тип подвески рабочего оборудования (1 и 2 – со-

ответственно с гибкой и жесткой подвеской, 3 – телескопическое рабочее оборудование); четвертая – номер модели экскаватора. Например, ЭО–

4123 означает: экскаватор строительный универсальный четвертой раз-

мерной группы с гусеничным ходовым устройством, жесткой подвеской рабочего оборудования, третьей модели. Очередную модернизацию и кли-

матическое исполнение, как и для стреловых кранов, обозначают буквами русского алфавита.

Экскаваторы с гибкой подвеской рабочего оборудования(канат-

ные экскаваторы). Из канатных экскаваторов в настоящее время в строи-

тельстве эксплуатируются машины с рабочим оборудованием прямая ло-

54

пата, драглайн и грейфер. Все другие виды канатного рабочего оборудова-

ния практически полностью вытеснены более прогрессивными гидравли-

ческими аналогами.

Рабочее оборудование прямого копания(прямая лопата), являющее-

ся основным для канатных экскаваторов, разрабатывает грунт выше уров-

ня стоянки экскаватора движением ковша снизу вверх. Оно состоит из стрелы, шарнирно соединенной с поворотной платформой и удерживаемой стрелоподъемными канатами рукояти, поступательно перемещаемой в седловом подшипнике, поворотном относительно стрелы, и ковша на кон-

це рукояти. Ковш вместе с рукоятью может изменять вылет относительно стрелы, подниматься и опускаться с помощью подъемных канатов.

Ковш поднимается подъемной лебедкой и опускается за счет собст-

венного веса при расторможенной подъемной лебедке, а изменение его вылета (напорное и возвратное движение) обеспечивается напорной лебед-

кой.

Рабочими размерами канатных прямых лопат являются минималь-

та разгрузки ковша H разгр max и радиус разгрузки на этой стоянке.

Драглайном называют рабочее оборудование одноковшового экска-

ватора с ковшом, подвешенным к стреле на подъемном канате и переме-

щаемым при копании грунта тяговым канатом. Эти машины применяют для разработки грунтов преимущественно ниже уровня стоянки приот рывке котлованов и траншей, для подводной разработки выемок, а также для погрузки и разгрузки сыпучих и дробленых строительных материалов.

В лесном дорожном строительстве этот вид сменного оборудования чаще всего используется для выторфовывания при строительстве земляного по-

лотна на болотах.

55

Рабочее оборудование включает стрелу, по длине значительно пре-

вышающую стрелу лопаты, и ковш, перемещаемый тяговым и подъемным канатами, с которыми он соединен посредством цепей. Тяговый канат на-

правляется блочно-роликовым устройством и навивается на барабан тяго-

вой лебедки. Подъемный канат огибает головной блок и навивается на ба-

рабан подъемной лебедки.

Грунт разрабатывают перемещением ковша тяговым канатом вдоль забоя (положения I, II, III ), после чего ковш поднимают подъемным кана-

том, подтягивая его к стреле(положение IV) и перемещая к ее головной части с одновременным поворотом платформы. При этих перемещениях ковш удерживается в положении, исключающем просыпание грунта, за счет разгрузочного каната, огибающего блок и соединенного одним кон-

цом с тяговым канатом, а вторым – закрепленного на арке ковша. При раз-

грузке ковша отпускают тяговый канат, вследствие чего он опрокидывает-

ся зубьями вниз (положение V).

Драглайны работают преимущественно с разгрузкой в отвал. Раз-

грузка грунта в транспортное средство возможна, но она резко снижает производительность экскаватора из-за необходимости выполнять эту опе-

рацию после полной остановки поворотного движения и пониженных ско-

ростей последнего во избежание раскачки ковша.

Для эффективной разработки различных по прочности грунтов петли для крепления к ковшу тяговых цепей делают переставными, устанавливая их в верхнее или нижнее положения при разработке соответственно легких и прочных грунтов. Такой регулировкой достигается определенная толщи-

на стружки – большая для легких, меньшая – для прочных грунтов. В от-

личие от лопат, регулирующих толщину стружки напорным усилием, ковш драглайна лишен такой возможности – прижимающим его к забою являет-

ся только нормальное усилие, являющееся частью его веса. При этом тол-

56

щина стружки оказывается меньше, чем у лопат, в связи с чем, для напол-

нения ковша соизмеримой с ковшами лопат вместимости требуется боль-

ший путь его перемещения по забою.

При переоборудовании строительного универсального одноковшово-

го экскаватора с прямой лопаты на драглайн заменяют его рабочее обору-

дование, устанавливают направляющее блочно–роликовое устройство у пяты стрелы и переоборудуют напорный механизм в тяговый.

Экскаваторы с жесткой подвеской рабочего оборудования(гид-

равлические экскаваторы). Жесткое сочленение элементов рабочего оборудования гидравлических экскаваторов позволяет более полно по сравнению с канатными экскаваторами использовать вес машины для реа-

лизации больших усилий на зубьях ковша при оборудовании обратной ло-

паты и грейфера, благодаря чему основным видом рабочего оборудования этих экскаваторов стала обратная лопата, а не прямая, как у канатных ма-

шин.

Сменными рабочими органами гидравлических экскаваторов могут быть бульдозерные отвалы для грубой планировки земляных поверхно-

стей, однозубые и многозубые рыхлители для рыхления прочных грунтов,

пород и их прослоек, взламывания асфальтовых покрытий при ремонте ав-

томобильных дорог, а также для корчевки пней при освоении рабочих площадок, гидромолоты для тех же работ, крановые подвески, различные модификации грейферов и захватов для работы экскаватора в режиме кра-

на, шнековые буры для рытья колодцев небольших диаметров и др.

Строительные неполноповоротные (малые модели) и полноповорот-

ные гидравлические экскаваторы являются самоходными машинами с пневмоколесным или гусеничным ходовым оборудованием.

Пневмоколесные экскаваторы используют на рассредоточенных строительных объектах с небольшими объемами работ. Благодаря высокой

57

скорости передвижения (на порядок выше, чем у гусеничных машин) они способны преодолевать большие расстояния при смене строительных объ-

ектов.

Гусеничные экскаваторы передвигаются со скоростью, не превы-

шающей 4...6 км/ч, но обладают повышенной проходимостью. Это предо-

предяет область их использования(включая карьеры) – объекты с боль-

шими объемами земляных работ без специальной подготовки рабочих площадок.

Неполноповоротные экскаваторы изготавливают в основном на базе

серийных пневмоколесных тракторов небольшой мощности и фронталь-

ных погрузчиков. Это мобильные малогабаритные землеройные машины с большим числом (до 25) сменных видов рабочего оборудования. Наиболее эффективно их используют в стесненных условиях, а также при небольших объемах рассредоточенных земляных работ, характерных для лесозагото-

вительной отрасли.

Основным рабочим органом неполноповоротных экскаваторов

обычно служит унифицированный ковш прямой и обратной лопат вмести-

мостью 0,2...0,3 м3. Сменными являются узкий и специальный ковши для рытья узких траншей, погрузочные ковши вместимостью 0,2...0,6 м3, кра-

новая подвеска грузоподъемностью0,3...0,8 т, грейфер вместимостью

0,2...0,3 м3, однозубый рыхлитель, гидравлический молот, грузовые вилы,

бур оборудование, захват укладки бордюрных камней, оборудование об-

ратная лопата со смещенной осью копания для рытья траншей вблизи зда-

ний и сооружений и т..п Рабочее оборудование заменяется машинистом непосредственно на строительном объекте.

Рабочее оборудование, состоящее из стрелы, рукояти и ковша, вме-

сте с гидроцилиндрами привода этих элементов смонтировано на поворот-

ной колонке, установленной на раме базового трактора. Поворот колонки

58

вместе с рабочим оборудованием на 90° в каждую сторону обеспечивается двумя гидроцилиндрами, приводящими в движение цепь, охватывающую звездочку, жестко посаженную на вал колонки.

Для экскавации грунта машину устанавливают на две выносные опо-

ры и смонтированный на дышле бульдозерный отвал управляемые гидро-

цилиндрами.

Полноповоротный пневмоколесный или гусеничный гидравлический экскаватор состоит из базовой части и рабочего оборудования. Базовая часть экскаватора включает в себя ходовую тележку с нижней ,рамой опорно-поворотное устройство и поворотную платформу с расположен-

ными на ней насосно-силовой установкой, узлами гидравлической системы привода и кабиной машиниста.

Ходовое оборудование пневмоколесного экскаватора состоит из сварной рамы, опирающейся на два ведущих моста. Для работы в режиме экскавации грунта экскаватор устанавливают на откидные опоры закреп-

ленные на поперечной балке рамы за задним мостом. Чаще в качестве пе-

редней опоры для работы в том же режиме используют, кроме прямого на-

значения, бульдозерный отвал, установленный перед передним мостом и приводимый в движение гидроцилиндром. Каждая из гусеничных тележек гусеничного экскаватора приводится в движение гидромотором и зубча-

тыми передачами.

Экскаваторы, оборудованные грейфером, применяют для разработки мягких грунтов, а также для погрузки и выгрузки сыпучих и кусковых ма-

териалов (песка, опилок, щепы).

Канатные грейферы при захвате грунта реализуют напорное усилие,

равное разности силы тяжести ковша и усилия натяжения замыкающего каната, т. е. на разработку грунта реализуется только часть силы тяжести ковша. Загрузка ковша удовлетворяющая требованиям производства грей-

59

ферных работ обеспечивается при низких скоростях сближения челюстей и нагрузках на грунт, близких к статическим. С увеличением этих скоростей ковш отрывается от грунта, не успев заполниться. Это существенно сни-

жают производительность канатного грейферного оборудования и не -по зволяют грейферу разрабатывать плотные грунты. Гидравлические грей-

феры за счет жесткого соединения их элементов между собой и с рукоятью базовой машины могут воздействовать на грунт с большими усилиями чем канатные грейферы, что позволяет разрабатывать грунты с большими по-

перечными сечениями срезов, а также более прочные грунты без ограни-

чения скорости сближения челюстей. По сравнению с канатными грейфе-

рами продолжительность рабочего цикла сокращается более чем на30%

при одновременном увеличении объема грунта разработанного за один ра-

бочий цикл и, в конечном счете, существенно повышается производитель-

ность данного вида рабочего оборудования.

Двухцилиндровый гидравлический грейфер оснащен гидроцилинд-

рами привода челюстей, расположенными с двух сторон штанги и шар-

нирно соединенными с ней гильзами. Гидроцилиндры соединены с челю-

стями штоками. Относительно вертикальной оси ковш грейфера может быть поворотным и неповоротным. Поворот штанги обеспечивается меха-

низмом, состоящим из гидроцилиндра рычага и тяги. Поворотный ковш более универсален, обладает лучшей маневренностью при копании и по-

грузочно-разгрузочных работах.

Экскаваторы-планировщики применяют для планировки горизон-

тальных земляных поверхностей и откосов, а также для обычных экскава-

ционных работ.

Оборудование для рыхления плотных и мерзлых грунтов. Для

рыхления прочных грунтов гидравлические экскаваторы комплектуют

рыхлителем и гидромолотом. Это оборудование используют также для

60

разрушения скальных пород, взламывания асфальтового покрытия дорог при их ремонте и других работ. Его устанавливают на рукояти обратной лопаты вместо ковша.

Однозубый рыхлитель состоит из литого зуба со сменной коронкой,

наплавленной твердым сплавом. Гидромолот с рабочим инструментом в виде клина крепят к рукояти обратной лопаты с помощью переходного кронштейна.

Кроме однозубых рыхлителей для рыхления мерзлых грунтов, раз-

борки старых зданий, взламывания и погрузки асфальтобетонных покры-

тий, снятия и укладки дорожных плит, труб, установки колодцев и .т п.

применяют рабочее оборудование захватно–клещевого типаДополни-

тельно к ковшу обратной лопаты на одной оси соединения ковша с руко-

ятью устанавливают рычаг – рыхлитель с закрепленным на его конце дву-

зубым наконечником. Управляют рычагом с помощью двух гидроцилинд-

ров через тяги. При разработке прочных грунтов, требующих предвари-

тельного разрыхления, работают поочередно рычагом-рыхлителем и ков-

шом. На первом этапе – при разрыхлении грунта – ковш отводят в крайнее повернутое от рукояти положение и работают рычагом-рыхлителем. На втором этапе рычаг переводят в крайнее повернутое к рукояти положение и загружают ковш разрыхленным грунтом, как обычной обратной лопатой.

Возможна разработка грунта одновременно ковшом и рыхлителем при их встречном движении. Большие по размерам обломки грунта после его раз-

рыхления, не помещающиеся в ковше, зажимают между ковшом и рыча-

гом и транспортируют на разгрузку.

Техническую производительность одноковшовых экскаваторов

как наибольшую среднюю производительность за1 ч работы определяют следующим образом:

61

где: Пт – техническая производительность, м3/ч; q – вместимость ковша,

м3; kн – коэффициент его наполнения; kр – коэффициент разрыхления грун-

та; tц – продолжительность рабочего цикла, с; tпер – продолжительность од-

ной передвижки экскаватора на новую позицию, с; nц – число рабочих циклов на одной позиции.

Эксплуатационная производительность учитывает продолжитель-

ность периода работы экскаватора Тр и его использование во времени

Пэ = ПтТрkв

где: Пэ – эксплуатационная производительность, м3/сутки, м3/мес, м3/год;

Tр – продолжительность работы экскаватора, ч; kв – коэффициент исполь-

зования по времени (при односменной работ kв = 0,2...0,25).

Экскаваторами непрерывного действия называют землеройные машины, непрерывно разрабатывающие грунт с одновременной погрузкой его в транспортное средство или укладкой в отвал. Рабочий орган экскава-

тора непрерывного действия оборудован несколькими ковшами, скребками или резцами, поочередно отделяющими грунт от массива. Их закрепляют на едином рабочем органе– роторе или замкнутой цепи, располагая с оп-

ределенным постоянным шагом.

Грунт разрабатывают в процессе двух независимых движений: отно-

сительного – многократного непрерывного перемещения ковшей или -за меняющих их рабочих органов по замкнутой траектории относительно не-

сущей рамы и переносного – перемещением рамы вместе с рабочими орга-

нами, называемого подачей. Для отсыпки грунта используют специальное транспортирующее устройство, чаще – ленточный конвейер, на который грунт поступает из ковшей или заменяющих их рабочих органов.

62