Глава 15. Цепные экскаваторы поперечного копания

15.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Цепные экскаваторы поперечного копания применяют на вскрышных работах, добыче полезных ископаемых открытым способом, включая строительные материалы (гравий, глину и т. п.). рытье и очистке оросительных и осушительных каналов, профи­лирование их дна и от- осов в условиях больших объемов одно-

типных работ, сосредоточенных в одном месте или линейно рас­пределенных. В строительстве их применение ограничено глиняными карьерами кирпичных заводов. Также ограничена Л номенклатура этих машин, представляющая лишь одну немного­численную ветвь малых моделей в большом семействе цепных экскаваторов поперечного копания производительностью от 36— 45 м³/ч для строительных до 9300 м³/ч для горнодобычных экска­ваторов [18].

Эти условия применения экскаваторов малых моделей предо­пределили систему энергоснабжения и конструктивное решение ходовых устройств экскаваторов. Работая в одном карьере и будучи связанными транспортными средствами с технологическим процессом завода, эти экскаваторы превратились по существу в технологические машины. Они питаются электроэнергией от внешней сети и в процессе работы передвигаются вдоль карьера по рельсам. После выработки карьера в зоне досягаемости рабо­чего оборудования рельсовый путь перекладывают. Эта схема передвижения достаточно проста, обеспечивает стабильную гори­зонтальность базовой части машины, но требует дополнительных затрат времени и труда на перекладывание путей.

Базовая часть машины (рис. 15.1) состоит из платформы 14 с кабиной 16, металлоконструкций надстройки 10, рельсоколес-ного ходового устройства 13 с приводом, механизмов 17 привода ковшовой цепи, лебедок 12 подъема и опускания ковшовой рамы. Ковшовая цепь 15 огибает ведущие звездочки на приводном валу 18, установленные на ковшовой раме натяжные колеса 1 и поддерживающие ролики 19. Ковшовая рама, соединенная базо­вой частью машины в верхней части надстройки шарнирно, соосно с приводным валом, может изменять свое положение в вертикаль­ной плоскости. Она состоит из соединенных между собой шарни­рами верхней рамы 8, верхнего планирующего звена 6, нижней рамы 3 и нижнего планирующего звена 2 и поддерживается двумя полиспастами 4 и 5 через подвески 21. Полиспастные канаты от­клоняются блоками, установленными на голове стойки 7, которая соединена нижней частью с верхней рамой и удерживается в верх­ней части оттяжкой 9.

Грунт разрабатывают ковшами, закрепленными на ковшовой цепи, переносят его к месту разгрузки и разгружают в бункер 11 или на отвальный конвейер. Последним грунт перегружается в транспортные средства или в отвал.

Ковшовая цепь рассматриваемых экскаваторов перемещается в направляющих 20, вследствие чего режущие кромки ее ковшей Движутся по прямолинейным траекториям, а необходимое для разработки грунта нормальное давление на забой обеспечивается силой тяжести всего рабочего оборудования. Возможное неравно­мерное распределение между ковшами общего сопротивления грунта копанию в случае неоднородных по длине разрабатывав-

Рис. 15.1. Конструктивная схема цепного экскаватора поперечного копания

Рис. 15 2. Рабочий орган цепного эк­скаватора со свободно висящей ковшо­вой цепью

могo откоса грунтов или при на личии в них более плотных вклю-чений не изменяет этой траек-тории. Известны также цепные рабочие органы со свободно висящей рабочей ветвью ковшо-рой цепи (рис. 15.2), менее подверженной динамическим нагружениям. Из-за ее про­висания и связанного с этим непостоянства угла откоса ра­бочие органы со свободно вися­щей цепью при равных прочих условиях обеспечивают мень­шую глубину выемки, а при одинаковых глубинах их масса будет больше, чем у рабочих органов с жестко направлен­ными ковшовыми цепями. Такие

цепи, кроме того, не могут быть использованы для планировки откосов.

Кинематическая схема цепного экскаватора поперечного копа­ния приведена на рис. 15.3.

Рис. 15.3. Кинематические схемы привода цепного экскаватора поперечного копания:

а — подъемных лебедок ковшовой рамы; б — ковшовой цепи; в — ходового устройства

и кабельного барабана; 1 и 6 — барабаны подъемных лебедок, 2 и 8 — тоРмоза; 3, 5, 7. 13 и 17 — редукторы, 4, 15 а 16 — электродвигатели; 9 и 10 — кулачковые муфты; /о — ведущие звездочки; 12 — приводной вал; 14 и 18 — предохранительные муфты; 19 — цепная передача; 20 — кабельный барабан; 21 — открытая зубчатая передача

15.2. РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС

Разработка грунта ковшами цепного экскаватора по-перечного копания обеспечивается двумя независимыми движе­ниями: перемещением ковшей по образующей откоса в относи-тельном движении и перемещением рабочего органа вместе с эк­скаватором в перпендикулярном первому переносном движении (подачей). В конце каждой фронтальной проходки (вдоль разра­батываемого карьера) рабочее оборудование переставляют по од. ной из рассмотренных ниже схем копания для возможности сня­тия грунта требуемой толщины слоя с откоса и реверсируют по­дачу. После серии проходок, когда рабочим оборудованием будут исчерпаны возможности его установок, рельсовый путь отодви­гают от бровки карьера на расстояние, обеспечивающее установку рабочего оборудования для первой проходки.

При постоянном соотношении скоростей v_п подачи и относи­тельного движения v_ц результирующими траекториями для каждой точки режущей кромки какого-либо ковша будут прямые, составляющие с направлением относительного движения угол (рис. 15.4, α)

β = arctg (Vπ/vц). (15.1)

Указанное соотношение скоростей должно быть согласовано с шириной В ковшей по режущим кромкам и их шагом T так, чтобы после проходки ковшей на откосе не оставались неразрабо­танные полосы (рис. 15.4, б). Этому условию отвечает неравенство

v_n/v_ц=<B/T. (15.2)

Знаку < соответствует разработка грунта с перекрытием смежных полос (см. рис. 15.4, а). При этом ширина стружки

b = T sin β, (15.3)

а полоса перекрытия

b_пер = В cos β - T sin β. (15.4)

Рис. 15.4. Траектории движения ковшей

риc. 15.5. схемы поперечного копания цепным рабочим органом

Знаку «=» в выражении (15.2) соответствует предельная ширина стружки b = b_mах (рис. 15.4, в).

Обычно экскаваторы рассматриваемого назначения имеют только одну или две постоянные скорости подачи, чем ограничена вариация ширины стружки в зависимости от изменчивости сопро­тивления грунтов копанию по фронту работ. Для получения наи­большей производительности, обеспечиваемой ковшовой цепью по условию полного использования мощности ее привода, варьи­руют толщину стружки, которая задается установкой рабочего оборудования перед очередной фронтальной проходкой.

Шарнирное сочленение между собой звеньев ковшовой рамы позволяет получить различные конфигурации последней соответ­ственно требуемым схемам поперечного копания. Нижнее копа­ние реализуется двумя схемами — веерной (рис. 15.5, а) и парал­лельной ( ' с. 15.5, б). В первом случае верхнее планирующее звено ВС рис. 15.5, а) жестко соединено с верхней рамой АВ, а нижнее планирующее звено DE — с нижней рамой CD. При ж верхнее планирующее звено установлено на одной продоль-|вой оси с верхней рамой, как ее продолжение. Нижнее планиру­ющее звено может быть установлено по отношению к нижней раме так же или наклонно к ней с таким расчетом, чтобы на последней проходке (перед перекладкой рельсового пути), когда нижняя и верхняя рамы с верхним планирующим звеном будут спрямлены в одну, линию, нижнее планирующее звено было горизонтальным (положение DE') и обеспечило на последней про­ходке горизонтальную планировку подошвы откоса.

Для работы на первой проходке полиспастом 4 (см. рис. 15.1) поднимают нижнюю раму с присоединенным к ней нижним плани­рующим звеном в исходное положение CD₀E₀, поворачивая ее

относительно оси C (см. рис. 15.5, а). Перед каждой последующей проходкой нижнюю раму опускают соответственно в положения CD₁E₁, CD₂,E₂, и т. д. до ее спрямления с верхней рамой ACDE перед последней проходкой.

Схема параллельного копания может быть реализована в че­тырех вариантах. Первые два отличаются от рассмотренной веер­ной схемы лишь тем, что верхняя рама с присоединенным к ней верхним планирующим звеном не остаются неподвижными, а могут поворачиваться относительно шарнира А. Как и в случае веерной схемы, в конечном положении нижняя и верхняя рамы с присоединенным верхним планирующим звеном выпрямлены в одну линию ABCDE (см. рис. 15.5, б). Нижнее же планирующее звено в зависимости от его установки на нижней раме может быть продолжением последней или горизонтальным. Всякое другое (начальное или промежуточное) положение рабочего оборудования достигается одновременной работой двух полиспастов 4 (см. рис. 15.1) и 5 при условии, что нижняя рама будет всегда парал­лельной ее конечному положению.

В двух других вариантах параллельного копания (рис. 15.5, в) верхняя рама остается неподвижной, а требуемые положения нижней рамы и соединенного с ней нижнего планирующего звена обеспечиваются, как и в первых двух вариантах, одновременной работой двух полиспастов с поворотом нижней рамы относительно шарнира C, а верхнего планирующего звена относительно шар­нира В.

Схема верхнего параллельного копания представлена на рис. 15.5, г.

Анализ этих схем позволяет сделать следующие выводы. Для работы по веерной схеме используется только один из двух подъемных полиспастов. Если экскаватор реализует только эту схему копания без перестройки на другие схемы, то второй поли­спаст может быть заменен канатной подвеской, а двухбарабанная подъемная лебедка на однобарабанную. Кроме того, отпадает необходимость выделять верхнее планирующее звено. В этом случае верхняя рама может быть изготовлена по суммарной длине звеньев А В и BC и установлена, кроме того, неподвижно.

Недостатком веерной схемы является переменная толщина стружки по длине образующей разрабатываемого откоса, а также неполное использование рабочего оборудования по его длине на первых проходках.

Если в результате отработки забоя последней проходкой экскаватора поперечное сечение откоса представить плоскостью АВ (рис. 15.6), то после перекладывания путей и полной отработки блока стружек из этого нового положения рельсового пути откос представится плоскостью CD. Отработка части этого блока, огра­ниченной в поперечном сечении сектором CDD₁ будет выпол­няться с одинаковой геометрией среза на каждой проходке. При этом в нижней части откоса в начале пути движения ковша

толщина стружки будет максималь-

ной, а по мере продвижения ковша

Рис. 15.6. Формы продоль­ных сечений стружек прн веерной разработке

к верхнему обрезу забоя она будет уменьшаться до минимального значе­ния. Следствием этого будет двукрат­ное по отношению к среднему нагру-жение ковшей при их заходе в забой. По мере продвижения ковшей по забою нагружение будет уменьшаться пропорционально изменению толщины стружки. Это означает, что при рас­чете на прочность ковшей и тяго­вых цепей их размеры должны быть увеличены. Если же эти элементы были

рассчитаны по условиям их равномерной загрузки, то, приравни­вая максимальную нагрузку при веерном копании расчетной, необходимо уменьшить наполнение ковшей, а следовательно и производительность экскаватора. Еще больше эти факторы усу­губляются на проходках стружками выше плоскости CD₁, где текущая длина образующей откоса будет меньше, чем при проход­ках ниже этой плоскости, а рабочий орган будет взаимодейство­вать с забоем только частью своей длины.

При работе экскаватора только веерным копанием его нижнюю раму можно выполнить как единое целое с нижним планирующим звеном, что еще больше упростит конструкцию В этом случае из-за образующихся на дне забоя гребней BD₁D при переходе на нижний уступ потребуется планировка его поверхности. Эта проблема снимается при наличии на нижней раме планирующего звена, установленного горизонтально по последней проходке, или ее продолжения по форме этого звена в указанном положении. Схема параллельного копания обеспечивает постоянство тол­щины стружки с вытекающими отсюда преимуществами по нагру-жению ковшей. Однако для ее реализации на машине должна быть установлена двухбарабанная лебедка для работы двух по­лиспастов.

15.3. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ

Техническую производительность (м³/ч) цепного эк­скаватора поперечного копания определяют в зависимости от принятой схемы копания. При параллельном копании она может быть определена через глубину Η (м) (высоту) карьера, толщину с (м) среза, угол а заложения откоса и скорость ν_η (м/с) подачи по формуле

П_т = 3б00Hсv_п/sin а. (15.5)

При работе веерным копанием для определения средней про­изводительности по всему блоку проходок при постоянной ско-рости подачи можно пользоваться формулой

П_т = 3600Fv_n/m, (15.6)

где F — площадь поперечного сечения блока, м²; т — число фронтальных проходок.

Если же скорость подачи будет переменной, например, уве­личенной на первых проходках и уменьшенной на остальных, то производительность следует определять дифференцированно по каждому i-му скоростному режиму с последующим суммированием результатов на всех η режимах так, что.

(15.7)

При любой схеме копания производительность связана с вме­стимостью q (м³) ковшей, скоростью v_п (м/с) относительного пере­мещения и шагом T (м) ковшей соотношением

(15.8)

Как и ранее, через R_H здесь обозначен коэффициент наполне­ния ковшей, а через R_p — коэффициент разрыхления грунта.

Вместимость ковша, шаг ковшей, скорость цепи, а также линейные размеры ковша, шаг цепи и число зубьев ведущих звез­дочек связаны между собой условиями гравитационной разгрузки ковшей, подробно рассмотренными в п. 13.7 при расчете траншей­ных цепных экскаваторов.

Основными потребителями энергии при экскавации грунта цепным экскаватором поперечного копания служат ковшовая цепь, ходовое устройство и отвальный конвейер (при его наличии на экскаваторе). Лебедка подъема ковшовой рамы работает в пе­риоды между двумя смежными экскавационными циклами и по­требляет значительно меньше энергии, чем основные потребители. Требуемые мощности привода подъемной лебедки и отвального конвейера рассчитывают по нормам общего машиностроения.

Мощность привода ковшовой цепи

Nц = (S_п._р + S_ц._п)v_ц/η_ц (15.9)

где S_Ц. ρ — суммарное рабочее натяжение цепи у ведущих звез­дочек; S_ц._п — усилие от перегибов цепи на звездочках, натяж­ных колесах и роликах в местах изломов ковшовой рамы; η_ц — КПД привода ковшовой цепи, в среднем η_ц = 0,85. Усилие S_Ц. _ρ определяют суммой:

S_{ц. Р} ⁼ S_{ц. К} +S_{ц. г} + S_{T p. цр} + S_{тр. цб} + S_{тр цх} + S_це, (15.10)

где S_ЦК. и S_ц. _г — натяжение цепи касательными составляющими сопротивления грунта копанию и силой тяжести выносимого ков­шами грунта; S_TP. _цр, S_тр. _цб, и S_TP. _ЦX —натяжение цепи си­лами трения рабочей ветви в направляющих от сил тяжести цепи и грунта, от боковых сил и от сопротивлений перекатыванию холостой ветви ковшовой цепи по звездочкам, натяжным колесам

и роликам; S_пе — натяжение цепи вследствие изменения ско­рости ее перемещения из-за набегания на ведущие звездочки. Эти составляющие вычисляют по формулам:

Sц. к = R₁q sin βR_H/(bRp); S_Ц. _г = m_гσg sin α; s_{tp. Цр} = (m_ц/2 + m_γσ) gμ; S_TP. _цб = S_ц.кμ sin β;

S_Tpцх =m_ц gw/2; Sце = 3ε (m_ц/2 +m_гσ), (15.11)

где R₁ — удельное сопротивление грунта копанию, определяемое в соответствии с рекомендациями в п. 14.3; m_ΓΣ — суммарная масса грунта в ковшах, mι_ΓΣ = qR_HP (n_к.э/2 + n_к.т)/Rp [p — плотность грунта; n_K._з — число ковшей, одновременно находя­щихся в забое, п_к._з = H/(T sin a); п_к. _т —число транспорти­рующих грунт ковшей после выхода их из забоя ]; g — ускорение свободного падения; т_ц — масса ковшовой цепи; μ — коэффи­циент трения цепи о направляющие, μ = 0,25—0,6; ω — коэф­фициент сопротивления перекатыванию цепи по звездочкам, натяжным колесам и роликам, w — 0,03—0,04; е — ускорение цепи при набегании на ведущие звездочки, ε = 2πv_ц/(zt); z — число зубьев звездочки; t — шаг цепи. Усилие от перегибов

S_ЦП = S_цpd_ц(l/D_BЗ. + n_н./Dнэ) μ', (15.12)

где d_ц — диаметр пальцев цепи; D_вз и D_H._э —диаметры соот­ветственно ведущих и натяжных (или изменяющих направление движения цепи) звездочек (колес); μ' — коэффициент трения в шарнирах цепи, μ' = 0,25—0,4, для смазанных шарниров μ' = 0,08—0,15; n_H —число пар натяжных колес или катков, изменяющих направление движения цепи.

Требуемая мощность привода ходового устройства

Nх = [S_ЦK sin β + (W_K + W_Ц) R₆]/η_x (15.13)

где W_K — сопротивление перекатыванию колес по рельсам; W_Ц — сопротивление в цапфах; R₆ — коэффициент, учитывающий сопротивление сил трения на ребордах ходовых колес, вызванных боковыми нагрузками, R₆ = 2—2,5; η_x — КПД привода ходового механизма.

Сопротивления W_K и Wц пропорциональны вертикальной нагрузке на ходовые колеса, которая складывается из силы тяжести экскаватора m_эg и грунта в ковшах и бункере или на отвальном конвейере m_rg, а также рабочей нагрузки с учетом нормальной составляющей сопротивления грунта копанию P₀₂:

Gp =S_ЦK (sin α — ψ cos α), (15.14)

где ψ = P₀₂/P₀₁ = 0,45—0,55.

Суммарная вертикальная нагрузка на ходовые колеса

Q = (m_э + m_r)g + G_p; (15.15)

сопротивления W_K и W_ц

W_κ=2Qf/D_k, W_Ц =2Qμ_цr/D_K, (15.16)

где f — коэффициент трения качения ходовых колес по рельсу, f = 0,05—0,07; D_K — диаметр ходового колеса; μ_ц — коэффи-циент трения в цапфах ходовых колес, μ_ц = 0,1 при подшипни­ках скольжения, μ_ц = 0,01 при подшипниках качения; r — ра­диус цапфы.

В предварительных расчетах установленную мощность цеп­ных экскаваторов поперечного копания можно также определить по эмпирической зависимости [18]

N = 0,0ЗЗП₀ (0,01R₁ + 0.17H + 0,0013R₁(H)^1/2), (15.17) где П₀ — расчетная производительность экскаватора.

РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ

ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫЕ МАШИНЫ И МАШИНЫ ДЛЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ