Устройство и принцип работы машины

Любой экскаватор состоит из· рабочего оборудования (у одноковшовых экскаваторов оно же и транспортирующее), транспортирующего, механического, включающего главным образом передаточные механизмы (трансмиссии), ходового и силового оборудования, а также механизмов управления, металлоконструкций платформы и надстройки, кузова.

Одним из главных признаков различия одноковшовых экскаваторов, определяющих их назначение и область применения, является рабочее оборудование.

Основные виды рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов, применяемых на открытых работах - прямая напорная лопата и драглаЙн. Более ограниченно используют обратную лопату, грейфер, струг.

Выпускают четыре вида прямой лопаты: напорную с выдвижной рукоятью, напорную коленно-рычажную, напорную с рабочим оборудованием «Суперфронт» и гидравлическую.

Экскаватор типа прямая напорная лопата состоит из рабочего оборудования, поворотной платформы с кузовом и ходовой гусеничной тележки.

Рабочее оборудование включает в себя ковш, стрелу и рукоять. На верхней кромке ковша установлены сменные зубья, которые после затупления поворачивают на 1800. Днище ковша откидное; при опускании ковша вниз оно автоматически захлопывается. При разгрузке ковша днище открывается тросом с помощью электродвигателя, установленного на стреле. Стрела опирается на поворотную платформу с помощью пятого шарнира и поддерживается в наклонном положении стреловым канатом,проходящим через блоки, установленные на конце стрелы,и двуногой стойке.

Ковш при зачерпывании породы поднимается канатом, который перекинут через головной блок и навивается на барабан подъемной лебедки, установленной на поворотной платформе. Подъем ковша совмещается с подачей рукояти на забой с помощью механизма напора. Экскаватор ЭКГ имеет зубчато-реечный механизм напора, расположенный на стреле, который передает усилие на зубчатую рейку рукояти, удерживаемую в зацеплении с кремальерной шестерней механизма напора седловым подшипником. Рукоять может поворачиваться вокруг напорного вала при подъеме и опускании ковша и двигаться вдоль своей оси при напоре и возврате ковша.

На поворотной платформе кроме подъемной установлены также стреловая лебедка, поворотный механизм, силовое оборудование и механизмы управления экскаватором.

Поворотная платформа через роликовый круг опирается на раму гусеничной тележки, с которой неподвижно соединен зубчатый венец. В зацеплении с венцом находятся выходные шестерни редукторов механизма поворота. При включении поворотного механизма платформа вместе с рабочим оборудованием может поворачиваться вокруг вертикальной оси в обе стороны на любой угол.

Зубчато-реечным механизмом напора оснащаются экскаваторы, выпускаемыми ПО «Уралмаш».

В экскаваторах типа прямая напорная лопата ЭКГ-8И, ЭКГ-12,5 и других, выпускаемых ПО «Ижорский завод», применяется канатный механизм напора. Выдвижение и возврат рукоятки производятся канатами при помощи напорной лебедки, расположенной на поворотной платформе, и блоков и полу блоков, расположенных соответственно на стреле и рукояти.

Прямые коленно-рычажные напорные лопаты имеют рукоять, кинематически не связанную со стрелой, и перемещающуюся между стойками стрелы. Такие мех лопаты выпускаются также с двумя системами напора - зубчато реечной и канатной.

Основные рабочие размеры прямой напорной лопаты: радиус копания RK, радиус копания на уровне стояния экскаватора RKY, радиус разгрузки R_p, высота копания Н_к, глубина копания h_K, высота разгрузки Н_р•

Глубина черпания прямых лопат обычно невелика, поэтому они работают в забоях, расположенных выше уровня стояния экскаватора. Рабочие размеры зависят от длины стрелы, рукояти и от угла наклона стрелы. Угол наклона стрелы обычно составляет 450, но может быть равен ЗО-60⁰.

Рабочий цикл экскаватора предусматривает копание (черпание), поворот для разгрузки, разгрузку ковша, поворот к забою и· опускание ковша.

У прямой напорной лопаты с рабочим оборудованием «С у пер Ф р о н т» траектория движения ковша образуется при взаимодействии трех механизмов: подъема, напора и поворота ковша. Рабочее оборудование состоит из ковша, рукояти и стрелы. Механизм подъема включает в себя подъемную лебедку, канат, нижний, установленный на стреле блок, образующий с верхним и уравнительным блоками полиспастную систему подъема рамы и через подъемное звено - ковша. Два напорных гидроцилиндра, закрепленные на двуногой стойке, перемещают при помощи тяги и мачты, поворачивающейся относительно оси напорное звено, передающее усилие на раму. При этом гидрофиксатор через канат, блок, профильный полу блок и канат удерживает ковш от поворота по часовой стрелке вокруг оси. Поворотом рамы механизмом подъема или напора вокруг оси производится возврат ковша звеном в исходное положение. ковш поворачивается относительно оси до полного выбирания слабины каната фиксации положения ковша. Днище ковша при разгрузке открывается пневмоцилиндрами. Стрела может подниматься и опускаться, поворачиваясь вокруг шарнира 0з за счет перемещения мачты гидроцилиндрами.

 

 

 

Рабочее оборудование «Суперфронт» (фирма «Марион» США) может перемещать ковш параллельно падошве уступа и эффективно внедрять его в нижнюю часть забоя. Для этого используются вес стрелы, рукояти, а также механизмы подъема и поворота ковша. Однако экскаваторы с данной конструкцией рабочего оборудования имеют пока ограниченное применение.

 

Механизм подъема

 

Построение нагрузочных и скоростных диаграмм для предварительного определения средневзвешенной мощности двигателей механизмов подъема, напора и поворота производится исходя из следующих соображений.

Время, затрачиваемое на операции поворота с груженым ковшом, на разгрузку и возвращение порожнего ковша к забою, составляет для мехлопат 60- 70 % полного времени рабочего цикла t_ц' Поэтому для предварительных расчетов время цикла мехлопаты можно разбить на три равных периода: копание tx.' поворот на разгрузку t_p и поворот к забою t_з

При копании (период t_K) в режиме без перегрузок расчетное усилие 8_пI/ для механизма подъема принимается по формуле (14.3) приР-900ИУр=0.Двигательмеханизма подъема в этом случае работает на рабочей части своей механической характеристики и за расчетную принимается номинальная скорость подъема У_П.

Мощность двигателя подъема N за период копания (П положение рукояти, см. рис. 14.1) определяется по формуле (14.2) при значениях

- Sn 11' V₁ = У_п' K₁  1 и 11i = 11п - 0,8-+0,85,

 

где 11п - к.п.д механизма подъема.

При повороте платформы с груженым ковшом' (период t_p) двигатель механизма подъема, как правило, работает в тормозных режимах противовключения или динамическом. При этом ковш может быть поднят на максимальную высоту, а частота вращения двигателя соответствует «ползучим~ скоростям. Поэтому среднюю скорость механизма подъема за время поворота груженого ковша на разгрузку можно принять равной (0,I+О,3)У_п•

Усилия, возникающие в механизме подъема за время поворота груженого ковша, можно определить из У положения рукояти или по формуле (14.3). Тогда мощность двигателя подъема за период поворота груженого ковша на разгрузку ± N' п определяется из выражения (14.2) при значениях

 

K₁ = (0,1-+0,3); Sl = SN JV; v₁ = у_п И 'i = 'п'

Знаки плюс и минус показывают, что двигатель может работать как в двигательном, так и в генераторном режиме.

При повороте порожнего ковша к забою (период t_з) схемой управления приводом механизма подъема обычно предусматривается режим ослабления поля возбуждения двигателя, чем достигается увеличение номинальной частоты вращения двигателя на 10-20 % при спуске порожнего ковша. За расчетное усилие при спуске порожнего ковша следует принимать максимальное усилие, которое соответствует положению ковша при выдвинутой на 1/2 рукояти. Величина S'п определяется по формуле (14.3) для II положения рукояти при условии, что ковш порожний.

В этом случае мощность двигателя механизма подъема N"п определяется по формуле (14.2)

Таким образом, средневзвешенная мощность двигателя механизма подъема по предварительно построенным нагрузочной и скоростной диаграммам будет

(CB) = (Nпt_к + N'п!р + N"пtз) t~l. (14.9)

Механизм напора. По аналогии с механизмом подъема для механизма напора при определении мощности двигателя за период копания t_K следует принимать усилие, соответствующее положению рукояти при

 

р = 900 и У_р = 0.

 

В соответствии с формулой (14.7)

SH, aJ = P 02= (0,5+1) P ₀₁

 

При этом скорость перемещения рукояти принимается равной номинальной скорости механизма напора V н' Скорость напора должна БЬ1ТЬ достаточной, чтобы за время копания (_к произошло выдвижение рукояти на весь ход L. Поэтому выбранная скорость УН не должна Быть меньше YH?:.L (_К' Скорость возвратного хода рукояти берется в 1,7-2 раза больше скорости напора. Следовательно, мощность двигателя напора N_H за период копания определится по формуле (14.2)

При повороте платформы с груженым ковшом на разгрузку (период (_р) двигатель механизма напора в основном будет работать в тормозном режиме, преодолевая сопротивления, создаваемые составляющими весов груженого ковша и рукояти, а также в некоторых случаях и составляющей усилия в механизме подъема. Усилие в механизме напора при повороте на разгрузку определяется выражением (14.7) при р 2 - О для IV положения рукояти. Подобно тому как это происходит для механизма подъема, перемещение рукояти в данном режиме также происходит при пониженных скоростях и может изменяться от УН = У_н._НОМ дО УН -= О. Среднее значение скорости, перемещения рукояти за период (_р можно принять равным (0,З+О,5) Ун' Тогда мощность двигателя механизма напора N' Н за этот период определится из формулы (14.2)

При повороте платформы с порожним ковшом к забою (период t_з) одной из вероятных нагрузок для двигателя механизма напора может быть нагрузка 8_н.• у, создаваемая составляющими весов ковша и рукояти:

Мощность двигателя механизма напора N" н за период t_з определяется из формулы (14.2) при значениях 81 = 5_и._а v и У_! = Ун' Тогда средневзвешенная мощность двигателя механизма напора за цикл работы

И(СВ) = (Nиt_к + N'i_p + N'нfз) _ц¹. (14.11)

Механизм поворота. Мощность электродвигателей механизма поворота одноковшовых экскаваторов зависит от ряда факторов, главными из которых являются допустимые угловые ускорения и частота вращения платформы, угол поворота платформы и момент инерции вращающихся частей экскаватора. При поворотах платформы в пределах 900 время разгона и торможения может составлять 90-95 % времени поворота и тогда лишь 5-10 % времени двигатели работают с установившейся скоростью. При углах, меньших 900, установившееся движение может вообще отсутствовать. Поэтому большое влияние на величину мощности двигателей оказывает допустимое угловое ускорение платформы, по которому производятся расчеты конструкций на прочность и раскачивание рабочего органа экскаватора (например, на карьерных экскаваторах и драглайнах угловое ускорение ограничивается величиной О, 15.;.{),2 рад/ с²).

Расчетная частота вращения платформы также устанавливается по допустимой величине углового ускорения..

Средневзвешенная мощность NB(CB) (кВт) двигателя поворотного механизма определяется выражением

N _I\IC 'w;. (' л. г +' лл)'(1 +З,,~)

В(СВ) ------------,

2'103 (t_p + tз)'''в (14.12)

 

где J Л.Г и J лл - моменты инерции ПОВОРОТНQЙ платформы соответственно с груженым и порожним ковшом, определяемые по формуле (14.14); w₃ - заданная угловая скорость (частота п_з) вращения поворотной платформы; ТJ_в - К.П.д передачи поворотного механизма; t_p' t_a - время поворота платформы соответственно на разгрузку и с порожним ковшом к забою.

С учетом того, что время t_p приблизительно равно времени t_з, то при Kfl.K = 1,15 и 1/8 = 0,8 средневзвешенная мощность двигателя (двигателей) поворота карьерных мехлопат и драглайнов может быть определена из выражения

НВ(СВ) = 10-^З(lп.г + Iп.п)ШЗ·^tр-l. (14.13)

 

Суммарный момент инерции одноковшового экскаватора J (кг,м²) относительно оси его вращения

 

О = О т + О с + О к+п + О и + О Рэ   (14ю14)

 

где J_п, J_c' JK+n (JK~' lи, !i..~ моменты инерции соответственно поворотной платформы, стрелы, ковша с породой(или порожнего ковша J к), механизма напора и рукояти относительно оси вращения платформы.

Момент инерции поворотной платформы со сторонами, равными длине L Д' ширине L_ш и высоте кузова 4. платформы, относительно вертикальной оси вращения экскаватора

(О,5L_д)2 + (0,5L_ш)2 _л =J_Q + тл'ГЪ = тл' -:l + тл'ГЪ, (14,15)

 

где J о - момент инерции поворотной платформы относительно вертикальной оси, проходящей через центр массы параллелепипеда, кг,м²; т_п - масса платформы, кг;

 

т_п = Кпт_з, (14.16)

 

К_п - коэффициент, равный 0,48-0,51 для карьерных мехлопат; 0,43-0,45 ДЛЯ вскрышных лопат и 0,7-0,8 для драглайнов; тз - масса экскаватора, определяемая по формуле (10.7), кг; г_п - расстояние между осью

вращения экскаватора и осью, проходящей через центр массы платформы (как параллелепипеда), г_п = 0,5L_д - Г_п._с,

r п.С - радиус пяты стрелы, определяемый по формуле (10.8), м.

Момент инерции стрелы относительно оси вращения экскаватора с достаточной точностью может быть определен по формуле

_c = т_с 'Г~, (14.17)

где т_с - масса стрелы, определяемая по формуле (10.6), кг; гс - расстояние от оси вращения платформы до середины стрелы, м.

Момент инерции ковша с породой

 

IK+n = mK+n 'Г~,   (14.18)

 

где mK+n - масса ковша с породой, кг. Определяется суммированием выражения (10.2) или (10.4) с выражением (l 0.5); Г_в - максимальный радиус разгрузки, определяемый из выражения (10.8), м.

Момент инерции напорного механизма

н=ти'Г~, (14.19)

где т_и - масса напорного механизма, определяемая по формуле (10.6), кг; т_н - расстояние от оси вращения экскаватора до центра тяжести механизма напора, м.

Момент инерции рукояти

= т_р 'T~, (14.20)

где т_р - масса рукояти, определяемая по формуле (10.9), кг; Гр - расстояние от центра тяжести рукояти до оси вращения экскаватора, м.