Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Подъемно-транспортные, путевые и строительные машины»

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Строительные и дорожные машины»

на тему: «Проект одноковшового гидравлического экскаватора с ковшом активного действия»

Выполнил: Избратский О.А.

группа 11-ПТМц-205

Проверил: доцент Попов Д.Е.

Санкт-Петербург 2015



Оглавление

Введение

1. Описание инженерно-технического сооружения

1.1 Основные элементы карьера

1.2 Грунт

2. Технология возведения карьера

3. Описание узлов

4. Техническое предложение по синтезу рабочего органа одноковшового гидравлического экскаватора

5. Расчёт экскаватора

5.1 Определение усилий резания

5.2 Расчёт устойчивости

5.3 Движение на подъём

6. Расчет на прочность рабочего органа в Solidworks

Выводы

Список используемой литературы

карьер одноковшевой экскаватор гидравлический



Введение

Земляные работы - один из самых массовых процессов в строительстве. Для возведения 1 м³ промышленного или гражданского сооружения приходится выполнять соответственно около 1,5...2,0 или 0,5 м³ земляных работ. Стоимость земляных работ составляет 10...15% полной стоимости работ. В процессе строительства приходится выполнять различные земляные работы: разработку выемок - котлованов, траншей; возведение насыпей-подсыпок территории, дорожного полотна и т. д.; планировку поверхности, обратную засыпку траншей и котлованов; уплотнение грунта.

Землеройно-транспортные машины предназначены для выполнения земляных работ. Ими возводятся насыпи, устраиваются выемки, профилируется земляное полотно и т. п. Они применяются в различных областях строительного производства при гидротехническом, транспортном и гражданском строительствах.

Машины для земляных работ по назначению разделяют на:

-землеройные, предназначенные для выполнения одной операции - отделения грунта от массива (экскаваторы);

-землеройно-транспортные, которые не только отделяют грунт от массива, но и перемещают его (бульдозеры, скреперы);

-специальные, предназначенные для уплотнения грунтов (катки, трамбовки, виброуплотнители), для свайных работ (вибропогружатели, дизель-молоты).

Для разработки карьеров в основном применяются экскаваторы непрерывного действия - роторные экскаваторы. Эти экскаваторы относятся к типу карьерных полноповоротных машин и предназначены для ведения вскрышных и добычных работ на открытых разработках полезных ископаемых. Обеспечивают погрузку извлеченной горной массы на транспортирующие машины непрерывного действия (забойный конвейер, перегружатель, отвалообразователь), в железнодорожный или автомобильный транспорт. Экскаваторы приспособлены для круглогодичных работ в интервале температур от - 40 до +35°С. Исполнение машин с роторной стрелой постоянной длины (невыдвижной) обеспечивает высокую жесткость и надежность конструкции при минимальных весовых показателях. Исполнение верхнего строения машины с центральной перегрузкой (при общей оси вращения для поворотной платформы машины и разгрузочной стрелы) упрощает схему машин, сводит к минимуму число ленточных конвейеров. Имеются только два конвейера приемный и разгрузочный, что облегчает обслуживание рабочего процесса транспортировки. В кабинах машинистов установлены аппаратура управления и связи. Для производства текущего ремонта на машинах имеются мастерские. Экскаваторы оборудованы необходимым количеством грузоподъемных средств, позволяющих проводить ремонтные работы в процессе эксплуатации: барабанной лебедкой, консольным поворотным краном с электроталью. Электрооборудование размещено в помещениях, расположенных на консоли противовеса и поворотной платформе. Токосъемные устройства герметизированы и надежно работают в условиях большой запыленности.



1. Описание инженерно-технического сооружения

Карьер:

· совокупность открытых горных выработок, предназначенных для разработки месторождения полезных ископаемых;

· горное предприятие по добыче полезных ископаемых открытым способом.

Как в шахте выделяют шахтное поле, так карьеру выделяют горный отвод. Принцип открытой разработки заключается в том, что более мощные слои пород, покрывающих пласт полезного ископаемого, в пределах горного отвода разделяется на горизонтальные слои -- уступы, которые вынимают последовательно в направлении сверху вниз с опережением нижних слоев верхними. Высота уступа зависит от прочности пород и применяемой техники и колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1

Карьером в техническом значении называется совокупность горных выработок, предназначенных для открытой разработки месторождений.

Месторождение или его часть, отводимая для разработки карьером, называется карьерным полем (или полем разреза).

Участок земной поверхности, занимаемый горным предприятием, называется земельным отводом.

1.1 Основные элементы карьера

Геометрические параметры карьера характеризуются размерами в плане, глубиной и объемом.

В процессе работ по выемке вскрышных пород и добыче полезных ископаемых образуется выработанное пространство.

На поверхности земли выработанное пространство ограничивается границами карьерного поля. По глубине выработанное пространство ограничивается дном карьера. На момент отработки карьера его называют подошвой карьера или нижним контуром. Боковые поверхности выработанного пространства, называются бортами карьера.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2

Рис. 3

L, В, м - длина и ширина карьера по верху

l, и, м - длина и ширина карьера по низу

Н_к, м - конечная глубина карьера

V_к, м³ - объем карьера

- карьер округлой формы

- карьер вытянутой формы

Размеры дна карьера обычно определяются размерами рудного тела.

Наклонные поверхности, ограничивающие карьер со стороны выработанного пространства, называется бортами.

Борта карьера представляют собой совокупность уступов.

Уступы в карьере разделяются на рабочие и нерабочие. Уступы, на которых ведутся горные работы, называются рабочими, не ведется - нерабочими.

Борта карьера, сложенные рабочими уступами, называются рабочими бортами, нерабочими уступами - нерабочими бортами.

1-5, 2-5 - нерабочие борта.

В_п - призма возможного обрушения (ширина)

d_y = 45-60^о

Процесс придания углу откоса устойчивого значения называется заоткоской.

Нерабочий борт карьера имеет следующие площадки:

1) бермы безопасности (9)- предназначены для сбора остающихся кусков породы.

Рис. 4

В_п, м - ширина бермы безопасности

2) площадки очистки (10) - устраиваются через 2-3 нерабочих уступа и предназначены для механизированной очистки уступов от обрушенных кусков породы.

м - ширина

3) транспортные бермы (8) - предназначены для транспортирования горной массы (вскрышные породы и полезное ископаемое).

В = 10 - 30 м и зависит от габаритов транспортных средств.

4) на рабочем борту карьера располагаются рабочие площадки, на которых ведутся горные работы (7).

Площадка, на которой размещается выемочное, транспортное и другое горное оборудование необходимое для обеспечения технологического процесса, называется рабочей площадкой. Ширина рабочей площадки определяется расчетным путем, исходными данными для которого являются физико-механические свойства пород, габариты оборудования их размещение. Обычно ширина рабочей площадки уступа составляет 35 - 80 м при транспортировании горной массы автотранспортом и 80 - 100 м при работе железнодорожного транспорта.

5) углы рабочего и не рабочего бортов: разделяются на рабочие и не рабочие.

Угол между линией, соединяющей верхнюю бровку уступа с бровкой нижнего уступа и горизонтальной плоскостью, называется углом откоса рабочего (не рабочего) борта карьера.

Открытая горная выработка, имеющая в поперечном сечении трапециевидную форму, называется траншеей, треугольную форму - полутраншеей.

При вскрытии месторождения проходят капитальные траншеи, обеспечивающие доступ транспорта с поверхности к рудному телу (угольному пласту и пр.). Для создания фронта работ и размещения горного оборудования проходят разрезные траншеи.

Участок месторождения, планируемый к отработке одним карьером, называют карьерным полем (полем разреза, прииска). В соответствии с нормативными материалами на участок первоочередной отработки карьерного поля оформляют горный отвод (рис.2). Горный отвод отмечается на плане поверхности и на разрезах. По верхнему контуру, на характерных точках границы карьерного поля, горный отвод закрепляется специальными знаками. В пределах горного отвода и осуществляются вскрышные работы и добыча полезных ископаемых. По мере углубления карьера площадь горного отвода уменьшается (рис.2).

Участки земной поверхности, занимаемые горным предприятием, для хозяйственной деятельности называются земельными отводами. Горный отвод и карьерное поле входят в состав земельного отвода. Земельный отвод отмечается специальными знаками. На земельные отводы оформляется межевые дела, в которых отмечается их площадь, координаты межевых знаков и. т.п.

В процессе работ по выемке вскрышных пород и добыче полезных ископаемых образуется выработанное пространство.

На поверхности земли выработанное пространство ограничивается границами карьерного поля. По глубине выработанное пространство ограничивается дном карьера. На момент отработки карьера его называют подошвой карьера или нижним контуром. Боковые поверхности выработанного пространства, называются бортами карьера.

Насыпь горных пород, перемещенных из карьера в процессе вскрытия рудного тела (угольного пласта) называется породным отвалом или отвалом вскрышных пород.

В пределах горного отвода выемку горной массы осуществляют горизонтальными слоями, реже наклонными, вследствие чего профиль карьера имеет ступенчатую форму. Называют эти горизонтальные слои горизонтами карьера. Отдельные участки горизонтов карьера, которые разрабатываются самостоятельными средствами рыхления, выемки и перемещения называются уступами. Его высота устанавливается с учетом физико-механических свойств горного массива и определяется проектом. На рис. 3 представлены элементы уступа. Горизонты карьера имеют отметки абсолютные, относительно уровня Балтийского моря, или условные, относительно постоянной абсолютной отметки поверхности карьера. Обычно горизонт обозначают по отметке нижней площадки уступа. Например, горизонт + 245 м. Отработка верхнего горизонта всегда опережает отработку нижнего (рис. 2)

Иногда уступ разбивают на подуступы, которые отрабатываются самостоятельно, но обслуживаются общим для уступа транспортом.

Основные элементы уступа - площадки, откос, бровки (рис 2). Площадкой уступа называется горизонтальная поверхность, ограничивающая уступ по высоте. Различают верхнюю и нижнюю площадки уступа. Отметка нижней площадки уступа совпадает с отметкой горизонта.

Откосом уступа называется наклонная поверхность, ограничивающая уступ со стороны выработанного пространства между верхней и нижней площадками уступа. Угол, образуемый откосом уступа с горизонтальной плоскостью, называется углом откоса. Угол откоса уступа зависит от категории пород, крепости и определяется проектом.

Верхняя и нижняя бровки уступа соответственно - линии пересечения верхней и нижней площадок с откосом уступа.

Часть уступа по ширине, разрабатываемая выемочными средствами в сочетании с транспортом, называется заходкой уступа, торец заходки называется забоем. Заходку по длине разбивают на блоки, имеющие самостоятельный забой с горным оборудованием, что позволяет отрабатывать уступ несколькими забоями.

Заходка уступа характеризуется шириной В, высотой h и длиной L. Высота обычно соответствует высоте уступа, длина - длине фронта работ уступа. Ширина принимается в соответствие применяемому оборудованию. Обычно фронтом работ уступа называется часть уступа, подготовленная для горных работ. Подготовка фронта работ заключается в основном в подводе транспортных путей и линий электропередачи. Обычно одновременно в работе находятся несколько уступов.

Различают площадки уступа рабочие, не рабочие и предохранительные.

Площадка, на которой размещается выемочное, транспортное и другое горное оборудование необходимое для обеспечения технологического процесса, называется рабочей площадкой. Ширина рабочей площадки определяется расчетным путем, исходными данными для которого являются физико-механические свойства пород, габариты оборудования их размещение. Обычно ширина рабочей площадки уступа составляет 35 - 80 м.

Боковые поверхности, ограничивающие карьер и его выработанное пространство, называют бортом карьера. Если на нем ведутся горные работы, то он называется рабочим бортом. Рабочий борт карьера формируется благодаря проходке траншей на нижележащем горизонте. Не рабочий борт карьера формируется в период его подхода к границе карьерного поля. Борт карьера состоит из откосов и площадок уступов.

Рабочие площадки уступов соединяются между собой бермами (рис. 3). Площадка между уступами, оставляемая на не рабочем борту карьера служит для задержания осыпающихся кусков породы, устойчивости борта и называется предохранительной бермой. Если эта площадка служит для размещения транспортных коммуникаций, то ее называют транспортной бермой.

Совокупность уступов, находящихся в одновременной отработке, называется рабочей зоной карьера.

Линия пересечения бортов карьера с земной поверхностью называется верхним контуром карьера. Линия пересечения бортов карьера с дном карьера называется нижним контуром карьера. Условная поверхность, проходящая через нижний и верхний его контуры, называется откосом борта карьера.

Угол, образованный линией откоса борта карьера и ее проекцией на горизонтальную плоскость называют углом откоса борта карьера.

Открытая горная выработка, имеющая в поперечном сечении трапециевидную форму, называется траншеей, треугольную форму - полутраншеей.

При вскрытии месторождения проходят капитальные траншеи, обеспечивающие доступ транспорта с поверхности к рудному телу (угольному пласту и пр.). Для создания фронта работ и размещения горного оборудования проходят разрезные траншеи.

1.2 Грунт

Грунт (нем. Grund -- основа, почва) -- любые горные породы, почвы, осадки, техногенные (антропогенные) образования, представляющие собой многокомпонентные, динамичные системы, являющиеся компонентами геологической среды и объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.

Различают:

· скальные и полускальные грунты -- монолитные грунты с жесткими структурными связями;

· дисперсные грунты -- раздельнозернистые грунты без жестких структурных связей: связные -- глинистые, и несвязные -- песчаные и крупнообломочные.

Грунты могут быть использованы в качестве оснований зданий и различных инженерных сооружений, материала для сооружений (дорог, насыпей, плотин), среды для размещения подземных сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и др.

Глимна -- мелкозернистая осадочная горная порода, пылевидная в сухом состоянии, пластичная при увлажнении. Глина состоит из одного или нескольких минералов группы каолинита (происходит от названия местности Каолин в Китае), монтмориллонита или других слоистых алюмосиликатов (глинистые минералы), но может содержать и песчаные и карбонатные частицы. Как правило, породообразующим минералом в глине является каолинит, его состав: 47 % (мас) оксида кремния (IV) (SiO2), 39 % оксида алюминия (Al2О3) и 14 % воды (Н2O).

Al2O3 и SiO2 -- составляют значительную часть химического состава глинообразующих минералов.

Диаметр частиц глин менее 0,005 мм; породы, состоящие из более крупных частиц, принято классифицировать как лёсс. Большинство глин -- серого цвета, но встречаются глины белого, красного, жёлтого, коричневого, синего, зелёного, лилового и даже чёрного цветов. Окраска обусловлена примесями ионов -- хромофоров, в основном железа в валентности 3 (красный, желтый цвет) или 2 (зелёный, синеватый).

Свойства глин: пластичность, огневая и воздушная усадка, огнеупорность, спекаемость, цвет керамического черепка, вязкость, усушка, пористость, набухание, дисперсность. Глина является самым устойчивым гидроизолятором -- водонепропускаемость является одним из её качеств. За счёт этого глиняная почва -- самый устойчивый тип почвы, развитый на пустырях и пустошах. Развитие какой-либо корневой растительной системы в глиняных залежах невозможно.

Виды глин: различают несколько разновидностей глины. Каждая из них используется по-своему. Глину с числом пластичности от 0,17 до 0,27 называют лёгкой, свыше 0,27 -- тяжёлой. Большую часть добываемых и поступающих в продажу глин составляет каолин, который применяется в целлюлозно-бумажной промышленности и в производстве фарфора и огнеупорных изделий. Вторыми по важности материалами являются обычная строительная глина и глинистый сланец. Огнеупорная глина идет на изготовление огнеупорного кирпича и других жаропрочных изделий.

Важное место среди видов глин занимает бентонит. Считают, что эта глина образовалась в результате химического распада вулканического пепла. При погружении в воду она разбухает, увеличивая свой объём в несколько раз. В основном она используется в буровых растворах при бурении скважин.

Сукновальная глина ценится за её отбеливающие свойства при очистке нефтепродуктов. Фильтры из сукновальной глины применяются при очистке растительных и минеральных масел.

Гончарная глина, именуемая также комовой, находит применение при изготовлении посуды. Глина или глинистый сланец представляет собой важное сырье, которое вместе с известняком используется в производстве портландцемента.

Наиболее распространёнными в природе являются: красная глина, белая глина (каолин), глина из песчаника. Сорта глины -- для производства фарфора, фаянса и огнеупорных изделий -- каолин.



2. Технология возведения карьера

Разработка месторождений полезных ископаемых открытым способом заключается в создании доступа к полезному ископаемому, удалению пустых пород, покрывающих или вмещающих полезное ископаемое, и самой добыче полезного ископаемого.

Термин «технология» в общем случае обозначает совокупность знаний, основных характеристик и правил о способах, средствах и организации выполнения каких - либо производственно-технических работ.

Технология открытого способа добычи полезного ископаемого рассматривается по двум направлениям. Это собственно технология открытых горных работ и технология производственных процессов.

Технология открытого способа затрагивает общие вопросы организации строительства и развития горных работ в карьере, параметры элементов карьера в их динамике, организацию и планирования горных работ, способы и средства управления качеством продукции.

Технология производственных процессов заключается организации основных видов работ по подготовке горных пород к выемке, выемочно-погрузочные работы, транспортирование, перегрузку, складирование и разгрузку горной массы на основе комплексной механизации.

Технология открытого способа

Открытая разработка месторождения включает следующие основные этапы работ:

- подготовку поверхности части карьера, предназначенной для горно-капитальных работ;

- осушение месторождения и ограждение его от поверхностных вод;

- горно - капитальные, эксплуатационные работы;

- рекультивацию нарушенных земель после окончания эксплуатации месторождения.

Подготовка поверхности, работы по осушению, горно-капитальные и вскрышные работы начинают последовательно, а затем ведут параллельно, но с взаимным опережением.

Подготовка поверхности части карьерного поля, на который оформлены земельный отвод и горные отводы, заключается в создании условий для проведения горно-капитальных работ. В этот период выполняется вырубка леса, корчевка пней, отвод рек и ручьев, спуск воды из озер, осушение болот, снос зданий и сооружений, перенос транспортных магистралей, линий электропередач, средств связи и др.

В этот же период снимают плодородный слой земли с первоочередных участков разработки. Строят дороги, ЛЭП и другие коммуникации, жилые и производственные здания и сооружения, очистные сооружения, а также проводят специальные мероприятия по охране окружающей среды.

Осушение месторождения проводится с целью удаления подземных вод в зоне открытых горных работ для обеспечения нормальных условий работы. Различают следующие виды осушения: осушение поверхности карьерного поля; ограждение карьера от поверхностных вод; предварительное и текущее осушение месторождения.

Осушение наносов и отвод воды с поверхности месторождения обычно осуществляется с помощью сети осушительных и дренажных канав.

Ограждение карьера от поверхностных вод (ливневых, паводковых и проникающих из соседних водоемов) производится с помощью нагорных канав, которые проводятся по всему периметру карьера или со стороны возвышенной части карьерного поля.

Предварительное осушение месторождения проводится до начала разработки и предназначено для понижения уровня подземных вод и осушения участков, которые подлежат разработке в первую очередь.

Текущее и эксплуатационное осушение осуществляется одновременно с разработкой месторождения и состоит в систематическом удалении воды из разрабатываемых участков.

Удаление воды осуществляется посредством организации водоотлива либо открытого, либо подземного. В первом случае вода собирается в водосборник (копань - отстойник) и откачивается на поверхность насосами. Во втором - вода через специальные скважины поступает в систему подземных дренажных выработок и по стволу дренажной шахты поднимается на поверхность.

Горно-капитальные работы осуществляются в период строительства карьера. Они заключаются в проходке капитальных траншей и разрезных траншей для вскрытия месторождения. Вскрытие месторождения - это создание доступа транспортных средств к полезному ископаемому во время строительства карьера. В отдельных случаях проходка разрезных траншей не требуется, так как эту роль выполняют капитальные траншеи. В этот же период осуществляется строительство линий передачи электроэнергии, приобретается горно-технологическое оборудование и транспорт, строятся дороги. Для создания норматива вскрытых запасов осуществляются работы по уборке вскрышных пород перед сдачей карьера в эксплуатацию.

Проведение подготовительных выработок осуществляется в основном в период эксплуатации при переходе на низлежащие горизонты в случае разработки крутых и наклонных залежей.

Вскрышные работы заключаются в удалении пустых пород, покрывающих и вмещающих полезное ископаемое.

Добычные работы представляют собой собственно извлечение полезного ископаемого и являются последним этапом разработки месторождения открытым способом.

Рекультивация нарушенных земель и поверхности отвала. После окончания разработки месторождения, нарушенные земли в результате хозяйственной деятельности карьера и поверхность породных отвалов полагается рекультивировать. То есть привести в состояние, которое в дальнейшем не будет пагубно влиять на окружающую природную среду. Рекультивация проводится по отдельному проекту.

По организационно-экономическим признакам время, в течение которого разрабатывается месторождение, делится на периоды: строительство карьера - от начала горных работ до ввода карьера в эксплуатацию; освоения - от начала эксплуатации до достижения проектной мощности; нормальной эксплуатации; затухания или доработки, и выполняются они по технологии открытой разработки принятой в проекте.

Для выполнения принятой технологии открытых горных работ используется технология производственных процессов на основе комплексной механизации.

Механизация производственных процессов при открытой разработке осуществляется двумя основными способами: экскаваторным и гидравлическим.

При экскаваторном способе применяются различные механические средства (экскаваторы, скреперы, механические виды транспорта и др.) а при гидравлическом способе основные производственные процессы осуществляются с помощью воды и специального гидромеханизированного оборудования. Гидравлический способ применяется при разработке пород, легко поддающихся размыву и транспортированию водой, при наличии источников воды и дешевой электроэнергии. При экскаваторном способе производится отбойка и рыхление горного массива пород.

Технология производственных процессов

1. Подготовка горных пород к выемке заключается в отбойке и рыхлении скальных пород, которая осуществляется с помощью взрывных работ. В мягких породах, например на глиняных месторождениях, выемку осуществляют без предварительного рыхления взрывом.

Для производства взрыва бурят скважины станками шарошечного, вращательного или пневмоударного бурения. Глубина бурения и диаметр взрывных скважин определяется проектом и зависит от применяемого бурового оборудования. В скважины закладывается взрывчатые вещества (ВВ). В качестве ВВ используются диамоны, игданиты, эмульсалиты, зернограннулиты, грамманиты и др. Удельный расход ВВ изменяется от 0,1 до 0,7 кг на 1 м³ горной породы. После взрыва горная масса (ГМ) должна соответствовать заданной проектом кусковатости и обеспечивать производительность забойного экскаватора.

Удельный вес буровзрывных работ в общей себестоимости добычи достигает 30 %.

2. Выемочно-погрузочные работы (экскавация) заключается в перемещении ГМ из забоя в транспортные средства. Обычно эту работы выполняют экскаваторы. При выемке мягких и сыпучих пород, как уже отмечалось, отбойка и погрузка совмещаются в одном процессе.

3. Транспортирование ГМ производится по железной дороге, автосамосвалами и конвейерами, реже применяются скиповые подъемники, гидравлический транспорт и подвесные канатные дороги.

При железнодорожном транспорте используются саморазгружающие вагоны - думпкары грузоподъемностью 80- 180 т, в качестве локомотивов - электровозы и тепловозы. Ширина колеи нормальная, т.е. 1524 мм. Применение железнодорожного транспорта осложнено особенностями обустройства транспортных магистралей.

Автомобильный транспорт в условиях карьеров имеет определенные преимущества по сравнению с железнодорожным: большую маневренность, способность преодолевать значительные подъемы и возможность вести работу при меньших радиусах поворота. Основными средствами автомобильного транспорта являются автосамосвалы и тягачи с полуприцепами.

Для успешного применения автомобильного транспорта необходимы хорошие дороги.

При применении конвейерного транспорта используются конвейерные ленты шириной до 2,5 м. При использовании конвейерного транспорта на большие расстояния необходимо строительство перегрузочных пунктов.

В связи с углублением открытых горных работ в последнее время внедряется комбинированный транспорт с узлами перегрузки.

4. Размещение пустых пород в отвалах называется отвалообразованием. Оно осуществляется при помощи отвальных экскаваторов, отвальных плугов, бульдозеров и другого оборудования.

Большие объемы ГМ в карьере обуславливают необходимость подбора технических средств механизации основных процессов, соответствующих по производительности друг другу. Такая цепь взаимосвязанных машин и механизмов, обеспечивающих наибольшую эффективность вскрышных и добычных работ, называется комплексом карьерного оборудования, которые объединяется в грузопотоки. В состав грузопотока, как правило, входят выемочное оборудование (экскаватор), транспортные средства и средства отвалообразования.

При основном способе открытых разработок - экскаваторном наибольшее распространение получили следующие технологические схемы.

1. Цикличные:

погрузка одноковшовым экскаватором - транспортирование в думпкарах или автомобильным транспортом - отвалообразование одноковшовым экскаватором или специальными отвалообразователями, например абзетцерами, при автомобильном транспорте бульдозером;

погрузка многоковшовым экскаватором - транспортирование в думпкарах - отвалообразование одноковшовым экскаватором или специальными отвалообразователями;

погрузка одноковшовым экскаватором - транспортирование автосамосвалами - перегрузка (иногда с усреднением качества) на внутрикарьерном складе или эстакаде - транспортирование в думпкарах - отвалообразование одноковшовым экскаватором или специальными отвалообразователями.

Первая схема используется при отработке рыхлых и скальных пород, вторая - при отработке рыхлых пород, третья - преимущественно при отработке скальных пород.

2. Поточные (для рыхлых пород):

выемка роторным экскаватором - транспортирование и отвалообразование консольными отвалообразователями;

выемка роторным экскаватором - транспортирование ленточными конвейерами.

3. Циклично-поточные:

выемка и погрузка скальных пород одноковшовым экскаватором - транспортирование автосамосвалами к дробилке - транспортирование ленточными конвейерами;

выемка и погрузка рыхлых и мягких пород одноковшовым экскаватором - погрузка их через бункер-питатель на конвейер - конвейерное отвалообразование.

Как уже отмечалось вскрытие месторождения - это создание доступа транспортных средств к полезному ископаемому во время строительства карьера.

К вскрытым относятся запасы, верхняя часть которых искусственно или естественно обнажена, а на нижнюю часть пройдена вскрывающая выработка. Норма вскрытых запасов определяется годовой добычей.

Подготовленными к выемке запасами считаются запасы из числа вскрытых, у которых обнажены верхняя и боковая плоскости и возможно продвигание забоя без продвигания верхнего вскрышного уступа, или параллельное продвигание всех добычных и вскрышных уступов. Обеспеченность подготовленными запасами устанавливается в пределах половины годовой добычи.

Готовыми к выемке запасами считаются запасы из числа подготовленных, для которых выполнен весь комплекс работ, необходимых для производства буровзрывных работ, экскавации и транспортировки ГМ.

Нормативы готовых к выемке запасов устанавливаются расчетным путем и не должны быть мене одного квартала.

3. Описание узлов

Гидравлические экскаваторы представляют собой многомоторные машины с жесткой подвеской рабочего оборудования, у которых для передачи мощности от двигателя к рабочим механизмам используется гидравлический объемный привод. Параметры гидравлических экскаваторов регламентированы ГОСТ 30067-93 «Экскаваторы одноковшовые универсальные полноповоротные». По сравнению с механическими гидравлические экскаваторы имеют более широкую номенклатуру сменных рабочих органов, число которых постоянно растет, большее количество основных и вспомогательных движений рабочего оборудования, что значительно расширяет их технологические возможности и обеспечивает высокий уровень механизации земляных работ, особенно в стесненных условиях.

Рис. 5 Описание одноковшового гидравлического экскаватора 1 -- ходовая тележка; 2 -- противовес; 3-- капот; 4 -- кабина; 5, 8, 9 -- гидроцилиндры стрелы, ковша и рукояти; 6 -- стрела; 7 -- рукоять; 10 -- ковш; 11 -- поворотная платформа

Гидравлический привод позволяет: значительно упростить кинематику трансмиссии и рабочего оборудования; расширить номенклатуру сменного рабочего оборудования; уменьшить габариты машины; рационально совмещать рабочие операции; максимально использовать мощность силовой установки; повысить мобильность и универсальность машин и улучшить качество выполняемых работ, сообщать сменным рабочим органам движения, позволяющие выполнять земляные работы в труднодоступных местах; обеспечивать плавность движения и точную ориентацию рабочего органа; реализовать большие (в 1,5...2 раза) усилия копания; повысить производительность машин в среднем на 30...35 %; улучшить условия труда машиниста. Основными рабочими органами данного типа экскаватора являются:

Обратная лопата -- основное рабочее оборудование для разработки (копания) грунта ниже уровня стоянки экскаватора. Применяется при копании котлованов, траншей, при планировании откосов и отсыпке насыпей. Может применяться для погрузочных работ. При работе обратной лопатой грунт копают в направлении к экскаватору. Гидравлические экскаваторы с обратной лопатой могут разрабатывать грунт и выше уровня своей стоянки, правда с меньшей эффективностью чем прямая лопата.

В зависимости от типа применяемых приводов рабочий цикл обратной лопаты различается.

Для гидравлических экскаваторов с независимым приводом стрелы, ковша и рукояти:

· Заглубление стрелы в котлован с одновременным позиционированием рукояти;

· Загрузка ковша его поворотом относительно рукояти;

· Выглубление стрелы с одновременным разворотом рукояти и поворотом ковша для предотвращения высыпания грунта.

· Поворот платформы с рабочим оборудованием;

· Разгрузка ковша его поворотом относительно рукояти.

Для механических экскаваторов с двухканатным приводом рукояти, зависимым положением стрелы и фиксированным положением ковша:

· Заглубление стрелы и рукояти в котлован (выполняется растормаживанием подъемного каната);

· Загрузка ковша поворотом рукояти относительно стрелы в направлении экскаватора (выполняется натяжением тягового каната при расторможенном подъемном канате);

· Выглубление стрелы и рукояти из котлована (выполняется натяжением подъемного каната при натянутом и заторможенном тяговом канате);

· Поворот платформы с рабочим оборудованием;

· Разгрузка ковша поворотом рукояти относительно стрелы в направлении от экскаватора (выполняется натяжением подъемного каната при одновременном разматывании тягового каната).

Обратная лопата является наиболее универсальным рабочим оборудованием. Обеспечивает высокую точность позиционирования ковша, как относительно грунта, так и относительно транспортного средства, в которое производится погрузка грунта.

Рис. 6 Схема работы экскаватора с гидравлическим приводом с обратной лопатой

Прямая лопата -- основное рабочее оборудование для разработки (копания) грунта выше уровня стоянки экскаватора. Ковш прямой лопаты закреплен на рукояти. Рукоять в свою очередь шарнирно закреплена на стреле. Стрела шарнирно закреплена на поворотной платформе машины. У гидравлических экскаваторов ковш на рукояти закреплён подвижно - разгрузка ковша обеспечивается его опрокидыванием с помощью гидроцилиндра. У механических экскаваторов положение ковша относительно рукояти в процессе работы не меняется -- разгрузка ковша выполняется при открывании его днища. Копают грунт в направлении от экскаватора. Прямая лопата обеспечивает наибольшее усилие копания и наибольшую производительность (за счёт минимального количества операций в одном цикле копания). Применяется для добычи полезных ископаемых и погрузочных работ.

Рабочий цикл экскаватора с прямой лопатой состоит из следующих операций:

· Загрузка ковша -- выполняется поворотом рукояти относительно стрелы. Положение ковша относительно рукояти и стрелы относительно машины остается неизменным.

· Поворот платформы -- по окончании загрузки ковша выполняется поворот платформы с рабочим оборудованием экскаватора. Ковш перемещается к месту разгрузки. Его положение относительно поворотной платформы машины не изменяется.

· Подъём стрелы -- перед разгрузкой ковша выполняется подъём стрелы экскаватора для увеличения погрузочной высоты.

· Разгрузка ковша -- на гидравлических экскаваторах осуществляется поворотом ковша относительно рукояти (опрокидыванием). На механических экскаваторах выполняется открывание днища ковша.

Рис. 7 Схема работы экскаватора с гидравлическим приводом с прямой лопатой

Драгламйн (англ. dragline) -- одноковшовый экскаватор с гибкой канатной связью стрелы и ковша. Длина стрелы достигает 100 м, вместимость ковша -- 168 мі. Оборудуется, как правило, шагающим ходом. Применяется на карьерах, в гидротехническом и мелиоративном строительстве.

Гибкая подвеска ковша и легкая решётчатая стрела драглайна обеспечивает наибольший радиус, наибольшую глубину копания, а также наибольшую высоту выгрузки по сравнению с другими видами рабочего оборудования экскаваторов. Кроме того, драглайны обладают высокой производительностью. Однако гибкая подвеска ковша не обеспечивает достаточной точности копания и выгрузки. Перемещение грунта в транспортные средства драглайнами затруднительно. Поэтому выгрузка грунта или полезных ископаемых производится в отвал -- откуда перегружается в транспортные средства экскаваторами типа мехлопата или погрузчиками.

Ковш драглайна подвешивается на цепях к подъемному и тяговому канатам.

Подъёмным канатом осуществляется вертикальное перемещение (подъём ковша). Тяговым канатом осуществляется подтягивания ковша к машине. При этом происходит подрезка грунта и наполнение ковша.

При одновременном натяжении тягового и подъёмного канатов увеличивается расстояние между соединительным звеном и опрокидным блоком, что вызывает натяжение разгрузочного каната, и соответственно -- подъёмом передней части ковша. В таком положении ковш, наполненный грунтом поднимают из забоя и переносят (за счёт поворота платформы экскаватора) к месту разгрузки.

Для разгрузки ковша тяговый канат ослабляют. При этом ослабляется и разгрузочный канат. В результате ковш опрокидывается и грунт высыпается из него.

Драглайн способен обеспечить высокое усилие копания, при условии, что в начале хода ковш заглубится в грунт (ковш заглубляется в грунт только за счет собственной массы). Поэтому при работе на твёрдых грунтах в зоне заглубления ковша грунт разрыхляют (например, клиновым рыхлителем, входящим в комплект некоторых драглайнов, или взрывными работами) и применяют сменные ковши меньшего объема (из-за большей насыпной плотности пород более крепких пород).

Преимущества драглайнов перед экскаваторами типа «механическая лопата»:

- Более длинная и легкая стрела.

- Больший радиус черпания.

- Зачастую больший объем ковша (в некоторых моделях достигает 100 мі).

Недостатки драглайнов

Хотя драглайны и способны создавать большое усилие копания, но для этого необходимо первоначальное заглубление ковша, что при гибкой подвеске проблематично. Поэтому для разработки твердых грунтов драглайнами возникает необходимость в предварительном рыхлении.

Рис. 8 Схема работы экскаватора с драглайном

Грейфер - рабочее оборудование для разработки грунтов ниже и выше уровня стоянки экскаватора, для погрузки и разгрузки сыпучих материалов, а также для некоторых видов земляных работ в мягких грунтах (рытья глубоких котлованов, очистки прудов и каналов).

Грейферы бывают одно- и двухканатные. На экскаваторах обычно применяют двух-канатные грейферы.

Рис. 9 Описание работы двухканатного грейфера

Грейфер 1 (см. рис.) подвешивают на поддерживающем 7 и замыкающем 8 канатах к стреле 3. Работает грейфер следующим образом. При ослаблении замыкающего каната 6 грейфер удерживается поддерживающим канатом 7, укрепленным в верхней головке 10 грейфера. Нижняя головка 13 под действием собственного веса опускается вместе с челюстями 14, смонтированными и шарнирно укрепленными на корпусе обоймы нижних блоков 12 полиспаста замыкающего каната.

При опускании нижней головки 13 челюсти 14 раскрываются, поворачиваясь относительно жестких тяг 11, шарнирно закрепленных нижними концами на челюстях, а верхними - на верхней головке (положение I). В таком положении ковш опускают на грунт или другой захватываемый материал так быстро, чтобы зубья челюстей врезались в материал. Затем ослабляют поддерживающий канат 7 и навивают на барабан 8 замыкающий канат 6. При этом стягиваются нижняя и верхняя головки грейфера, а челюсти замыкаются, врезаясь в грунт и захватывая его (положение II).

После замыкания челюстей заполненный грунтом грейфер поднимают на замыкающем канате 6. Одновременно приводят в движение барабан 9, чтобы выбирать поддерживающий канат 7 с такой же скоростью (положение III). Когда платформу со стрелой поворачивают к месту разгрузки, то барабан 9 поддерживающего каната затормаживают, а замыкающий канат 6 ослабляют, что приводит к опусканию нижней головки с челюстями и к разгрузке грейфера (положение IV).

Разгружать грейфер можно на любой высоте как указанным способом, так и затормаживанием барабана 8 при дальнейшем навивании на барабан 9 поддерживающего каната 7. После разгрузки грейфер снова поворачивают к месту разработки и цикл повторяют.

Чтобы предотвратить закручивание канатов 6 и 7 и значительное раскачивание грейфера при повороте платформы, используют оттяжное приспособление, называемое успокоителем. Успокоитель действует на ковш грейфера оттяжным канатом 2. Постоянное, независимое от положения грейфера натяжение каната 2 создается весом перемещающегося внутри стрелы по направляющим груза 5, к которому крепят канат 2, огибающий блоки 4.

На некоторых экскаваторах используют фрикционный механизм открывания днища ковша, на барабане которого крепят канат 2. Для грейфера используют решетчатую стрелу драглайна.

Применяют грейферы двухчелюстные и с большим числом челюстей; число и форма челюстей зависят от вида перегружаемого материала. Однако принципиальная схема их работы не отличается от схемы двухчелюстного грейфера.

Рис. 10 Схема грейфера, подвешенного на экскаваторе

Недостаток подвешенного на канатах грейфера заключается в том, что им невозможно разрабатывать плотные грунты: нагрузки от массы грейфера не хватает, чтобы врезаться в грунт. Изготовляют грейферы трех типов: легкого, среднего и тяжелого, причем масса применяемого грейфера должна быть тем больше, чем плотнее грунт. Однако чем тяжелее грейфер, тем меньше грунта он может поднять при данной устойчивости экскаватора. Следовательно, производительность оборудования при этом уменьшается.

На экскаваторах с гидравлическим приводом устанавливают жестко подвешенные грейферы, которые крепят на рукояти обратной лопаты вместо ковша. Основное преимущество жестко подвешенного грейфера заключается в том, что им можно создавать необходимое давление на грунт при врезании, т. е. независимо от массы грейфера разрабатывать плотные грунты.

Ковшовые рабочие органы с газовоздушной смазкой

Одним из важных направлений снижения силы сопротивления копанию является уменьшение сил трения, возникающих в процессе взаимодействия рабочего органа с грунтом. Для этого используют покрытие рабочих поверхностей, контактирующих с грунтом, материалами, снижающими коэффициент трения. Получены положительные результаты по снижению сил трения и залипания, однако практическое применение таких материалов сдерживается их малой износостойкостью и высокой стоимостью.

Для уменьшения трения грунта о рабочие поверхности землеройных машин используют смазывающие прослойки из воды или газа -- водяную или газовую смазку. Проведены исследования перспективного варианта смазки плугов с применением аммиачной золы как высокоэффективного удобрения. Установлено, что при нанесении жидких минеральных удобрений (аммиачной воды) на рабочую поверхность тяговое сопротивление плугов снижается на 20--25%. Применение водяной смазки рабочих поверхностей землеройных машин для снижения трения затрудняется необходимостью непрерывной подачи воды к месту работы машин, поэтому широкое использование находит газовоздушная смазка. Одним из примеров является создание подшипников скольжения, смазываемых воздухом или другим газом. Благодаря малой вязкости воздуха можно применять такую смазку в приборах с высокими частотами вращения, обеспечивая их работу практически без трения. Сжатый воздух при этом вывешивает груз и является как бы смазкой, практически устраняющей трение.

При перемещении поверхностей одна относительно другой различают газовоздушную смазку двух видов: газодинамическую, при которой несущая прослойка газа образуется из-за относительного движения поверхностей, и газостатическую, когда производится принудительный наддув газа через отверстия в соприкасающихся поверхностях.

При интенсификации процессов взаимодействия рабочих органов с сыпучей средой, обладающей сцеплением, газовоздушный поток применяют для снижения сил как внешнего, так и внутреннего трения. В первом случае используют эффект газовоздушной смазки (газовая прослойка создается между средой и поверхностью рабочего органа), во втором -- эффект аэрации (сжатий газ подается внутрь среды).

Рис. 12 Кинематическая схема экскаватора Э-652Б

Рис. 13 Типовая гидравлическая схема полноповоротных экскаваторов



4. Техническое предложение по синтезу рабочего органа одноковшового гидравлического экскаватора

Поиск вариантов технического решения рабочего органа экскаватора в курсовом проекте выполняется на основе морфологического анализа.

Общая функция роторного экскаватора Y - землеройно - транспортные работы.

1) Частные функции:

y₁ - вид ковша;

y₂ - число зубьев;

y₃ - тип привода;

y₄ - интенсификатор.

2) Определение средств реализации частных функций:

по y₁:

u₁₁ -прямая;

u₁₂ - обратная;

u₁₃ - грейфер.

по y₂:

u₂₁ - 4;

u₂₂ - 6;

u₂₃ - 5.

по y₃:

u₃₁ - механический;

u₃₂ - гидравлический.

по y₄:

u₄₁ -газодинамический интенсификатор;

u₄₂ - механический интенсификатор.

N=3•3•2•2=36 - количество возможных вариантов технического предложения.

№ вар.	Y
	Y1	Y2	Y3	Y4
	U11	U12	U13	U21	U22	U23	U31	U32	U41	U42
1		+			+			+	+
2	+			+			+			+
3			+			+	+			+
4		+			+			+	+

Вариант 1:

1 - обратная лопата

2 - 4 зуба

3 - гидравлический привод

4 - газодинамический

Вариант 2:

1 - прямая лопата

2 - 6 зубьев

3 - механический привод

4 - механический

Вариант 3:

1 - грейфер

2 - 5 зубьев

3 - механический привод

4 - механический

Вариант 4:

1 - обратная лопата

2 - 4 зуба

3 - механический привод

4 - газодинамический

Процедура принятия решения имеет на входе варианты технического решения, а на выходе должна выбрать из них тот, который в наибольшей степени отвечает поставленным целям. Сложность её выполнения заключается в том, что варианты представлены лишь принципиальными схемами, не дающими количественных данных для их сравнения. Принимать решения приходится в условиях неполных и нечетких знаниях о вариантах ОП. Для принятия решений используется матрица решений. Для её построения необходимо:

1. Выбрать критерий для сравнения и ранжирования их по важности.

2. Оценить варианты по всем критериям в баллах.

3. Найти сумму произведений оценок на веса критериев для каждого варианта.

4. Найти лучший вариант по максимальной сумме произведений.

5. В качестве можно использовать признаки ОП, а их веса установить в соответствии с важностью целей проектирования, к которым они относятся.

Для сравнения вариантов на экскаваторе используются в качестве критериев ранее установленные признаки объекта проектирования. Вместе с их весами по важности (л_j), где индекс j означает номер критерия. Принятие решения заключается в выборе наилучшего варианта из представленных в работе. Лучшим вариантом считается тот, который в наибольшей степени отвечает поставленным целям.

В качестве критериев используются:

№	Критерий kj	Вес критерия лj
1.	Производительность	0,3
2.	Вероятность безотказной работы	0,25
3.	Срок окупаемости	0,1
4.	Ремонтопригодность	0,15
5.	Время рабочего цикла	0,2

Матрица решений:

№	k1	k2	k3	k4	k5	У	Место
1	5	4	5	5	4	4,55	1
	1,5	1	0,5	0,75	0,8
2	3	2	3	2	3	2,6	4
	0,9	0,5	0,3	0,3	0,6
3	4	5	2	4	5	4,25	2
	1,2	1,25	0,2	0,6	1
4	2	3	4	3	4	3,0	3
	0,6	0,75	0,4	0,45	0,8



5. Расчёт экскаватора

5.1 Определение усилий резания

Касательная составляющая реакции грунта копанию

где -- составляющая от резания грунта; -- составляющая от наполнения ковша; -- составляющая от сил трения ковша о грунт.

Нормальная составляющая реакции грунта копанию

где = 12,5 Па - максимальный предел прочности грунта при смятии;

у = 5 см - проекция контура износа режущей кромки на касательную к траектории резания; п = 4 - число зубьев ковша; =27 см - ширина зуба ковша.

...