Экскаватором называется машина, предназначенная для черпания (экскавации) горной массы, перемещения ее на относительно небольшие расстояния и погрузки на транспортные средства или разгрузки в отвал.
Экскаваторы подразделяются на машины циклического (одноковшовые) и непрерывного (многоковшовые) действия и в общем виде классифицируются по следующим признакам:
- назначению и роду выполняемой работы;
- вместимости ковша (одноковшовые) или теоретической производитель-ности (многоковшовые);
-видам рабочего, ходового и силового оборудования.
Что касается принципа работы, то здесь классификация экскаваторов включает еще один вид, кроме цикличных и непрерывных - это вакуумные и вакуумно-всасывающие.
Рабочий цикл одноковшового экскаватора складывается из четырех последовательных операций:
1) наполнения ковша (черпания),
2) перемещения его к месту разгрузки (транспортирования),
3) разгрузки,
4) перемещения порожнего ковша к месту черпания для воспроизведения нового цикла.
Одноковшовые экскаваторы по назначению и роду выполняемой работы делят на группы:
• строительные универсальные, предназначенные для земляных и погрузочно-разгрузочных работ в строительстве;
• карьерные, вскрышные и шагающие (драглайны), применяемые для открытых горных работ.
В основу индексации одноковшовых экскаваторов заложена размерная группа машин, которая определяется вместимостью ковша (карьерные экскаваторы), а также длиной стрелы (драглайны) или радиусом черпания (вскрышные экскаваторы).
Например, обозначение ЭКГ-5А расшифровывается так: Э — экскаватор, К — карьерный, Г — гусеничный, 5 — вместимость ковша в кубических метрах, А — индекс модернизации.
Обозначение ЭШ-100.100 расшифровывается: Э — экскаватор, Ш — шагающий, 100 — вместимость ковша в кубических метрах, 100 — длина стрелы в метрах. Буквы А, И, М, С обозначают модификации экскаваторов; Ус — экскаватор с удлиненным рабочим оборудованием для погрузки в транспорт, расположенный на уровне стояния экскаватора (нижняя погрузка); У — экскаватор с удлиненным рабочим оборудованием для погрузки в транспорт, расположенный выше уровня стояния экскаватора (верхняя погрузка).
Любой экскаватор, одноковшовый или многоковшовый, состоит из рабочего (у одноковшовых экскаваторов оно же и транспортирующее), транспортирующего, механического, включающего главным образом передаточные механизмы (трансмиссии), ходового и силового оборудования, а также механизмов управления, металлоконструкций платформы и надстройки, кузова. Рабочим оборудованием называется комплекс узлов экскаватора (рабочий орган, стрела, система подвески стрелы), обеспечивающий его действие в зоне работы экскаватора. Основными видами рабочего оборудования экскаваторов, применяемых на открытых горных работах, являются:
• у одноковшовых: прямая напорная лопата, драглайн, гидравлические прямые и обратные лопаты;
• у многоковшовых: ротор, черпаковая цепь и фреза (барабан с зубками).
Разделение экскаваторов по способу их передвижения включает:
- гусеничные,
- пневмоколесные,
- рельсовые,
- шагающие,
- плавучие.
П о силовому агрегату:
- электрические;
- дизель-гидравлические;
- дизель-электрические.
По признаку конструктивной связи ковша со стрелой различают экскаваторы:
- с жесткой связью (прямая мехлопата, обратная мехлопата, гидравлический экскаватор,
- с гибкой связью (драглайн, грейфер).
Экскаваторы состоят из рабочего, механического, ходового и силового оборудования, рамы, кузова и механизмов управления.
Технологические параметры мехлопат и драглайнов.
Основными технологическими параметрами одноковшовых экскаваторов являются рабочие параметры (радиус и высота черпания и разгрузки, зависящие от длины рукояти и стрелы, угла наклона стрелы и размеров экскаватора), вместимость ковша, габариты, масса, преодолеваемый уклон, давление на основание.
Мехлопаты, благодаря жесткой связи стрелы с ковшом, развивают большие усилия черпания (до 3500 Н/см) и характеризуются большой прочностью рабочего оборудования. Они выпускаются различных типоразмеров с ковшом вместимостью 0,25-35 м3 (и более) и применяются при разработке мягких и разрыхленных полускальных и скальных пород. По объемам выполняемых работ на карьерах мехлопаты занимают доминирующее положение. Применяются они как при погрузке пород в транспортные средства, так и при перевалке пород в выработанное пространство. Основной недостаток мехлопат – прерывность (цикличность) рабочего процесса. На экскавацию (черпание) затрачивается только 20-30% времени цикла.
Карьерные экскаваторы являются основным одноковшовым погрузочным оборудованием на открытых разработках. Они имеют рабочее оборудование прямой мехлопаты с ковшом вместимостью 2-20 м3, гусеничный ход, многомоторный электрический или дизельный привод. Карьерные экскаваторы изготовляются из высокопрочных материалов, обеспечивающих их надежную работу в любых климатических условиях при разработке тяжелых скальных пород.
У вскрышных экскаваторов стрела и рукоять имеют увеличенную длину. Они предназначены в основном для перемещения породы в отвал. Экскаваторы с ковшом вместимостью до 15 м3 применяются для погрузки горной массы в транспортные средства, расположенные выше горизонта установки экскаватора.
Шагающие драглайны выпускаются с ковшом вместимостью 4-100 м3 и стрелой длиной до 125 м. Они предназначены для разработки забоев, расположенных как ниже, так и выше горизонта установки экскаватора и для перевалки породы в выработанное пространство. Шагающий ход обеспечивает перемещение драглайна по насыпной породе.
Технология выемки горной массы и параметры забоев мехлопат и драглайнов.
Забой является рабочим местом экскаватора. Параметры и форма забоя зависят от параметров экскаваторов и характеристики горной массы. При выемке горной массы мехлопатами различают следующие типы забоев (рис. 4.7):
- торцовый (боковой);
- тупиковый (траншейный);
- фронтальный.
Рисунок 4.7 - Типы забоев мехлопаты:
а) тупиковый; б) торцовый; в) фронтальный
Торцовый забой обеспечивает максимальную производительность экскаватора, что объясняется небольшим средним углом поворота к разгрузке (не более 90°), удобной подачей транспортных средств под погрузку и минимальными простоями при перемещении и наращивании транспортных коммуникаций.
Тупиковый (траншейный) забой применяется при проведении траншей в основном при использовании автомобильного и конвейерного транспорта. В случае проведения траншей с использованием железнодорожного транспорта экскаватор, как правило, работает с верхней погрузкой.
При фронтальном забое средний угол поворота экскаватора составляет 120-140°. Из-за малой ширины заходки возникает необходимость более частого наращивания и перемещения транспортных коммуникаций, что значительно снижает производительность экскаваторов. Поэтому фронтальный забой применяется редко (при отработке разнородных заходок с использованием автотранспорта).
Схемы разработки забоев, их формы и размеры при выемке мягких и разрыхленных взрывом пород существенно различаются.
В мягких породах профиль забоя соответствует траектории движения ковша. Вследствие этого забой имеет крутой откос (угол откоса 70-80°). Высота hу разрабатываемого уступа по условию обеспечения безопасности не должна превышать максимальной высоты НЧ.max черпания экскаватора. Если это условие не соблюдается, в верхней части уступа будут создаваться нависи, которые могут при обрушении вызвать повреждение экскаватора.
Высота разрабатываемого уступа в скальных и полускальных породах не должна превышать максимальной высоты черпания экскаватора НЧ.max более чем в 1,5 раза. При экскавации взорванной горной массы должны приниматься дополнительные меры по предотвращению образования козырьков и нависей.
Минимальная высота уступа должна обеспечивать наполнение ковша за одно черпание. Для экскаваторов ЭКГ-5, ЭКГ-8 она находится в пределах 2,5-3,5 м.
При работе мехлопаты с верхней погрузкой в транспортные средства высота уступа ограничивается высотой и радиусом разгрузки.
Максимальная ширина забоя определяется радиусом RЧ.У черпания экскаватора на горизонте установки. При работе боковым забоем по условиям черпания ширина внутренней части забоя не должна превышать этого радиуса. Обычно ширина торцового забоя в мягких породах принимается равной 1,5RЧ.У. Ширина тупикового забоя, как правило, составляет 2RЧ.У. Если возникает необходимость иметь более широкий тупиковый забой, экскаватор передвигается зигзагоообразно или забой разрабатывается короткими поперечными заходками. При ширине тупикового забоя менее 2RЧ.У проверяется возможность разворота экскаватора и размещения транспортных средств в траншее.
Драглайн может разрабатывать породы торцовым и тупиковым забоями. При этом он может располагаться на кровле уступа, промежуточной площадке и почве уступа.
В случае расположения драглайна на кровле уступа горная масса разгружается в отвал или в транспортные средства. Забой драглайна имеет криволинейный профиль, соответствующий траектории движения ковша. Возможная высота забоя определяется паспортной глубиной черпания, углом откоса забоя и местом установки драглайна.
Рисунок 4.13 – Схемы работы драглайна:
а,б,в – торцовым забоем с расположением драглайна соответственно
на кровле уступа, промежуточной площадке и почве уступа;
г – тупиковым забоем с расположением драглайна на кровле уступа
Для драглайнов ЭШ-4/45, ЭШ-8/60, ЭШ-15/90, ЭШ-90/100 ширина заходки равна соответственно 23, 29, 42, 47 м.
Схема с расположением драглайна на промежуточной площадке применяется при использовании мощных драглайнов с ковшом вместимостью 8 -10 м и более с целью одновременной отработки более высокого уступа, так как ось хода драглайна смещается ближе к отвалу. Угол откоса забоя при разработке верхнего подуступа для предотвращения скольжения ковша не должен превышать 25°.
Производительность драглайна при верхнем черпании, как правило, на 10-15% ниже, чем при нижнем черпании.
На почве разрабатываемого уступа драглайн располагают редко (в основном при разработке неустойчивых пород).
Драглайны составляют около 15% парка одноковшовых экскаваторов в стране. Ими выполняется около 15% объемов горных и земляных работ. На карьерах они в основном применяются для перевалки породы в выработанное пространство.