3.2 Разработка грунта экскаваторами

Экскаваторы относят к землеройным машинам. По принципу работы их делят на две группы: непрерывного и периодического действия. К первой группе относят многоковшовые (фрезерные) экскаваторы. Эти машины производят непрерывное копание целым рядом ковшей, последовательно соединенных между собой на бесконечной цепи или круговом роторе (рисунок 7). В отличие от одноковшовых экскаваторов они не являются универсальными машинами, так как их применение ограничено формой сечении или шириной выемки по дну, крутизной откосов, разработкой сбоку и сзади по ходу экскаватора.

Такие экскаваторы применяют на грунтах I, II, III групп без включения валунов и пней. В зависимости от направления движения машины и вращения рабочего органа, эти экскаваторы подразделяются на экскаваторы продольного и поперечного копания. Первые применяются для отрывки траншей отсыпкой грунта в отвал или кавальер, вторые - для разработки котлованов каналов и планировки откосов с погрузкой грунта в транспортные средства.

а) б)

Рисунок 7 - Схема разработки грунта многоковшовыми полноповоротными экскаваторами а) выше уровня стояния; б) ниже уровня стояния.

а) б)

Рисунок 8 - Поперечное сечение выемок, образуемых многоковшовым экскаваторами за один проход по оси а) – траншейным цепным продольного компания; б) – двухроторным капалокопателем.

Наиболее широко в природоохранном строительстве распространены траншейные многоковшовые экскаваторы, используемые для рытья траншей с вертикальными стенками под трубчатый горизонтальный дренаж и трубопроводы различного назначения.

У экскаваторов периодического действия имеется один ковш. Рабочий цикл этих экскаваторов состоит из отдельных операций. Операция копания грунта занимает 30 % времени всего цикла. Большая маневренность этих машин, возможность разрабатывать скальные породы и неоднородные грунты с различными включениями дают преимущества одноковшовым экскаваторам перед многоковшовыми. Этим объясняется их широкое применение и земляных работах. В природоохранном строительстве используют экскаваторы с ёмкостью ковша от 0,15 до 4 м³ на гусеничном и пневмоколёсном ходу.

Строительные экскаваторы выпускают с тремя основными видами рабочего оборудования: прямой лопатой, обратной лопатой и драглайном.

Рабочая зона экскаватора, в которой располагается его стоянка, массив разрабатываемого грунта, загружаемый в автотранспорт или отвал грунта называется забоем. Выемка, образующаяся в результате разработки грунта экскаватором называется проходкой. Если среднее направление разработки грунта параллельно оси проходки (совпадает с направлением движения экскаватора), то такая проходка называется лобовой (торцевой), в противном случае – боковой.

Экскаватором с прямой лопатой разрабатывают грунт, расположенный выше уровня стояния этого экскаватора. Прямую лопату используют при работе с погрузкой в транспортные средства, кроме случаев разработки выемок на косогорах и применения в горнодобывающей промышленности специальных вскрышных прямых лопат с длинной стрелой. Радиус резания прямой лопаты – расстояние от зубьев ковша до оси поворота экскаватора – величина переменная по высоте.

а) с погрузкой на транспорт; б) с погрузкой в отвал.

Рисунок 9 - Схемы работы экскаватора прямая лопата.

Наиболее характерными радиусами резания являются: наибольший радиус резания и радиус резания на уровне стояния. Каждый имеет два значения: минимальное R_Pmin и R_0min, при втянутом положении рукоятки до отказа назад и максимальное R_Pmax и R_0max, при выдвижении рукоятки вперед. Наибольший радиус резания измеряется на уровне расположения напорного вала.

Минимальный радиус резания на уровне стояния прямой лопаты определяется расстоянием от оси экскаватора до точки касания земли зубьями ковша.

Минимальная высота забоя прямой лопаты соответствует глубине выемки, при которой достигается заполнение ковша за одно черпание.

Максимальная высота забоя соответствует наибольшей возможной высоте подъема ковша над уровнем стояния экскаватора.

Наибольший радиус выгрузки R_Bmax так же, как и радиус резания, измеряется при положении зубьев ковша на уровне оси напорного вала. Этому же положению соответствует нормальная высота выгрузки Hв измеряемая от уровня стояния экскаватора до нижней кромки открытого свободно висящего днища ковша.

Расчетные показатели определяются в зависимости от первых по следующей схеме:

Расчетные значения шага экскаватора:

Ш = (0,75..0,08) l_н

Расстояние от оси экскаватора до бровки откоса (B₁):

B₁≤ м

Расстояние от оси экскаватора до подошвы забоя (B₂):

B₂≤ , м

Следовательно, наибольшая ширина ленты (B_л) при боковой разработке равна:

B_л = B₁ + B₂ – (R_p + R_{0 max}), м

Наибольшее число лент разработки (n_л):

n_л= , шт

Высота уступа, на котором размещаются транспортные средства:

h_у = H_{В. max} – h_т – d , м

В формулах приняты следующие обозначения:

l_н – длина напорного хода рукоятки экскаватора (стандартная для каждого Э);

R_P – радиус резания грунта, м;

R_0max – наибольший радиус резания на уровне стояния экскаватора, м;

H_{В. max} – высота выгрузки грунта, м;

h_т – высота бортов кузова от поверхности земли, м;

d=0,5…0,8 м – запас над бортом кузова при выгрузке грунта из ковша.

В зависимости от ширины разрабатываемой выемки различают лобовой и боковой забои.

а) – лобовой забой; б) – боковой забой

1 – экскаватор прямая лопата; 2 – транспортное средство.

Рисунок 10 – Забои экскаватора с рабочим оборудованием прямая лопата.

В процессе разработки грунта прямой лопатой, откосы выемки получают криволинейную форму, близкую к очертанию откосов забоя, что обычно не соответствует заданной форме откоса. В результате могут образоваться недоборы, требующие последующих доработок другими механизмами (драглайнами, бульдозерами и т.д.)

Экскаваторы с рабочим оборудованием обратная лопата применяют главным образом для разработки грунта в нешироких каналах, в небольших котлованах, траншеях с крутыми откосами (рисунок 11). Разрабатываемый обратной лопатой грунт отсыпается чаще всего в отвал. При необходимости грунт может быть погружен в транспортные средства.

Рисунок 11 – Разработка траншеи экскаватором обратная лопата с выгрузкой грунта на одну сторону

Основные рабочие параметры экскаваторов обратная лопата характеризуются следующими величинами: радиусом резания R_рез, измеряемым на уровне поверхности земли от оси экскаватора до зубьев ковша; радиусом резания при наименьшей глубине резания R_р.н., измеряемым на уровне наибольшей глубины резания; наибольшей глубиной резания H_{P max} от поверхности земли до дна забоя.

Разработку грунта этими экскаваторами можно вести по продольным и поперечным схемам (рисунок 11). При продольной разработке экскаватор перемещается по оси выемки и отсыпает грунт на две или одну стороны. Такой способ применяют при разработке траншей и нешироких каналов.

Выемки большой ширины разрабатывают поперечным способом, при котором обратная лопата размещается и передвигается сбоку от выемки, отсыпая грунт в односторонний отвал или транспортные средства.

Грунт в котлованах большой ширины разрабатывается только с погрузкой в транспортные средства за несколько проходов.

Драглайны предназначены в основном для разработки грунта с отсыпкой его непосредственно в отвал.

Разработку грунта драглайнами ведут ниже уровня его стояния. Это позволяет вести разработку мокрых и водонасыщенных грунтов без предварительного их осушения или непосредственно из-под воды.

При необходимости драглайны можно использовать для разработки грунта с погрузкой в транспортное средство, но менее успешно, чем экскаваторы с другими видами рабочего оборудования. Гибкая подвеска ковша усложняет точную установку ковша над кузовом. Радиус резания драглайнов зависит от угла наклона стрелы. При необходимости радиус резания может быть слегка увеличен за счет заброса ковша путём подтягивания и опускания каната или за счет центробежной силы, развиваемой при повороте экскаватора.

При передвижении экскаватора по оси выемки, наибольшая глубина резания зависит от крутизны внутреннего откоса забоя.

Наибольшая высота выгрузки определяется расстоянием от уровня стоянки экскаватора до самой нижней точки предельно поднятого вверх свободно висящего ковша. В зависимости от размеров выемки, применяют различные способы разработки грунта драглайнами (рисунки 12 и 13).

Продольная разработка применяется для нешироких выемок, когда радиусом выгрузки экскаватора может быть перекрыто расстояние от оси выемки до внешней дальней бровки кавальера грунта. При таком способе экскаватор перемещается вдоль оси, оставляя за собой разрабатываемую выемку.

Поперечную разработку применяют при условии, что вся ширина выемки и кавальера грунта не может быть перекрыта радиусом резания в сумме с радиусом выгрузки.

Реже используют уширенную продольную, уширенную поперечную, а при больших размерах выемки – комбинированную схемы разработки грунта (рисунок 13).

При работе экскаваторов с рабочим оборудованием обратная лопата и драглайн чаще всего используют следующие две схемы разработки: 1) Движение экскаватора по оси траншеи с односторонней выгрузкой грунта (продольный способ, рис. 12 “а”); 2) Движение экскаватора параллельно оси траншеи со смещением в сторону отвала и односторонней выгрузкой грунта (поперечный способ, рис. 12 “б”). При этом должны соблюдаться следующие условия:

Продольный способ Поперечный способ

A ≤ R_выгр A₀ ≤ R_рез + R_выгр

b_тр ≤ b_к b_тр > l_к

h_max ≤ H_рез h_max ≤ H_рез

h^кав_мин.гр. < H_выгр h^кав_мин.гр. < H_выгр

Где R_выгр, H_выгр – наибольший радиус и высота выгрузки принятого производству работ экскаватора, м.;

R_рез ,H_рез – наибольшая глубина и радиус копания экскаватора, м.;

b_к, l_к – ширина и длина ковша экскаватора, м.

Расстояние между осями траншеи и кавальера минерального грунта равно:

A = b_бермы + m₁ h^кав_мин.гр..

Где m₁ – коэффициент заложения откосов кавальера минерального грунта;

h_max – максимальная глубина траншеи по продольному профилю, м.

Расстояние от оси кавальера до бровки внешнего откоса забоя при поперечном способе разработки равно:

=