Рабочее оборудование определяет тип экскаватора и его конструктивную схему.
Основными видами рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов являются: прямая
лопата; обратная лопата; погрузочное оборудование; драглайн.
Прямая лопата. Прямой лопатой оборудуют карьерные экскаваторы типа ЭКГ и вскрышные экскаваторы типа ЭВГ. Прямая лопата состоит из следующих элементов: ковша, рукояти с седловым подшипником и стрелы. Свое название прямая лопата получила по виду установки ковша: он обращен режущей кромкой к забою (в отличие от обратной лопаты).
Различают следующие схемы прямых лопат: с прямым напором и жестким креплением ковша на рукояти; с прямым напором и шарнирным креплением ковша; с коленчато-рычажным напором.
Схема с прямым напором и жестким креплением ковша (рис. 3.2.1, а) отличается простотой конструктивного исполнения. Недостатком схемы является нестабильность режимных параметров ввиду изменения угла резания при копании.
Известны конструкции механических лопат, у которых на балках рукояти вместо тяг устанавливали гидроцилиндры для изменения угла наклона ковша экскаватора (ЭКГ-4У, ЭКГ-8И). Гидроцилиндры позволяют машинисту экскаватора дистанционно регулировать угол резания зубьев ковша по траектории его движения, угол установки ковша по отношению к оси рукояти в пределах 34...79° путем активного перемещения штоков гидроцилиндров с помощью насосов или посредством энергии гидропневматических аккумуляторов, запасенной при черпании. Изменение угла наклона ковша улучшает как условия черпания (например, при разработке сближенных пластов) и наполнения ковша, так и его разгрузку в транспортные средства, когда необходимо увеличить угол наклона передней стенки ковша к горизонту, а поднимать ковш нельзя во избежание просыпания материала или повреждения транспортного средства от удара падающих с большой высоты кусков. При верхней погрузке, наоборот, для обеспечения разгрузки следует увеличивать угол наклона задней стенки ковша.
Схема с прямым напором и шарнирным креплением ковша (рис. 3.2.1, 6) выполняется с двумя рукоятями с независимыми механизмами напора и поворотным ковшом. Она обеспечивает эффективное управление положением ковша, а также плавность разгрузки ковша, что позволяет использовать транспортные средства меньшей грузоподъемности.
Схема с коленчато-рычажным напором (рис. 3.2.1, в) отличается большими линейными размерами ввиду разгрузки стрелы при креплении рукояти посредством балансира. Ее применяют на вскрышных экскаваторах типа ЭВГ.
Существующие конструкции рабочего оборудования прямой лопаты подразделяют на два типа:
-механические лопаты с внешней рукоятью, у которых балки рукояти проходят снаружи стрелы (ЭКГ-5А, ЭКГ-12, ЭКГ-4УС, ЭКГ-20) -рис. 3.2.2;
- механические лопаты с внутренней рукоятью, у которых балки рукояти проходят внутри стрелы (ЭКГ-10, ЭВГ-15 и их модификации) — рис. 3.2.3.
Внешнюю рукоять (рис. 3.2.4) выполняют из двух балок 1, соединяемых концевой отлив-
кой 2 По верхним накладкам 3 балок скользят ползуны седловых подшипников. При износе накладки заменяют. Снизу приварены зубчатые рейки 4. С ковшом рукоять соединяют с помощью кронштейнов 5 и тяг переменной длины.
Двухбалочная рукоять охватывает стрелу снаружи и проходит через два направляющих гнезда седлового подшипника, смонтированного на напорном валу (рис. 3.2.5) снаружи конструкции стрелы.
Стрела (см. рис. 3.2.2) представляет собой сварную металлоконструкцию /, которая своими литыми пятами при помощи пальцев устанавливается в проушинах поворотной платформы. С последней она дополнительно связана тягами 2, снабженными стяжными гайками. В верхней части стрелы размещены головные блоки для направления подъемного каната. На оси головных блоков сидят также щеки, несущие ось с блоками для стрелового каната. На нижнем листе стрелы закреплены деревянные брусья, которые смягчают случайные удары рукояти по стреле. В средней части стрелы установлен напорный механизм 5. На площадке, предусмотренной для обслуживания напорного механизма, смонтирован механизм открывания днища ковша, состоящий из двигателя и редуктора, на выходном валу которого закреплен барабан.
Оборудование с внешней рукоятью обеспечивает хорошую устойчивость ковша в процессе отделения породы от массива. Его применяют на карьерных лопатах, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации.
Внутренняя рукоять (рис. 3.2.6) характеризуется малой металлоемкостью ввиду раз-
грузки от скручивающих моментов. Оборудование с внутренней рукоятью выполняется в основном с канатным напором, причем рукоять имеет круглое сечение.
Стрела (рис. 3.2.7) двухбалочная, шарнирно сочлененная, состоит из верхней секции / и нижней 2. Своей пятой нижняя секция 2 стрелы опирается через ступенчатую ось на кронштейны поворотной платформы. В верхней части нижней секции стрелы проходит ось седлового подшипника, к которой крепятся качающийся седловой подшипник 3 и подкосы, соединяющие стрелу с двуногой стойкой и образующие жесткий треугольник.
Верхняя секция стрелы соединяется с нижней шарнирно. На верхней секции на оси головных блоков 4 предусмотрены серьги для крепления вант. Верхняя секция разгружена от изгибающих нагрузок и вследствие этого значительно облегчена. Обе секции представляют собой сварные балки из труб с концевыми отливками из углеродистой стали по концам. На нижней секции имеется полублок для подъема стрелы при монтаже, на верхней — кронштейны с клиновыми втулками для крепления концов подъемных канатов.
Основные преимущества данной схемы следующие:
1) нагрузки от собственной силы тяжести всего рабочего оборудования и напорная сила в основном воспринимаются двумя подкосами, соединяющими шарнир стрелы с двуногой стойкой. При этом уменьшаются изгибающие моменты, действующие на стрелу, и, следовательно, сечения ее элементов и масса стрелы;
2) круглая однобалочная рукоять не воспринимает скручивающих нагрузок, что позволяет значительно облегчить ее конструкцию;
3) механизм напора расположен не на стреле, а на платформе, что уменьшает момент инерции поворотной части, исключает дополнительные нагрузки на стрелу от силы тяжести механизма напора;
4) канатный напор характеризуется относительной бесшумностью и плавностью работы.
К основным недостаткам такой схемы рабочего оборудования относят малую устойчивость ковша в забое, особенно проявляющуюся в скальных забоях, что приводит к снижению производительности машины. Так, в скальных забоях производительность экскаватора ЭКГ-8И практически такая же, как у ЭКГ-5, несмотря на значительную вместимость ковша.
Основным элементом оборудования, определяющим схему работы и характер рабочего
процесса, является ковш. Конструкции ковшей, применяемых на лопатах, отличаются большим разнообразием и зависят от назначения ковша, способов его изготовления и разгрузки.
Ковши прямых лопат по виду соединения с рукоятью можно разделить на две группы: с шарнирным и жестким соединениями. Ковши первой группы применяют на большинстве карьерных экскаваторов. В последнем случае концевая отливка рукояти является задней стенкой ковша.
По назначению ковши подразделяют на тяжелые, средние и легкие для разработки соответственно тяжелых, средних и легких пород, а также для выемки и погрузки угля.
Типы и ряды вместимости ковшей прямых лопат от 4 м3 и более регламентированы ОСТ 24.072.06-80 и установлены: КОПЛ — для особо легкой породы (плотность р до 1,6 т/м3); КПЛ — для легкой породы (1,6...2 т/м3); КПС — для средней породы (2...2,5 т/м3); КПТ — для тяжелой породы (до 4 т/м3). Назначение ковша определяет собой и технологию его изготовления. Для работ в тяжелых условиях (погрузка руды, скальных пород и др.) применяют преимущественно литые ковши, в легких породах — сварные; наиболее широко распространены комбинированные ковши — сварно-литые.
Ковш сварно-литой вместимостью 8... 10 м3 ОАО «ИЗ-КАРТЭКС» (рис. 3.2.8) состоит из корпуса, днища, траверсы, пяти зубьев и механизма торможения днища. Корпус ковша сваривают встык из четырех отливок. Передняя стенка, подверженная наибольшему износу, выполнена из высокомарганцовистой стали 110Г13Л. Заднюю стенку, цельнолитую из низкоуглеродистой стали, сваривают встык с двумя боковыми стенками. На задней стенке имеются проушины для присоединения ковша к рукояти, подвешивания днища и крепления траверсы ковша.
У ковшей современных механических лопат задняя стенка по высоте, как правило, значительно меньше передней. С лицевой стороны передняя стенка ковша в целях лучшего захвата и более эффективного его заполнения имеет либо плоскую, либо цилиндрическую форму с большим радиусом кривизны. На ковшах, предназначенных для работ в скальных породах, переднюю стенку выполняют более закругленной. Верхняя часть стенки, образующая кромку ковша, снабжена литым козырьком из высокомарганцовистой стали, повышающим прочность и долговечность стенки.
При опускании рукояти с ковшом днище автоматически захлопывается под действием собственной силы тяжести. Механизм торможения днища позволяет уменьшить размах колебаний днища при открывании и ослабить его удары о ковш.
Механизм торможения состоит из рычагов, закрепленных на днище и задней стенке ковша, и пружины. При затяжке пружины головки рычагов, соединенных шарнирно, прижимаются друг к другу и между ними возникает тормозной момент, величину которого можно регулировать.
Зубья ковша прямой лопаты сменные. Для экскаваторов средней и большой мощности их отливают из высокомарганцовистой стали 110Г13Л и наплавляют твердым сплавом.
Зубья или их сменные наконечники преимущественно делают симметричными относительно продольной оси. Для дальнейшей работы после затупления зуб или наконечники снимают и поворачивают на 180°. Зуб считается непригодным, если угол его заострения превышает 60°.
Зуб / (рис. 3.2.9, а) к режущей кромке ковша 2 может крепиться с помощью клина,
состоящего из фасонного зажима 3, прокладки 4 и клина 5, забиваемого в паз зуба и загибаемого для предохранения от выскакивания.
Наиболее рациональным по расходу металла является двухсекционный зуб (рис. 3.2.9, б) со сменным наконечником, состоящий из основания /, надеваемого на режущую кромку ковша, и сменной коронки 2. Удерживает коронку палец 3, застопоренный сухарем 4 и поддерживаемый резиновой подушкой 5.
Ковш подвешивается к подъемному канату посредством блоков. При двухбалочной рукояти на коромысле ковша устанавливают центральный блок (рис. 3.2.10). При внутренней рукояти, разгруженной от кручения, более эффективна подвеска ковша с креплением двух блоков к углам траверсы (см. рис. 3.2.8). При такой схеме одна из ветвей подвески воспринимает момент от внецентренно приложенной силы на зубьях ковша.
В И ГД СО РАН (Новосибирск) ведутся работы по созданию мехлопат с ковшом активного действия. Практическим результатом этих работ является созданный совместно с МК «Уралмаш» экскаватор ЭКГ-5В с ковшом активного действия, предназначенный для разработки горных пород средней крепости без предварительного рыхления. В передней стенке ковша в специальных приливах монтируются пневмомолоты, приводящие в действие ударные зубья, послойно разрушающие горную породу.
В целом рабочее оборудование типа «прямая лопата» отличается повышенной прочностью и надежностью; обеспечивает высокую производительность выемочно-погрузочных работ при разработке полускаль-ных и скальных пород (при их предварительном рыхлении).
Поскольку схема оборудования предусматривает работу при верхнем черпании горной массы, то наибольшая эффективность применения прямой лопаты достигается при разработке крупных месторождений полезных ископаемых с высотой рабочих уступов до 30 м и более.
Обратная лопата. Рабочее оборудование типа «обратная лопата» применяют в основном на гидравлических экскаваторах. Обратная лопата обеспечивает возможность черпания как выше, так и ниже уровня стояния экскаватора; характеризуется большими (по сравнению с прямой лопатой) размерами рабочей зоны. Эффективная работа оборудования достигается даже при малых углах откоса уступов.
Погрузочное оборудование. Погрузочное оборудование (рис. 3.2.11) является основным видом рабочего оборудования гидравлических экскаваторов, так как реализация схемы работы погрузчика при поступательном движении ковша на уровне стояния обеспечивает устойчивость экскаватора при существенном росте энергосиловых параметров и производительности машины.
Погрузочное рабочее оборудование существенно отличается от оборудования типа «прямая лопата» как по линейным размерам, так и по конструктивному исполнению. Габаритные размеры рабочего оборудования, в частности ковша, соответствуют габаритным размерам (ширине) ходового оборудования. Благодаря значительно меньшим габаритным размерам и массе машины обеспечиваются меньшие давления на подошве забоя и большая скорость передвижения экскаватора. Также это оборудование может работать на площадках с уклоном до 10... 12°, что недопустимо для тяжелых мехлопат.
Вместе с тем при поступательном движении ковша в ходе процесса внедрения появляется необходимость совместной работы всех трех гидроцилиндров: поворота стрелы, поворота рукояти и поворота ковша. В этом случае некоторые гидроцилиндры могут (вследствие проявления свойства обратимости гидромашин) действовать в режиме «насос». Например, при опускании стрелы в процессе внедрения ковша рабочая жидкость стравливается (дросселируется) из гидроцилиндра поворота стрелы, т.е. происходит регенерирование гидравлической энергии, которая полностью (при сливе жидкости в бак) или частично (при рекуперации энергии) теряется.
Кроме того, при поступательном движении ковша возрастает сложность управления рабочим органом и регулирования режимных параметров, обусловленная значительной нагрузкой на оператора при большом количестве переключений аппаратуры управления.
Таким образом, несмотря на достижения в области создания конструкций гидравлических экскаваторов, они имеют ряд недостатков, обусловленных как характером силового воздействия ковша на горную породу, заключающегося в «выдавливании» породы из массива, так и низкой эффективностью преобразования гидравлической энергии в механическую:
— реализация больших рабочих нагрузок приводит к увеличению металлоемкости рабочего оборудования;
- ввиду совместного действия главных рабочих механизмов и регенерирования гидравлической энергии «обратимыми» гидроцилиндрами возрастают энергозатраты на экскавацию горной массы;
- усложняется управление ковшом в процессе внедрения ввиду необходимости одновременного регулирования режимных параметров главных рабочих механизмов.
Приведенные особенности гидравлических карьерных экскаваторов определили и направления развития конструкций. Основными направлениями развития и совершенствования конструкций, сформулированными в ряде работ [7-12], являются:
- совершенствование кинематических схем рабочего оборудования с целью упрощения управления и расширения областей использования гидроэкскаваторов;
-автоматизация системы управления;
- создание энергосберегающих (рекуперирующих) приводов с целью уменьшения энергопотребления при увеличении энерговооруженности.
В области совершенствования кинематических схем рабочего оборудования предполагается создание таких систем, которые бы позволяли не только поддерживать определенный угол наклона ковша к горизонту (система гори-зонтирования ковша), но и регулировать силовые параметры при меняющихся условиях отрабатываемого забоя, снижая пиковые нагрузки на экскаватор и повышая его устойчивость.
Совершенствование конструкций рабочего оборудования происходит в рамках указанных направлений. Так, фирма Mannesmann Demag (Германия) — одна из крупнейших экскаваторостроительных фирм, впервые освоившая крупносерийное производство гидравлических карьерных экскаваторов большой единичной мощности. Она традиционно создает экскаваторы с оборудованием, выполненным по базовой схеме (см. рис. 3.2.11) и отличающимся простотой конструктивного исполнения и высокой степенью надежности. Повышение технического уровня машин обеспечивается благодаря совершенствованию гидропривода и автоматизации системы управления [13, 14]. Базовая схема оборудования используется и в новом экскаваторе ЭГ-5,5 производства ОАО «ИЗ-КАРТЭКС».
Ряд фирм: МК «Уралмаш», Komatsu (Япония) и др. — применяют корректирующее устройство для увеличения относительного смешения элементов рабочего оборудования и выравнивания нагрузок.
Фирмы Orenstein und Koppel (Германия), Liebherr (Германия), Caterpillar (США), Komatsu и др. используют параллелограммную подвеску ковша (рис. 3.2.12, а) в конструкциях оборудования, что обеспечивает близкое к поступательному движение ковша (на определенном участке рабочей зоны экскаватора) и упрощает управление рабочим процессом [15].
Дальнейшим шагом в этом направлении является система Tripower (рис. 3.2.12, б), разработанная фирмой Orenstein und Koppel (Германия) и реализованная в экскаваторе RH-120C. В этой схеме используется двойной параллелограмм. Конструкция широко разрекламирована как яркий представитель гидравлических экскаваторов нового поколения [16, 17].
Использование параллелограмма предусмотрено и в структурной схеме оборудования экскаваторов серии LB (рис.3.2.12, в) фирмы Bola Ladetechnik (Германия) [18]. Экскаваторы серии LB работают на угольных разрезах России.
Схемы со вспомогательными гидроцилиндрами применяют фирмы СатегрШаг (США), Komatsu, Hitachi (Япония) и др. Вспомогательные гидроцилиндры используются как аккумуляторы и обеспечивают снижение энергозатрат.
Наблюдаемая эволюция конструктивных схем рабочего оборудования (от простейшей базовой схемы к усложненным схемам) отражает как стремление фирм-производителей запатентовать «фирменные» технические решения, так и потребность повысить качество оборудования путем снижения или исключения негативного действия указанных факторов.
Конструктивное исполнение основных элементов погрузочного рабочего оборудования, кроме ковша, практически одинаковое.
Различают ковши поворотные, или совковые (рис. 3.2.13, а), и челюстные (рис. 3.2.13, б). Передняя стенка челюстного ковша, снабженная зубьями, образует с боковыми стенками жесткую конструкцию, шарнирно присоединенную к задней стенке. После наполнения ковша в процессе черпания для осуществления разгрузки передняя стенка вместе с боковинами поворачивается гидроцилиндрами. При этом между передней стенкой и задней в нижней части ковша образуется достаточный для разгрузки материала зазор, ширина которого в процессе разгрузки может регулироваться оператором-машинистом, что позволяет осуществлять постепенное заполнение транспортного сосуда.
Возможность поворота ковша и корректировка угла резания значительно улучшают условия работы и обеспечивают резкое снижение износа режущей части ковша, что позволяет применять зубья относительно меньших
размеров. Однако при работе широким ковшом возникают повышенные сопротивления внедрению и, кроме того, создаются дополнительные скручивающие нагрузки при несимметричном направлении действия внешних сил. Излишняя ширина ковша затрудняет процесс его разгрузки и приводит к просыпи породы на рабочую площадку, что снижает срок службы шин автосамосвалов.
Рукояти и стрелы современных гидравлических экскаваторов представляют собой сварные коробчатые конструкции. Во всех своих модификациях они воспринимают весьма значительные нагрузки изгиба и кручения. Их сочетание может быть самым разнообразным, но динамичность внешних воздействий меньше, чем у мехлопат в основном благодаря незначительной инерционности гидропривода и ограничению пиковых нагрузок предохранительными клапанами.
Тем не менее к конструкциям рукояти и стрелы предъявляют строгие требования в части устранения мест концентрации напряжений и рационального использования материала с целью максимального снижения массы этих узлов.
Благодаря техническим (простоте конструктивного исполнения, малой массе машины) и технологическим (высокой маневренности, большой производительность) преимуществам гидравлические экскаваторы с погрузочным оборудованием представляют собой образец техники нового поколения и в последнее время неуклонно завоевывают первенство на мировом рынке выемочно-погрузочных и землеройных машин.