Силы, возникающие на рабочем органе землеройной машины при взаимодействии с грунтом или горной породой, формируются под влиянием целого ряда факторов. К ним относятся физико-механические характеристики разрабатываемого материала (плотность, сцепление, угол внутреннего трения), структура массива (наличие трещин, прослоев, включений), а также конструктивные особенности самого рабочего органа и его режущих элементов. Для проектирования и подбора оборудования используются расчетные (максимально ожидаемые) значения этих сил, на основе которых определяется требуемая мощность приводов главных механизмов.
Одноковшовые экскаваторы
Прямая лопата
Ключевым параметром для расчета является сила сопротивления копанию, которая определяется из условия полного наполнения ковша при работе в наиболее тяжелых условиях. Эта сила рассчитывается по формуле, учитывающей удельное сопротивление породы резанию, коэффициент, зависящий от угла резания и затупления кромки, максимальную толщину срезаемой стружки и ширину ковша.
Условие, обеспечивающее наполнение ковша, связывает геометрические параметры стружки с объемом ковша.
Силы в главных механизмах — подъемном (действующая в канате) и напорном — непостоянны. Они зависят от текущего положения рабочего оборудования (стрелы, рукояти, ковша) и степени его загрузки. Для их определения проводят анализ равновесия системы в нескольких расчетных (наиболее нагруженных) положениях.
Например, для подъемного механизма критическими являются положения в начале и в конце копания, а для напорного механизма — дополнительные промежуточные точки. Учитывая, что механизмы работают в повторно-кратковременном режиме с резко меняющимися нагрузками, мощность двигателя выбирают с запасом, используя формулу, которая включает максимальную мощность, развиваемую при копании, и коэффициент, учитывающий график нагрузки.
Обратная лопата
Принцип расчета силы сопротивления копанию для обратной лопаты аналогичен прямой: он также основывается на условии наполнения ковша при отделении слоя породы. Однако расчетные положения оборудования и, соответственно, нагруженные элементы — другие.
Для гидроцилиндра поворота (опрокидывания) ковша наиболее тяжелым является момент, когда ковш подходит к бровке уступа. В этом положении сила сопротивления копанию и сила тяжести груженого ковша действуют в одном направлении, суммируясь.
Для гидроцилиндра стрелы максимальная нагрузка возникает при подъеме полного ковша на максимальном вылете, когда создается наибольший опрокидывающий момент. Мощность гидродвигателей также подбирается с учетом переменного режима работы.
Погрузочное оборудование
При расчете погрузчиков отдельно определяют касательную и нормальную составляющие силы сопротивления, возникающие при внедрении ковша в материал. Эти составляющие рассчитываются по эмпирическим зависимостям, которые учитывают ширину ковша, глубину резания и удельное сопротивление грунта.
Драглайн
Расчетная сила сопротивления копанию для драглайна, как и для других экскаваторов, определяется из условия наполнения ковша. Особенностью работы драглайна является специфическая траектория движения ковша, которая включает зоны «растяжки» (когда направления тягового и подъемного канатов близки, и силы в них резко возрастают) и «саморазгрузки» (когда сила тяжести ковша помогает его выгрузке).
Траектория планируется либо для минимизации просыпания груза (при постоянном угле наклона ковша), либо для наиболее полного использования мощности подъемного механизма (при постоянном усилии в канате). Скорость подъема ковша обычно находится в диапазоне 2.5–4 м/с и подбирается так, чтобы успеть поднять ковш с максимальной глубины за время поворота платформы.
Механизм поворота (для одноковшовых экскаваторов)
Расчет мощности привода поворота имеет свою специфику, так как этот механизм большую часть цикла работает в неустановившемся режиме (разгон и торможение массивной поворотной платформы). Существует компромисс при выборе передаточного числа редуктора: его увеличение повышает вращающий момент и ускорение, сокращая время разгона, но одновременно снижает максимальную скорость установившегося вращения, увеличивая время движения с постоянной скоростью. Таким образом, для каждого угла поворота существует оптимальное передаточное число, минимизирующее общее время операции. Мощность двигателя определяется исходя из момента инерции платформы, требуемого углового ускорения и потерь в механизме.
Многоковшовые (непрерывного действия) экскаваторы
Роторные экскаваторы
Кинематика и силовые нагрузки роторного экскаватора определяются схемой, по которой производится выемка породной «ленты» (подступа). Возможны два основных варианта:
1. С переменным радиусом черпания (при выдвижной стреле): толщина срезаемой каждой ковшом стружки постоянна по всей длине ленты.
2. С постоянным радиусом (невыдвижная стрела): толщина стружки переменна, максимальна на оси ротора, а лента в плане имеет серповидную форму.
Мгновенная толщина стружки, срезаемой одним ковшом за оборот ротора, рассчитывается по формуле, учитывающей скорость подачи, угловую скорость ротора, число ковшей и текущий угол его поворота.
Мощность, необходимая для резания (отделения стружки от массива), определяется суммированием усилий на всех ковшах, одновременно находящихся в забое. Она зависит от удельного сопротивления породы, геометрии стружки и производительности машины.
Цепные экскаваторы (поперечного копания)
Особенность цепных экскаваторов заключается в том, что подача ковшовой рамы и разработка забоя происходят в направлении, перпендикулярном ее плоскости. Это достигается либо перемещением всей машины вдоль уступа, либо поворотом ее верхнего строения. Расчет сил сопротивления и мощности для этих машин также базируется на определении параметров стружки, срезаемой каждым ковшом, и суммировании усилий по всей actively работающей части цепи.
