Особенности работы гидравлического одноковшового экскаватора на опорной поверхности со сложным рельефом

Аннотация. Данная статья посвящена исследованию особенностей  работы гидравлического одноковшового экскаватора на опорной поверхности со сложным рельефом. В статье приводятся основные направления развития конструкций одноковшовых экскаваторов для их максимальной эффективности в работе. На основе анализа ходовых установок и перспектив их усовершенствования предложена конструкция ходового оборудования одноковшового экскаватора, который может использоваться на опорной поверхности с значительным изменением ее рельефа.

Abstract. This article is devoted to studying the features of the operation of a hydraulic bucket excavator on a supporting surface with a complex relief. The article gives the main directions for the development of single-bucket excavator designs for their maximum efficiency in work. Based on the analysis of the chassis and the prospects for their improvement, the design of the chassis equipment of a single-bucket excavator is proposed, which can be used on a supporting surface with a significant change in its relief.

Ключевые слова: гидравлический одноковшовой экскаватор, цепной траншеекопатель, геометрические параметры, опорная поверхность, сложный рельеф.

Keywords: hydraulic single-bucket excavator, chain trencher, geometric parameters, abutment surface, complex relief.

Постановка проблемы. Одноковшовые экскаваторы занимают ведущее место среди строительных машин для производства земляных работ. Ими выполняется значительный комплекс работ при разработке котлованов и траншей, строительстве автомобильных и железных дорог, аварийно-спасательных операциях и т.д. [4].

Эффективность использования этих машин в значительной степени зависит от типа привода рабочего оборудования (системы управления механической или гидравлической), его функциональных возможностей, типа ходового оборудования, качества изготовления конструктивных элементов и организационно-технологического уровня эксплуатации техники.

Таким образом, вопрос исследования особенностей работы гидравлического одноковшового экскаватора на опорной поверхности со сложным рельефом является весьма важным и актуальным на современном этапе и требует тщательного анализа.

Кроме того, при выполнении различных видов земляных работ иногда существует необходимость функционирования на сложной и неровной опорной поверхности.

Также, землеройное оборудование целесообразно применять на всех стадиях спасательных и восстановительных работ при ликвидации последствий землетрясений, оползней, при которых происходит разрушение промышленных и гражданских сооружений, транспортных и инженерных коммуникаций. К тому же, ходовое и рабочее оборудование должно обеспечить работу в стесненных условиях завалов разрушенных сооружений, уменьшать опасность нахождения спасателей в этих условиях.

При этом важными критериями являются обеспечение устойчивости машины в процессе работы и возможность быстрого и безопасного передвижения по сложному ландшафту. Удовлетворить в полной мере указанные требования не может пневмоколесное и гусеничное ходовое оборудование.

Цель статьи: исследование особенностей работы гидравлического одноковшового экскаватора на опорной поверхности со сложным рельефом.

Основное изложение материала. Среди общих тенденций развития конструкции одноковшовых экскаваторов необходимо выделить следующие:

• создание нового типа - экскаваторов-манипуляторов и мини-экскаваторов с набором быстросъемных рабочих органов для комплексной механизации работ в строительстве;
• повышение удельной мощности при сравнительно небольшом увеличении массы;
• применение более прочных материалов, защитных устройств;
• снижение трудоемкости технического обслуживания;
• улучшение условий труда за счет снижения трудоемкости управления машиной, уменьшение шума, вибраций, загазованности, запыленности;
• создание тяжелых экскаваторов на базе спаренных платформ;
• расширение номенклатуры экскаваторного оборудования;
• использование автоматических (дистанционных) систем управления РО;
• совершенствование систем управления и создания комфортных условий для машиниста;
• внедрение микропроцессорной техники, в том числе устройств отображения информации. [5, c.218]

Ходовое оборудование экскаваторов предназначено для передачи на опорную поверхность веса базовой машины и внешних силовых воздействий (силы резания грунта ковшом, инерционные нагрузки и др.), перемещения машины на рабочих и транспортных скоростях.

В качестве ходового оборудования одноковшовых экскаваторов используется: гусеничное, пневмоколесное, гусенично-колесное и шагающее оборудование [2]. Наиболее распространенными являются два первых типа ходового оборудования. Шагающий ходовой механизм имеет ограниченное применение и используется только на машинах значительной мощности и массы (для перемещения драглайнов). Пневмоколесное ходовое оборудование обеспечивает маневренность, мобильность, высокие транспортные скорости и плавность движения, но в отличие от гусеничного, требует применения аутригеров, то есть устройств для повышения устойчивости при работе. Гусеничное ходовое оборудование характеризуется хорошим сцеплением с опорной поверхностью, высокой тяговой способностью, большей опорной поверхностью, высокой проходимостью, что позволяет выполнять работы в условиях бездорожья. Но ему присущи существенные недостатки, в частности, сложность конструкции, большое количество подвижных соединений деталей, не защищены от абразивной среды, значительная металлоемкость конструкции. [1, c.55]

Современный рынок строительной техники, в частности одноковшовых экскаваторов, представлен многими фирмами-производителями: Caterpillar, Liebherr, Kobelco, Samsung, Komatsu и др. Специалисты этих фирм постоянно работают над усовершенствованием конструкции ходовых установок и рабочего оборудования, и, кроме этого, значительный объем работ выполняется по внедрению информационных технологий и средств, обеспечивающих автоматизацию управления машиной и автоматизацию выполнения технологических операций. Также зарубежные фирмы-производители большое внимание уделяют улучшению дизайна, особенно кабин и капотов [4].

Рисунок 1. Экскаватор Spider R105         Рисунок 2. Экскаватор Kaiser S1       

Одноковшевые гидравлические экскаваторы со специальным ходовым оборудованием в частности предлагаются итальянской компанией Euromach SpA (модель экскаватора R105, рис.1) и немецкой компанией Kaiser (модели экскаватора S1 таS2, рис.2).

Указанные фирмы рекламируют эти машины как землеройные акробаты для механизации земляных и погрузочно-разгрузочных работ в труднодоступных местах, а также для лесоразработок.

Отечественный  одноковшовый экскаватор для работы на опорной поверхности со сложным рельефом показан на рис.3.

Одноковшовый экскаватор состоит из поворотной платформы 9 на которой в передней части размещено рабочее оборудование, кабина оператора 7 и силовая установка 8. Рабочее оборудование экскаватора, которое шарнирно присоединен к поворотной платформы, состоит из стрелы 4, к которой подвижно присоединен рукоять 3. На конце рукояти монтируется ковш 1. Рукоять 3 состоит из основной и размещенной в ней вставной секции, которая руководствуется гидроцилиндром (на рис. не показан). С помощью механизма телескопирования рукояти имеется возможность изменять радиус копания. Стрела, рукоять и ковш руководствуются соответствующими гидроцилиндрами 6, 5, 2. Указанное оборудование устанавливается на специальном ходовом оборудовании оригинальной конструкции. Ходовое оборудование экскаватора выполнено в виде основной рамы 11, к которой шарнирно присоединены опорные лапы 14 со смонтированными на них пневматическими колесами (приводными 10, не приводными 12). Опорные лапы 14 имеют возможность поворота в вертикальной и горизонтальной плоскости с помощью гидроцилиндров 15 и 16 соответственно. Индивидуальный гидропривод опорных лап и кинематика их движения позволяет осуществлять адаптацию ходового оборудования в соответствующие условно опорной поверхности, занимая при этом устойчивое положение. [6]

Рисунок 3. Одноковшовый экскаватор, общий вид

Для улучшения сцепления ходового оборудования экскаватора с опорной поверхностью используются специальные аутригеры 13 фиксируемых в необходимом положении. При работе в экстремально тяжелых условиях для обеспечения устойчивости машины есть возможность снять колеса. Также есть возможность оперативно изменять ковш на различные рабочие органы с помощью специального механизма, расширяя при этом технологические возможности машины. [6]

Перемещення экскаватора в труднопроходимых местах и ​​на больших склонах осуществляется с помощью телескопической рукояти 3, для чего ковш опирают на почву и отталкиваются на новое место путем выдвижение вставной рукояти.

Транспортное перемещение осуществляется от гидромоторов 17 с гидростатическим многодисковым тормозом. Скорость перемещения экскаватора составляет до 10 км / ч, изменение скорости - безступенчастая.

В случае необходимости перебазирования экскаватора на значительные расстояния, его оригинальная конструкция, небольшие габариты и мобильность позволяют самостоятельно загружаться в кузов грузового автомобиля и разгружаться без дополнительных подъемных механизмов. Обеспечение устойчивости экскаватора является важным условием безопасности выполнения работ на строительном объекте. Целью расчета экскаватора на устойчивость является проверка его способности противодействовать опрокидывание при выполнении поворота платформы с загруженным ковшом и одновременном манипулировании рабочим оборудованием.

Опасность потери устойчивости возникает в случае, когда суммарный опрокидывальный  момент под действием внешних сил будет превышать суммарный содержащий момент. В этом случае начинается поворот экскаватора относительно ребра опрокидывания, которому противодействует содержащий момент и момент инерции сопротивления опрокидывания.

Если продолжительность действия и величина динамических нагрузок значительны, то происходит опрокидывание экскаватора.

Выводы. Анализ ходового оборудования, используемого для транспортных и рабочих перемещений машин для земляных работ, в частности, одноковшовых экскаваторов, показал, что для работы на опорной поверхности со сложным рельефом, пневмоколесное и гусеничное оборудование не соответствует необходимым критериям.

Поэтому, опираясь на опыт создания землеройной техники как отечественными, так и зарубежными специалистами, было проанализировано ходовое оборудование, способное адаптироваться под сложные условия опорной поверхности, обеспечивая устойчивое положение и маневренность.

В реальных условиях, экскаватор должен обязательно проходить испытания на устойчивость и другие требования безопасности согласно нормативного документа ISO 3164-99 и ISO898-1-78.