Роторный траншейный экскаватор ЭТР 253

Роторный траншейный экскаватор ЭТР 253

Введение

траншейный экскаватор опорный мощность

Строительство магистральных трубопроводов делится на два самостоятельных этапа:

строительство наземных сооружений;

строительство линейной части.

Все строительно-монтажные процессы на строительстве магистральных трубопроводов выполняются в основном машинами. При этом используются как строительные машины общего назначения, так и машины, созданные специально для строительства магистральных трубопроводов. Применение этих машин позволило почти полностью механизировать все технологические процессы и придать строительству характер поточного производства с высокой степенью индустриализации.

Поточность строительства предполагает непрерывность технологических процессов и их выполнение в строгой технологической последовательности. При этом строительные машины и оборудование перемещаются вдоль трубопровода, оставляя за собой уложенный в траншею трубопровод. В работе одновременно участвуют от 20 до 25 строительных машин и другого оборудования, производительность которого согласуется с общим темпом потока.

Рытье траншей является составной частью строительного комплекса и представляет собой один из наиболее трудоемких и ответственных по срокам и качеству выполнения технологических процессов. Подготовка траншей предшествует изоляционно-укладочным работам. Однако траншею нельзя рыть слишком рано, так как в результате воздействия атмосферных осадков, механических нагрузок от проходящего вблизи транспорта и других причин она может обрушиться. Согласно СНиП-III.Д.10-72 разрыв по времени между полной готовностью траншеи и укладкой в нее изолированного трубопровода не должен быть значительным.

В подавляющем большинстве случаев одноковшовый экскаватор забирает грунт с разных участков забоя по ширине с одной стоянки, оставляю на боковых стенках траншеи вертикальные и наклонные гребни, вершины которых определяют профиль траншеи. Это приводит к тому, что фактический объем вынутого из траншеи грунта будет всегда больше проектного. Было установлено, что при одинаковых проектных размерах траншеи одноковшовый экскаватор вынимает грунта в среднем в 1,5-2 раза больше по сравнению с роторным.

Нельзя, однако, считать, что одноковшовые экскаваторы могут быть полностью вытеснены из трубопроводного строительства роторными экскаваторами. Существуют условия, при которых нельзя применить роторные экскаваторы, например, при разработке перемычек, которые образуются на стыке двух траншей; при рытье траншей на сильно пересеченной местности, где планировка поверхности для роторного экскаватора не выгодна; при разработке взорванных скальных грунтов и т.д.

Траншейные роторные экскаваторы применяют также на строительстве городских трубопроводных линий, а также линий кабельной связи, на строительстве зданий для рытья траншей под фундаменты и т.п.

Современные траншейные роторные экскаваторы представляют собой сложные автономные механические системы с элементами электро- и гидропривода. В данной курсовой работе рассматривается устройство и принцип работы роторного траншейного экскаватора ЭТР 253.

1. Общие сведения о траншейных роторных экскаваторах

.1 Назначение и область применения

Экскаваторы траншейные роторные (ЭТР) применяют на строительстве подземных коммуникаций (газо-, нефте- и продуктопроводов, водоводов, теплофикационных сетей, кабельных линий связи, линий электроснабжения и других для рытья траншей - выемок значительной протяженности по сравнению с размерами их поперечных сечений.

Траншейные роторные экскаваторы эффективно применяются для рытья траншей в однородных грунтах. Крупные каменистые включения снижают надежность машин, приводят к частным поломкам рабочего органа, простоям и дополнительным затратам на ремонтно-восстановительные работы.

Современные ЭТР с рабочим органом, оборудованным износостойкими зубьями, способны разрабатывать высокоабразивные мерзлые грунты с промерзанием на всю глубину траншеи. Они не могут работать на крутых поперечных косогорах, а также на болотах со слабой несущей способностью, где проходимость машины ухудшается.

Обязательное условие организации земляных работ с использованием ЭТР - обеспечить достаточную устойчивость стенок траншей с начала их рытья до завершения монтажных работ. Этого добиваются, главным образом, за счет сокращения времени с момента рытья траншей до начала монтажа коммуникаций, а также путем рытья траншей наклонными стенками - откосами. В последнем случае возрастают объемы земляных работ как при рытье траншей, так и при их последующей засыпке, усложняется работа монтажных машин, расположенных на бровке, вследствие их удаленности от оси траншеи. Поэтому траншеи с наклонными откосами роют лишь в грунтах с пониженной несущей способностью. Естественно, что в слабых грунтах (сыпучих песках, плывунах) эти машины совсем неприменимы.

.2 Принципиальная схема устройства

Траншейные роторные экскаваторы, являющиеся самоходными землеройными машинами непрерывного действия, отделяют грунт от массива (разрыхляют), вынимают его из траншеи и высыпают на поверхность с одной стороны траншеи с образованием бруствера (отвала).

Траншейный роторный экскаватор (см. чертеж №1) состоит из тягача, обеспечивающего экскаватору поступательное движение (подачу), и рабочего органа. Наибольшее распространение получили гусеничные тягачи, созданные на базе гусеничных тракторов.

На тягаче монтируются силовое оборудование, трансмиссия с коробкой передач для изменения скорости передвижения, механизм подъема рабочего органа и кабина машиниста с системой управления. В отличие от трактора, тягач ЭТР в процессе работы воспринимает большие вертикальные нагрузки в задней части, т.е. в месте подвешивания рабочего органа. Чтобы уменьшить давление на грунт, удлиняют тракторные тележки, добавляя несколько пар опорных катков. Кроме того, для выравнивания нагрузок по длине гусеничных тележек в передней части тягача помещают наиболее тяжелые агрегаты (двигатель, коробку передач и другие), а также подвешивают дополнительный груз (обычно чугунный). Наиболее удачное конструктивное решение имеет рассматриваемый в данной курсовой работе экскаватор ЭТР 253, тягач которого воспринимает нагрузку от рабочего органа в средней части.

Все ЭТР оборудуются дизельными двигателями. Передача энергии от двигателя на основные исполнительные механизмы (роторное колесо, транспортер, ходовая часть) или вспомогательные (механизмы подъема рабочего органа, подъема транспортера и др.) осуществляется с помощью механической, электрической или гидравлической трансмиссии, выбор которых определяется главным образом технико-экономическими соображениями.

Рабочий орган ЭТР представляет собой жесткой роторное колесо 21 с ковшами 13 и зубьями, установленное на раме 10. Отделение грунта от массива и вынос его на роторного колеса: вращательного и поступательного вдоль траншеи. Роторные экскаваторы известных моделей роют траншеи движением ковшей снизу вверх, хотя принципиально возможно и обратное движение. Поднятый ковшами на поверхность грунт высыпается на ленточный транспортер 7, установленный на раме рабочего органа поперек движения экскаватора, а затем отбрасывается в бруствер. Для устройства наклонных стенок траншей применяют ножевые откосники.

.3 Технологические требования

Траншейные работы в наибольших объемах выполняются при строительстве магистральных трубопроводов. Этим объясняется то обстоятельство, что основополагающими требованиями к параметрам ЭТР являются условия строительства подземных магистральных трубопроводов.

Глубину траншеи, равную глубине заложения трубопровода, назначают из условий предохранения его защитной толщей грунта от механических повреждений, которые могут быть причинены проходящими над ним транспортными средствами. В соответствии с действующим СНиП-III.Д.10-72 минимальную толщину защитного слоя принимают 800 мм, а в пустынных и малонаселенных районах - 500 мм.

Для трубопроводов, по которым перекачивают жидкие продукты, необходимо дополнительно учитывать требования сохранения их жидкого агрегатного состояния. С этой целью трубопроводы укладывают ниже уровня промерзания грунта для данного района. Минимальную ширину траншеи по дну принимают на 300 мм больше диаметра укладываемого трубопровода для диаметров до 720 мм включительно и равной полуторному диаметру, начиная от 820 м и выше (определяют под диаметру условного прохода).

Чтобы траншеи не осыпались в процессе укладки трубопровода, а также чтобы лучше просматривался фронт работы машинистом трубоукладочной машины, в верхней части траншеи устраивают откосы с уклоном 1 : 0,33. Как уже отмечалось, отвал грунта (бруствер) находится с одной стороны траншеи на расстоянии не менее 500 мм, а подготовленный к укладке трубопровод - на свободной от грунта стороне.

Существует параметрический ряд на ЭТР (по ГОСТ 12 659-67*), регламентирующий размеры траншеи и производительность различных типов ЭТР.

2. Экскаватор траншейный роторный ЭТР 253

.1 Общие сведения о ЭТР 253

Под трубопроводы диаметром 1420 мм траншеи роют шириной 2,1м и глубиной до 2,5м экскаватором ЭТР 253. За базу экскаватора был взят трактор ДЭТ-250, который приспособлен для работы при низких температурах. Впервые в отечественном экскаваторостроении применено бесступенчатое регулирование скоростей рабочего хода с помощью объемного гидравлического привода переменной производительности. Это позволяет снизить динамические нагрузки на трансмиссию на переходных режимах, а также выбирать оптимальные скорости подачи в зависимости от рабочих сопротивлений. В отличие от других ЭТР, у ЭТР 253 по-иному выполнена подвеска рабочего органа на тягаче, обеспечивающая практически равномерное распределение удельных давлений на грунт по длине гусениц. Экскаватор имеет надежную тракторную ходовую систему, способную совершать транспортные переходы с преодолением больших расстояний в условиях бездорожья, особенно в северных и восточных районах страны. Рабочее оборудование выполнено с учетом разработки прочных, в том числе мерзлых, грунтов. Это достигнуто за счет применения в конструкции нового способа разрушения грунтов, так называемого метода крупного скола; создание износостойкого режущего инструмента; жесткого и прочного рабочего органа, позволяющего реализовать значительные удельные силы копания.

.2 Технические характеристики ЭТР 253

Производительность (расчетная) - 1200 м3/ч.

База тягача - Трактор ДЭТ-250.

Размеры траншеи:

глубина (максимальная) - 2,5 м;

ширина по дну - 2,1 м;

ширина по верху (с откосами) - 3,2 м;

начало откоса от дна - 1,2 м;

площадь поперечного сечения - 5,25 м2.

Силовая установка:

Тип - дизель-электрическая.

Дизель:

марка - В-30Б;

мощность - 300 л.с.;

мощность, затрачиваемая на копание - 219 л.с.;

удельная мощность копания - 41,8 л.с./м2;

частота вращения коленчатого вала - 1050 об/мин;

число цилиндров - 4 шт.

Ходовое оборудование:

Тип - гусеничный.

Просвет между башмаками гусениц - 1760 мм.

Ширина башмака - 690 мм.

Расстояние между осями гусеницы - 3218 мм.

Среднее удельное давление на грунт:

в рабочем положении - 0,9 кгс/см2;

в транспортном положении - 0,85 кгс/см2.

Рабочие скорости (при движении вперед) - регулируются бесступенчато (I диапазон - от 0 до 180 м/ч; II диапазон - от 0 до 280 м/ч).

Транспортные скорости (при движении вперед):

-я - 3,5 км/ч;

-я - 5,4 км/ч.

Транспортные скорости (при движении назад):

-я - 3,4 км/ч;

-я - 5,2 км/ч.

Привод - гидравлический для рабочего хода, механический для транспортного передвижения.

Рабочий орган:

Тип - полуприцепной.

Диаметр роторного колеса (по режущим кромкам зубьев) - 4500 мм.

Вместимость ковша - 250 л.

Скорость резания - 1,74 м/мин.

Частота вращения роторного колеса - 7,4 об/мин.

Привод - электрический.

Транспортер:

Тип - ленточный двухсекционный складывающийся.

Ширина ленты - 1200 мм.

Привод - электрический.

Механизм подъема рабочего органа:

Тип - гидравлический.

Марка гидравлического насоса - НШ-46У.

Количество гидравлических цилиндров - 4 шт.

Габаритные размеры в транспортном положении - 1290037004800 мм.

Масса - 59,5 т.

.3 Общее устройство ЭТР 253

В ЭТР 253 имеются механический, гидравлический и электрически приводы основных механизмов. Для транспортного хода применен механический привод, для рабочего хода, а также для подъема и опускания рабочего органа и откидной части транспортера - гидравлический привод и для движения ротора и транспортера - электрический привод.

Электрическая энергия вырабатывается генератором ГСС104-4Э (мощностью 200 кВт), установленном на экскаваторе. Тягачом экскаватора служит трактор ДЭТ-250, в котором без внесения изменений в конструкцию гусеничного хода и общей компоновки механизмов на раме трактора заменены следующие механизмы:

центральная фрикционная муфта на дисковую пружинную;

генератор постоянного тока на генератор переменного тока;

старый редуктор на новый раздаточный редуктор;

электродвигатель хода на редуктор хода.

Кроме того, дополнительно установлены редуктор насосов и карданные валы для передачи движения к раздаточному редуктору, редуктору хода и редуктору насосов.

В связи с этим на раме трактора приварены новые кронштейны и посадочные места.

Главная фрикционная дисковая муфта сцепления закреплена непосредственно на маховике двигателя В-30, установленного на тракторе ДЭТ-250.

От фрикционной муфты движение воспринимается первым карданным валом и передается на раздаточный редуктор. Раздаточный редуктор предназначен для передачи движения от двигателя к электрогенератору, редуктору хода и редуктору насосов. Когда работает двигатель и включена главная муфта сцепления, будут вращаться шестерни раздаточного редуктора, а электрогенератор будет вырабатывать электрическую энергию.

Второй карданный вал служит для соединения раздаточного редуктора с редуктором насосов. Редуктор насосов предназначен для передачи движения от раздаточного редуктора к гидравлическим насосам. Редуктор насосов приводит в движение четыре насоса:

гидравлический насос 937 для привода гидравлического мотора рабочего хода экскаватора;

гидравлический насос НШ-10ЕЛ для управления гидравлическим насосом 937;

гидравлический насос НШ-46У для привода механизмов подъема и опускания рабочего органа и откидной части транспортера;

масляный насос для смазки трансмиссии трактора.

Редуктор хода предназначен для передачи движения от гидравлического мотора 937 при рабочем ходе или от раздаточного редуктора при транспортном ходе (с понижением частоты вращения) на главную коническую передачу заднего моста, бортовые редукторы и звездочки гусеницы тягача.

При наличии задней опоры рабочий орган относят к классу полуприцепных (как у рассматриваемого ЭТР 253).

Ротор, т.е. рабочее колесо, представляет собой два кольца из листовой стали, соединенных между собой поперечинами и ковшами. К кольцам заклепками прикреплены зубчатые рейки, отлитые из высокомарганцевой стали. Внутренние кромки реек образуют беговую дорожку. Как уже отмечалось, вместе с полувалами редуктора привода ротора вращаются шестерни цилиндрического редуктора. Зубья этих шестерен вступают в сцепление с зубьями реек, которые начинают вращаться, а вместе с ними приводится в движение и ротор. Последний своими беговыми дорожками катиться по поддерживающим роликам и ступицам шестерен.

Несоответствие в зацеплении шестерни правого и левого полувалов с рейками, приклепанными к правому и левом кольцам ротора, исправляется тем, что вал привода ротора состоит из двух полувалов, не соединенных между собой, и кроме того, тем, что в конструкции редуктора привода ротора имеется дифференциальный механизм.

Ротор подвешен на верхней раме рабочего органа на четырех поддерживающих роликах, установленных на двух осях. Правильность установки ротора регулируется четырьмя направляющими роликами. Направляющие ролики установлены на двух осях, закрепленных на нижней раме рабочего органа. Поддерживающие ролики, ступицы шестерен и направляющие ролики воспринимают нагрузки, которые возникают при разработке грунта и действуют на роторное колесо. Для повышения износоустойчивости поддерживающие и направляющие ролики изготовлены сборными - ступица из обычной стали, а наружный бандаж - из легированной стали.

Ковши выполнены в виде арки с цепными днищами, обеспечивающими хорошую разгрузку грунта на транспортер. На ковшах приварены карманы, в которые вставляются зубья. Ковши оснащены сменными зубьями, упрочненными по передней грани твердым сплавом.

При рабочем ходе тягач может передвигаться как вперед, так и назад, в зависимости от направления вращения гидравлического мотора. Таким образом, в редукторе хода производится переключение движения с рабочего хода на транспортный и обратно, а также реверсирование транспортного хода.

Рабочий орган состоит из верхней и нижней рам. На верхней раме установлены редуктор привода ротора, вал привода ротора, редуктор вала привода ротора, ротор, поддерживающие ролики, транспортер и задняя опора. На нижней раме установлены направляющие ролики и электродвигатель (в ЭТР 253 используется электродвигатель АО101-4М мощностью 125 кВт), вращающий ротор и соединенный с редуктором привода ротора посредством цепной муфты.

В качестве редуктора привода ротора применен редуктор заднего моста автомобиля МАЗ-205. Для снижения частоты вращение, развиваемой электродвигателем, используются конические и цилиндрические зубчатые пары, имеющиеся непосредственно в редукторе привода ротора, а также цилиндрический редуктор механизма, приводящего в движение ротор. Цилиндрический редуктор установлен на валу привода ротора, и представляет собой шестерни (расположенные на концах полувалов редуктора привода ротора), находящиеся в зацеплении с зубчатыми рейками, прикрепленными к обоим кольцам ротора с наружной стороны.

.4 Назначение и принципиальная схема рабочего органа

Рабочий орган выполняет основную функцию ЭТР - рытье траншеи, включая отделение грунта от массива (разрушение грунта), формирование стенок траншеи, зачистку ее дна и вынос грунта на поверхность к отвальному устройству, а также отсыпку грунта в бруствер. В процессе экскавации грунта происходит его попутное разрыхление.

Однако полученные фракции могут не удовлетворять условиям неповреждаемости изоляционного слоя трубопровода при обратной засыпке, особенно при разработке мерзлых грунтов. Поэтому перед засыпкой грунт требуется разрыхлить другими механизмами.

Основными элементами рабочего органа являются (см. чертеж 1): роторное колесо (ротор) 21 с ковшами 13 и зубьями, откосники 20, зачистной или подборный щит 12, рама 10 с задней опорой 11, поддерживающие 9 и направляющие 19 ролики роторного колеса.

Рама является остовом рабочего органа. В передней части она соединена с тягачом шарниром, обеспечивающим поворот рабочего органа относительно тягача в вертикальной плоскости, а у тяжелых машин, кроме того, и в горизонтальной плоскости. Подъемом или опусканием шарнира регулируют глубину траншеи. У большинства ЭТР этот шарнир может перемещаться по направляющим рамы с помощью гидравлических цилиндров. У экскаватора ЭТР 253 этот шарнир перемещается в вертикальном направлении с помощью рычажной системы. В задней части рама опирается на колесо или лыжу.

При наличии задней опоры рабочий орган относят к классу полуприцепных (как у рассматриваемого ЭТР 253).

Ротор, т.е. рабочее колесо, представляет собой два кольца из листовой стали, соединенных между собой поперечинами и ковшами. К кольцам заклепками прикреплены зубчатые рейки, отлитые из высокомарганцевой стали. Внутренние кромки реек образуют беговую дорожку. Как уже отмечалось, вместе с полувалами редуктора привода ротора вращаются шестерни цилиндрического редуктора. Зубья этих шестерен вступают в сцепление с зубьями реек, которые начинают вращаться, а вместе с ними приводится в движение и ротор. Последний своими беговыми дорожками катиться по поддерживающим роликам и ступицам шестерен.

Несоответствие в зацеплении шестерни правого и левого полувалов с рейками, приклепанными к правому и левом кольцам ротора, исправляется тем, что вал привода ротора состоит из двух полувалов, не соединенных между собой, и кроме того, тем, что в конструкции редуктора привода ротора имеется дифференциальный механизм.

Ротор подвешен на верхней раме рабочего органа на четырех поддерживающих роликах, установленных на двух осях. Правильность установки ротора регулируется четырьмя направляющими роликами. Направляющие ролики установлены на двух осях, закрепленных на нижней раме рабочего органа. Поддерживающие ролики, ступицы шестерен и направляющие ролики воспринимают нагрузки, которые возникают при разработке грунта и действуют на роторное колесо. Для повышения износоустойчивости поддерживающие и направляющие ролики изготовлены сборными - ступица из обычной стали, а наружный бандаж - из легированной стали.

Ковши выполнены в виде арки с цепными днищами, обеспечивающими хорошую разгрузку грунта на транспортер. На ковшах приварены карманы, в которые вставляются зубья. Ковши оснащены сменными зубьями, упрочненными по передней грани твердым сплавом.

Ковш представляет собой емкость, открытую с двух сторон: с передней - для наполнения, с внутренней - для разгрузки. Чтобы грунт не высыпался из ковшей в процессе их перемещения вместе с ротором снизу вверх, на участке наполнения ковшей установлен ограничивающий щит 22 цилиндрической формы. Последний жестко соединен с рамой и выполняет роль внутренних стенок ковшей.

На роторе установлены две группы ковшей по семь штук в каждой. (Группой ковшей называют совокупность последовательно расположенных на роторном колесе ковшей, режущие кромки зубьев которых, не накладываясь друг на друга, перекрывают всю траншею по ширине с постоянным интервалом между смежными рядами. Ряд - совокупность зубьев, режущие кромки которых расположены в одной продольной вертикальной плоскости роторного колеса.) Порядок расстановки на роторе ковшей и их нумерация показаны рис. 2.1. На каждом ковше группы зубья расставлены также в определенном порядке, который показан на рис. 2.2.

Рис. 2.1. Схема расстановки ковшей на роторе экскаватора ЭТР 253

Рис. 2.2. Схема расстановки зубьев на ковшах экскаватора ЭТР 253

Необходимо следить за тем, чтобы не нарушались расстановки зубьев, что может быть выражено в смещении какого-либо зуба от его расчетного положения или в исключении его из работы. Эти нарушения возникают как в процессе изготовления или ремонта ЭТР, так и во время их эксплуатации, в частности при работе с неполным комплектом зубьев на рабочем органе. Вследствие этих нарушений изменяется схема силового взаимодействия с грунтом, так как в работу частично включается режущая кромка ковша, что нередко приводит к ее повреждениям и быстрому износу, а также снижению производительности ЭТР.

На участке разгрузки грунт свободно высыпается на транспортер через открытую внутреннюю сторону, которая в это время находится в низу ковша, а провисающее внутрь ковша днище из цепей способствует его полному опорожнению.

Грунт разрабатывается в результате сложного движения ротора: вращательного вокруг своей оси и поступательного в направлении движения ЭТР. При этом грунт разрушается только зубьями, расположенными на ковшах таким образом, чтобы исключить внедрение передней кромки ковша в неразрушенный грунт. Это в равной степени относится к зубьям, расположенным как в лобовой части ковша, так и по бокам.

Отвесные боковые стенки траншеи формируются боковыми зубьями, несколько выступающими за габариты ковшей.

Для рытья траншей с наклонными откосами ЭТР оборудуется специальными устройствами - откосниками. В конструкциях ЭТР широкое распространение получили ножевые откосники, имеющие форму пластины с заостренной передней гранью (режущей кромкой).

Откосники устанавливают с каждой стороны ротора и жестко соединяют с рамой рабочего органа. Размеры наклонных откосов определяются развалом откосников в поперечном сечении. В продольном направлении откосники могут быть установлены нижним концом вперед или назад.

Ножевые откосники относятся к типу пассивного рабочего оборудования. Они воздействуют на разрабатываемый грунт давлением режущей кромки, обеспечиваемым за счет тягового усилия тягача. Срезаемый грунт обрушается вниз, захватывается ковшами и выносится на поверхность к отвальному устройству. Конструкция рабочего органа, оборудованного ножевыми откосниками, должна удовлетворять следующим требованиям:

рама рабочего органа должна обеспечивать свободное движение обрушаемого грунта вниз и наполнение им ковшей:

вместимость ковшей должна соответствовать максимальной производительности ЭТР по объему грунта с учетом работы откосников.

Применение ножевых откосников дает сложный ломаный поперечный профиль траншеи: в нижней части ко дну примыкают отвесные участки, а наклонные откосы имеются лишь в верхней части боковых стенок (рис 2.3). После проходки траншеи ротором продольный профиль ее дна получается составленным из отдельных дуг, обращенных выпуклостями вниз. Для придания этому профилю прямолинейной формы за ротором устанавливают зачистной щит, который срезает гребни дна траншеи и зачищает осыпавшийся грунт из ковшей, возвращающихся в забой после разгрузки. Перед зачистным щитом образуется так называемая призма волочения, грунт из которой захватывается ковшами вращающегося ротора.

Рис. 2.3. Поперечное сечение траншеи с откосами в верхней части.

Чтобы обеспечить нормальные условия заглубления ротора, а также необходимый дорожный просвет (клиренс) при транспортировании ЭТР с опиранием на грунт при помощи задней опоры, зачистной щит выполняют подъемным

.5 Взаимодействие зубьев с грунтом

Роторное колесо воздействует на грунт с помощью зубьев, геометрические размеры которых и физико-механические характеристики их материалов определяются из условий обеспечения нормальной работы роторного колеса при минимальных затратах энергии на разрыхление грунта, а также требованиями достаточной прочности и износостойкости.

Рис. 2.4. Геометрические параметры острого зуба:

а - при положительном заднем угле;

б - при отрицательном заднем угле.

- зуб; 2 - ковш; 3 - карман;

m - передняя грань; n - задняя грань;

 - угол резания;  - задний угол;

 - угол заострения.

Принятые для ЭТР значения углов резания  являются результатом обобщения исследований, проведенных на землеройных машинах в различных грунтовых условиях, и находятся в пределах . Задний угол  может быть как положительным (рис. 2.4, а), так и отрицательным (рис. 2.4, б).

В первом случае задняя грань не участвует в работе, во втором случае она уплотняет грунт. При этом зуб преодолевает силы сопротивления грунта уплотнению, а также силы трения по задней грани. Энергоемкость процесса копания грунта и интенсивность изнашивания зуба при отрицательном угле  выше, чем при его положительном значении. Исходя из этих соображений, при проектировании ЭТР стремятся обеспечить условия, при которых задняя грань не участвует в процессе копания.

Из всех перечисленных геометрических параметров зуба постоянными в процессе работы остаются только его длина  и угол заострения  (без учета износа зубьев). Все остальные параметры изменяются в зависимости от направления движения зуба.

Траекторию движение какой-либо точки режущей кромки зуба при постоянной скорости поступательного движение ЭТР можно представить в виде окружности, каждая из точек которой смещена в направлении движения экскаватора на расстояние, пропорциональное длине дуги окружности от некоторого исходного (например, нижнего) до текущего положения точки. Такая траектория, называемая трохоидой, образуется вследствие сложного движения режущей кромки: вращательного относительно центра роторного колеса и поступательного вместе с последним в направлении движение ЭТР.

Направление движения режущей кромки зуба в каждый момент времени совпадает с направлением касательной к ее траектории. Направление этой касательной и касательной к окружности роторного колеса, определенной по режущим кромкам зубьев, совпадает лишь нижнем положении режущей кромки (точка М0, рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема к определению кинематических параметров движения режущей кромки зуба.

При дальнейшем ее движении указанные касательные образуют между собой угол , увеличивающийся по мере роста угла поворота  режущей кромки от исходного (нижнего) положения. Если зуб установить так, чтобы в этом положении его угол резания был равен , то в точке М этот угол уменьшится на величину . Таким же образом будут уменьшаться задний угол  и вылет . В конструкциях современных ЭТР (например ЭТР 253) угол  достигает .

В основе механизма разработки грунта режущим клином лежит понятие пространственности процесса разрушения. Перемещаясь в массиве грунта, клин уплотняет его своей передней гранью, создавая в грунте напряженное состояние. При достижении предельного напряжения происходит сдвиг отдельных элементов грунта (стружки) и отделение его от забоя. Форма стружки зависит от физико-механических свойств грунта, его состояния и угла резания. При работе ЭТР чаще всего получается элементная стружка, процесс образования которой можно представить схемой, показанной на рис. 2.6. В пластичных (глинистых) грунтах наблюдается также сливная стружка, не разделенная на отдельные элементы.

Рис. 2.6. Схема образования элементной стружки: 1 - режущий клин; 2 - элемент стружки.

Рис. 2.7. Поперечное сечение прорези (в грунте), разрушенной режущим клином.

Поперечное сечение прорези в результате проходки режущего клина имеет сложную форму (рис. 2.7), обусловленную следующими процессами, протекающими в грунте. Перемещаясь, клин разрезает грунт по поверхности CD и уплотняет его с одновременным образованием боковых прорезей BC и DE. При достижении частицами основания уровня BE в окрестностях точек В и Е касательные напряжения достигают предельных значений, в результате чего происходит сдвиг грунта по поверхностям АВ и ЕF.

На основании опытных данных было установлено, что в средней части прорези удельное сопротивление грунта в 2-4 раза больше, чем в ее боковых частях. Это указывает на то, что режущему инструменту следует придавать форму, при которой области лобовых сопротивлений были бы наименьшими. При этом можно добиться снижения энергоемкости процесса разрушения грунта за счет уменьшения ширины прорези b и увеличения толщины стружки h (см. рис. 2.7).

С этой точки зрения грунт выгодно разрабатывать узкими зубьями при больших подачах (продольных перемещениях).Такая закономерность имеет свои ограничения, так как каждой определенной ширине режущего клина соответствует так называемая критическая глубина среза (толщина стружки), превышение которой приводит к увеличению глубины боковых прорезей h1, но не снижает энергоемкости разрушения грунта.

Для ножей землеройных машин (в том числе и ЭТР), работающих в обычных песчано-глинистых грунтах, критическая глубина резания равна  ширинам среза.

.6 Применяемые зубья и их износ

В экскаваторе ЭТР 253 применяется ротор, предназначенный для разрушения прочных и мерзлых грунтов методом «крупного скола». При этом расстановка зубьев на ковшах ротора производиться в ступенчато-шахматном порядке, что соответствует доведению общего числа зубьев на роторе и в забое до минимально возможного. Это обуславливает снижение потерь на трение и смятие грунта, повышает долю общего усилия, приходящегося на зуб, и обеспечивает таким образом эффективную работу экскаватора в тяжелых грунтовых условиях при полной глубине промерзания в траншее.

Так как усилие, приходящиеся на зуб экскаватора ЭТР 253 велико, то в нем используются зубья новой конструкции, обладающие большей жесткостью и прочностью (рис.2.8). Они вставляются хвостовой клинообразной частью в соответствующей формы карман. Плотная посадка хвостовика зуба в карман обеспечивается силами резания. Для предотвращения выпадения зуба при транспортном ходе экскаватора в отверстие на конце его хвостовой части вставляется шплинт.

Рис. 2.7. Конструкция режущего инструмента. 1 - тело зуба; 2 - пластина твердого сплава.

Один из концевых барабанов (а в некоторых случаях оба, например как у ЭТР 253) выполняют приводными, для чего их с помощью валов соединяют с трансмиссией ЭТР.

Движение ленте передается за счет сил трения, возникающих между лентой и поверхностью приводного барабана. Эти силы могут возникнуть, когда лента будет прижата к поверхности приводного барабана. Для этого ленту натягивают перемещением одного или обоих концевых барабанов с помощью натяжного устройства и фиксируют на раме. С этой же целью за счет обрезинивания поверхности приводного барабана увеличивают коэффициент трение между барабаном и лентой. Верхнюю ветвь ленты, несущую груз, называют рабочей, а нижнюю - холостой или нерабочей.

Чтобы уменьшить прогибы рабочей ветви при перемещении груза, на раме устанавливают дополнительные промежуточные катучие опоры, которые принято называть поддерживающими роликами. Чтобы предохранить грунт от осыпания, по бокам рабочей ветви устанавливают щитки с фартуками, образующие вместе с лентой желоб. Для предотвращения налипания грунта на ленту транспортера, ее поверхности, а также поверхности барабанов очищают скребками. Нерабочая поверхность ленты может очищаться специальными роликами, выполненными в виде витых цилиндрических пружин (спиральные ролики).

Наиболее ответственный элемент транспортера - резинотканевая лента, на работоспособность которой в значительной степени влияет состояние петлевого замка, соединяющего концы ленты, а также направляющего гребня, служащего для предотвращения сбегания ленты с барабанов. Направляющий гребень крепят болтами с гайками с внутренней стороны ленты в средней части по все ее длине, а в концевых барабанах и поддерживающих роликах делают под него кольцевые канавки. Слабым местом этих элементов является их соединение с лентой, где концентрируются нагрузки.

В конструкциях современных ЭТР используются транспортеры двух видов: с цилиндрической поверхностью рабочей ветви ленты (криволинейный или радиусные транспортеры) и с поверхностью, составленной из двух плоскостей (секционные или складывающиеся транспортеры). Первые используются преимущественно на экскаваторах малой и средней мощности, а вторые - на экскаваторах средней и большой мощности (в том числе и на ЭТР 253).

На экскаваторе ЭТР 253 применен складывающийся транспортер, состоящий из двух рам - горизонтальной и наклонной (откидной). Горизонтальная рама закреплена на верхней раме рабочего органа и соединена с откидной осью. На концах горизонтальной и наклонной рам установлены ведущие барабаны, а на откидной оси - промежуточный барабан.

На горизонтальной раме между барабанами установлены семь поддерживающих роликов под рабочей ветвью ленты транспортера и два спиральных ролика под неработающие ветвью. На откидной раме установлены пять поддерживающих и два спиральных ролика.

Ведущий барабан откидной части приводится во вращение двумя, а ведущий барабан горизонтальной части - одним электродвигателем мощностью по 18,5 кВт. Каждый электродвигатель имеет одноступенчатый редуктор для снижения частоты вращения ведущего барабана.

Откидная часть транспортера поднимается снизу двумя телескопическими гидравлическими цилиндрами, расположенными по обе стороны транспортера.

.8 Задняя опора

Задняя опора данного экскаватора крепиться к верхней раме рабочего органа. В ее конструкции предусмотрен подвижный зачистной щит, положение которого регулируется с помощью лебедки. Для удобства работы лебедкой на задней опоре имеется подножка. Непосредственно опорой может служить колесо или лыжи. Лыжи необходимы для мягкого грунта, когда колесо начинает вязнуть. При этом нагрузка от рабочего органа частично воспринимается лыжами, опорная площадь которых составляет 2,0 м2.

.9 Механизм подъема и опускания рабочего органа

Механизм подъема и опускания рабочего органа у ЭТР 253 резко отличается по своей конструкции от подобных механизмов других экскаваторов. К тягачу прикреплена прицепная рама из двух продольных брусьев, соединенных в одну жесткую конструкцию поперечиной и фланцами. Фланцы между собой скреплены болтами. В отверстия продольных брусьев вставлены втулки, имеющие шаровую наружную поверхность. Эти втулки надеты на оси опор, прикрепленных к середине лонжеронов гусеничных тележек трактора. Шаровая поверхность втулок дает возможность продольным брусьям иметь некоторую подвижность относительно продольной оси трактора-тягача. Задняя часть прицепной рамы может подниматься и пускаться относительно уровня земли.

На поперечине имеется восемь (четыре пары) кронштейнов, прикрепленных к внутренней стороне, и два кронштейна, прикрепленных к наружной стороне . Шарнирная крестовина представляет собой конструкцию, сваренную из листовой стали. Втулка крестовины входит между кронштейнами верхней рамы рабочего органа, с которой крестовина соединена вертикальным штырем. На крестовине имеются четыре пары верхних кронштейнов и две пары нижних кронштейнов. Наружные кронштейны поперечины входят между нижними кронштейнами шарнирной крестовины. В отверстия, имеющиеся в каждом кронштейне, вставлены горизонтальные соединительные пальцы, которыми соединяются между собой тягач и рабочий орган. При такой конструкции соединения тягача с рабочим органом нагрузка от последнего воспринимается задней опорой и серединой гусеницы, т.е. распределяется равномерно по всей длине гусеничного хода. Это улучшает проходимость экскаватора как во время работы, так и при передвижении на транспортном ходу

Рабочий орган может перемещаться относительно тягача в вертикальной плоскости вокруг осей соединительных пальцев. Одновременно он может перемещаться относительно тягача в горизонтальной плоскости вокруг оси штыря, соединяющего шарнирную крестовину с верхней рамой рабочего органа.

При подъеме задней части прицепной рамы (поперечины) вместе с ней будет подниматься и передняя часть рабочего органа (крестовина). При этом рабочий органа будет перемещаться в вертикальной плоскости вокруг оси опорного колеса, а расстояние между поперечными осями тягача и рабочего органа будет уменьшаться. Прицепная рама одновременно с рамой рабочего органа будет перемещаться вокруг осей пальцев, соединяющих кронштейны поперечины и крестовины.

Чтобы поднять заднюю часть прицепной рамы и переднюю часть рамы рабочего органа, между кронштейнами установлены четыре гидравлических цилиндра штоками вверх. Головки цилиндров закреплены пальцами между кронштейнами поперечины, а штоки закреплены также пальцами между кронштейнами крестовины.

В рабочем положении, т.е при рытье траншеи на полную глубину (2,5 м), когда ротор опущен на максимальную величину, прицепная рама тягача находится в горизонтальном положении, так же как и верхняя рама рабочего органа. Угол между этими конструкциями равен 180 градусов, штоки полностью входят в гидравлические цилиндры.

При подъеме рабочего органа масло, нагнетаемое в цилиндры, заставляет штоки выходить из них и давить через пальцы на верхние кронштейны крестовины. Последняя будет пытаться повернуться вокруг горизонтальных пальцев, соединяющих нижние кронштейны крестовины с наружными кронштейнами поперечины. Но так как крестовина жестко соединена в горизонтальной плоскости с кронштейном верхней рамы рабочего органа, то за счет изменения своего положение она начинает вращать верхнюю раму вокруг горизонтальной оси колеса задней опоры, вследствие чего передний конец рамы рабочего органа перемещается вверх. Одновременно будут передвигаться вверх вокруг оси своих опор продольные брусья прицепной рамы.

Таким образом, при выходе штоков из гидравлических цилиндров все выше будет подниматься узел соединения прицепной рамы с рамой рабочего органа. Обе эти конструкции будут стремиться «сложиться» вместе, а угол между ними будет уменьшаться. При наибольшем выходе штоков из гидравлических цилиндров подъем достигнет максимальной величины, ротор полностью выйдет из траншеи и поднимется настолько, что расстояние между поверхностью земли и самой нижней его частью будет равно 300 мм.

При рытье траншеи на глубину менее 2,5 м ротор опускается за счет частичного выхода штоков из гидравлических цилиндров. Рабочий орган при рытье траншеи необходимо опускать после того, как начнут работать транспортер и ротор

3. Расчет параметров роторного траншейного экскаватора

.1 Расчет общих параметров

Скорость резания - это скорость движения режущего инструмента по его траектории. Поскольку окружная скорость вращения зубьев ротора намного больше скорости подачи экскаватора (в 25-300 раз), то ее с достаточной степенью точности можно принять за скорость резания.

Очевидно, что чем выше скорость резания, тем большей производительности может достигнуть экскаватор. Однако увеличение скорости резания ограничено условиями разгрузки ковшей: грунт должен успеть полностью высыпаться из ковша под действием своего веса в период его прохождения над лентой транспортера и при этом точно попасть на транспортер (см. чертеж №2, положение II).

Грунт может начать высыпаться в момент, когда ковш минует верхнюю кромку направляющего щита только в том случае, если его вес больше вертикальной составляющей центробежной силы:

,     (3.1)

где G и m - соответственно вес и масса грунта в ковше; n - скорость вращения ротора в об/мин;  - угол наклона к горизонту луча, проведенного из центра ротора через крайнюю точку направляющего щита; R - расстояние от центра ротора до наиболее удаленных частиц грунта в ковше перед ссыпкой (в расчетах равно радиусу ротора по аркам ковшей).

Подставив значение величины G=mg и решив выражение (3.1) относительно скорости n, получим:

, (3.2)

где  - критическая скорость вращения, по достижении которой ковш разгружаться не будет. Обычно принимают .

Частицы выпадающего из ковша грунта движутся по параболе, причем в момент начала выгрузки они имеют скорость, равную окружной скорости ротора и направленную по касательной под углом  к горизонту. Таким образом, горизонтальная составляющая этой скорости равна , а путь грунта в горизонтальном и вертикальном направлении соответственно описывается выражениями:

 и   (3.3)                    

Подставив во второе выражение значение t из первого, получим:

.     (3.4)

Угол начала разгрузки  в предварительных расчетах можно принять равным .

При проектировании следует принимать ширину транспортера с бортами не менее длины ковша плюс горизонтальная проекция траектории падения грунта.

Длину L сектора разгрузки ковшей при предварительном расчете можно принять равной , где  - ширина ленты транспортера.

Следовательно: мм.

Для обеспечения разгрузки ковшей необходимо, чтобы время t1 прохождения каждого ковша в зоне разгрузки было больше, чем время его опорожнения t2:

Определяем t1:

с.

Производительность роторного траншейного экскаватора определяется возможной производительность его рабочего органа и мощностью установленного на нем двигателя.

Максимально возможная производительность ротора экскаватора составляет:

,   (3.6)

где  - емкость ковша в м3;  - число ковшей; n - скорость вращения ротора в об/мин;  - коэффициент разрыхления грунта (определяется по табл.4, стр. 118 [1]);  - коэффициент наполнения ковшей для грунтов (определяется по данным на стр. 185 [1]).

Определим максимально возможную производительность ротора экскаватора при работе в грунте III категории:

м3/ч.

Величина  показывает, какое количество грунта ротор может подать на транспортер. Поэтому следующим агрегатом, определяющим производительность, является транспортер.

Производительность транспортера определяется следующей зависимостью:

,   (3.7)

где F - площадь сечения грунта на выходе с ленты, м2 ();  - конечная скорость грунта на выходе с ленты, м/с;  - рабочая ширина ленты, м.

За счет установки фартуков, предотвращающих просыпание грунта на стороны, рабочая ширина ленты транспортера меньше ее полной ширины  на 200-300 мм.

Следовательно:

мм.

По соотношениям (стр. 190 [1]) принимаем  = 0,07 м.

Выгружаемый из ковшей на транспортер грунт разгоняется быстродвижущейся лентой, покидает ее с конечной скоростью , и далее движется в пространстве до точки приземления, как тело, брошенное под углом  к горизонту с начальной скоростью . Для определения  воспользуемся формулой (II.74) (стр. 193 [1]), полученной при описании траектории движения грунта для транспортера углового типа:

,        (3.8)

где ,  - длина соответственно наклонного и горизонтального участка транспортера; f - коэффициент трения грунта о ленту транспортера;  - коэффициент, определяемый по графику (рис.81, стр. 192 [1]), при f = 0,7 =0,68; R - радиус кривизны переходной части транспортера.

Следовательно:

 = 6,2 м/с

Следовательно производительность транспортера равна:

м3/ч

Линейная производительность экскаватора определяет протяженность траншеи, отрываемой им в единицу времени. Линейной производительностью экскаватора, показывающей длину отрываемой им в час траншеи, является скорость его рабочего хода .

Скорость рабочего хода связана с технической производительностью Пт экскаватора следующим соотношением:

,    (3.9)

где F - площадь поперечного сечения траншеи, м2.

По технически характеристикам экскаватора (см. раздел 2.2) определяем:

 м3/ч.

.2 Расчет мощности, потребляемой экскаватором

Мощность, затрачиваемая на работу ротора и откосников, складывается из следующей суммы:

,         (3.10)

где  - мощность, затрачиваемая на копание грунта ковшами;  - мощность, затрачиваемая на резание грунта откосниками;  - мощность, затрачиваемая на подъем грунта ковшами.

Мощность, потребляемая при копании грунта ковшами, определяется по формуле (II.59) стр. 186 [1].

,     (3.11)

где k - удельное сопротивление копанию, кгс/см2, по табл. 10 (стр. 186 [1]) для III категории грунта принимаем k = 7,5.

Следовательно:

 л.с.

Мощность, потребляемая при резании грунта откосниками, определяется по формуле (II.60) стр. 187 [1].

,         (3.12)

где  - площадь сечения траншеи, разрабатываемая откосниками, м2, по техническим характеристикам экскаватора (см. раздел 2.2) определяем  = 0,7 м2;  - удельное сопротивление разработке грунта откосниками, кгс/см2, определяется по формуле (II.61, стр. 187 [1]) .

Следовательно:

 л.с.

Мощность, необходима для подъема грунта ковшами определяется по формуле (II.62) стр. 187 [1].

, (3.13)

где  - удельный вес грунта, тс/м3, принимаем = 2,5; Н - глубина траншеи, м; Н0 - расстояние от поверхности земли до точки выгрузки грунта (до середины ковша, находящего в верхнем положении), м, принимаем Н0 = 4,4 м.

Следовательно:

 л.с.

Следовательно, мощность, затрачиваемая на работу ротора и откосников:

 л.с.

Мощность, потребляемая транспортером - при ориентировочном расчете воспользуемся формулой (II.75) стр. 193 [1].

 л.с.  (3.14)

Мощность двигателя, необходима для рабочего передвижения экскаватора - при ориентировочном расчете воспользуемся формулой (II.68) стр. 190 [1].

 л.с.   (3.15)

.3 Определение сил сопротивления копанию

При работе экскаватора на его ковш действует сила сопротивления грунта копанию, которую можно разложить на касательную Рк и нормальную РN составляющие (см. чертеж №2, положение I).

Толщина стружки, срезаемой ковшом, величина переменная, изменяющаяся от минимального значения, соответствующего началу копания, до максимального, равного подаче на ковш, соответствующего моменту выхода ковша из забоя.

Поскольку одновременно в забое находятся несколько ковше, каждый из них в одно и то же время срезает стружку разной толщины. Поэтому ковши испытывают со стороны грунта различные сопротивления копанию. Максимальная сила сопротивления действует на верхний ковш перед моментом его выхода из забоя, а точнее, когда его режущий инструмент находится в диаметральной горизонтальной плоскости ротора.

Среднее суммарное окружное усилие копания Рокр на роторе равно сумме касательных сил Ркi сопротивления грунта копанию на ковшах:

,       (3.16)

где Ркi - усилие копания на отдельном ковше; n - скорость вращения ротора, об/мин; D - диаметр ротора по кромкам зубьев, м.

Следовательно:

 кгс.

.4 Определение усилий, действующих на опорные элементы экскаватора, и его тягового усилия

Как было отмечено ранее, на каждый из находящихся в забое ковшей действует сила сопротивления грунта копанию, складывающаяся из касательной и нормальной составляющей.

Обозначим горизонтальную и вертикальную проекции этих составляющих соответственно через Рк.г. и Рк.в. - для касательной силы Рк и через РN.г. и РN.в. - для нормальной силы РN (см. чертеж №2, положение I).

Кроме этих сил к рабочему органу приложен еще его вес Gр, вертикальная Ra, и горизонтальная Na составляющие реактивного усилия в шарнире А, нормальная реакция грунта Rв и сила сопротивления качению f2*Rв, приложенные к опорному колесу, а также горизонтальная Рот.г. и вертикальная Рот.в. составляющие силы сопротивления грунта копанию откосниками.

Усилия, действующие на передний шарнир А и заднее опорное колесо, определяются из трех уравнений равновесия:

          (3.17)

где lp, l, а, lот, h, Н1 - расстояния от шарнира А до линии действия соответствующих сил.

Суммарное тяговое усилие (в кгс), необходимое для рабочего передвижения экскаватора, определяется по формуле (II.65) стр. 189 [1]:

,    (3.18)

где GT - вес базового тягача, кгс; f - коэффициент сопротивления передвижению гусеничного хода базового тягача

Список использованной литературы

Минаев. В.И. Машины для строительства магистральных трубопроводов. М., «Недра», 1973, 432 с.

Давидович П.Я., Крикун В.Я. Траншейные роторные экскаваторы. М., «Недра», 1974, 320 с.

Лызо Г.П. Тракторы, автомобили, двигатели. М., «Высшая школа», 1968, 500 с