close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Общество пока не готово к диалогу с нами;pdf

код для вставкиСкачать
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Современное состояние и основные направления
комплексной машинизации
землеройных работ
Э.А. СМОЛЯНИЦКИЙ,
канд. техн. наук,
генеральный
конструктор ООО
«Машкомплектэксим»,
А.Н. СУМБУЛОВ,
директор ОДО
«Техномашзапчасть»
азвитие технических средств комплексной машинизации землеройных
работ, например, в строительстве, предполагает значительное сокращение затрат на
их доставку к месту работы, снижение уровня
ручного труда, расширение функциональных
возможностей рабочего оборудования (РО),
увеличение размерно-геометрических параметров вертикального сечения разрабатываемого забоя и изменения его расположения
относительно уровня стоянки машины,
а также увеличение числа её активных и
пассивных исполнительных механизмов.
Современное и традиционное РО обратной
лопаты землеройной машины приблизило зону забоя к её опорному контуру
настолько, что разработка наиболее распространённых лёгких и слабых грунтов I–
II категорий одноковшовыми экскаваторами на глубины копания, указанные в их
рекламных проспектах, стала невозможной
без нарушений требований техники безопасности в строительстве, регламентированных нормативно-техническими документами, например СНиП III-4-80. Кроме того,
применяемая на современных гидравлических
экскаваторах трёхзвенная кинематическая
схема РО (стрела, рукоять и ковш) не преду-
Р
Рис. 1. Относительный объём работ и глубина копания землеройных машин
при различных видах строительства:
1 – маломасштабные и рассредоточенные работы в сельском и гражданском
строительстве; 2 – рассредоточенные работы в транспортном, промышленном и
мелиоративном строительстве; 3 – специальные работы
2
сматривает трансформирования зоны забоя,
без чего невозможно создание единой кинематической схемы многофункционального РО.
Целью статьи является выявление
наиболее существенных недостатков трёхэлементного РО современных гидравлических экскаваторов, ковш которого с одной
степенью свободы не отвечает современному уровню эффективности комплексной
машинизации землеройных работ в строительстве, в том числе с удалённой зоной его
действия, а также демонстрация функциональных возможностей экскавационного
оборудования с двумя степенями свободы
перемещений ковша.
Основные исходные данные и принятые
положения
Более 50% экскавационных работ с
глубиной копания до 4 м включительно
приходится на гражданское и сельское
строительство (рис. 1), около 35% работ с
максимальной глубиной копания 7 м – на
транспортное, промышленное и мелиоративное строительство, а оставшиеся 15% с
глубиной копания 7–12 м относятся к специальным работам и должны выполняться
соответствующей техникой. Следовательно,
расчётную глубину копания базовой модели
экскаватора с РО обратной лопаты можно
принять равной 7 м. Учитывая необходимость разработки лёгких грунтов I–II категории с углом естественного откоса 35–38°,
максимальный радиус копания экскаватора,
в соответствии со СНиП III-4-80, должен
составлять не менее 8 м. При этом при разработке лёгких сыпучих грунтов с таким же
минимальным углом естественного откоса и
максимальной глубиной копания 7 м (достаточной для реализации 90% всего объёма
экскавационных работ) длина забоя должна
составлять не менее 12 м на уровне стоянки
машины, а максимальный радиус копания –
15 м (рис. 2).
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
В основных регионах (местах) проведения
землеройных работ с максимальной глубиной
копания 7 м расчётные параметры грунтов
определяются I–III категориями прочности,
а расчётный угол естественного откоса при
влажности 10–30% принимается равным 35°.
Зависимости основных расчётных параметров одноковшового гидравлического
экскаватора – максимального усилия P01max
копания грунтов II и III категорий и его
эксплуатационной массы Gэ – от вместимости Vк ковша приведены на рис. 3 [1, 2].
Кривые 1 и 2 соответствуют усилиям Р01max,
определённым соответственно по коэффициентам KквII и KквIII с вероятностью стопорения ковша 2,5%, кривая 3 – усилиям Р01max,
определённым по среднеарифметическому
коэффициенту Kк с вероятностью стопорения ковша 50%. Заштрихованная область
соответствует усилиям копания большинства
серийных гидравлических экскаваторов, в
том числе компаний Hyundai – R450LC-7A
[(точка (т.) А], R360LC-7A (т. В), R320LC-7A
(т. С), R220LC-7A (т. D), R140W-7A (т. E) – и
Liebherr – А310В (т. F).
Основной объём землеройных работ в
строительстве (80–85%) приходится на
«маломасштабные» и «рассредоточенные»
работы, 20–30% стоимости которых составляют затраты на перебазировку специализированной техники [2].
В настоящее время работы на строительных площадках выполняются несколькими машинами, в основном, бульдозерами,
экскаваторами и погрузчиками. Примем,
что общий суточный объём планируемых
работ на объекте не превышает 3000 м3 и
каждая из машин выполняет одну треть их
общего объёма [2]. В этом случае производительность экскаватора не должна быть
менее 1000 м 3 при организации работ в
одну смену или трёх рабочих циклов в
минуту. Тогда реализуемое количество
циклов в смену должно быть не менее 1440,
следовательно, расчётная вместимость
ковша составит Vк = 1000/1440 = 0,69 м3.
Учитывая, что коэффициент использования
рабочего времени может по различным
причинам варьироваться от 0,4 до 0,6, а
также различие категорий разрабатываемого
грунта и зависимость от конкретных условий
работы машины, необходимо предусмотреть
возможность установки ковша вместимо-
Рис. 2. Расчётный профиль разрабатываемого забоя при экскавации
лёгких грунтов и основные размерно-геометрические параметры трёхэлементного мелиоративного оборудования
стью до 1,0 м3 или введение дополнительной
рабочей смены.
Для технико-экономического обоснования целесообразности создания многофункциональной машины цикличного
действия примем следующие основные
допущения:
• технологический комплекс машин,
выполняющих землеройные работы, включает в себя бульдозеры, экскаваторы и
погрузчики;
• амортизационные отчисления одной
более сложной многофункциональной
машины равны сумме отчислений указанных
однооперационных технических средств;
• стоимость ручных землеройных работ
в строительстве более чем в 10 раз превышает стоимость таких работ, выполненных
машинным способом, поэтому сокращение
их доли даже на 5% обеспечит снижение
себестоимости работ, выполняемых многофункциональной машиной, не менее чем
на 25%;
Рис. 3. Зависимости
усилия копания Р01max
и массы экскаватора Gэ от вместимости
ковша Vк
3
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
• затраты на перебазировку (в том числе
доставку на строительный объект) каждой
единицы специализированной техники в
среднем не должны превышать 20% стоимости выполненной ею работы;
• одинаковые стоимости работ, выполненных каждой из трёх указанных машин,
предполагают уменьшение расходов на
доставку одной многофункциональной
машины на объект примерно в 3 раза и
составят ориентировочно не более 33% исходной суммы затрат от стоимости использования специализированной техники традиционного исполнения;
• минимальное значение повышенных
затрат на содержание парка указанных
машин не должно превышать 15% затрат на
содержание одной многофункциональной
машины.
Таким образом, если стоимость землеройных работ, выполненных традиционным
комплектом отмеченной строительной техники
принять за 100%, то относительная стоимость
этих же работ, выполненных одной многофункциональной машиной, не превысит 55%,
т.е. снизится примерно в 2 раза.
Назначение и область использования
многофункциональной машины
Разрабатываемая специализированная
машина нового поколения предназначена для
полного исключения ручного труда при разработке грунтов I–III категорий в ходе строительства объектов различного назначения, в том
числе в забоях с удалённой зоной действия
основного исполнительного механизма многофункционального РО. Такая машина должна
обеспечивать эффективное производство
экскавационных, планировочных, зачистных
и очистных, а также погрузочно-разгрузочных
и грузоподъёмных работ при:
• строительстве каналов и эксплуатации
мелиоративных сетей;
• разработке траншей и котлованов;
• планировании горизонтальных и наклонных поверхностей ниже или выше уровня
стоянки машины;
• проведении на строительных объектах
работ, связанных с перемещением материалов и оборудования;
• подсыпке и снятии грунта;
• выполнении комплекса работ с использованием исполнительных механизмов РО:
4
гидромолотов, лебёдок, пильного оборудования, буровых устройств, ножниц или
мультипроцессоров (крушаров) в составе
устройств для разрушения, измельчительных
систем, фрезерных головок, а также ручного
механизированного инструмента различного
назначения.
Многофункциональное РО перспективной машины должно иметь следующие
параметры назначения.
Экскавационное оборудование обратной
лопаты:
• вместимость основного ковша – 0,65 м3;
• максимальная глубина копания – 7000 мм;
• максимальный радиус копания – 15000 мм;
• максимальная высота выгрузки – 4000 мм.
Экскавационное оборудование прямой
лопаты:
• вместимость основного ковша – 1,2 м3;
• максимальная высота копания – 7000 мм;
• максимальный радиус копания – 8500 мм;
• максимальная высота выгрузки – 10000 м.
Погрузочное оборудование:
• вместимость погрузочного ковша – 1,2 м3;
• максимальная зона действия – 8500 мм;
• глубина копания – 2000 мм.
Планирующее оборудование должно обеспечивать эффективную разработку горизонтального или наклонного участков выравнивания
длиной до 10 м с одной стоянки машины.
Анализ функциональных возможностей
современного РО одноковшовых
гидравлических экскаваторов
В настоящее время на серийно производимых одноковшовых гидравлических экскаваторах в основном используется шарнирно
сочленённое и несколько реже телескопическое РО обратной лопаты. При этом РО
прямой лопаты широко применяется только
на тяжёлых карьерных экскаваторах, а производство драглайнов крайне ограничено.
Таким образом, весь объём землеройных
работ, выполняемых ранее механическими
экскаваторами с прямодействующим РО,
возложен на гидравлическое РО обратной
лопаты и фронтальные погрузчики.
Экскавационное оборудование прямой
лопаты. Общеизвестным «пионером экскаваторостроения» следует считать прямодействующее РО с канатно-блочным приводом
его основных исполнительных механизмов в
составе базовых машин с паросиловой энер-
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
гетической установкой. Это выдающееся
техническое решение позволило ковшу
РО на уровне стоянки экскаватора совершать горизонтальное перемещение с одновременным его заполнением разрабатываемым грунтом (за счёт резания последнего)
и подъёмом. В этом случае рабочая зона
такой машины начинается непосредственно
у её опорного контура. Длина рукояти РО
прямой и обратной лопаты практически одна
и та же, поскольку она определяется длиной
оптимальной траектории, необходимой для
эффективной работы ковша. В то же время
длина стрелы у РО обратной лопаты в 1,5–1,6
раза больше, чем у РО прямой лопаты.
Копание таким оборудованием снизу
вверх (по восходящей части окружности)
осуществляется неповоротным ковшом, что
обеспечивает необходимые усилия резания
на его рабочей кромке. Производственнотехнологический цикл РО прямой лопаты
минимален по времени, так как он обеспечивает копание, совмещаемое с заполнением ковша грунтом и его подъёмом для
выгрузки, главным образом за счёт вращательного движения поворотной платформы
в последующем и одновременной разгрузкой
ковша, после которой происходит реверсный
поворот в сторону забоя с совмещением
опускания РО для повторения всего цикла.
Длительность рабочего цикла и уровень
энергозатрат у РО прямой лопаты в среднем
на 20–30% меньше, чем у РО обратной
лопаты.
Основным видом работы, выполняемой
РО прямой лопаты, является разработка
больших и малых мелиоративных каналов
шириной до 30 м за один проход, а также
крупных котлованов и подземных сооружений. РО прямой лопаты также может
использоваться при выполнении вспомогательных работ: очистке и доводке до
проектных отметок дна котлованов, планировании откосов, подсыпке и перемещении
грунта, а также при погрузке в транспортные средства насыпных (песок, шлак и
торф) материалов и дроблёных (известняк,
песчаник и др.) горных пород.
Таким образом, возможность работы
прямодействующим РО должна быть обязательно предусмотрена при создании современной, многофункциональной и мобильной
машины цикличного действия.
Экскавационное оборудование обратной
лопаты. При экскавации грунтов I–III категорий с расчётной глубиной копания 7 м
максимальный радиус копания (см. рис. 2)
имеет вид
Rкmax = (Hкmax/sin35°) + К,
где К – расстояние от оси поворотной платформы экскаватора до начала забоя, равное
сумме ширины опорного контура машины
(не менее 1,5 м) и расстояния (от него до
начала забоя), равного 1 м.
Тогда Rкmax = 12,2 + 2,5 = 14,7 м ≈ 15 м.
Анализ рис. 4 и 5 свидетельствует о том,
что при разработке лёгких грунтов экскаватором массой 16 т с ковшом вместимостью 0,4 м3 увеличение глубины копания с
3 до 7 м приводит к увеличению максимального радиуса копания с 8 до 15 м, что в свою
очередь приводит к повышению суммарного
опрокидывающего момента от заполненного
ковша и РО с 16 до 60 т·м, т.е. примерно в
4 раза. При этом удерживающий момент
экскаватора массой 16 т ограничен диапазоном 25–30 т·м, за счёт чего при радиусе
копания более 11 м вместимость ковша
снижается практически до нуля.
На основании изложенного можно констатировать, что при традиционной трёхзвенной
кинематической схеме РО невозможно создать
единую конструкцию РО обратной лопаты,
Рис. 4. Зависимость
максимального радиуса копания от глубины копания при разработке лёгких грунтов
Рис. 5. Зависимости
опрокидывающего (1)
и удерживающего (2)
моментов экскаватора
массой 16 т с ковшом
вместимостью 0,4 м3
от максимального радиуса копания:
3 – удерживающий момент экскаватора массой 26 т
5
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Параметр
Технические условия
Модель
СНиП III-4-80
Радиус
Максимальный Максимальная копания
Масса, Вместимость
глубина
радиус
при
т
ковша, м3
копания
копания
Hкmax,
Rкmax, мм
Hкmax, мм
мм
Максимальная
глубина копания
Hкmax, мм, грунтов
связных
сыпучих
Радиус Коэффициент
исполькопания
зования
при
площади
Hкmax,
мм
сечения забоя
SY135C
13,5
0,53
8290
5500
4000
4000
3400
6400
0,5
SY215C
21,5
0,93
9885
6630
4000
5000
4000
7000
0,5
SY365C
34,1
1,6
10000
7050
5000
5500
4000
8500
0,5
SY465C
45,5
2,0
11500
7300
5500
5700
4200
8600
0,5
Рис. 6. Зоны разрабатываемого забоя и
обзора экскаватора
Case 1188
6
предназначенной для
экскавации лёгких
сыпучих и тяжёлых
связных грунтов на
одной и той же глубине
и радиусе копания.
Современное РО обратной лопаты имеет уменьшенный максимальный радиус
копания (8–11 м), определяемый типоразмером машины [зависящим от её массы
(14–45 т)], потому что
достижение требуемой глубины копания
привело к смещению
точки максимального
значения последней к
оси поворотной платформы и существенно
ухудшило безопасность и эксплуатационные
качества технического средства. Например,
если угол обзора машиниста от горизонтали
вниз составляет около 45°, то он плохо видит
основную зону забоя [1].
Укороченная стрела экскаваторов, позволившая уменьшить её массу и силу тяжести
машины в целом, приблизила их рабочую
зону (рис. 6) к опорному контуру настолько,
что значительная её часть располагается непосредственно под ним. В качестве примера
в таблице приведены параметры четырёх
экскаваторов компании SANY (Китай), соответствующие их рекламным проспектам и
нормам безопасности (СНиП III-4-80).
Анализ данных, приведённых в таблице,
позволяет сделать следующие выводы:

в соответствии с требованиями безопасности производства экскавационных работ
около половины площади рабочей зоны
ниже уровня стоянки машины не может быть
использовано при её эксплуатации;

в соответствии со СНиП III-4-80 глубины
копания связных грунтов составляют 4; 5; 5,5
и 5,7 м, а лёгких – 3,4; 4; 4 и 4,2 м.
Таким образом, при разработке связных
грунтов с углом естественного откоса около
45° на глубине копания 6 м может быть использован только экскаватор SY465C массой 45,5 т.
Приведённый комплексный анализ машин
с РО обратной лопаты позволил сделать
следующие предварительные выводы:
• такое оборудование имеет ограниченный
радиус действия (до 12 м у тяжёлых машин
массой 50 т и более);
• его использование достаточно безопасно
для производства экскавационных работ в
лёгких грунтах с максимальной глубиной
копания 4 м;
• оно в основном предназначено для выполнения только одной операции – копания ниже
уровня стоянки машины;
• для изменения размерно-геометрических
параметров зоны забоя требуется замена
основных несущих элементов РО – стрелы
или рукояти;
• статический (опрокидывающий) момент
такого РО с полностью загруженным ковшом,
при требуемых для многофункциональных
машин радиусах копания, в несколько раз
превышает удерживающий момент машины.
Таким образом, можно констатировать, что существующая трёхэлементная
конструкция РО обратной лопаты не
может быть использована при создании
современного специализированного
оборудования многофункциональной
мобильной машины нового поколения.
(Окончание следует)
CДM
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа