Направления совершенствования конструкции сменного оборудования одноковшового строительного универсального экскаватора

С целью совершенствования сменного оборудования экскаватора для разработки различных грунтов проведем исследования их конструкций.
Рассмотрим сначала самые тяжелые условия работы экскаватора - в мерзлых грунтах. Разрушение мерзлых грунтов при применении машин комбинированного действия происходит от нескольких одновременно приложенных видов воздействия, что весьма эффективно и перспективно, так как используются положительные свойства и особенности каждого из прилагаемых способов разрушения [37].
В настоящее время созданы машины, у которых к рабочему органу приложено дополнительное механическое воздействие. Так, например, Главленинградстроем совместно с Ленинградским институтом инженеров железнодорожного транспорта было создано рабочее оборудование к экскаватору ЭО-3322, представляющее собой специальную рукоять с двумя гидроцилиндрами, способными через рычажную систему развивать усилие на зубьях ковша до 40 тс, что позволяет разрушать мерзлый грунт при промерзании до 2 м (рис. 1.5). Производительность машины ЭО-3322 – 32 м3/ч.
Двусторонний зуб-рыхлитель со сменными наконечниками (рис. 1.6) шарнирно крепится к двуплечевому рычагу, установленному в шарнирах на модернизированной рукояти экскаватора. Палец шарнира крепления рычага смонтирован в кронштейне сзади на боковых стенках рукояти. Свободный конец рычага шарнирно соединен с двумя силовыми гидроцилиндрами поворота. Разработка грунта осуществляется при передвижении зуба с рукоятью в сторону экскаватора или поворотом зуба в обе стороны относительно оси крепления рычага. Шарнирное соединение зуба с рычагом позволяет разрыхлять грунт в обе стороны с наиболее рациональными углами резания. Для предо-хранения оборудования от ударов на рычаге предусмотрена тарельчатая пружина.
Рис. 1.5. Экскаватор с дополнительным усилием резания: 1 – напорный поли-спаст; 2 – стрела; 3 – рукоять; 4 – ковш; 5 – стойка; 6 – пята
Рис. 1.6. Конструкция захватно-клещевого типа
Результаты испытаний показали, что рыхлительное оборудование с двусторонним зубом-рыхлителем наиболее эффективно при разработке мерзлых грунтов в котлованах. Средняя техническая производительность экскаватора составляет 45,3 м3/ч при глубине забоя 1,5–2,5 м и глубине промерзания 0,5–1,0 м.
Эффективность разработки мерзлых грунтов увеличивается при активизации процессов, когда в зону разрушения грунта подается до-полнительная энергия – механическая, тепловая, электрическая и т.п.
В этом случае разрушение происходит от нескольких одновременно приложенных воздействий, позволяющих в ряде случаев использовать положительные свойства и особенности каждого из методов.
В последние годы в строительстве используются машины с активными рабочими органами. К таким машинам относятся рыхлители с гидравлическими и гидропневматическими молотами, навешивае-мые на рукояти или ковши одноковшовых экскаваторов. Рабочие органы активного действия позволяют с помощью пневмоударного, гидропневматического или гидрозахватного молотов (рис. 1.7) получать направленную импульсную нагрузку большой энергии [10].

Рис. 1.7. Рыхлитель с рабочим органом активного действия - винтоклиновым рыхлителем
Активизация рабочих органов значительно расширяет применение землеройной техники, в особенности при разработке мерзлых и скальных грунтов. Большие перспективы имеют экскаваторные ковши с зубьями активного действия, так как в них активный рабочий орган не выступает в качестве сменного оборудования, а является неотъемлемой частью ковша, что делает экскаватор более универсальным и сохраняет рабочее время, необходимое для смены рабочих органов.
Ковш обратной лопаты экскаватора (рис. 1.8) имеет в днище полость 5 для размещения пневмоударного механизма 6. В полой конструкции задней стенки ковша заключен канал 3 для подвода сжатого воздуха к распределительной коробке 4, через которую осуществляется его подача к пневмоударному механизму. Выхлоп отработанного воздуха (газа) осуществляется через заднюю стенку ковша по полостям 1 через окна 2.
Усилие копания, воздействующее на ударный зуб 7, перемещает его хвостовик в буксе 8 до упора заплечников его ударного зуба в торец этой буксы. В дальнейшем букса 8 перемещается по буксе кожуха 9, установленного в передней траверсе 10 ковша. Задняя часть ствола пневмоударного механизма перемещается в отверстие задней перегородки 13 ковша. Корпус автомата пуска 14, посаженный своим хвостовиком в отверстие распределительной коробки 4, остается неподвижным.
Рис. 1.8. Ковш активного действия с пневмоударным механизмом: а – общий вид; б – схема
В связи с этим при перемещении ствола пневмоударного механизма упор 11 открывает клапан 12 автомата пуска и воздух поступает в пневмоударный механизм, осуществляя его включение в работу.
Возврат ствола пневмоударного механизма в исходное положение после снятия усилия на ударном зубе 7 осуществляется пружиной 15.
Существенным недостатком данной конструкции является отсутствие ди-намики перемещающихся масс при воздействии на грунт, заменяемое силовым давлением.
На хвостовике каждого зуба в днище ковша другой конструкции (рис

. 1.9) закреплен подпружиненный поршень, взаимодействующий с подпружиненным бойком, и при помощи гидромагистрали – с подпружиненным пневмозолотником, установленным также в днище ковша. К корпусу 1 жестко подсоединено днище 2, внутри которого вмонтированы подвижные ударные зубья 4. На хвостовиках зубьев жестко закреплены подпружиненные пружинами 3 поршни 5. Полость А с жидкостью соединена каналом 6 с торцовой частью подпружиненного пружиной 10 распределительного золотника 11, управляющего каналами 12, 13 и распределяющего сжатый воздух в камеру подпружи-ненного пружиной 8 бойка 9. Камера бойка 9 со стороны пружины 8 соединена каналом 7 с атмосферой.
Рис. 1.9. Ковш активного действия с пневмоударным механизмом
Ковш работает следующим образом. При упоре зуба 4 в поверхность забоя возникает составляющая силы резания, направленная вдоль оси ударного механизма. Вследствие этого зуб 4 начинает давить на поршень 5. Давление в полости А начинает расти и при увеличении составляющей силы резания, направленной вдоль оси ударного механизма, достигает значения, при котором нарушается равновесие золотника 11. Золотник передвигается, открывается канал 12, соединенный со сжатым воздухом, и перекрывается канал 13, соединенный с атмосферой. Благодаря энергии сжатого воздуха боек 9 срабатывает и передает энергию удара зубу 4. В момент удара давление в полости А резко падает и дополнительное усилие, возникающее от удара, пере-двигает золотник 11, тем самым соединяя камеру бойка с атмосферой. Пружиной 8 боек 9 возвращается в исходное положение. Цикл повторяется.
Недостатком данного устройства является малая величина ударного импульса при больших контактных напряжениях в месте соударения, приводящих к разрушению контактирующих поверхностей.
В ковше экскаватора (рис. 1.10), в его передней стенке, образована полость с установленным в ней магнитострикционным вибратором, соединенным с зубом. В процессе работы вибраторы нагреваются, в связи с чем приходится часто прерывать работу для их охлаждения.
Рис. 1.10. Ковш активного действия с магнитострикционным вибратором
Для устранения перегрева предусмотрена система охлаждения вибровозбудителей.
Ковш экскаватора имеет заднюю стенку 3, боковые стенки 1, переднюю стенку 5 с полостью 10, в которой при помощи передней и задней опор 11 и 7 закреплены зубья ковша 12 с магнитострикци-онными возбудителями 8, помещенными в эластичные полукамеры 6, 9. На задней стенке ковша установлен бачок 2 с поршнем, который соеди-нен трубопроводами 4 с эластичны-ми камерами.
В процессе работы экскаватора охлаждение нагретых вибровозбудителей осуществляется за счет циркуляции охлаждающей жидкости, которая подается из бачка 2 по трубопроводам 4 в коллектор (на рисунке не показан) и далее в полукамеры 6, 9. При этом холодная жидкость подается в нижнюю часть полукамеры 9, вытесняя горячую жидкость в заднюю полукамеру 6.
Применение системы охлаждения, установленной непосредственно на ковше, исключает использование приводного насоса и системы шлангов, проложенных по рабочему оборудованию, что повышает надежность и долговечность ковша, упрощает его конструкцию и снижает стоимость.
Недостатком данного способа резания является малая энергия импульса при вибрациях и необходимость подсоединения к электрической сети.
В конструкции ковша активного действия с гидравлическим возбудителем зуба (рис. 1.11) одни зубья 2 неподвижно закреплены на днище 4, а другие 1 жестко соединены между собой и связаны с гидравлическим возбудителем, при этом в каждой из групп зубья расположены симметрично относительно средней продольной плоскости ковша.
Подвижные зубья 1 установлены в направляющих 3 и с помощью жестких тяг 5 связаны с гидравлическим возбудителем 6, выбранным из различных известных конструкций (например, насосно-пульсаторного, автоколебательного или другого типа).
Рис. 1.11. Ковш активного действия с гидравлическим возбудителем зуба
Применение гидравлического возбудителя обусловлено необходимостью создания большой амплитуды колебаний зубьев, что важно для эф-фективного копания грунта предлагаемым ковшом. Так, в зависимости от вида конст-рукции амплитуда колебаний зубьев А = 5...20 мм, а частота колебаний f = 1...30 Гц.
При заглублении ковша в грунт резание осуществляют группы подвижных 1 и непод-вижных 2 зубьев с периодическим перераспределением тяговой силы между ними.
Недостатком предлагаемой схемы является возникновение на элементах ковша значительных механических переменных нагрузок и связанных с ними вибраций механической системы