Глава 13. Траншейные экскаваторы

13.1. НАЗНАЧЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ

Траншейные экскаваторы непрерывного действия пред­назначены для рытья траншей (выемок большой протяженности по сравнению с размерами их поперечных сечений). Траншея является временным сооружением. После укладки в траншею рабочих коммуникаций (труб различного назначения, кабелей энергоснабжения и связи и т. п.) ее засыпают прежде вынутым грунтом, оставляя над ней валик как резерв на случай естествен­ной осадки засыпанного в траншею грунта, а также для отвода от нее дождевых вод, если к поверхности грунта над траншеей проектом организации работ не предъявляется иных требований. Траншейные экскаваторы можно использовать также для рытья траншей под ленточные фундаменты наземных сооружений.

Траншейные экскаваторы эффективны для работы в однородных грунтах до категории IV включительно. Крупные каменистые включения снижают ресурс этих машин, приводят к частым от-

казам, простоям и дополнительным затратам на ремонтно-вос-становительные работы. Траншейные экскаваторы способны раз­рабатывать также мерзлые грунты. В этом отношении в последние годы наблюдается тенденция создания специальных экскаваторов.

Главным параметром траншейного экскаватора служит глу­бина отрываемой траншеи, входящая в его индекс. Например, ЭТР-204 обозначает экскаватор траншейный роторный четвертой модели для рытья траншей максимальной глубины 2 м; ЭТЦ-165 — экскаватор траншейный цепной пятой модели для рытья траншеи максимальной глубины 1,6 м. Главному параметру соответствуют основные параметры, регламентированные стандартом.

В устойчивых грунтах траншею роют без откосов (см. рис. 12.4, α — сплошные линии), а в менее устойчивых — с от­косами (см. рис. 12.4, α — штриховые линии), для чего рабочие органы экскаваторов дооборудуют пассивными ножевыми или активными цепными откосниками

Траншейные роторные экскаваторы применяют для разработки траншей ограниченной глубины (до 3 м). Дальнейшее увеличение этого параметра требует соответствующего увеличения диаметра ротора и связанной с ним габаритной высоты, предельные зна­чения которой регламентированы условиями безопасного пере­движения экскаватора при его перебазировании на новый объект под мостами, эстакадами, линиями электропередач и т. п Цепные рабочие органы при переводе в транспортное положение распо­лагают почти горизонтально, а их длина практически не влияет на изменение габаритной высоты экскаватора.

Для сокращения полосы отчуждения земли на время строи­тельства вынутый из траншеи грунт компактно укладывают в бруствер с одной ее стороны, оставляя другую сторону для передвижения транспортных средств, обслуживающих строи­тельство, а также для сварки и монтажа труб, трубных секций и плетей перед их укладкой в траншею. При разработке узких траншей роторными фрезерными и цепными скребковыми экска­ваторами вынесенный из траншеи грунт располагают с двух ее сторон.

Для эффективной работы траншейных экскаваторов трассу их передвижения в полосе будущей траншеи расчищают от де­ревьев, кустарника, камней и планируют ее поверхность. Требо­вания к продольной планировке формулируются в соответствии с нормами на продольные уклоны дна траншеи, эквидистантного дневной поверхности. Например, для безнапорных трубопроводов эти уклоны должны обеспечивать передвижение по ним жидких продуктов самотеком. В случае напорных трубопроводов, на­пример, для перекачивания нефти и газа под давлением сохра­няется лишь требование прилегания трубопровода к дну траншеи по всей его длине.

Более высокие требования на период рытья траншеи предъ­являются к поперечным уклонам, особенно к плавности их изме-

нения вдоль трассы передвижения экскаватора. При резких из­менениях поперечных уклонов рабочий орган, перекашиваясь, прижимается нижней частью к одной стороне траншеи, а верхней к другой. При этом на боковых зубьях возникают повышенные сопротивления сил трения при их перемещении по боковым стен­кам траншеи, что приводит к повышенному их изнашиванию и непроизводительным энергетическим затратам с уменьшением скорости передвижения экскаватора, а следовательно, снижением его производительности.

При разработке узких траншей отмеченные силы сопротивле­ния могут возрасти настолько, что мощности силовой установки окажется недостаточно для их преодоления и рабочий орган за­стопорится. На крутых косогорах так же, как и при работе на кривых трассах малых радиусов, работа экскаватора становится невозможной.

Возможность работы траншейного экскаватора, оборудован­ного ленточным конвейером, на косогорах ограничена также спо­собностью конвейера уложить вынутый из траншеи грунт в бруст-вер на заданном расстоянии от траншеи с сохранением между бруствером и траншеей горизонтальной площадки (бермы) ши­риной не менее 0,5 м.|Анализ работы отвального конвейера в этих условиях приведен в п. 13.3.

Являясь машиной непрерывного действия, траншейный экска­ватор наиболее полно реализует свои технические возможности при работе в однородных грунтах на прямолинейных участках большой протяженности. При работе на коротких участках экска­ватору приходится чаще отрывать пионерные выемки для ввода рабочего органа в траншею, а также чаще выводить его из тран­шеи. В обоих случаях требуется доработка траншеи до полного профиля другими средствами, например одноковшовыми экскава­торами. При этом длина захода и выхода будет меньшей у экска­ваторов с навесным рабочим оборудованием, которое заглубляется и выглубляется на месте без передвижения экскаватора, как это имеет место у экскаваторов с полуприцепным рабочим обору­дованием.

13.2. ТЯГАЧИ ТРАНШЕЙНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

Структурно траншейный экскаватор непрерывного дей­ствия состоит из двух основных частей — тягача и рабочего обо­рудования. Тягач обеспечивает передвижение экскаватора, яв­ляясь базой для навески на него или соединения с ним по полу­прицепной схеме рабочего оборудования, высотную установку последнего в соответствии с проектной глубиной траншеи, а также в зависимости от изменения продольных уклонов дневной по­верхности в полосе отрываемой траншеи, несет на себе силовую установку и передает движение или преобразованную в другие формы энергию исполнительным органам рабочего оборудования, ходовому и вспомогательным устройствам.

По материалоемкости, сложности конструкции и стоимости тягач занимает первое место в составе траншейного экскаватора. Тягач изготовляют преимущественно из тракторных узлов и деталей.

В конструкциях гусеничных экскаваторных тягачей средних и тяжелых моделей сохранена принципиальная схема двухгусе-ничного тракторного движителя, но по сравнению с базовыми тракторами они имеют уширенную колею и увеличенную базу благодаря удлинению гусеничных цепей и добавлению к трактор­ным дополнительных опорных катков. Этим, а также установкой более широких башмаков уменьшается давление на грунт до нор­мативных значений, регламентированных стандартом (50—80 кПа в зависимости от типоразмера экскаватора), что позволяет этим машинам работать в грунтах с пониженной несущей способ­ностью.

Для выравнивания давления на грунт по длине гусеничных тележек силовое оборудование, узлы трансмиссии и другие эле­менты тягача большой массы смещают в его переднюю часть. Движитель с шасси соединяют по схеме жесткой подвески. Это существенно снижает транспортные возможности экскаватора при его передвижении на повышенных транспортных скоростях. Машина оказывается практически не пригодной для передвиже­ния собственным ходом на большие расстояния, но в рабочем режиме, особенно при разработке неоднородных грунтов, когда рабочий орган испытывает и передает на тягач резко переменные нагрузки, это позволяет существенно снизить вертикальные ко­лебания динамической системы рабочее оборудование—тягач и обеспечить устойчивую работу экскаватора.

13.3. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ГРУНТА

Ковшовые и бесковшовые (с комбинированными рабо­чими элементами) траншейные экскаваторы оборудованы ленточ­ными конвейерами для отсыпки вынутого из траншеи грунта в бруствер с одной ее стороны. Для отодвигания грунта в стороны от траншеи на скребковых экскаваторах устанавливают винтовые конвейеры (шнеки), а фрезерные экскаваторы для того же обору­дуют плужными отвалами. Рассмотрим особенности устройства и работы ленточных конвейеров, имеющих наибольшее приме­нение. Транспортирующие устройства других типов будут рас­смотрены вместе с соответствующими экскаваторами.

Конвейеры траншейных экскаваторов выполнены в двух кон­структивных вариантах: с цилиндрической поверхностью рабочей ветви конвейерной ленты — криволинейные (рис. 13.1, а) и двух­секционные (рис. 13.1, б), составленные из двух прямых секций, из которых одна (горизонтальная) является приемной, а вторая (наклонная) — отвальной. Конвейеры установлены на тягаче (в случае цепного экскаватора) или на боковых балках рамы рабочего оборудования.

Рис. 13.1. Ленточные конвейеры траншейных экскаваторов:

а — криволинейный, 6 — двухсекционный, β — приводной барабан, е — поддерживающий ролик, д — спиральный ролик

Криволинейный конвейер может быть установлен для отсыпки грунта на любую сторону траншеи с любым вылетом разгрузоч-ного барабана. Для этого его перемещают в нужное положе­ние, закрепляют на раме и устанавливают привод на передачу прямого или реверсивного движения. Двухсекционные конвейеры могут отсыпать грунт только в одну сторону траншеи. Конвейеры с индивидуальным приводом можно перемонтировать с примене­нием грузоподъемных средств для отсыпки грунта на другую сторону траншеи, а конвейеры с групповым приводом требуют для этого более сложного перемонтажа. Отвальную секцию двух­секционного конвейера устанавливают под требуемым углом к приемной секции с помощью гидроцилиндров. При переводе экскаватора в транспортное положение криволинейный конвейер устанавливают симметрично продольной оси экскаватора с рав­ными вылетами с каждой стороны, а отвальную секцию двухсек­ционного конвейера откидывают вниз, уменьшая этим габарит­ную ширину рабочего оборудования.

Несущим элементом конвейера служит бесконечная резино­тканевая лента 7 (рис. 13.1, б), огибающая установленные на раме 4 два концевых барабана 1 и 2 (рис. 13.1, α и б), один из ко­торых или оба оборудованы натяжным устройством 3. На двух­секционных конвейерах натяжным является обычно барабан на питающей секции, а у криволинейных, для которых разгрузочным барабаном может быть любой из двух в зависимости оттого, с какой стороны траншеи располагается бруствер, натяжным барабаном может быть также любой из них.

Верхняя, рабочая ветвь ленты поддерживается роликами 10 (рис. 13.1, г), которыми вместе с боковыми щитками 9 (рис. 13.1, в) и фартуками 8 формируется ее продольный профиль. Щитки и фартуки вместе с лентой образуют желоб для размещения в нем больших объемов грунта. Как будет показано, выполняя эту функцию, щитки и фартуки не обеспечивают перемещения по кон­вейеру грунта с ожидаемой скоростью, создают дополнительные сопротивления передвижению грунта и ленты. Последнее иллю­стрируется на криволинейном конвейере тем, что при натяжении ленты для повышения ее тяговой способности она прижимается к фартукам, а при работе конвейера испытывает сопротивления трения о фартуки тем большие, чем больше ее натяжение. Подоб­ные сопротивления возникают на двухсекционном конвейере на границе приемной и отвальной секций.

Нижняя, нерабочая ветвь конвейерной ленты перемещается по направляющим роликам, которые выполнены или подобно под­держивающим роликам на рабочей ветви ленты, или в виде ци­линдрических пружин 11 (рис. 13.1,д) с навивкой в разные сто­роны от середины. Направление навивки выбирают таким, чтобы при их вращении вследствие перемещения по ним конвейерной ленты снимаемые с последней остатки прилипшего грунта пере­мещались на стороны. Таким образом направляющие ролики одно-

временно выполняют функцию очистителей. Известны так же решения, когда часть направляющих роликов выполнена подобно поддерживающим, а часть — в виде очистителей.

Для удаления прилипшего грунта с рабочей поверхности приводных барабанов применяют скребковые очистители 8 (рис. 13.1, б). От сбегания с барабанов и роликов лента удержи, вается центральным гребнем, соединенным с ней болтами или изготовленными как одно целое с лентой и входящим в централь­ные проточки барабанов и роликов, а для повышения тяговой способности приводных барабанов их рабочие поверхности обли­цованы резиной способом вулканизации.

На двухсекционном конвейере, кроме двух концевых бараба­нов, в месте соединяющего секции шарнира устанавливают третий барабан 6, который не выполняет ни тяговых, ни натяжных функций, а служит лишь промежуточным кинематическим звеном в механической трансмиссии привода разгрузочного барабана от установленного на раме рабочего оборудования редуктора. При отсутствии механической передачи, например, в случае индиви­дуального электрического привода разгрузочного барабана проме­жуточный барабан вполне может быть заменен опорным роликом.

Как отмечалось, боковые щитки и фартуки создают дополни­тельные сопротивления движению грунта и, как следствие, сни­жают выносную способность конвейера. Наибольшую скорость передвижения по конвейеру имеют грунтовые частицы, непосред­ственно прилегающие к рабочей ветви ленты (рис. 13.2), а по мере приближения к неподвижным фартукам и боковым щиткам их скорости уменьшаются до нуля в зоне непосредственного приле­гания к этим устройствам. Принято считать, что активная зона наибольших скоростей ограничена частью поперечного сечения грунтового потока ABCD, а зоны нулевых скоростей находятся левее линии АЕ и правее линии BF.

Экспериментально установлено, что на сходе с конвейера по­перечное сечение потока грунта имеет форму, близкую к прямо­угольной, шириной и высотой примерно равными ширине b и высоте h активной части грунтового потока на конвейерной ленте. Установлено также, что определенному значению b соответствует предельно допустимая высота h = n_np, превышение которой при­водит к затовариванию конвейера. Например, для мелкофрак­ционных грунтов влажностью 15—18% с коэффициентом трения о ленту 0,75—0,85 при угле наклона к горизонту отвальной сек­ции двухсекционного конвейера в 30° и скорости движения ленты более 3 м/с h_пр = 70—90 мм в зависимости от рабочей ширины ленты (b = 0,4—1 м). При скорости 1,5—2 м/с высота этого слоя может быть увеличена на 15—20%.

Характер движения грунта вдоль конвейера зависит от его начальной скорости в направлении движения конвейерной ленты, действующих на грунтовые частицы движущих сил и сил сопро­тивления, скорости движения конвейерной ленты. Так, в момент

рис. 13.2. Характерные зоны поперечного сечения грунтового потока на от­вальном конвейере тран­шейного экскаватора

поступления грунтовой частицы на приемную секцию двухсек­ционного конвейера ее начальная скорость в направлении движе­ния ленты будет равна нулю. С этого момента грунтовая частица будет находиться под воздействием движущей силы трения, пере­даваемой ей движущейся лентой или нижележащим слоем грунта, в зависимости от того, куда она попала в момент поступления на конвейер, а также под воздействием сил трения обгоняющих ее частиц с одной стороны.

Отстающие или покоящиеся грунтовые частицы или боковые щитки препятствуют движению грунта по конвейеру. Естественно предположить направление результирующей всех сил, действу­ющих на грунтовую частицу, в сторону движения конвейерной ленты (иначе ее движение становится невозможным), а режим движения — ускоренным. Такой характер движения грунтовой частицы будет продолжаться или до момента уравновешивания активных сил сопротивлениями (например, по достижении ча­стицей скорости, равной скорости ленты), после чего ее движение преобразуется в равномерное, или, при недостаточном пути раз­гона, до момента достижения частицей границы приемной секции (в месте перехода на отвальную секцию). Последнее ограничение более вероятно для частиц, поступающих на конвейерную ленту вблизи отмеченной выше границы (рис. 13.3). В месте перехода на отвальную секцию достигнутые грунтовыми частицами ско-

Рис. 13 3. Схема к установлению связи между основными параметрами кон­вейера и размерами бруствера, тран­шеи и бермы

рости корректируются пропорционально cos α₀ (α₀ — угол мест-ного изменения направления движения в продольной плоскости конвейера), а характер их движения по этой секции подчиняется описанным выше закономерностям.

Из-за непостоянства скоростей движения грунтовых частиц вдоль конвейера следует ожидать, что также непостоянными будут осредненные скорости этого движения по поперечному сечению грунтового потока и его толщина, которая, при постоянной подаче грунта на конвейер, связана обратной пропорциональной зави­симостью со скоростью. Поэтому на границе приемной и отваль­ной секций, где грунтовый поток не получил еще достаточного разгона, следует ожидать утолщения слоя грунта и связанного с этим увеличения сопротивлений в зоне боковых щитков, что нередко приводит к затовариванию конвейера и необходимости его остановки для освобождения от грунтовой пробки.

Подобные явления могут происходить и на других участках отвальной секции, в частности, при скатывании вниз по наклон­ной ленте округлых каменистых включений, неизмельченных глыб грунта и т. п. Затовариванием конвейера нередко сопровождается рытье траншей на косогорах с уклоном, противоположным бруст­веру, когда последний укладывается непосредственно у траншеи (без бермы), а головная часть отвальной секции конвейера почти упирается в его вершину. Описанные явления связаны с потерей экскаватором производительности и должны учитываться как при конструировании конвейеров, так и их эксплуатации, а также при подготовке полосы будущей траншеи.

Скорость v_r схода грунтового потока с конвейера опре­деляют как среднеарифметическую по сумме скоростей грунтовых частиц в конечном сечении. Экспериментально установлено, что эта скорость связана со скоростью v_л движения ленты линейной зависимостью ν_г = λυ_π для двухсекционного и нелинейной v_г = = Av^п_л для криволинейного конвейеров, где λ, Л и η — эмпири­ческие коэффициенты. Например, при производительности двух­секционного конвейера Q = 300—350 м³/ч, v_л = 3—4 м/с для супесчаных грунтов влажностью 15—20% и коэффициенте тре­ния / = 0,85 λ = 1,0 при α < 15°; λ = 0,9 при α = 15—20°; λ = 0,8—0,9 при α => 25°. Для криволинейного конвейера при Q = 58 м³/ч А = 1,37-10^-2 и η = 0,86; при Q = 323 м³/ч А = = 1,45-10^-2 и η = 0,82.

Производительность Q конвейера, связанная с технической производительностью экскаватора П_т соотношением

(13.1)

Q = R_РП_Т

(r_p — коэффициент разрыхления грунта), определяется через раз­меры b и h поперечного сечения грунтового потока на сходе с кон­вейера и его скорость v_r:

Q = bhv_г

(13.2)

Ряс. 13.4. Формирование бруствера по пологой (а), крутой (б) и промежуточной (в) траекториям движения грунтовых частиц

Из этого следует, что при заданном b и зависящем от него h производительность конвейера можно увеличить соответствующим увеличением скоростей v_r и v_л.

Приведенные значения эмпирических величин, связывающих между собой скорости v_г и v_л, пригодны для определенной произ­водительности конвейера. Экспериментально было установлено, что по достижении некоторой производительности путем увели­чения скорости движения ленты дальнейшее увеличение этой скорости дает обратный результат — снижение производитель­ности. Это можно объяснить иным характером распределения скоростей движения грунта по поперечному сечению его потока на конвейере. По-видимому, представленная на рис. 13.2 актив­ная зона грунтового потока сужается.

На выпускаемых в настоящее время траншейных экскаваторах скорость движения ленты не превышает 5 м/с. В отдельных слу­чаях конвейер делают двух- или трехскоростным, что позволяет выбирать оптимальные скоростные режимы в зависимости от его загрузки при разработке экскаватором различных по прочности грунтов.

О сновными параметрами конвейеров, от которых зависит форма поверхностей бруствера и его положение относительно траншеи, являются координаты точки схода грунта с конвейера, его выход­ная скорость v_г и угол а₀ ее наклона к горизонту (см. рис. 13.3). После схода грунта с конвейера траектории движения его частиц представляются параболами второго порядка:

(13.3)

где х₀ и у₀ — начальные координаты траектории; g — ускорение свободного падения.

Очевидно, что траекториями для частиц, расположенных на Конвейере на различных уровнях по высоте грунтового слоя, будет семейство кривых [уравнение (13.3)] с вариацией началь­ных координат х₀ и у₀ (рис. 13.4, а). Внешняя кривая этого се­мейства, принимаемая за расчетную, есть траектория грунтовых частиц на поверхности грунтового потока. Если касательная к этой траектории в точке с ординатой у = 0 будет составлять с отрицательным направлением оси абсцисс угол β = β₀ не больше

угла р естественного откоса, то внешняя поверхность 6pycвера будет сформирована этой траекторией, называемой пологой Если же в вершине бруствера (у = Н_бр) β = β_Η => ρ, то траек-тория будет крутой и внешняя поверхность бруствера сформи-руется естественным откосом (рис. 13.4, б). Возможна также про­межуточная форма, когда нижняя часть внешней поверхности будет сформирована естественным откосом, а верхняя траекторией, описываемой уравнением (13.3) (рис. 13.4, в). Внутренняя же поверхность (со стороны траншеи) всегда будет формироваться только естественным откосом.

Очевидно, что при одной и той же площади поперечного сече­ния бруствера наиболее компактной будет треугольная форма по схеме, приведенной на рис. 13.4, б. Принимая эту форму за расчетную и имея в виду прямую пропорциональную связь Fбр = f_tpr_p между площадями поперечных сечений бруствера F_бp и траншеи F_тр (R_p — коэффициент разрыхления грунта), выразим основание В_бр и высоту H_бр бруствера зависимостями:

Подставляя координаты вершины бруствера

(В_бер — ширина бермы; B₁ — ширина

траншеи по верху) в уравнение (13.3), после преобразований при β_Η = ρ получим формулы для определения координат точки схода верхнего слоя грунта с конвейера:

(13.4)

которые можно использовать при определении геометрических параметров конвейера. Входящую в эти формулы скорость v_r назначают из условий обеспечения наибольшей выносной способ­ ности конвейера согласно приведенным зависимостям, а угол a_о принимают не более р. Иначе сопротивление подъему грунта на наклонной конвейерной ленте не может быть преодолено силами трения. Обычно а₀ <= 30°.

13.4. ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО И РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ТРАНШЕЙНЫХ РОТОРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

Выпускаемые отечественной промышленностью тран­шейные роторные экскаваторы непрерывного действия разли­чаются типом тягача, отвального конвейера и привода, а также способом соединения рабочего оборудования с тягачом и реализу­ющими эти способы механизмами. Экскаваторные тягачи и отваль­ные конвейеры рассмотрены в пп. 13.2 и 13.3. По типу привода различают экскаваторы с групповым (с механическими и гидро­механическими передачами) и индивидуальным (дизель-электри-

ческим) приводом. По способу соединения рабочего оборудования с тягачом различают экскаваторы с навесным, полуприцепным и прицепным рабочим оборудованием. У первых все действующие на рабочее оборудование нагрузки воспринимает тягач, а у вто­рых — также задняя опора. Некоторые экскаваторы в рабочем режиме могут быть отнесены к полуприцепным, а в транспорт­ном — к навесным.

Рабочее оборудование обеспечивает отрыв от массива грунта в траншее проектной ширины с откосами или без них при задан­ной глубине, полный вынос его из траншеи и отсыпку в бруствер. Оно включает в себя ротор 12 (рис. 13.5, а), установленный на верхней раме 8 на поддерживающих роликах 19 и на нижней раме 13 на направляющих роликах 11, закрепленную на раме обечайку 9, препятствующую просыпанию грунта внутрь ротора при его вращении, ножевые откосники 10, зачистной щит 15, заднюю опору 16 и отвальный конвейер 20.

Конструктивное решение ротора со свободной внутренней по­лостью обусловлено способом разгрузки ковшей и связанной с этим необходимостью размещения в этой полости отвального конвейера. Ротор центрируется на раме двумя парами поддержи­вающих 19 и двумя или одной парой направляющих 11 роликов, которые воспринимают от него нагрузки, включая рабочие, и передают их через оси, на которых они установлены, на раму рабочего оборудования. Беговые дорожки колец ротора образо­ваны отдельными сегментами 24, отлитыми обычно из высокомар­ганцовистой стали как одно целое с зубьями 25 зубчатых венцов ротора, через которые последнему передается вращение.

Боковые нагрузки воспринимаются ребордами роликов. Обычно верхние, поддерживающие ролики изготовлены одноребордными, а нижние, направляющие — двухребордными. Верхние ролики работают как поддерживающие только в транспортном положении рабочего оборудования, а в рабочем режиме все ролики работают как направляющие. Поэтому их разделение по этой терминологии следует признать условным. В рабочем режиме при копании ков­шами ротора снизу вверх нагружаются преимущественно передние ролики. Менее всего нагружаются нижние задние ролики, что и послужило основанием для их упразднения на малых моделях экскаваторов. Нижние ролики регулируют винтами 14.

Ножевые откосники 10 устанавливают наклонно в продольном и поперечном направлениях. Конструктивно их нельзя опустить До дна траншеи, в связи с чем образуемые ими откосы не захваты­вают самую нижнюю ее часть. При установке откосников верх­ними концами вперед в пределах образуемых откосов грунт отделяется от массива срезом, а при установке назад кроме того, — отрывом, что менее энергоемко.

Установленный в задней части рамы 8 зачистной щит 15 служит для профилирования дна траншеи путем срезания гребней, образованных смежными зубьями, и зачистки

Рис. 13.5. Конструктивная схема траншейного роторного экскава­тора с полуприцепным (а) и на­весным (б) рабочим оборудова­нием

траншей от осыпавшегося грунта из неполностью разгруженных перемещающихся в забой ковшей. Обычно его объединяют с задней опорой, которую выполняют в двух вариантах: в виде сдвоенного колеса 16 для полуприцепного или в виде лыжи — для навесного рабочего оборудования. Задняя опора воспринимает часть дей-ствующих на рабочее оборудование вертикальных нагрузок. Другая их часть передается на тягач через сцепное устройство. Рабочее оборудование с задней опорой в виде лыжи переводится в транспортное положение по навесной схеме, в связи с чем в этом положении задняя опора исключается из работы.

Обычно колесные задние опоры воспринимают вертикальные нагрузки в допустимых для этих колес пределах. Но при разра­ботке тяжелых грунтов, включая мерзлые, нагрузки могут превы­сить эти пределы. Поэтому кроме обычной колесной опоры в зад­ней части рамы рабочего оборудования с каждой ее стороны уста­навливают лыжи 17 или дополнительные колесные опоры, опира­ющиеся на дневную поверхность и регулируемые по высоте гидро-

цилиндрами 18 при изменении глубины отрываемой траншеи. Ε уменьшением нагрузки на заднюю опору при разработке менее прочных грунтов необходимость в дополнительных опорах отпа­дает и их поднимают над дневной поверхностью земли.

Сцепное устройство для соединения рабочего оборудования с тягачом должно: обеспечивать передачу тягового усилия обо­рудования; воспринимать от него вертикальную составляющую реактивного усилия при любых положениях рабочего оборудова­ния, определяемых глубиной отрываемой траншеи, а также в транспортном положении для полуприцепного рабочего обо­рудования; удерживать оборудование на весу при навесной схеме соединения.

Конструктивно на выпускаемых экскаваторах оно решено обычно в трех вариантах: в виде объединенной с шарниром пол-зунковой пары (рис. 13.6, а) и в двух вариантах по схеме плоского коленчато-рычажного механизма, один из которых (рис. 13.6, б) реализован, в частности, в конструкции дизель-электрического экскаватора ЭТР-253 и его модификациях. Обе схемы подвесок бесшарнирны в плане и при рытье траншей на криволинейных участках обладают недостатками, описанными в п. 13.1.

Этих недостатков лишена подвеска, в состав которой включено опорно-поворотное устройство 4 (ОПУ) (см. рис. 13.5, а), уста­новленное в задней части тягача. Соединительным звеном служит ломаной конфигурации рычаг (коромысло) 6, шарнирно соеди­ненный концами с ОПУ и рамой рабочего оборудования. Измене­ние глубины отрываемой траншеи, а также перевод рабочего оборудования, соединенного с тягачом по полуприцепной схеме, из транспортного положения в рабочее, и наоборот, обеспечи­вается гидроцилиндрами 21 и 23, закрепленными одним концевым шарниром на промежуточной стойке 7, а вторым на рычаге 6 и раме 8. Полностью втянутые штоки гидроцилиндров соответ­ствуют рабочему /, а полностью выдвинутые — транспортному // положению. Промежуточные положения достигаются частич­ным выдвижением штоков.

Введением двух дополнительных гидроцилиндров 26 (см. рис. 13.5, б), шарнирно установленных на кронштейне 27 ОПУ и рычаге 6, полуприцепная схема обращается в навесную, исполь­зуемую для узких облегченных роторов. Эти схемы подвески обеспечивают удовлетворительную работу экскаватора при рытье траншей на закруглениях, а также при поворотных движениях экскаватора в транспортном положении.

Как отмечалось, траншейные роторные экскаваторы оборудо­ваны автономной силовой установкой 1 (см. рис. 13.5, а) с дизе­лем, устанавливаемым в передней части тягача. Потребителями энергии служат ходовое устройство 3, ротор 12, конвейер 20 и вспомогательные устройства для подъема рабочего оборудова­ния, отвальной секции двухсекционного конвейера, установки дополнительных опор. Для передачи движения исполнительным

Рис. 13.6. Принципиальная схема механизмов подъема рабочего оборудования траншейного роторного экскаватора с ползунковыми кинематическими парами (а) и посредством коленчато-рычажной пары (б):

/ — гидроцилнндры подъема рабочего оборудования задней части; 1 — гидроцилиндры подъема рабочего оборудования передней части; 3 и 5 — канаты; 4 — дополнительная рама; 6 — верхняя рама рабочего оборудования; 7 — ползуны; 8 — направляющие; 9 — подвижные блоки; 10 — отклоняющие блоки; 11 — подъемные цепи; 12 — гидро­цилиндр; 13 — тяговые брусья (коромысла); I я II — рабочее и транспортное положения рабочего оборудования

Рис. 13.7. Кинематические схемы привада ходового устройства с механической (а) я гидромеханической (б) трансмиссиями траншейных роторных экскаваторов:

/ — дизель; 2 — муфта сцепления, 3 и 10 — коробки передач; 4 а 11 — ходоуменьшя-тели. 5 — задний мост; 6 — главная передача; 7 — бортовые фрикционы; 8 — бортовые редукторы; 9 — ведущие звездочки; 11 — рабочий насос; 13 — гидромотор; 14 — подпиточный насос; I5 — ручной насос для заполнения системы рабочей жидкостью

механизмам применяют механические, гидромеханические и элек­тромеханические трансмиссии.

Как правило, для передвижения на транспортных скоростях используют многоскоростную реверсивную коробку передач 3 (рис. 13.7, а) базового трактора, а для передвижения на рабочих скоростях к коробке передач подключают ходоуменьшитель 4, работающий в этом режиме как понижающий редуктор. Для по­вышения избирательной способности привода ходового устройства в рабочем режиме экскаватора применяют многоскоростные ходо-уменьшители, которые в сочетании с многоскоростной коробкой передач увеличивают число возможных рабочих скоростей. Управ­ляют скоростными режимами из кабины 2 (см. рис. 13.5, а).

В гидромеханическом варианте привод ходового устрой­ства в рабочем режиме обеспечивается гидромотором 13 (см. рис. 13,7, б), питаемым рабочей жидкостью от регулируемого насоса 12. Эта схема обеспечивает бесступенчатое регулирование скоростей в нескольких диапазонах при совместной работе ко­робки передач с ходоуменьшителем и позволяет выбирать рацио­нальные скоростные режимы в зависимости от загрузки испол­нительных механизмов экскаватора.

Рассмотренные схемы привода ходового механизма отличаются от тракторных лишь наличием ходоуменьшителя для передвиже­ния на пониженных рабочих скоростях, устанавливаемого или между коробкой передач и задним мостом, или перед коробкой передач.

Рассматривая привод ротора и отвальный конвейер, прежде всего отметим особенности взаимного расположения потребителей энергии и силовой установки, а также конструктивные особен­ности ротора, влияющие на принципиальные решения схем при­вода. Первая особенность заключается в том, что любая из рас­смотренных ранее схем соединения рабочего оборудования с тяга­чом предполагает нестационарность указанного взаимного рас­положения источника и потребителя энергии. Лучшим решением по этому признаку следует считать индивидуальный привод каж­дого потребителя или совместно ротора и конвейера двигателями, установленными непосредственно у исполнительных меха­низмов.

Первый вид этого привода реализован на дизель-электриче­ских экскаваторах, где ротор 1 (рис. 13.8, а) приводится в дви­жение индивидуальным электродвигателем 5, питаемым электро­энергией от приводимого дизелем генератора переменного тока, а конвейер—тремя электродвигателями 1 (рис. 13.9, а) через редукторы 2. Один комплект привода установлен на барабане приемной секции двухсекционного конвейера, а два комплекта — на разгрузочном барабане отвальной секции. Роторный электро­двигатель размещен в полости ротора, где он через предохрани­тельную муфту 4 (см. рис. 13.8, а), редуктор 3 и шестерни 2 пере­дает движение зубчатым венцам ротора /. Недостатком этого

Рис. 13.8. Кинематические схемы индивидуального (а) и группового (б) приводов ротора и схема двухступенчатой цепной передачи с плавающим промежуточным блоком звездочек (в)

Рис 139 Кинематические схемы индивидуального (а) и группового (6, в) приво­ дов конвейеров траншейных роторных экскаваторов

привода является неудовлетворительное охлаждение электродви­гателя, блокированного ротором и боковыми стенками траншеи. Лучшим решением для конвейера был бы привод только одного концевого барабана на отвальной секции от одного электродви­гателя, поскольку уже два электродвигателя (с двух концов барабана) будут загружать барабан неодинаково. Это иллюстри­руется представленными на рис. 13.10 механическими характе­ристиками указанных электродвигателей, в общем случае не иден­тичными. При одной и той же частоте п_б вращения барабана (или приводного вала редуктора) двигатели будут передавать барабану разные моменты m₁ и M₂. Однако установка только одного более мощного двигателя увеличит концевую массу от­вальной секции конвейера, подверженную колебаниям при ра­боте. В результате решения этой задачи по схеме, представленной на рис. 13.9, а, концевая масса отвальной секции осталась все же значительной, а добавление в схему третьего электродвигателя на концевом барабане приемной секции усугубило и без того сложную проблему синхронизации работы электродвигателей.

Рис. 13.10. Механические ха­рактеристики конвейерных электродвигателей

В механическом варианте передачи движения ротору и конвейеру от уста­новленного на тягаче редуктора 8 (см. рис. 13.8, б и поз. 5 рис. 13.5, а) в кон­струкциях траншейных роторных экска­ваторов применяют двухступенчатую цепную передачу 11 (см. рис. 13.8, б и поз. 22 рис. 13.5, а) с плавающим промежуточным блоком звездочек. Межосевые расстояния в каждой сту­пени этой передачи определяются дли­ной штанг 14 и 16 (см. рис. 13.8, б). Одной из особенностей этого ус­тройства является то, что оно обе­спечивает передачу движения от ведущей звездочки 13 первой ступени к ведомой звездочке 17 второй ступени вне зависимости от расстояния l между их осями. В зависимости от этого расстоя­ния блок промежуточных звездочек 15 занимает плавающее положение.

Вторая особенность заключается в том, что ротор, состоящий из двух или трех несущих колец, соединенных ковшами, пред­ставляет собой весьма податливую конструкцию в отношении скручивающих деформаций, для уменьшения которых желательна передача ему движения через два зубчатых венца, установленных на роторе с каждой его стороны (см. рис. 13.8, б). Для этого в раздаточном редукторе 8 потоки движения разветвляются и передаются далее ротору 1 через две двухступенчатые передачи 11, редукторы 12 и шестерни 2.

Третья особенность состоит в конструктивном несовершенстве ротора как зубчатого колеса, обусловленном технологией его изготовления. Как отмечалось, зубчатые венцы набирают из от­дельных литых сегментов 24 (см. рис. 13.5, а) путем их наклепки на несущие кольца ротора без механической обработки как сег­ментов в отдельности, так и зубчатого венца в сборе, в связи с чем изготовленный таким способом зубчатый венец имеет боль­шие погрешности в геометрии зацепления. После соединения несущих колец арками ковшей эти погрешности усугубляются из-за возможных смещений зубчатых венцов один относительно Другого в тангенциальном направлении.

Указанные отклонения от правильной геометрии зацепления могут увеличиться в процессе его эксплуатации по причине вы­сокой податливости ротора как в отношении скручивающих, так и радиальных деформаций. Этими обстоятельствами продиктована необходимость дифференциального распределения движения по Двум потокам после распределительного редуктора 8 (см. рис. 13.8, б). Для этого в редуктор введен дифференциальный ме­ханизм 10, работающий совместно с конической зубчатой парой 9. Этим механизмом обший крутящий момент на ведомом колесе

конической пары распределяется по двум потокам движения на две равные части, что позволяет получать на приводном валу ро-тора одинаковые крутящие моменты с каждой его стороны вне зависимости от перечисленных погрешностей в зубчатых венцах ротора.

Аналогично решена задача и в случае индивидуального элек­трического привода ротора, в котором редуктор 3 (рис. 13.8, а) устроен сходно с описанным выше редуктором.

Кроме описанных особенностей работы привод ротора должен обеспечивать отключение трансмиссии при встрече ротора с не­преодолимым препятствием, а также реверс его движения для освобождения от этого препятствия. Последняя задача при инди­видуальном электрическом приводе решается реверсированием электродвигателя, а при механической передаче посредством пе­реключения передач в реверсивном редукторе 7 (см. рис. 13.8, б), в котором также установлен орган подключения роторной транс­миссии к коленчатому валу двигателя и отключения от него.

При встрече с непреодолимым препятствием срабатывает предо­хранительная муфта 4. Следует заметить, что эта мера, полезная для привода ротора, оказывается вредной для сцепного устрой­ства, поскольку при срабатывании муфты предельного момента ротор останавливается, а гусеничные тележки продолжают дви­жение, перегружая сцепное устройство. Если во время не от­ключить ходовой механизм, то нагрузки на сцепном устройстве будут возрастать до наступления буксования гусениц. Учитывая подобные ситуации, за расчетный для сцепного устройства прини­мают режим буксования при упоре ротора в препятствие.

Обычно вращательное движение коленчатого вала дизеля при механической трансмиссии ротора распределяется на два потока — к ротору и ходовому механизму — в коробке 6 передач, которая в этом случае выполняет функцию раздаточного редуктора.

Кинематические схемы группового механического привода от­вального конвейера представлены на рис. 13.9, б и в. Из-за не­синхронного врашения зубчатых венцов ротора, обусловленного дифференциальным распределением движения, трансмиссию при­вода конвейера подключают к ротору только с одной его сто-, роны — от вала 3. Иначе, при подключении редуктора 4 или 8 привода конвейера к обеим частям приводного вала разветвленная ранее кинематическая цепь оказалась бы блокированной и уста­новка дифференциального механизма в трансмиссии ротора поте­ряла бы смысл.

В двухсекционном конвейере цепными передачами 6 от раз­даточного редуктора 4 (рис. 13.9, б) или карданными валами 9 с коническими редукторами 10 от редуктора 8 (рис. 13.9, в) одно­временно приводятся три его барабана — два концевых и один промежуточный на границе питающей и отвальной секций. При­вод криволинейного конвейера выполнен по схеме, приведенной на рис. 13.9, б, но лишь на один барабан 7. Отбор мощности

через конический 4 или цилиндрический 8 редукторы от одной ветви разделенной на два потока трансмиссии обусловливает при наличии дифференциального механизма в редукторе 8 (см. рис. 13.8, б) неодинаковую загрузку зубчатых венцов ротора. Полученный после дифференциального механизма крутящий мо­мент на валу 5 (см. рис. 13.9, б и в), не соединенному с редукто­ром 4 или 8, будет полностью передаваться на приводимый им зубчатый венец ротора. В другой ветви такой же момент на валу 3 распределится между приводимым последним зубчатым венцом и редуктором 4 или 8. Следствием является большая загрузка венца, приводимого валом 5, по сравнению с загрузкой второго венца. По мере изнашивания более нагруженной пары приводная шестерня—зубчатый венец редуктор 4 или 8 присоединяют к ва-лу 5. В приводе по схеме, показанной на рис. 13.9, в, реализуемом на экскаваторах большой мощности, цилиндрический редуктор 8 выполнен двухскоростным, что обеспечивает работу конвейера на пониженной и повышенной скоростях в зависимости от проч­ности разрабатываемого грунта и связанной с этим требуемой производительности конвейера.

Для привода механизмов подъема (опускания) рабочего обо­рудования, отвальной секции двухсекционного конвейера, допол­нительной задней опоры (на тяжелых моделях экскаваторов) используют системы объемного гидропривода с нерегулируемыми насосами и исполнительными гидроцилиндрами. Принципиальные схемы этих систем не отличаются от известных какими-либо особенностями и поэтому здесь не рассматриваются.

13.5. ФРЕЗЕРНЫЕ ЭКСКАВАТОРЫ

Фрезерные экскаваторы предназначены для разработки узких траншей в грунтах мерзлого и немерзлого состояния, а также для нарезания щелей в мерзлых грунтах с целью их по­следующей разработки другими землеройными машинами.

Рабочий орган фрезерного роторного экскаватора выполнен в виде ротора 4 (рис. 13.11), вращающегося на неподвижном вну­треннем диске 6, закрепленном на раме 2. Последняя шарнирно соединена с тягачом 7 по навесной схеме. Грунт разрабатывают зубьями 5, закрепленными непосредственно на роторе 4 и рас­ставленными на нем по схеме, подобной представленной на рис. 12.7, б, реализующей способ крупного скола. Эти же зубья выносят грунт на поверхность. Дно траншеи зачищают от невы­несенного из нее грунта подборным щитом 3 (см. рис. 13.11), который подгребает грунт к ротору, где зубья увлекают его и выносят на поверхность.

Привод фрезерных экскаваторов выполнен по одной из рас­смотренных ранее схем, включая гидравлический привод ротора от высокомоментного гидромотора 1.

Рис. 13.11. Конструктивная схема фрезерного роторного экскаватора

13 β ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО И РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ТРАНШЕЙНЫХ ЦЕПНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

Конструктивная схема рабочего оборудования траншей­ного цепного экскаватора (рис. 13.12) и способ разгрузки грунта на отвальный конвейер 4 позволяют располагать последний на тягаче /, благодаря чему упрощается кинематическая схема его привода. Вместе с тем для этого требуется достаточных размеров площадка в задней части тягача, что предопределяет использова­ние в качестве тягачей этих экскаваторов трелевочных тракторов со сдвинутыми в переднюю часть силовой установкой и кабиной или разработку специальных тягачей с компоновкой узлов и агрегатов, подобной описанной

Рабочее оборудование включает цепной рабочий орган с актив­ными цепными откосниками Его соединяют с тягачом по навес­ной схеме, например, с помощью коромысел 3 к 5, шарнирно закрепленных на раме тягача и на раме 7 рабочего оборудования Качание коромысла 3 относительно шарнира на раме тягача при подъеме и опускании рабочего оборудования обеспечивается ги­дроцилиндрами 2 Система, состоящая из рамы рабочего оборудо­вания, которая выполняет в этом случае функции шатуна, рамы тягача (стойки), коромысел 3 и 5, гильзы и штока гидроцилин­дра 2, представляет собой шестизвенный двухкоромысловый меха­низм второго класса второго порядка по классификации И И Ар­тоболевского, подобный механизму поворота ковшей гидравличе­ских обратных лопат. Полностью выдвинутые штоки гидроцилин­дров соответствуют рабочему положению рабочего оборудования, установленного на максимальную глубину разрабатываемой тран­шеи, а полностью втянутые штоки — его транспортному положе­нию. Для разработки траншей меньшей глубины штоки выдви­гают частично

Рабочий орган цепного экскаватора может быть ковшовым (см. рис. 12 1, б) или бесковшовым с комбинированными рабочими элементами (см. рис. 12 1, в), состоящими из арочного козырька 4 с резцами 2 и скребков 11 для выноса на поверхность отделенного от массива грунта При этом на каждом таком комбинированном рабочем элементе заслонку устанавливают перед резцами, а вы­носимый ею грунт отделяется от массива резцами предшеству­ющего рабочего элемента Такая компоновка не отражается на процессе копания грунта, но обеспечивает более удобную его раз­грузку на отвальный конвейер

Ковшовым рабочим органом отделенный от массива грунт вы­носится на поверхность ковшами и переносится ими от дневной поверхности к зоне разгрузки, где в процессе поворота ковша 7 (см. рис. 12 6, в) вместе с приводной звездочкой 6 грунт высы­пается на отвальный конвейер 2, который, как и в роторных экскаваторах, перемещает его в поперечном направлении и отсы­пает с одной стороны траншеи. Грунт, вынесенный на поверх

Рис. 13.12. Конструктивная схема траншейного цепного экскаватора

Рис. 13.13. Кинематическая схема привода рабочего органа и ходового устрой­ства траншейного цепного экскаватора:

1 — гидромотор привода ходового устройства; 2 — распределительная коробка; 3 — муфта; 4 — дизель; 5 — насос привода отвального конвейера, 6 — насос привода ходо­вого устройства, 7, 9 и 17 — угловые редукторы; 8 и 16 — карданные валы; 10 — веду­щая звездочка рабочего органа, 11 — приводной вал, 12 — ведущая звездочка ходового устройства; 13 — бортовой редуктор; 14 — задний мост; I5 — коробка передач

ность заслонкой комбинированного рабочего элемента 8 (см. рис. 12.6, г), перемещается далее к зоне разгрузки по лотку 6 (см. рис. 13.12), являющемуся как бы продолжением траншеи. У верхнего обреза лотка грунт свободно ссыпается на конвейер. По сравнению с роторными экскаваторами на цепных машинах отвальные конвейеры устанавливают несколько выше, что позво­ляет им разгружаться как в отвал, так и в транспортные средства, когда по условиям организации работ вынутый из траншеи грунт следует удалить из зоны строительства.

Рис. 13.14. Приводной барабан конвейера цепного траншейного экскаватора

Для привода рабочего органа цепного траншейного экскава­тора (рис. 13.13) использованы механические передачи, а для привода конвейера — гидравлическая трансмиссия. Конвейерные барабаны 3 (рис. 13.14) приводят через встроенные в них плане­тарные редукторы 2 от быстроходных гидромоторов /, питаемых рабочей жидкостью от насоса 5 (см. рис. 13.13). Передвижение экскаватора на транспортных скоростях обеспечивается через

Ρис 13.15. Конструктивная схема скребкового экскаватора на базе пневмоко-лесного трактора (а) и кинематическая схема привода рабочего органа (б)

механические передачи непосредственно от дизеля 4, а на рабочих скоростях — от гидромотора 1, питаемого от насоса 6.

Траншейные цепные экскаваторы с рабочим органом скребко­вого типа (см. рис. 12.1, г) изготовляют на базе колесных трак­торов 4 (рис. 13.15, а). Их применяют для рытья траншей в грун­тах категорий / и // без каменистых включений. Колесная трак­торная база обеспечивает этим экскаваторам высокую мобиль-ность, что делает их весьма эффективными при выполнении не­больших объемов работ на рассредоточенных объектах. Установка в передней части базового трактора бульдозерного отвала 6, управляемого гидроцилиндрами 5, придает этим экскаваторам большую универсальность, позволяет выполнять одной машиной весь комплекс земляных работ при рытье траншей, включая пред­варительную планировку полосы отвода, рытье траншеи и за­сыпку ее после монтажа подземных коммуникаций.

Рабочий орган 2 скребкового типа соединяют с тягачом по на­весной схеме с гидравлическим управлением его положением посредством гидроцилиндра 3. На рабочий орган мощность отби­рают от вала 9 отбора мощности в задней части трактора и пере-

Рис. 13.16. Рабочий орган скребкового эк­скаватора

дают через систему зубчатых колес, объединенных редуктором 10, приводной звездочке 7. Для предохранения рабочего органа от перегрузок в трансмиссию его привода включена предохрани­тельная муфта 8, а для повышения его избирательной способности редуктор 10 выполняют двухскоростным с рычагами управления, выведенными на корпус редуктора.

При передвижении на транспортных скоростях используют тракторную трансмиссию, а в рабочем режиме — ходоуменьши-тель с гидравлическим приводом, подобный описанному ранее для роторных и цепных экскаваторов. В рабочем режиме перемеща­ющиеся снизу вверх резцы 2 (рис. 13.16) отрывают грунт от мас­сива, а скребки 1 выносят его на поверхность, где он отодвигается в стороны от траншеи винтовым конвейером (шнеком) 5, приводи­мым через звездочку 4 от рабочей цепи 3. Для зачистки дна тран­шеи от осыпающегося грунта применяют щит / (см. рис. 13.15, а).

13.7. ОБЩИЙ РАСЧЕТ ТРАНШЕЙНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

Общим расчетом определяются граничные значения основных параметров экскаватора, обеспечивающие его функцио­нирование в заданных расчетных условиях эксплуатации. На ста-дии проектирования экскаватора эти параметры используют как Для непосредственного выбора по ним комплектующего оборудо­вания, например, для выбора двигателя по найденной мощности силовой установки, так и в качестве исходных для последующих

кинематических, прочностных и т. п. расчетов узлов и механизмов экскаватора. Найденные основные параметры экскаватора должны удовлетворять эксплуатационным требованиям, отражающим спе­цифику рабочего процесса экскаваторов и их принципиальные особенности устройства. В общем случае для роторных и цепных экскаваторов эти требования различны, что предопределяет раз-личие подходов в определении основных параметров.

Геометрические размеры экскаваторов и их узлов оконча­тельно вычисляют на завершающей стадии расчетов и проработки их конструкций. Однако некоторыми из них предварительно за­даются, поскольку они входят в расчеты в качестве исходных данных. После выполнения расчетов и конструкторской прора­ботки размеры уточняются. При значительных отклонениях полученных размеров от исходных расчеты следует повторить.

В качестве исходных при общем расчете траншейных экскава­торов задаются теоретической производительностью П₀ (м³/ч), расчетным грунтом, характеризуемым удельным сопротивлением копанию R₁ (кПа), плотностью ρ (т/м³) и коэффициентом разрых­ления R_p, максимальной Hmах (м) и минимальной Нmin (м) глу­биной разрабатываемых траншей, их шириной В (м) по дну; при разработке траншей с откосами — их шириной В₁ (м).

Теоретическая производительность экскаватора П₀ связана с площадью F_TP (м²) поперечного сечения траншеи и скоростью v_n (м/ч) подачи соотношением

п₀ = f_tpv_п·

(13.5)

Согласно этому соотношению минимальная и максимальная скорости подачи, соответствующие максимальной F_TPmax и мини­мальной Fтрmin площадям поперечных сечений траншеи при за­данной производительности и расчетном грунте, определятся как

fmax (min) =П₀/F_{тp max (min)}·

(13.6)

Отношение v_пmax/v_пmln, называемое диапазоном регулирова­ния скоростей подачи, является важной характеристикой области использования траншейного экскаватора в зависимости от кон­кретных условий (грунтовых и технологических). С увеличением этого отношения расширяется диапазон категорий грунтов, кото­рые могут быть разработаны траншейным экскаватором при опре­деленной площади поперечного сечения траншеи. Важное значе­ние здесь имеет минимальная скорость подачи, которую, с целью разработки прочных грунтов, назначают по возможности меньшей. При бесступенчатом регулировании скоростей подачи, например в случае регулируемого объемного гидропривода, эти скорости могут изменяться от нуля. В этом случае понятие диапазона регу­лирования не имеет смысла. Диапазон дискретного регулирова­ния скоростей подачи для выпускаемых отечественной промыш-

леннистью роторных экскаваторов составляет 4,2—10, а для цепных - 9,2—39,3.

Второй важной характеристикой вариации скоростей подачи является избирательная способность трансмиссии ходового уст­ройства, оцениваемая числом возможных скоростей и характером их распределения по всему интервалу их изменения. При разра­ботке траншей определенных размеров поперечного сечения, за­данных в соответствии с технологическими требованиями, крутя­щий момент на валу двигателя и потребляемая мощность будут изменяться в зависимости от категории разрабатываемого грунта. Для достижения наибольшей производительности скорость подачи следует назначать наибольшей, соответствующей полному исполь­зованию установленной мощности двигателя. Для этого транс­миссия ходового устройства экскаватора должна обладать соот­ветствующей избирательной способностью. Лучшей по этому показателю является трансмиссия с бесступенчатым регулирова­нием скоростей. В случае же их дискретного регулирования луч­шей будет трансмиссия с большим числом возможных передач.

Заимствуя методы теории автомобиля, в которой ряд ско­ростей подчиняется закону геометрической прогрессии, знамена­тель последней определяют как

(13.7)

где т — число скоростей; после чего каждую R-ю промежуточную скорость определяют по формуле

v_пr = v_n.minP^R-1· (13.8)

Число возможных скоростей назначают по результатам пред­варительной конструкторской проработки коробки передач, ходо-уменьшителя и их компоновки с другими узлами трансмиссии. На выпускаемых отечественной промышленностью траншейных экскаваторах число скоростей при дискретном регулировании составляет 6—12. На зарубежных экскаваторах оно достигает 36. Максимальные значения скоростей варьируются в пределах 250— 590 м/ч.

Заданная производительность траншейного экскаватора обес­печивается выносной способностью рабочего органа, которая в случае роторного экскаватора выражается через его геометри­ческие характеристики формулой

П₀ = 15πn [(D_K - δ_κ)² - (Di + δ₀)²] b_кR_фR_фR_н/R_ρ, (13.9)

где η — частота вращения ротора, мин^-1; D_K и D_t — диаметры ротора соответственно по передним кромкам ковшей и по беговым Дорожкам, м (рис. 13.17); б_к — толщина лобовой стенки ковша, м; δ₀ — толщина обечайки, предохраняющей от просыпания грунта в полость ротора, м; b_к — ширина ковша в свету, м; R_ф — коэф­фициент использования шага ковшей; R_ф — коэффициент формы ковша; R_H — коэффициент наполнения ковшей.

Рис. 13.17» Схема к определению геометрических параметров ротора траншейного экскаватора

Размеры D_K и D_i должны удовлетворять требованиям про­цесса рытья траншей заданной максимальной глубины H и воз­можности расположения конвейера в полости ротора над продоль­ными балками рамы рабочего оборудования. Размер b_к назначают из условия обеспечения рытья траншей заданной ширины В по дну без возможного контакта торцовых поверхностей зубча­того венца ротора с боковыми стенками траншеи. Толщины стенки ковша б_K и обечайки 6₀ определяют конструкторской прора­боткой.

Коэффициент R_ф есть отношение центоального угла φ_п, опре­деляющего положение поперечной балки, соединяющей опорные кольца ротора, относительно режущей кромки ковша, к шаго­вому углу ковшей φ_κ = 2л/z (z — число ковшей на роторе):

R_φ =φ_п/φ_к-

В среднем Rφ = 0,6—0,7.

Коэффициент Rф формы ковша учитывает снижение его вме­стимости вследствие наклона задней стенки к траектории движе­ния режущей кромки (угол 8), закругления в задней части ковша, где для лучшей опорожняемости применены цепные маты, а также закругления передней стенки ковша в поперечном направлении. Угол θ принимают не ниже максимальной кинематической по­правки, на которую уменьшается угол резания в верхней части забоя. Для современных экскаваторов этот угол составляет 4—8°, а соответствующий ему коэффициент формы ковша Rф = 0,65 —0,7 в зависимости от конструкции последнего. Меньшие значения принимают для ковшей арочной, а большие — для ковшей П-об-разной формы.

Коэффициент R_H наполнения определяется отношением фак­тического объема грунта, разгруженного из ковша, к геометриче­ской вместимости последнего. Им учитываются потери грунта вследствие его просыпания через цепные маты после выхода ковша

из забоя, а также уменьшение вместимости из-за налипания грунта на стенки ковша. В среднем R_H = 0,8—0,9 (меньшие значения для мелкофракционных сыпучих, а также липких грунтов, боль­шие— для сыпучих кусковатых грунтов).

Поскольку приведенные размеры D_K, D_i и Ь_к определяются лишь после конструкторской проработки ротора, то формулу (13.9) следует считать проверочной для принятия решения о пригод­ности полученных размеров для обеспечения заданной производи­тельности. Предварительно, по данным статистической обработки размеров существующих экскаваторов, диаметр ротора по режу­щим кромкам зубьев назначают по отношению D₀/H = 1,74—1,81. В отдельных случаях эти пределы могут быть расширены до 1,53—1,94 (меньший для разработки узких, больший —для раз­работки широких траншей). Размер D₀ связан с диаметром D_K соотношением

D₀ = D_K + 2l sin α,

где l — длина зуба, для экскаваторов легких и тяжелых моделей

l = 150—200 мм; α — угол резания в нижней точке забоя, а ~ ~ 45°.

Кинематической характеристикой роторного рабочего органа служит частота η (мин^-1) вращения ротора, которая связана с окружной скоростью v_окр (м/с) соотношением

η = 60v_OKp/(π D₀). (13.10)

С погрешностью, не превышающей 8% (при разработке легких грунтов), окружную скорость можно отождествить со скоростью резания. Для тяжелых грунтов эта погрешность не превысит 2%. По условиям динамического нагружения ротора, пропорциональ­ного квадрату скорости резания, последнюю ограничивают 1,5—

2 м/с.

Число устанавливаемых на роторе ковшей определяют через число n_p (мин-¹) разгрузок и частоту η вращения ротора по фор­муле

z = n_p/n. (13.11)

Число разгрузок в зависимости от теоретической производи­тельности экскаватора рекомендуется принимать по диаграмме, приведенной на рис. 13.18, а [18]. Найденное число ζ округляют до целого четного числа при двухгрупповой и кратного трем при трехгрупповой расстановках зубьев на роторе. На рабочих орга­нах отечественных траншейных роторных экскаваторов устанав­ливают 10—18 ковшей. На широких роторах число ковшей, уста­новленных в два ряда со сдвигом одного относительно другого на полшага, удваивается.

Вместимость ковша определится из условия выноса грунта из траншеи по формуле

q = П₀Rp/(60nzRн) (13.12)

или по графику (рис. 13.18, а).

Рис. !3.!8. Диаграммы рекомендуемых зон числа N_р разгрузок и теоретической производительности П₀ роторных (а) и цепных (б) траншейных экскаваторов при работе в грунтах:

/ — сыпучих, 2 — малосвязных, 3 — среднесвязных; 4 — свя и χ вязких; 5 — очень вязких

По аналогичным диаграммам (рис. 13.18, б) в зависимости от производительности экскаватора назначают число разгрузок и вместимость ковшей цепных экскаваторов. Скорость v_ц движе­ния цепи с погрешностью не более 1,5—17% можно отождествить со скоростью резания, которую по причине ограничения динами­ческого нагружения принимают равной 0,3—1,25 м/с (меньшее значение для тяжелых, большее — для легких грунтов). По сравнению с роторными экскаваторами уровень этих пределов снижен в 5—1,6 раза в соответствии с требованиями устойчивой работы многозвенной гибкой ковшовой цепи. Заметим, что на большинстве моделей цепных экскаваторов применяются двух-, а в отдельных случаях — трехскоростные режимы движения цепи (меньшие значения скоростей для разработки тяжелых, боль­шие — для разработки легких грунтов). Отношение большей ско­рости к меньшей составляет 1,5—2,8 для отечественных и 2,3— 2,6 — для зарубежных машин. Следует отметить большую ста­бильность этого отношения у зарубежных машин, а также более низкий уровень максимальных скоростей v_ц, составляющий 56— 85% соответствующего уровня для отечественных экскаваторов.

Шаг Т (м) ковшей определяют из условия обеспечения требуе­мого числа разгрузок n_р при заданной скорости цепи (м/с):

T = 60v_ц/n_p. (13.13)

Этот размер корректируют впоследствии по шагу цепи, при­нимая его кратным последнему.

В конструкциях цепных рабочих органов траншейных экска­ваторов используют в основном тяговые разборные или пластин­чатые цепи. Их выбирают по разрывному усилию S_Р, которое принимается на 10—30% выше расчетного усилия S. Последнее определяют по номинальной мощности N_ДB двигателя. Если дви­гатель еще не выбран, то сначала по заданной теоретической производительности и удельному сопротивлению расчетного грунта

13.1. Примерное распределение мощности (%) траншейного цепного экскаватора

Потребители	При глубине траншеи, м
	до 3	3-5	более 5
Рабочий орган	72—84	69—81	65—77
Отвальный конвейер	12—16	15—21	20—26
Ходовое устройство	6—10	5—9	4—8

копанию R₁ (кПа) (табл. 3.1) определяют требуемую мощность (кВт) двигателя по эмпирической формуле

Ν_дв = (1,2 — 1,4) 10-³ (П₀R₁ + 2600)

(13.14)

(меньшие значения коэффициента пропорциональности соответ­ствуют большей производительности), которую распределяют по потребителям согласно табл. 13.1.

С учетом неравномерной загрузки каждой из двух цепей рас­четное усилие в более нагруженной цепи определяют по формуле S = 0,6N_p.₀/v_ц (N_{p. о} —мощность, затрачиваемая на привод рабочего органа).

Размеры ведущих звездочек и ковшей определяют конструк­торской проработкой, принимая число зубьев звездочки рав­ным 6—12. Для возможности применения очистителей заднюю стенку ковша выполняют цилиндрической с направляющей окруж­ностью, описанной из центра на оси вала ведущего барабана (звез­дочки) (рис. 13.19). По полученной форме ковша подсчитывают его вместимость, которую сравнивают с полученной по диаграмме на рис. 13.18, б. Кроме того, с учетом естественного откоса опре­деляют максимальный объем грунта, вынесенного ковшом, а по этим результатам — наибольший коэффициент наполнения ковша. Выносная способность Q рабочего органа должна удовлетворять расчетной производительности эксковатopa:

q = 3600qR_нv_ц/T => П₀R_P.

(13.15)

Полученные размеры ковша и шаг T проверяют, кроме того, по условию свободной разгрузки грунта через заднюю стенку без пересыпания в движущийся следом ковш. Разгрузка сыпучего грунта начинается с момента, когда в процессе обхода ковшом ведущего барабана (звездочки) поверхность грунта в ковше, обра­щенная внутрь рабочего органа, займет положение естественного откоса. Чтобы исключить пересыпание грунта через приводной вал, его разгрузка должна закончиться не позже, чем ковш займет положение I (рис. 13.19), когда его передняя кромка окажется примерно на одной вертикали с осью приводного вала. Условие

не зависит от шага ковшей и удо­влетворяется при назначении скоро­сти цепи в соответствии с приве­денными рекомендациями. Эти ско­рости практически не влияют на отклонение разгружающихся частиц грунта от отвесной траектории, а потому грунт не попадет в дви­жущийся следом ковш, если к этому времени передняя кромка послед­него будет находиться правее вер­тикали, проходящей через ось при­водного вала.

Рис. 13.19. Схема к объяснению гравитационной разгрузки грун­та без пересыпания в следом движущийся ковш

На рис. 13.19 для ковша, идущего следом, граничным по этому условию будет положение //, Увязывая его с шагом цепи и в соответствии с взаимным положением ковша и звена цепи, к которому он крепится, пере­местим ковш в положение ///. Расстояние между одноименными

точками звеньев, на которых закреплены смежные ковши, из­меренное на прямолинейном участке цепи, определит шаг ковшей. В нашем случае он равен шестикратному шагу цепи.

В комбинированных рабочих органах опасности пересыпания грунта, подобной рассмотренной, не существует. Но в этом случае при компоновке перегрузочного узла лоток—отвальный конвейер для обеспечения нормального режима работы следует увязать между собой высоту выносной заслонки, скорость ее движения, поперечные размеры отвального конвейера и его расположение относительно лотка.

Определим энергетические параметры работы траншейного экскаватора. При известных размерах поперечного сечения грун­товой стружки в заданном расчетном грунте сопротивления его отделению от массива могут быть достаточно точно определены по методу Ю. А. Ветрова [23]. Сложность решения задачи заклю­чается в вычислении размеров боковых расширений грунтовой прорези, которая зависит от толщины среза, переменной по дуге забоя для роторных и постоянной на большей части рабочей зоны для цепных экскаваторов. Более простые решения получаются по методу Н. Г. Домбровского [18], который предложил для практических целей определять касательную составляющую P₀₁ сопротивления грунта копанию для экскаваторов непрерывного действия так же, как и для одноковшовых экскаваторов, по фор­муле (3.6), в которой под с следует понимать некоторую условную толщину стружки, приходящуюся на ковш (см. ниже). При тон­ких стружках (с < 0,024 м) удельное сопротивление грунта

копанию предложено определять двучленом

R₁ = R₀ +(A₁/c)^1/2. (13.16)

где R_o. a₁ — характеристики грунта, приведенные в табл. 13.1.

Первое слагаемое в этой зависимости имеет тот же смысл, что

и удельное сопротивление R₁ грунта копанию. При с => 0,024 м

R₁ =R₀·

Толщина стружки, приходящаяся на один ковш, зависит от

траектории движения последнего. Для роторного экскаватора при постоянном отношении скоростей подачи и относительного враще­ния ротора эти траектории представляются удлиненными циклои­дами (трохоидами) (рис. 13.20, а), показанными на участке взаимо­действия с забоем сплошными 1, а вне этой зоны — штриховыми линиями. За время одного оборота ротора некоторая -точка на режушей кромке зуба, двигаясь по траектории 1 с относительной угловой скоростью ω, переместится из положения А₁ в положе­ние A₂. За то же время ротор переместится из положения / в по­ложение //, пройдя путь S₀ с переносной скоростью v_п. Переме­щение S₀ соответствует одному рабочему циклу ковша (зуба) с периодом T = S₀/v_п = 2π/ω.

рис. 13.20. Траектории движения режущих кромок з\бьев траншейного ротор­ного экскаватора (а) и схема к определению толщины стружки (б)

Траектории движения режущих кромок всех установленных на роторе зубьев представляются идентичными кривыми, располо­женными в плоскостях движения зубьев и сдвинутыми одна отно­сительно другой в продольном направлении соответственно их взаимному расположению на роторе. Так, траекторией точки В, которая в положении ротора / совпадала с точкой В₀, будет трохоида 2 (показана только ее забойная часть). Эта точка, пере­мещаясь в относительном движении перед точкой А, занимала самое нижнее положение B₁ удаленное от точки A₁ на расстоя­ние с₀, на которое переместится ротор при его повороте на угол φ₀ между радиусами-векторами точек A₁ и В₀ в системе отсчета, связанной с ротором. Эти величины связаны между собрй и ско­ростями v_п и ω соотношением с₀/v_п = φ₀/ω.

Рис. 13.21. Теоретический (/) и фактиче-ский (2) графики изменения сопротивле-ния Р₀₁ по дуге забоя траншейного ротор, ного экскаватора

Очевидно, что при сдвиге ли­нии 2 в направлении скорости ι на расстояние с₀ она совпадает с линией 1. Пусть линии 1 и 2 будут траекториями движения режущих кромок двух смежных зубьев, движущихся по одному следу. При этом траектория 2 образуется с опережением траектории 1. После прохода зуба л по всей дуге забоя он отделит от последнего элемент грунта, ограниченный линиями 1 и 2 (на рис. 13.20, α заштрихован гори­зонтальными линиями). Толщина с стружки в любом положе­нии А зуба определится отрезком нормали к линии 1, заключен­ным между последней, и линией 2. Точное ее определение гро­моздко, и из-за малости (на один-два порядка) скорости ν по сравнению с окружной скоростью ωR (R — радиус окружности режущих кромок зубьев) для практических целей вполне пригодно приближенное значение, полученное после замены треугольника со сторонами с₀ и с при вершине А с криволинейной третьей сто­роной треугольником с тремя прямыми сторонами (рис. 13.20, б)·

с = с₀ sin φ, (13.17)

где φ — текущий угол поворота зуба, отсчитываемый от исход­ного положения α₁-

Если под φ₀ понимать угол между двумя смежными ковшами, то значение с₀ определит подачу, соответствующую повороту ротора на этот угол, а формула (13.17) окажется пригодной для определения условной толщины стружки, приходящейся на один ковш. С учетом зависимостей (13.16) и (13.17) определим каса­тельную составляющую сопротивления грунта копанию как воз­растающую функцию координаты φ:

P₀₁ = R₁Bc = В (R₀c₀ sin φ +(A₁с₀ sin φ)^1/2 ). (13.18)

График этой функции представлен на рис. 13.21 кривой 1.

Согласно зависимости (13.18) сопротивление Р₀₁ представ­ляется касательным к окружности ротора по режущим кромкам зубьев. Более строго его следовало бы принимать касательным к траектории движения режущих кромок. Однако из-за малости скорости подачи по отношению к окружной скорости различие в этих представлениях при иных формах траекторий движения режущих кромок будет несущественным.

Как установлено экспериментально, осредненное значение функции P₀₁ = P₀₁ (φ) подчиняется закону (13.18) до определен­ного значения φ = φ_l после которого наблюдается ее падение практически до нуля при φ = φ_3aб, соответствующем выходу зубьев из забоя. Это явление объясняется тем, что при подход

режущего инструмента к дневной поверхности существенно изме­няется геометрия граничных поверхностей, по которым грунт отделяется от массива, а также вид деформаций грунта по этим поверхностям с преобладанием отрыва, менее энергоемкого по сравнению со сдвигом, имеющим место на остальной части траек­тории. График предполагаемой фактической функции Р₀₁ = = P₀₁ (φ) представлен на рис. 13.21 кривой 2, которую для по­следующего анализа удобно представить двумя синусоидами, сопряженными в точке φ = φ_заб λ при Р₀₁ = P₀₁ max:

(13.19)

Работа одного ковша за одну операцию копания будет пропор­циональна площади, ограниченной этими синусоидами и осью абсцисс, и определится как

А_{к коп} = P_{01 max} D₀φ_3аб/π (13.20)

Как и прежде, через D₀ здесь обозначен диаметр ротора по режущим кромкам зубьев. Значение P₀₁max предполагается при­нимать по данным натурных изменений, а при их отсутствии — с некоторым запасом по формуле (13.18) при φ = π/2.

За один оборот ротора такую же работу выполнит каждый из ζ ковшей, установленных на роторе. При продолжительности одного оборота, равной 60/n, затрачиваемая на копание грунта ротором мощность составит

Nкоп = A_{к коп}Zn/60. (13.21)

При рытье траншей с откосами пассивными откосниками преодо­леваются сопротивления отделению грунта в боковых расшире­ниях, для чего расходуется часть энергии привода ходового устройства. Методика расчета этих потерь будет изложена ниже при рассмотрении сопротивлений подаче.

Мощность, затрачиваемая на подъем открытого ротором грунта,

Nпод=FоРg (H/2+ Hв)v_п, (13.22)

где F₀ — площадь поперечного сечения траншеи (без откосов); g — ускорение свободного падения; H_в — высота выгрузки (от уровня дневной поверхности до центра масс грунта в ковше в положении выгрузки — см. рис. 13.3). Здесь и далее скорость подачи v_п в м/с.

При работе с откосниками отделенный от массива грунт из бо­ковых расширений обрушивается вниз, где подхватывается ков­шами и выносится ими к месту выгрузки. Предположим, что обрушенный на длине 1 м траншеи грунт объемом в разрыхленном состоянии V_от — FоткRp (Fотк — площадь поперечного сечения боковых расширений траншеи, образованных откогниками) обра-

зует на дне траншеи слой высотой Н₁ = V_oтк/(BR). Коэффициент R здесь учитывает заполнение площади рабочим органом, а также неравномерность распределения обрушенного грунта на расчет­ной длине траншеи, R = 0,7—0,8.

Мощность, затрачиваемая на захват части грунта и вынос его к месту выгрузки,

N'_под = F_οτκν_π [R₁R_P + pg(H + П_в - П₁/2)]. (13.23)

Первым слагаемым в квадратных скобках учитывается захват грунта ковшом как разработка разрыхленного грунта, характе­ризуемого удельным сопротивлением копанию k\. Значение по­следнего принимают по табл. 3.1 обычно с понижением катего­рии на один разряд по отношению к неразрыхленному грунту.

При транспортировании грунта на выгрузку преодолеваются силы его трения о запорную обечайку (см. рис. 12.6, а). Есте­ственно считать, что эти сопротивления возникают только при контакте грунта с обечайкой и имеют место в верхней части траек­тории движения ковшей до места их выгрузки. В общем балансе энергетических затрат для привода ротора на преодоление этих сопротивлений расходуется до 2% энергии, в связи с чем в при­ближенных расчетах ими можно пренебречь.

Наконец, затраты мощности на разгон грунта до скорости вращения ротора

(13.24)

N_СК = Fv_nPR²_u. _Mπ²n²/1800,

где F — площадь поперечного сечения траншеи с откосами или без них; R_{ц м} — радиус вращения центра масс грунта в ковше, приближенно R_ц._M = (D₀ + D_t,)/2, здесь D_t —внутренний диа­метр кольца ротора, см. рис. 13.17.

Обычно эти затраты энергии на порядок ниже энергии, затра­чиваемой на преодоление основных сопротивлений — отделение грунта от массива.

Средняя мощность привода ротора

N_p = (Nкоп + Nпод + N'_ПОД + N'_ck)/(η_ρη_ορ), (13.25)

где η_ρ и η_ορ — КПД соответственно привода ротора (определяется в соответствии с кинематической схемой) и опорно-направляющего устройства, η_ορ = 0,8—0,85.

При рытье траншей без откосов N'_под = 0, а в формуле (13 24) F = F₀.

Методика расчета мощности привода отвальных конвейеров предопределяется особенностями их устройства и режимов работы, описанными в п. 13.3. Затрачиваемая на привод отвального конвейера мощность

n_kohb = (Nпод + N_CK +N_тр._щ + N_тр.ф +N_рол)/η_конв (13.26)

где N_под, N_Cк, N_тр.щ. N_тр.ф, N_poл, — затраты мощности соот­ветственно на подъем грунта при перемещении по криволиней-

ному конвейеру или наклонной отвальной секции двухсекцион-ного конвейера, разгон грунта от нулевой до конечной скорости на сходе с конвейера, преодоление сил трения грунта о боковые щитки и фартуков о ленту, преодоление сопротивлений качению опорных роликов при перемещении по ним конвейерной ленты, а также грунта на ней; η_конв — КПД привода конвейера.

Перечисленные составляющие мощности N_конв определяют по эмпирическим формулам:

Nпод = Qpg H; N_CK = Qpv_r²/2,

n_{тр. ш} = (13,6 - 9,4b) Q²v_n ; N_{TP ф} = 15Qv_л/(v_rb),

Nрол = (QpTR_бшi + m_Jl)gv_лlω, (13.27)

где Q — производительность отвального конвейера, м³/с, Q = = ПоRр/3600; Н — разность высотных отметок схода и поступ­ления грунта на конвейер; v_г — скорость схода грунта с кон­вейера; b — ширина активной части грунтового потока (см. рис. 13.2); v_л — скорость движения конвейерной ленты; Т -^ период полного перемещения грунтовых частиц от поступления на конвейерную ленту до схода с нее, Т ~ 2L_K/v_r (L_K — общая длина пути транспортирования грунта по конвейеру от продоль­ной оси симметрии разгружающихся ковшей до точки схода грунта с разгрузочного барабана); R_б._щ — коэффициент, учиты­вающий неподвижную и слабоподвижную массу грунта в зоне боковых щитков, R₆._Щra = (b_л + h/tg a)/b — 1 [h — средняя вы­сота грунтового слоя на конвейерной ленте; α — угол наклона боковых щитков к плоскости конвейерной ленты (см. рис. 13.2)]; m_л — масса конвейерной ленты и грунта на ней; ω — коэффи­циент сопротивления опорных роликов, для роликов на подшип­никах качения ω = 0,03—0,04.

Параметры привода ходового устройства рассчитывают для двух режимов: рабочего и транспортного. Основным расчетным вариантом рабочего режима является передвижение тягача по прямой на горизонтальном участке на расчетной скорости υ_π. _расч подачи, соответствующей заданной производительности П₀, при рытье траншей полного профиля в расчетном грунте. Расчетную скорость подачи определяют по формуле (13.6) как минимальную v_п.расч = v_{п mim}· В этом режиме общее сопротивление пере-Движению складывается из внутреннего сопротивления ходового механизма W_BH, сопротивления качению W_K и полезного сопро­тивления на рабочем органе W_р. ₀:

W = W_BH+W_K + W_P.₀. (1328)

Первые два из этих сопротивлений рассчитывают по методике, изложенной в гл. 5, но с добавлением к силе тяжести тягача вер­тикальной составляющей сопротивления на сцепном устройстве. Горизонтальной же составляющей этого сопротивления является сила Wро. Таким образом, для решения задачи о сопротивлении

передвижению тягача прежде следует определить указанное со­противление на сцепном устройстве.

Это сопротивление формируется силой тяжести рабочего обо­рудования, включая ротор, отвальный конвейер, заднюю onopy, часть трансмиссии и металлоконструкцию; силой тяжести выно­симого ковшами из траншеи грунта и грунта, перемещаемого от­вальным конвейером; силами сопротивления грунта копанию ков­шами, отделению от массива ножевыми откосниками и захвату ковшами грунта, обрушенного из боковых расширений.

Требуемая мощность для привода ходового механизма

N_x=Wv_{п min}(3600η_x), (13 29)

где η_χ — КПД привода ходового механизма. Двигатель выбирают по суммарной мощности

N_дв = (1,2 — 1,25) (N_p + n_кhohb + N_x), (13.30)

учитывающей 20—25% резерва, используемого для привода устройств отопления и кондиционирования воздуха, системы управления и т. п.

В соответствии с фактической мощностью выбранного двига­теля и с использованием приведенных зависимостей могут быть определены предельные скорости подачи при разработке траншей полного и неполного профилей в грунтах различных категорий.

При разработке траншей с продольными уклонами более не­выгодным будет режим движения на подъем. В этом режиме уменьшатся все составляющие работы (мощности) на преодоление гравитационных сил. Однако из-за незначительного изменения этих величин (до 5% при углах подъема до 18°) в приближенных расчетах эти изменения можно не учитывать. Более существенной будет добавка к горизонтальному сопротивлению, которая в слу­чае навесного рабочего оборудования пропорциональна массе экскаватора:

W_под = m_эg sin a, (13.31)

где α — угол подъема; т_э — масса экскаватора, т.

В транспортном положении мощность двигателя расходуется только на привод ходового механизма. Тяговым расчетом в этом режиме обычно определяют технически возможные скорости передвижения по методике, изложенной в гл. 5.

Особенности расчета энергетических параметров траншейных цепных экскаваторов обусловлены кинематикой движения цеп­ного рабочего органа которое, как и в случае роторных рабочих органов, складывается из движения ковшей или заменяющих их рабочих органов относительно рамы рабочего оборудования (относительное движение) и подачи — перемещения рамы вместе с тягачом (переносное движение). Поскольку оба компонента этого движения прямолинейны, то прямолинейным будет также и резулыирующее движение. Его характеристикой является

скорость Up резания как век­торная сумма относительной скорости — скорости ν_ц дви-жения тяговой цепи и ско­рости v_п подачи (рис. 13.22). Ее модуль

v_p = (v²_ц + v²_п + 2v_цv_п cos α)^1/2,

(13.32)

где a — угол наклона к днев­ной поверхности траектории относительного движения.

Направление скорости ре­зания определяется углом θ отклонения ее от скорости

Рис. 13.22. Схема к определению ско­рости резания и толщины стружки для траншейного цепного экскаватора

(13.33)

Траектории движения режущих кромок зубьев представляются параллельными прямыми, а толщина стружек одинаковая для всех ковшей и равна

с = Т sin θ, (13.34)

где T — шаг ковшей.

В нижней части забоя, до уровня точки А, толщина стружки будет переменной, возрастающей от нуля до значения, опреде­ляемого по формуле (13.34), подобно изменению этой величины на роторном рабочем органе. Однако это отклонение от общей закономерности, описываемой зависимостью (13.34), не окажет существенного влияния на оценку энергетических параметров экскавации грунта цепным рабочим органом и в дальнейшем анализе учитываться не будет.

Используя зависимость (3.6), найдем суммарное сопротивле­ние грунта копанию на цепном рабочем органе

P_01Z = P₀₁z_заб = R_lBcz_заб, (13.35)

где z_заб — число ковшей или заменяющих их рабочих элементов, одновременно отделяющих грунт от массива.

Всегда Zзаб — целое число и в общем случае при заходе ковша в забой дискретно увеличивается на единицу, а при выходе оче­редного ковша из забоя на столько же уменьшается. Средневзве­шенному значению z_{заб. ср} соответствует суммарная толщина стружки

с_Σ = сz_заб._ср, (13.36)

После подстановки которой в выражение для P_{01 σ} вместо произ­ведения Сz_заб получим

Ρ_01ιΣ =R₁ Βc_Σ. (13.37)

Величина с_x представлена на рис. 13.22 перпендикуляром опущенным из точки В (на пересечении плоскости режущих кромок зубьев с дневной поверхностью) на наиболее удаленную от этой точки траекторию движения режущих кромок зубьев

Как и прежде, при с < 0,024 м удельное сопротивление rpyнта копанию r₁ принимается по формуле (13.16). Из-за влияния от-крытой поверхности в конце забоя следует ожидать снижения этого показателя. Однако в результате отсутствия данных, под. тверждающих это предположение, упомянутое снижение зна-чения R₁ в дальнейших выкладках учитывать не будем.

Мощность, затрачиваемая на отделение грунта от массива определится зависимостью

Ν_κοп = Ρ_01Σν_ρ. (13.38)

При рытье траншей с откосами грунт отделяется от массива в боковых расширениях путем «пропиливания» в нем узких прорезей активными откосниками. Цикл работы последних со­стоит из рабочего и холостого ходов. В течение рабочего хода цепь откосника с закрепленными на ней резцами заглубляется в грунт и пропиливает его, двигаясь снизу вверх, а в течение холостого хода она выглубляется из прорези, совершая возвратное дви­жение. Полезная работа совершается только в процессе рабочего хода. При этом энергия затрачивается на преодоление сопротив­лений грунта резанию в условиях двусторонней блокировки. На холостом ходу преодолеваются силы трения движущейся цепи откосника в прорезанной грунтовой щели, а также сопротивление дополнительному расширению последней резцами. Затрачиваемая на привод откосников мощность

n_otk =r₁ FоткVпRбл

(13.39)

где Ri — удельное сопротивление грунта резанию; R_6л — эмпи­рический коэффициент, учитывающий блокировку цепи и резцов в грунтовой прорези, а также потери энергии на перемещение цепи с резцами в узкой прорези в течение холостого хода, в сред­нем R_БJI = 1,9—2,1.

Мощность, затрачиваемую на подъем грунта, вычисляют по формулам (13.22) и (13.23), а на разгон грунта

N_CK=Fpv_nv²_ц/2. (13.40)

Для нековшовых рабочих органов, кроме того, учитываются затраты энергии на трение грунта о грудь забоя

N_tp1 = μFpgv_пH/[2 tg (α-θ)], (13.41)

а также о днище лотка

N_TP2 = μFρgv_пl_лcos (α - θ), (13.42)

где l_л — длина лотка; μ — коэффициент внешнего трения грунта.

Полная мощность, передаваемая цепному рабочему органу:

Nр. о = (Νκοп + Nотк/η отк + Nпод +N'_под + n_ck + N_{Tp 1} +

+ N_Tρ2)/(η_πρ. _ρ. ₀η_{Ρ. ο}), (13.43)

где η_οτκ — КПД привода откосников, включающий потери в шар­нирах кривошипов и коромысла, η_οτκ = 0,83—0,87; η_πρ. _ρ. ₀ — КПД привода рабочего органа определяется по кинематической схеме на участке от двигателя до приводной звездочки; η_ρ. ₀ — КПД рабочего органа, учитывающий потери в подшипниках ведущих и ведомых звездочек, опорных и поддерживающих роликов, а также в шарнирах тяговой цепи при огибании звез­дочек и изгибах при передвижении, η_ρ. ₀ =0,8—0,85.

Мощность привода отвального конвейера вычисляют, как и для роторных экскаваторов, по формуле (13.26).

Для определения энергетических параметров привода ходового устройства за основу может быть принята прежняя методика, но с учетом особенностей конструкции и рабочего процесса цеп­ных экскаваторов. Поскольку рабочее оборудование этих экска­ваторов соединяется с тягачом по навесной схеме, то сопротивле­ния Wвн и Wк в формуле (13.28) определяют по полной силе тяжести машины вместе с грунтом, выносимым из траншеи и находящимся на отвальном конвейере. В составе сопротивле­ния Wp. о также учитывают проекции на направление движения экскаватора сопротивлений на рабочем органе.