Призначення екскаваторів і їх основні функції.
Найбільш характерними представниками виймальних-погру-зочний машин, експлуатованих на відкритих розробках, є одноковшеві з дизельним двигуном і багатоковшеві екскаватори.
Екскаватором називається машина, призначена для черпання (екскавації) гірської маси, переміщення її на відносно невеликі відстані і навантаження на транспортні засоби або у відвал.
Робочий цикл одноківшевого екскаватора складається з чотирьох послідовних операцій: наповнення ковша (черпання), переміщення його до місця розвантаження (транспортування), розвантаження і переміщення порожнього ковша до місця черпання для відтворення нового циклу. Тому одноковшеві з дизельним двигуном екскаватори є машинами циклічної (безперервної) дії. На відміну від них багатоковшеві екскаватори, у яких всі елементи робочого циклу здійснюються одночасно (суміщення), є машинами безперервного дії.
Існуючі типи екскаваторів в загальному вигляді класифікуються типажем за такими ознаками: призначенням і роду виконуваної роботи; місткості ковша (Е, м 3 - одноковшеві з дизельним двигуном) або теоретичної продуктивності (Q, м 3 / год - багатоковшеві); видам робочого, ходового і силового обладнання. У свою чергу одноковшеві з дизельним двигуном екскаватори поділяються на лопати: кар'єрні прямі напірні механічні гусеничні (ЕКГ), прямі гідравлічні (ЕГ) і зворотні гідравлічні (ЕГО), прямі розкривні гусеничні (ЕВГ) і на драглайни - крокуючі (ЕШ) і гусеничні (ЕДГ). Кар'єрно-будівельні лопати (переважно гідравлічні) маркуються як ЕО.
2. Гірські породи та їх властивості.
2.1. Види грунтів по інженерно-геологічної класифікації.
а) скельні грунти - виверження вулканів, метаморфічні і осадові з жорсткою зв'язком між зернами (спаяні і зцементовані), що залягають у вигляді суцільного масиву. Міцність скельних грунтів висока. Межа міцності на стиск умагматіческіх порід змінюється від 800 до 3500 кгс / см 2. У метаморфічних порід він коливається від 400 до 2500 кгс / см 2. у осадових - від 200 до 1200 кгс / см 2. При такій міцності від тиску інженерних споруд ці грунти не стискуються. Водопроникність скельних грунтів залежить від ступеня їх тріщинуватості і порістості.Кроме міцності на стиск до одним з основних властивостей скельних грунтів відносяться опір їх зрушенню і водопроникність. Водопроникність скельних грунтів залежить від ступеня їх тріщинуватості і пористості. Монолітні скельні породи практично водонепроникні.
б) напівскельні грунти - також володіють жорсткими структурними зв'язками. До них відносяться тріщинуваті і виветрелие скельні грунти, в основному осадові і деякі метаморфічні гірські породи. До практичнонерозчинним напівскельних ґрунтів відносяться опоки, трепели, діатоміти, алевроліти, аргіліти, глинисті і деякі сланці. Розчинними грунтами є гіпси, ангідриту, тріщинуваті вапняки і доломіт, кам'яна сіль, вапняні туфи.
Напівскельні грунти досить міцні. Межа міцності на стиск у них коливається від 50 до 500 кгс / см 2. У виветрелих, тріщинуватих і закарстованних різновидів він знижується до 20-25 кгс / см 2. У напрямку сланцеватості і шаруватості міцність їх також знижується. Водопроникність обумовлена первинної пористістю і вторинної трещиноватостью, кавернозностью, величина якої визначається головним чином розміром тріщин і карстових пустот.
в) ґрунти з м'якими структурними зв'язками. До таких грунтів відносяться осадові глинисті, пилуваті і змішані породи (глини, суглинки, лес, супіски), мули. Властивості цих грунтів визначаються їх гранулометричним і мінеральним складом, структурою і текстурою. Пористість їх зазвичай висока до 50-60%, але водопроникність або незначна, або практично відсутній. Характерною особливістю м'яких ґрунтів є зміна властивостей грунту в залежності від вологості (набухання, пластичність, липкість, просідання та ін.).
г) грунти, які не мають структурних зв'язків. Ця група представлена пухкими, непов'язаними грунтами (гравій, галечник, щебінь, щебінь, різні піски). Міцність їх обумовлена силами тертя, пористістю, розмірами, формою, складом уламків і зменшується при увлажненіі.Прі статичних навантаженнях слабо або практично несжімаеми.Рихлие незв'язні грунти не володіють пластичністю, але деякі різновиди, насичені водою можуть переходити в пливунів стан. Зазвичай водопроникність, що не вологоємні або слабовлагоемкі, мають капілярними властивостями. Пористість їх 35-40% іноді 40-50%, кут внутрішнього тертя 30 ° -35 °.
д) штучні грунти. Штучні грунти - це грунти, що сформувалися в результаті діяльності людини. Вони підрозділяються на культурні - сформувалися на місці стародавніх і сучасних поселень людини і техногенні освіти. Останні виникли і формуються під дією інженерної діяльності людини (терикони, грунти в тілі дамб, насипів, шлакові відходи та ін.). За складом вони зазвичай зв'язкові або слабозв'язаних.
2.2 Фізичні властивості порід, плотностние і механічні.
Фізико-механічні властивості гірської породи називають сукупність властивостей, з яких до фізичних відносять щільність, пористість, зв'язність, липкість, пластичність і інші, а до механічних - міцність, твердість, опір вдавленням, абразивність, разрихляємость і інші, т. Е. Властивості, що визначають поведінку гірської породи в процесі деформації.
Стосовно до відкритої розробки всі гірські породи поділяють на групи: скельні і напівскельні в природному їхньому фінансовому стані; зруйновані (штучно або природно) скельні і напівскельні; щільні, м'які (зв'язкові) і сипучі.
Розглядаючи гірські породи як об'єкт розробки, треба відзначити наступні найбільш характерні їх властивості.
Фортеця - опір гірської породи загального руйнування.
Твердість - здатність породи чинити опір проникненню в неї іншого, більш твердого тіла, що не випробовує при цьому будь-яких залишкових деформацій. Твердість породи характеризується опором її поверхневого шару впливу зовнішньої сили (наприклад, бурового інструменту). Помічено, що статична твердість гірських порід, що отримується в результаті застосування до об'єкту статичних сил, зазвичай на порядок вище, ніж при застосуванні динамічних сил, що враховується при створенні бурильних та інших машин, що використовують ефект ударного і вібраційного впливів на породу.
Щільність у (кг / м 3 або т / м 3) - відношення маси породи до її об'єму при природній вологості.
Кут природного укосу ф0 - кут біля основи конуса, який утворюється при відсипанні розпушеному породи з деякої висоти (дод. Табл. Ш).
Стійкість укосу буде порушена при порушенні зчеплення між частинками породи, якщо
Коефіцієнт тертя породи про сталь \ ь \ залежить від виду і стану породи, а також від стану поверхні стали і становить 0,25 - 1,0, зменшуючись з підвищенням вологості і ступеня порушення структури породи. Між коефіцієнтами \ Л2 і \ л \, є зв'язок, що визначається залежністю \ л \
Опір породи вдавленню характеризується коефіцієнтом опору зминанню р0 (Н / см 3 або МПа / м), який визначається силою (Н) під дією якої стрижень з опорною поверхнею торця 1 см 2 зануриться на глибину 1 см. Допустимі тиску під опорними поверхнями ходових пристроїв гірських машин встановлюються з урахуванням можливого їх занурення на 6-12 см в грунт і характеризуються середнім тиском на грунт рср, (МПа).
Абразівност' - здатність гірської породи інтенсивно зношувати руйнує її інструмент. Внаслідок зносу порушуються проектні умови взаємодії робочих органів машини з породою, істотно збільшуються опір породи копання і енергоємність її розробки, зростають навантаження на машину. Тому при створенні і експлуатації гірських машин обов'язково повинна прийматися до уваги абра-зівность. Випробування на абразивність полягає в стиранні еталонного стрижня про природну поверхню породного зразка. За величиною показника абразивності всі міцні породи підрозділяються на вісім класів: від дуже мало абразивних (вапняки, мармур, апатит) до високо абразивних (граніти, діорити і корундосодержащіе породи).
Трещіноватост' - наявність в гірських породах тріщин, утворених при розриві внутрішніх зв'язків в породному масиві. Тріщини з лінійними розмірами 8-10 см визначають опірність порід буріння, подрібнення в дробарках, виїмці багатоковшевими екскаваторами, тоді як більш протяжні тріщини надають найбільш істотний вплив на виїмку одноковшевими екскаваторами, механічне розпушування і вибуховий руйнування. При двох останніх видах руйнування відбувається поділ гірської породи на структурні окремо (блоки, шматки). У цьому випадку міцність породи в масиві Див (по зчепленню) може виявитися на порядок менше міцності породи в шматку Ск (дод. Табл. П2). Зниження міцності породи в масиві характеризується коефіцієнтом структурного ослаблення X рівним відношенню Див до Ск.
Опір різанню - здатність гірської породи чинити опір механічному впливу, що викликає в ній сукупність напружень стиску, розтягу і зсуву, подолання яких завершується руйнуванням породи і відділенням від масиву шматків або шарів.
Опір породи резанию домовилися висловлювати через
коефіцієнт опору чистому резанию Кр (МПа), еквівалентному середньому тиску, яке розвивається в зоні руйнування при впливі зусилля (МН), прикладеного через ріжучий елемент до поперечного перерізу (м 2) відокремлюємо їм стружки або пласта породи (дод. табл. ПЗ).
Величина К ^ змінюється в широких межах, так як залежить від режиму роботи, параметрів робочого органу і фізико-механічних властивостей породи.
Опір копання є узагальненим опором, що враховує опору: різання, просуванню гірської маси в ківш при його заповненні; тертю породи про ківш і ковша про породу. Воно характеризується коефіцієнтом опору копання Кк (дод. Табл. ПЗ).
3. Взаємодія ковша з породою.
3.1 Геометричні параметри зубів. Їх розстановка на ріжучої кромці.
Зуби ковша прямий лопати змінні. Для екскаваторів середньої і великої потужності їх відливають з високомарганцовістой стали 110М13Л і наплавляють твердим сплавом.
Зуби або їх змінні наконечники переважно роблять симетричними щодо поздовжньої осі. Для подальшої роботи після затуплення зуб або наконечники знімають і повертають на 180 °. Зуб вважається непридатним, якщо кут його загострення перевищує 60 ° до ріжучої кромці ковша 2 може кріпитися за допомогою клина, що складається з фасонного затиску 3, прокладки 4 і клина 5, який забивають в паз зуба і загинають для запобігання від вискакування.
Найбільш раціональним по витраті металу є двосекційний зі змінним наконечником, що складається з підстави 7, що надівається на ріжучу кромку ковша, і змінної коронки 2. Утримує коронку палець 3, застопореними сухарем 4 і підтримуваний гумовою подушкою 5.
Застосовують різні види наконечників (коронок): загального призначення для порід, схильних до руйнування різанням; скальние- для черпання добре підірваних скельних порід; кліновие- для проникнення в погано визрівання скельні масиви.
3.2 Особливості процесу копання в зв'язкових і сипучих грунтах. Види стружки і види різання.
Різання - процес відділення стружки від масиву ріжучої частиною робочого органу 1.
Робочий орган переміщується найчастіше в двох напрямках. Одне з них - головний рух, при якому відбувається відділення стружки, а інше, при якому змінюється товщина (ширина) стружки, є рухом подачі. Швидкість подачі значно менше швидкості головного руху, а співвідношення цих двох швидкостей визначає траєкторію руху робочого органу.
В одних випадках лезо робочого органу переміщається в глиб гірської породи, а потім рухається вперед для відділення стружки (струг, скрепер, бульдозер), а в інших - ці два переміщення здійснюються протягом всього процесу різання або більшої його частини (екскаватори, бурильні машини) .
Розрізняють такі умови різання: блоковане, полусвободное (полублокірованное) і вільний.
При блокованому різанні ріже частина робочого органу руйнує породу передній і двома бічними ріжучими крайками, при напіввільних - передній і однією бічною ріжучими крайками, при вільному - тільки передній ріжучої крайкою. Величина опорів на робочому органі при різанні залежить від того, в яких умовах здійснюється різання. На практиці найчастіше здійснюється полусвободное різання.
Залежно від виду і стану породи, а також кута ре пізнання отделяемая клиноподібної частиною ріжучого органу стружка має різну форму. У пластичних породах гострі кромки відокремлюють зливні стружки, що надходять в ківш у вигляді неподіленого на вході потоку (рис. 1.1, а). Зі збільшенням міцності породи, а також кута різання і затупления крайок зростає ступінь дроблення стружки (рис. 1.1, б, в, г), а прохідність її в ківш погіршується. І нарешті, в малосвязних сипучих породах зруйнована при різанні частина стружки (невелика в зв'язкових породах) або вся стружка (в малосвязних породах) утворює перед робочим органом призму волочіння А (рис. 1.2, а), величина якої залежить від траєкторії, зменшуючись зі збільшенням кута нахилу останньої (рис. 1.2, б).
3.3 Призма волочіння.
При істотному нахилі траєкторії (більше 45 °) призма сповзає в ківш, утворюючи «шапку» при відриві робочого органу від забою. При горизонтальній траєкторії в малосвязних сухих і підірваних породах обсяг призми волочіння може досягати 0,5Е (Е - місткість робочого органу), а в зв'язкових міцних породах до (0,15-Ю, 2) Е. По досягненні граничних для даних умов розмірів призми надлишок породи з останньої буде йти в валики, що утворюються збоку від робочого органу. Робота, що витрачається на переміщення породи в призмі волочіння, як правило, втрачається, так як при підйомі ковша призма волочіння залишається в забої.
4. Загальний розрахунок екскаваторів як підставу для ескізного проектування.
4.1 Завдання загального розрахунку екскаваторів.