Экскаватор траншейный цепной с баровым рабочим оборудованием


ВВЕДЕНИЕ

Цепной траншейный экскаватор – это землеройная машина с рабочим органом в виде цепи, которому сообщаются движения и усилия, достаточные для отделения от массива, захвата и переноса грунта. Он относится к экскаваторам непрерывного действия, рабочий процесс которого происходит при постоянном движении базового тягача. В строительстве цепные траншейные экскаваторы наиболее широко применяют для получения протяженных выемок прямоугольного (траншеи) и трапециадального (каналы) сечений. Также их применяют при разработке карьеров строительных материалов (глины, гравия, песка). Дополнительным преимуществом их на работах этого вида наряду с высокой производительностью является измельчение добываемого сырья (особенно глины) до однородной массы, необходимой для ее последующей обработки.

В результате совмещения по времени  операций резания и транспортирования  грунта цепные траншейные экскаваторы  имеют более высокую производительность по сравнению с одноковшовыми экскаваторами. Однако они менее универсальны и могут успешно применяться при достаточно большом и сосредоточенном объеме однотипным работ.

Цепь экскаватора может быть оснащена ковшами, скребками, резцами  и др., в зависимости от его  назначения и категории разрабатываемого грунта.

Для разработки мерзлых грунтов (V – VIII категории) в качестве цепи используют баровую цепь, представляющую собой цепь с зубками из износостойких сталей с твердосплавными пластинами, выставленных на цепи под разными углами, образуя несколько линий резания. Аналогичные цепи используют во врубовых машинах горнодобывающей промышленности.

Баровые грунторезные машины используются как для рыхления, так и для  экскавации мерзлого грунта. Ширина траншей, отрываемых баровыми машинами, доходит  до 500 мм. Эти машины применяют также  для отделения мерзлого грунта от массива при открытых разработках  полезных ископаемых. Кроме того, самоходные баровые машины используют для нарезания щелей в мерзлом и трудноразрабатываемом талом грунтах под укладку кабельных коммуникаций и в ряде случаев для нарезания продольных и поперечных щелей в мерзлом грунте, обеспечивающего последующую отрывку траншей и котлованов обычнвми экскаваторами. Машины созданы на базе тракторов и цепных траншейных экскаваторов; в качестве рабочего навесного оборудования используются как готовые бары врубовых машин, так и специально изготовленные режущие цепи.

Разработка мерзлого грунта баровыми машинами менее энергоемка, по сравнению с другими машинами, предназначенными для этих целей, поскольку рыхлению подвергается не весь массив грунта, а только в объеме щелей, располагаемых на определенном расстоянии друг от друга. Основным недостатком машин является быстрый износ резцов, их малая надежность и долговечность, поскольку мерзлый грунт обладает высокой абразивностью.

На базе мощных тягачей часто  создают машины с двумя и более  одновременно работающими барами, что позволяет за один проход машины прорезать в грунте сразу несколько параллельных щелей.

Комплекс работ по исследованию режимов резания мерзлых грунтов  и конструкций баровых грунторезных машин, а также по обоснованию эффективности их применения выполнен Томским политехническим институтом под руководством д-ра техн. Наук О.Д. Алимова. Начиная с 1960 г., исследованиям и анализу опыта эксплуатации баровых машин уделяют внимание ВНИИСтройдормаш и ВНИИЗеммаш.

 

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ  И ПАТЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

На территории Республики Беларусь можно выделить два наиболее крупных  производителя цепных экскаваторов на базе тракторов МТЗ. Это минское  предприятие АО «Амкодор», которое выпускает погрузчик-экскаватор цепной Амкодор 91 (ДЗ-133ЭЦ.40). Так же существует коммерческое предприятие в городе Смолевичи СП «Дорэлектромаш». Здесь выпускают универсальный цепной экскаватор ЭЦУ-150.

На территории Российской Федерации  траншейные цепные экскаваторы выпускает Дмитровский экскаваторный завод. Здесь выпускаются траншейные цепные экскаваторы ЭТЦ-201 с глубиной копания до 2 м и шириной до 400 мм.

 

Патенты:      [http://bankpatentov.ru/catalog/invention/475]

 

  1. Название – многоковшовый цепной экскаватор и способ регулирования его привода.

Номер и дата международной или региональной публикации:

WO 00/04240 (27.01.2000)

 

Изобретение относится к многоковшовому цепному экскаватору с направляемыми на цепи ковшами для применения в установках для открытых горных разработок. Многоковшовый цепной экскаватор с направляемыми на цепи ковшами применяется в установках для открытых горных разработок. Цепь является приводимой в действие посредством приданного многоковшовому цепному экскаватору привода. Привод выполнен в виде непосредственного безредукторного привода. Многоковшовый цепной экскаватор содержит бесконтактно работающее устройство измерения скорости для измерения скорости цепи и соединенный с устройством измерения скорости регулятор для регулирования безредукторного привода. Экскаватор содержит дифференциатор для определения производной значения скорости, измеренного устройством измерения скорости, регулятор для такого регулирования привода, что производная значения скорости, измеренного устройством измерения скорости, соответствует заданному значению. Способ регулирования его привода, содержащего направляемые на цепи ковши многоковшового цепного экскаватора с безредукторным приводом, при котором посредством устройства измерения скорости бесконтактным путем измеряют скорость цепи и посредством регулятора, связанного с устройством измерения скорости, осуществляют регулирование безредукторного привода. В способе определяют производную скорости цепи и регулируют ее до заданного значения. Повышается надежность и производительность работы экскаватора.

 

 

  1. Название – траншейный экскаватор для вскрытия магистральных трубопроводов

Дата публикации – 1999.05.10

Страна публикации – RU

Имя заявителя – Дайнович А.Г.

 

 Траншейный экскаватор для вскрытия магистральных трубопроводов, включающий базовое шасси, транспортер, основную раму, на которой с помощью навески с приводом закреплено рабочее оборудование, состоящее из установленных на общей раме двух параллельных цепных многоковшовых рабочих органов, имеющих горизонтальную часть, фрезерного устройства для разработки грунта над трубопроводом и откосообразователей, а также привод, отличающийся тем, что базовое шасси выполнено в виде, например, двух пар снабженных индивидуальным приводом гусеничных тележек, передняя пара которых является поворотной, каждый рабочий орган расположен приблизительно вертикально, горизонтальные части рабочих органов расположены сверху, транспортер размещен на общей раме под горизонтальными частями рабочих органов, упомянутое фрезерное устройство и откосообразователи выполнены, например, в виде наклонных фрез, место крепления нижней части каждой из которых расположено приблизительно в одной плоскости с продольной осью ковшовой цепи рабочего органа, рабочее оборудование установлено с возможностью вертикального перемещения с помощью привода и поворота на 90o, для чего навеска выполнена в виде шарнирно закрепленной и снабженной направляющими вертикальной рамы, а общая рама снабжена соответствующими роликами, кроме того экскаватор имеет завистное устройство.

 

  1. Название – гидропривод многоковшового экскаватора.

Страна публикации – RU

Имя изобретателя – Щемелев Анатолий Мефодьевич[BY]

Имя патентообладателя – мМогилевский машиностроительный институт

 

Использование: в строительных и  дорожных машинах, а именно в гидроприводах многоковшовых траншейных цепных экскаваторов. Сущность изобретения: гидропривод многоковшового экскаватора включает привод рабочего органа. Поршневая полость гидроцилиндров соединена с гидропневмоаккумулятором и односторонними гидроцилиндрами. На штоках этих гидроцилиндров закреплены блоки с тросами, один из которых закреплен к тягам выключения бортовых фрикционов, а другой - на концах рамы, в которой установлен этот гидроцилиндр. 2 ил.В настоящее время выпуском баровых грунторезных машин занимаются такие предприятия как Амкодор, МРМЗ (Михневкий ремонтно-механический завод), КМЗ (Копейский машиностроительный завод), ДЭЗ (Дмитровский экскаваторный завод) и др. В большинстве случаев в качестве базового тягача для этих машин используют пневмоколесные тракторы МТЗ-80(82) “Беларус” или гусеничные Т-170, Т-130, ДТ-75, которые часто спереди оборудуются бульдозерным отвалом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ВЫБОР АНАЛОГА ПРОЕКТИРУЕМОЙ МАШИНЫ

 

В качестве аналога выбираем наиболее приближенную по характеристикам машину – баровая грунторезная машина БГМ-1 производства Михневского ремонтно-механического завода. БГМ-1 предназначены для прокладки траншей для газо- и водопроводов, сетей канализации, связи и электропередачи, планировочных и земляных работ.

Таблица 1 – Технические характеристики БГМ-1

Параметр

Значение

Базовая машина

Трактор (колесное шасси)

МТЗ-82.1 “Беларус”

Марка двигателя

Д-243

Мощность, кВт (л.с.)

59,6 (81)

Габаритные размеры машины с баровой  навеской, мм: 
   - длина  
   - ширина 
   - высота

 
6650 
2060 
2765

Масса машины, кг

6500

Рабочее оборудование

Тип режущей цепи

“Урал-33”

Материал режущей части резцов

твердый сплав

Категория грунта

IV-V,мерзлый грунт

Регулирование рабочей скорости

бесступенчатое

Привод ходоуменьшителя 

гидромеханический

Привод механизма управления барами

гидравлический

Скорость резания, м/с

3±0,5

Рабочая скорость, м/час

до 60

Диапазон скорости движения экскаватора, м/ч

от 0 до 1262

Глубина прорезаемой щели, мм

1400, 1600

Ширина прорезаемой щели, мм

140

Дополнительное оборудование

Отвал поворотный:

Ширина отвала, мм

Высота отвала, мм

Масса отвала, кг

 

2060

800

700


 

На рисунке 1 представлен общий  вид машины БГМ-1.

Баровая грунторезная машина БГМ-1 представляет собой трактор МТЗ-82.1 (позиция 1), оборудованный навесной баровой установкой, которая крепится к трактору на кронштейне 6.

Баровая установка состоит из редуктора 2, рабочего органа 3, соединительной предохранительной муфты, ходоуменьшителя 4, гидроцилиндра 5, соединительной арматуры, рамы жёсткости 7, отвала 8.

Рисунок 1 – Баровая грунторезная машина БГМ-1

 

Крутящий момент от выходного вала отбора мощности трансмиссии трактора через муфту передается на редуктор бары, имеющий одноступенчатую коническую передачу, а затем на ведущую звездочку режущего органа.

Режущий орган состоит из направляющей с механизмом натяжения цепи, двух звездочек, расположеных на ее концах и цепи со спец зубками. Подъем и  опускание режущего органа осуществляется силовым гидроцилиндром [16].

В проектируемой машине, как и  в аналоге, в качестве шасси используется трактор МТЗ-82.1. Его общий вид  приведен на рисунке 2, а технические  характеристики в таблице 2.

Трактор МТЗ-82.1 "Беларус" производства Минского тракторного завода – универсальный  трактор на пневмоколесном ходу, тягового класса 1,4, предназначенный для выполнения широкого спектра работ – от подготовки почвы под посев до уборочных и транспортных операций; может использоваться в лесном, коммунальном хозяйстве, строительстве и промышленности, приспособлен для работы в различных климатических зонах. Трактор МТЗ-82.1 отличает высокие надежность и экономичность при низких эксплуатационных затратах и высокой производительности [18].

Рисунок 2 – Трактор МТЗ-82.1 “Беларус”

 

Таблица 2 – Технические характеристики МТЗ-82.1 “Беларус”

Параметр

Значение

Двигатель

Марка

Д-243

Тип

дизельный с непосредственным впрыском, 4-тактный, рядный

Мощность, кВт (л.с.)

59,6 (81)

Рабочий объем, л

4,75

Количество цилиндров

4

Удельный расход топлива, г/(кВт∙ч)

220

Трансмиссия

Тип сцепления

сухое, однодисковое, с дополнительным диском для привода независимого ВОМ

Тип коробки передач

механическая с редуктором, удваивающим количество передач

Количество передач:

   - переднего хода

   - заднего хода

 

18

4

Ходовое оборудование

Тип

пневмоколесное

Колесная формула

4×4

Скорость движения, км/ч:

   - вперед

   - назад

 

1,89 – 33,4

3,98 – 8,97

Тип тормозной системы

основные и стояночные – дисковые, сухие

Колея, мм:

   - по передним колесам

   - по задним колесам

 

1400 – 1900

1420 – 2100

Колесная база, мм

2450

Дорожный просвет (клиренс), мм:

   - под передним  мостом

   - под задним мостом

 

645

650

Общие

Габаритные размеры, мм:

   - длина

   - ширина

   - высота

 

3930

1970

2780

Конструкционная масса, кг

3240

Эксплуатационная масса, кг

3700

Среднее давление на грунт, МПа

0,14

Вместимость топливного бака, л

130


3 Основные физико-механические свойства грунтов

 

По физико-механическим свойствам  грунты различают в зависимости от признаков петрографии и условий залегания, физического состояния, содержащейся в них воды и механических свойств.

К признакам петрографии относятся  минеральный состав, структура и текстура грунтов. Признаки физического состояния включают гранулометрический состав, пористость, влажность, температуру, теплопроводность, а также разрыхляемость при разработке и уплотняемость грунтов при укладке после разработки. К признакам, зависящим от количества и состояния содержащейся в грунте воды, относятся пластичность, размокаемость, набухаемость, водопроницаемость, липкость. Признаками механических свойств грунтов являются сцепление, сопротивление сжатию, растяжению, сдвигу, резанию, копанию, внешнему и внутреннему трению, абразивность, несущая способность.

Пористость — свойство грунтов, заключающееся в неплотном  прилегании друг к другу их частиц вследствие неправильности формы и неодинаковых размеров. Поры (промежутки между частицами) снижают механическую прочность и повышают деформативность грунтов. Поры разных грунтов неодинаковы по величине и форме

Влажность  измеряется отношением массы воды в грунте к массе высушенного грунта.

Плотность   грунтов зависит от плотности минералов, из которых состоят грунтовые частицы, а также их пористости и влажности. Плотность наиболее распространенных минералов, образующих грунты, составляет (2...4)·103кг/м3. Плотность грунтов благодаря их пористости меньше плотности слагающих их минералов, хотя вода в порах частично сглаживает этот разрыв. Плотность грунтового скелета обычно равна (2...2,5)·103 кг/м3, а плотность грунтов - (1,3...2,3)·103 кг/м3.

Увеличению крепости и трудности  разработки грунтов обычно соответствует увеличение их плотности.

Сопротивления сдвигу и сжатию, сцепление и внутреннее трение грунтов — это свойства, наиболее влияющие на сопротивление грунтов механическому воздействию. На их характеристиках основываются расчетные методы механики грунтов, в которых принимается, что сдвиг в грунте происходит, если сдвигающие силы в нем превосходят силы внутреннего трения и сцепления.

Сопротивление грунта внешнему трению рабочих органов машин относится к числу наиболее существенных факторов рабочего процесса машин для земляных работ. Коэффициентом и углом внешнего трения грунта по конструкционным материалам шин определяются соотношение между ортогональными составляющими сил резания и копания грунтов, усилия для перемещения машин ми грунтовому массиву, условия устойчивости машин.

Абразивность — свойство грунтов с частицами большой твердости так воздействовать на детали рабочих органов, некоторых портных узлов и ходового оборудования машин, что они подвергаются износу, их форма и размеры значительно изменяются

Разрыхляемость - свойство грунтов, заключающееся в превращении их при разработке из массива в кусковой или сыпучий материал с объемом пустот и пор значительно большим, чем до разработки. Соответственно уменьшается плотность грунтов после разработки по сравнению с плотностью в массиве.

Разрыхляемоеть грунтов зависит  от их свойств и условий залегания, конструкции режущей части машины и характера земляных работ.

Примерзаемость — свойство грунтов присоединяться к поверхностям деталей и конструкций машин при температуре замерзания. Процесс примерзания проходит обычно в два этапа: вначале разрабатываемый незамерзший грунт прилипает к детали или конструкции, затем прилипший  грунт замерзает.

Липкость - свойство грунтов присоединятся к поверхностям детелей машин при положительной температуре.

Сопротивление   резанию - способность грунтов сопротивляться механическому воздействию, вызывающему определенную совокупность напряжений сжатия, растяжения и сдвига, преодоление которых завершается разрушением грунта и отделением от массива его кусков или слоя.

Рисунок – Характер зависимости  липкости грунта от влажности (А - интервал влажности грунта, при которой липкость наибольшая)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица - Категории и  способы разработки грунтов

Категория грунтов

Виды грунтов

Плотность, кг/м3

Способ разработки

I

Песок, супесь, растительный грунт, торф

600...1600

Ручной, машинами

II

Легкий суглинок, лёсс, гравий, песок  со щебнем, супесь со строй мусором

1600... 1900

Ручной, машинами

III

Жирная глина, тяжелый суглинок, гравий крупный, растительная земля с корнями, суглинок со щебнем или галькой

1750... 1900

Ручной, машинами

IV

Тяжелая глина, жирная глина со щебнем, сланцевая глина

1900...2000

Ручной, машинами

V-VII

Плотный отвердевший лесс, дресва, меловые  породы, сланцы, туф, известняк и ракушечник

1200...2800

Ручной, взрывным способом

VIII-XI

Граниты, известняки, песчаники, базальты, диабазы, конгломерат с галькой

2200...3000

Взрывным способом


4 Расчетная часть

4.1 Определение основных параметров

Длина бара определяется следующей  зависимостью:

,


где Hщ – глубина прорезаемой щели, м; Hщ = 1,5 м;

Hп – минимальная высота приводного вала режущей цепи над уровнем грунта, м. Это значение принимаем как у аналога. Тогда Hп = 0,725 м;

β – угол наклона бара к вертикали, град.; β = 30°.

Тогда

м.

Ширина реза

,

  

где Bщ – ширина прорезаемой щели, м; Bщ = 0,1 м;

nл – число линий резания.

Число линий резания найдем по теории подобия:

,

  

где nл.пр, nл.ан – число линий резания, соответственно, проектируемой машины и аналога; nл.ан = 9;

Bщ.пр, Bщ.ан – ширина прорезаемой щели, соответственно, проектируемой машины и аналога, м; Bщ.ан = 0,14м.

Отсюда

.

  

Т.к. на большинстве машин применяют  семи- и девятилинейные цепи [3, с. 194], то принимаем nл = nл.пр = 7. С учетом этого

м.

Толщина реза (стружки) определяется выражением:

,

  

где Sср – средняя величина сечения среза, м2, Sср = 0,0002…0,00035 м2 [13, с. 166].

м.

Аналог имеет при длине бара Lб.ан = 2 м длину цепи Lц.ан = 5,244 м.

Тогда в нашем случае длина цепи составит

м.

  

Шаг цепи составляет tц = 0,076 мм. Тогда количество кулачков в цепи

.

  

Принимаем zк = 89. Уточним длину цепи:

м.

  

На практике бесковшовые цепные траншеекопатели проектируются  с использованием нескольких схем расстановки резцов на исполнительном органе. Наибольшее распространение получила схема – симметричная «елочка» (рисунок 3) [15, с. 12].

Рисунок 3 – Схема расстановки зубков баровой цепи

 

Определим количество режущих зубков на одной линии резания zл.

Как видно из рисунка 3, на каждой линии  резания зубок устанавливается  через 3 кулачка на 4. Тогда

.

  

Скорость резания (цепи) аналога  составляет 2,5 – 3,5 м/с. Для разрабатываемой машины принимаем это значение таким же, т.е.

м/с.

Тогда рабочая скорость передвижения машины

м/ч.

  

Массу машины рассчитаем следующим  образом. Т.к. и проектируемая машина и аналог имеют одинаковое шасси, а также снабжены одним и тем же бульдозерным отвалом, то их массы будут различаться только за счет массы барового рабочего органа (вместе с трансмиссией и крепежными деталями и механизмами управления).

Таким образом, масса барового рабочего органа аналога составит:

,

  

где M – масса машины, кг; M = 6500 кг;

mб.от – масса бульдозерного отвала, кг; mб.от = 700 кг;

mш – масса шасси, кг. Т.к. шасси – МТЗ-82.1, то mш = 3700 кг.

Тогда масса барового рабочего оборудования аналога

кг.

По теории подобия определим  массу бара проектируемой машины

кг.

  

Из формулы (2.11) общая масса проектируемой  машины составит

кг.

Баланс мощностей

Мощность двигателя баровой  машины должна быть больше суммы мощностей, затрачиваемых на привод рабочего органа, привод ходового устройства, на заглубление и подъем рабочего органа, преодоление подъемов и уклонов [3].

4.2.1 Расчет затрат мощности на привод рабочего оборудования

Для начала определим теоретическую  производительность баровой машины по формуле:

,

  

где Fщ – площадь поперечного сечения щели, м2;

м2.

  

Тогда теоретическая производительность

м3/ч.

Затраты мощности на привод рабочего органа складываются из затрат на разработку грунта, на подъем грунта до точки разгрузки  и разгон грунта, на сопротивление трению грунта о грунт.

Следующая формула учитывает все  эти составляющие:

,

  

где K – удельное сопротивление резанию, МПа; K = 7 МПа для грунтов VII категории [10, табл. 2.19];

ρ – плотность грунта, кг/м3. Для грунта VII категории ρ = 2400 кг/м3 [9, табл. 1.16];

Hр – высота подъема грунта от поверхности земли до уровня разгрузки, м. Т.к. разгрузка грунта может происходить в любой точке между поверхностью земли и наивысшей точкой цепи, принимаем Hр = Hп = 0,725 м.

ρв – угол внутреннего трения грунта, град. Для грунта VII категории ρв = 40° [9, табл. 1.16];

ηц – КПД цепного рабочего органа; ηц = 0,7 [9, табл. 1.16];

α – угол наклона траектории режущей  кромки резца.

.

  

Отсюда    .

  

кВт.

4.2.2 Расчет затрат мощности на привод ходового устройства

Мощность, затрачиваемая на передвижение машины, определяется по формуле:

,

  

где Wк – горизонтальная составляющая сопротивления резанию, кН;

Wт – сопротивление трения грунта о грунт забоя, кН;

Wпер – сопротивление передвижению машины, кН;

vр.п – скорость рабочего передвижения машины, м/ч; vр.п = 91,3 м/ч;

ηх – КПД колесного ходового устройства; ηх = 0,85.

Горизонтальная составляющая сопротивления  резанию равна

кН.

  

Сопротивление трению грунта о грунт  забоя равно

  

кН.

 

Сопротивление передвижению машины определяется по формуле:

,

  

где f – коэффициент сопротивления передвижению. Для колесного хода и грунта VII категории f = 0,11 [9, табл. 1.16];