Расчет экскаватора Э–5015 с прямой лопатой

Экскаватор с прямой лопатой предназначен для разработка грунтов и полезных ископаемых с последующим перемещением их и выгрузкой в от-

вал или транспорт. Экскаваторы с прямой лопатой применяются для раз-

работки грунта, находящегося выше уровня стоянки машины.

При расчете необходимо определить:

-толщину срезаемой стружки ковшом, м;

-усилие подъема ковша и грунта, кН;

-необходимую мощность механизма подъема, кВт;

-производительность экскаватора, м³/ч.

Схема рабочего органа (прямая лопата)

68

Рис. 2.9. Схема экскаватора с прямой лопатой: P01 , P02 – касательная и нормальная со-

ставляющие сопротивления грунта копанию, Н; Gк+г – вес ковша с грунтом, Н; Gк , Gp

– вес ковша и рукояти, Н; Sп , Sн – подъемное и напорное усилие, Н; Нн – высота напорного вала.

Нормальная составляющая сопротивления грунта копанию

69

P02 = ψ × P01

где ψ – коэффициент, зависящий от положения рукояти, ψ = 0,2.

P02 = 0,2 ×18,49 = 3,7 кН.

Подъемное усилие

Мощность (кВт) механизма, необходимая для подъема грунта,

N = Sп vп ,

η

где: η – КПД трансмиссии, η = 0,9; vп –скорость подъема ковша, vп = 0,6 м/с;

Производительность экскаватора:

– коэффициент наполнения ковша, kн = 1; kр – коэффициент рых-

ления, kр = 0.8; kв – коэффициент использования рабочего времени, kв =

tпов гр=90º/ωпов гр; ωпов гр – скорость поворота экскаватора с грунтом к месту разгрузки, ωпов гр = 1 рад/с; tпов гр =1,6/1=1,6 с; tразг – время, затраченное на разгрузку ковша, tразг = 12с; tпов разгр – время, затраченное на поворот экска-

70

ватора без грунта; tпов гр=90º/ωпов разгр; ωпов разгр – скорость поворота экскава-

20× 0,8

3.МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ И ДО- РОЖНО–СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Теоретические основы процесса уплотнения

Уплотнение грунта – это процесс необратимого деформирования грунтового массива в результате внешнего силового воздействия( том числе за счет гравитационных сил). При этом определенная масса грунта уменьшается в объеме за счет удаления из него свободной воды и защем-

ленного воздуха, а плотность грунта при этом повышается.

Уплотнение грунтов относится к числу наиболее важных этапов тех-

нологического процесса возведения земляного полотна автомобильных и железных дорог, плотин и других сооружений подобного типа. Качество уплотнения влияет на длительность срока их службы. В основу оценки степени уплотнения грунтов положен метод стандартного уплотнения,

критерием которого является коэффициент стандартного уплотненияKупл,

определяемый в долях от максимальной плотности δ . Для верхних слоев

max

грунтов земляного полотна автомобильных дорог плотность грунта должна быть не ниже (0,98...1,0)δmax, а для нижних слоев насыпи– 0,95 δmax. Отно-

шение фактической плотности грунта δк максимальной δmax – называется коэффициентом уплотнения грунтаKупл, зависящий от степени искусст-

венного уплотнения (табл. 3.1).

71

Грунты следует уплотнять при оптимальной или близкой к -опти мальной влажности, так как вода уменьшает трение между грунтовыми частицами, что способствует снижению энергоемкости уплотнения. Очень сухие грунты как и переувлажненные не возможно довести до требуемой плотности. Избыток воды хотя и уменьшает трение между частицами, но не допускает их плотной упаковки. Оптимальная влажность, которая опре-

деляется методом стандартного уплотнения, соответствует работе машин среднего класса. Влажность, соответствующая работе тяжелых уплотняю-

щих машин, обычно равна (0,8...0,9) W0.

Методы уплотнения грунтов: статическая укатка, трамбование,

вибрационный и вибротрамбование.

Метод укатки – состоит в перекатывании вальцов или пневмошин-

ных колес по поверхности грунтового массива и создании давления(на-

пряжения) в глубине, за счет чего развивается необратимая деформация грунта.

Метод трамбования заключается в уплотнении грунта падающей массой плиты, поднятой на определенную высоту, и в момент встречи с грунтовой поверхностью обладающей определенной скоростью. Трамбо-

вание связано с ударом рабочего органа машины о грунт.

72

Вибрационный метод основан на уплотняющем действии вибраци-

онной массы плиты (катка), которая находится на поверхности уплотняе-

мого слоя (поверхностные вибраторы) либо внутри него (глубинные виб-

раторы). Специальным механизмом она приводится в состояние колеба-

тельного движения. Часть кинетической энергии этой массы расходуется на колебания грунта, которые вызывают относительное смещение его час-

тиц, чем достигается их более плотная упаковка. При вибрировании не происходит отрыва массы от уплотняемой поверхности или он весьма не-

значителен.

Метод вибротрамбования – это вибрационный процесс при кото-

ром возмущение массы плиты(катка) превзойдет определенный предел,

произойдет отрыв ее от поверхности грунта, что приведет к частым ударам массы о грунт. В этом случае вибрирование перейдет в вибротрамбование.

От трамбования этот процесс отличается высокой частотой ударов.

Давление на поверхности контактов рабочих органов машин с - уп лотняемыми грунтами не должно быть выше предела прочности грунта, но не должно быть и низким, так как при этом снижается эффект уплотнения.

Лучший эффект обеспечивается при удельном давлении на площадь кон-

такта σ = (0,9…1,0)σр (σр – предел прочности грунта на сжатие). Исключе-

нием является случай когда действие рабочих органов основано на их глу-

боком проникновении в уплотняемый слой грунта(кулачковые и решетча-

тые катки) с созданием ядра уплотнения.

Эффективность от работы машин для уплотнения грунтов во многом зависит от правильного выбора толщины уплотняемого слоя.

Предельная глубина, на которую еще распространяется действие на-

грузки, составляет 3,5dш (dш – диаметр контактной площади штампа). В

пределах этой зоны следует различать зону, где в процессе уплотнения грунтов деформация по глубине распределяется равномерно. Эта зона по-

73

лучила название активной, а ее глубина называется глубиной активной зо-

ны.

Глубина активной зоны h0 зависит от поперечных размеров штампа в плане, величины напряжения, скорости изменения напряженного состоя-

ния, а также от вида и влажности грунта:

где Bmin – минимальный поперечный размер поверхности контакта рабоче-

го органа машины с уплотняемым грунтом; W и W0 – естественная и опти-

мальная влажность грунта; e – основание натурального логарифма; α и β –

постоянные коэффициенты, α зависит от скорости изменения напряженно-

го состояния: при укатке α = 2,0, при трамбовании и вибрировании α = 1,1;

β= 3,65 – для связных грунтов.

Впределах активной зоны реализуется около80% деформации грун-

та и только 20% ее приходится на объем грунта, расположенный вне этой зоны.

Число проходов или повторений приложения нагрузки, необходимых

для достижения требуемой плотности, в значительной степени зависит от толщины уплотняемого слоя.

Толщина, при которой еще достигается требуемая плотность грунта,

называется предельной толщиной слояh0. Оптимальная толщина слоя H0

– часть предельной и составляет: – H0 = (0,8K0,9)×hmax .

Соотношение между предельной и оптимальной толщиной слоя -за

тогда оптимальная толщина слоя равна глубине активной зоне(H0 = h0), а

74

для верхнего слоя ( Kупл = δ = 0,98 ), тогда оптимальная толщина слоя рав-

δmax

на половине глубины активной зоне H0 =0,5 h0.

Требуемая плотность может быть достигнута даже при толщине уп-

лотняемого слоя, равной глубине активной зоны, но число проходов долж-

но быть увеличено примерно в три раза по сравнению с уплотнением слоя оптимальной толщины.

Проведенные исследования позволили разработатьрациональный скоростной режим укатки, при котором качество уплотнения несколько повышается. При этом режиме первый и два последних прохода должны совершаться на малой скорости (0,4...0,8 м/с), а все промежуточные прохо-

ды – на повышенной скорости (2...3 м/с).

Машины для уплотнения грунтов классифицируют по характеру си-

лового воздействия на грунт и способу перемещения рабочего органа -от носительно уплотняемой зоны грунта. По первому признаку различают машины статического (укаткой), динамического (трамбованием и виброт-

рамбованием) и комбинированного действия.

По способу перемещениярабочего органа относительно уплотняе-

мой зоны грунта различают самоходные машины, прицепные и полупри-

цепные орудия, перемещаемые за тягачом (все виды катков), машины с на-

весными рабочими органами (трамбовочные и вибротрамбовочные) и обо-

рудование, перемещаемое за счет импульсных реактивных сил в результа-

те наклонного силового воздействия на грунт (виброплиты).

Поскольку после каждой проходки грунтоуплотняющей машины предел прочности грунта возрастает, то для повышения эффективности процесса целесообразно увеличивать контактные давленияот прохода к проходу (для катков) или от удара к удару(для трамбующих машин). Для этого рекомендуется двухстадийное уплотнение: предварительное – легкой

75