Грейфер з привідним гвинтовим якорем

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Донбаська національна академія будівництва і архітектури Кафедра «Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні машини і обладнання»

Курсова робота з дисципліни

«ОСНОВИ МОДЕРНІЗАЦІЇ БУДІВЕЛЬНИХ МАШИН»

Тема: «Грейфер з привідним гвинтовим якорем»

Виконав: ст. гр

Іванов І.І

Перевірив асистент Белицький Д. Г Макіївка 2009р.

Реферат Курсова робота містить аркушів пояснювальної записки, 11 рисунків, 5 таблиць, 15 джерел літератури.

Мета роботи — вивчення середовища взаємодії технічної системи з навколишнім середовищем, а також вибір середніх умов, аналіз існуючих конструкцій і обґрунтування необхідності і економічної доцільності модернізації грейферного ковша гідравлічного екскаватора.

МОДЕРНІЗАЦІЯ, СЕРЕДОВИЩЕ ВЗАЄМОДІЇ, СЕРЕДНІ УМОВИ, ФУНКЦІОНАЛЬНА СХЕМА, ЖИТТЄВИЙ ЦИКЛ, ГРУНТ, ГРЕЙФЕР

ВСТУП Земляні роботи відіграють велику роль в будівництві, причому більше половини об'єму робіт виконується одноковшовими будівельними екскаваторами.

Від якості одноковшових екскаваторів, від витрат на їх виготовлення і експлуатацію багато в чому залежить і вартість здійснюваних ними робіт.

Останніми роками широке розповсюдження набули універсальні екскаватори з гідравлічним приводом.

У пошуках нових технічних засобів, при створенні універсальних екскаваторів останнім часом особлива увага привернута до об'ємних гідравлічних передач, які дозволяють здійснити розгалуження і дистанційну передачу енергії, звільняють елементи машин від механічних зв’язків, створюючи основу незалежної зміни робочих швидкостей і регулювання робочого процесу.

За допомогою об'ємних гідропередач можна простіше і в ширших межах безступінчатий регулювати швидкість; вони не вимагають для свого виготовлення дефіцитних матеріалів, дозволяють без механічного перетворення одержати будь-який вид руху (поступальне, обертальне, коливальне).

Якщо врахувати, що об'ємні гідропередачі відрізняються високою перевантажувальною здібністю, малою інерційністю, сприйнятливістю до автоматизації, то з їх застосуванням одноковшові екскаватори набувають нові технічні якості, не доступні для машин з механічними трансмісіями.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА СЕРЕДОВИЩА ВЗАЄМОДІЇ

Земляними спорудами називаються інженерні споруди, що влаштовуванні в грунтових масивах або зводяться з грунту на поверхні землі.

За призначенням земляні споруди підрозділяються на гідротехнічні, дорожні, іригаційні, меліораційні, споруди промислового і цивільного будівництва.

До гідротехнічних споруд відносяться: дамби, канали, набережні і т.п.

Дорожні земляні споруди, що зводяться у вигляді насипів або виїмок, це підґрунтя доріг, котлованів і т.д.

До іригаційних і меліоративних споруд відносяться ставки і водоймища, очисні споруди і т.д.

У промисловому і цивільному будівництві застосовуються різні види земляних споруд, основними з яких є котловани, колодязі і траншеї.

В даний час земляні роботи будівельними організаціями України виконуються в основному екскаваторами з устаткуванням прямою, зворотною лопатами і драглайном. Але, як показує практика, використання екскаваторів з даним змінним устаткуванням не завжди себе виправдовує. Все частіше зустрічається необхідність в розробці вертикальних котлованів. Для цих даних земляних робіт використовують екскаватори з навісним устаткуванням грейфер.

Все ширше знаходять застосування екскаватори з гідравлічним приводом. У цих умовах вже можливе створення екскаваторів з грейферним устаткуванням і з жорсткою його підвіскою до стріли. Конструкція гідравлічного грейферу дозволяє виробляти як навантажувально-розвантажувальні роботи, так і копання грунтів міцністю до IV категорії.

Практичний і економічний інтерес до технологічних процесів, які можна реалізовувати гідравлічним грейфером, безперервно зростає, особливо при виконанні малооб'ємних і розосереджених земляних робіт. Візуально оцінити переваги екскаватора з грейферним устаткуванням по відношенню до екскаватора з устаткуванням зворотна лопата, при виконанні малооб'ємних і розосереджених робіт, особливо при розробці глибоких виїмок з вертикальними стінками, можна на примі рисунків 1, 2 і 3.

Об'єм розробленого грунту зворотною лопатою приблизно в 2,25 рази більше, ніж об'єм грунту, що виймається при роботі грейфером. З рівної експлуатаційної продуктивності, корисна продуктивність грейфера, навіть за найгрубішими підрахунками, в 2−2,25 рази вища, ніж у зворотної лопати.

Рисунок 1 — Схематизація мінімальних об'ємів розробки грунту а) зворотною лопатою; б) розробка колодязя грейфером

Н — глибина виїмки; У — ширина виїмки; Х — довжина виїмки (розкриття щелеп грейфера) Рисунок 2 — Виїмка при розробці грунту гідравлічним екскаватором із зворотною лопатою

На таких видах земляних робіт, як розробка глибоких виїмок з вертикальними стінами (котловани, траншеї, колодязі, проходка шахт при будівництві інженерних комунікацій і т. п.), розробка грунту і зворотна засипка в обмежених умовах (поблизу стін будівель, усередині цехів при реконструкції підприємств і т. п.), застосування грейферного устаткування виявляється найефективнішим і доцільнішим в порівнянні з іншими змінними видами робочого устаткування.

Рисунок 3 — Залежність об'ємів грунту, що виймається від глибини виїмки

За допомогою грейферів за кордоном розробляються котловани, приямки, колодязі, а також траншеї різної конфігурації. У грейферному устаткуванні, як правило, застосовуються 4-хшарнірне зчленовування устаткування (база, стріла, рукоять і ківш), забезпечуючи зміни вильоту залежно від глибини копання, виключаючи необхідність переміщення екскаватора. Для забезпечення розробки траншей складної конструкції іноді роблять грейферне устаткування, що дозволяє виробляти поворот в плані на. До траншеєпрохідчеських грейферних механізмів висувається специфічні вимоги, обумовлені їх призначенням і умовами роботи: необхідно забезпечити вертикальність стінок траншей, що здійснювати, при урізуванні щелеп грейфера в грунт вимагається створити зусилля занурювання, потрібне для розробки стружки оптимальної товщини в найщільніших грунтах (при визначенні цієї величини виходять із забезпечення щільності заповнення грунтом ємкості грейфера), зусилля закриття щелеп (зусилля різання грунту) повинне забезпечити розробку забою із стружкою заданої товщини в найважчих грунтах, в початковий момент підйому на поверхню повинне створюватися зусилля відриву достатнє для подолання прихвату грейфера до забою.

В даний час ефективне застосування грейферного устаткування в умовах обмежених майданчиків і обмеженого простору при виконанні будівельних і ремонтних робіт в містах і населених пунктах, на ділянках з складним профілем траншей і котлованів, при виконанні доробок на великій глибині, на уривку виїмок з вертикальними стінками при будівництві підземних інженерних споруд, на навантажувально-розвантажувальних і очисних роботах. У таблиці 1 наведені види робіт і галузі застосування гідравлічних екскаваторів з грейферним устаткуванням.

Таблиця 1 — Застосування гідравлічних екскаваторів з грейферним устаткуванням

2. ОБҐРУНТУВАННЯ «СЕРЕДНІХ» ҐРУНТОВИХ УМОВ

Грунтами називаються гірські породи, з яких складаються верхні шари земної кори. Зазвичай це верхній шар завглибшки до 10 м. Зустрічаються різноманітні грунтові умови як за гранулометричним складом (піски, глини, супіски), так і за вогкістю, щільності і температурою (талі або мерзлі).

Залежно від складності розробки грунти розділені на сім категорій відповідно до даних. Кожна з машин для земляних робіт мають свою граничну міцність грунту. Як відомо, класифікація за ЕНІР не завжди адекватно відображає опірн грунту механізованій розробці. Точнішу оцінку дає класифікація за ударниким ДорНИИ. Згідно цієї класифікації має місце наступна вірогідність розподілу грунтів (таблиця 2). Основні характеристики грунтів представлені в таблиці 3.

Таблиця 2- Вірогідність розподілу грунтів

Таблиця 3 — Основні характеристики грунтів

Для екскаватора другої розмірної групи ЕО-2621 з грейферним устаткуванням «середніми» умовами є розробка грунту другої і третьої категорії:

· грунти, що розробляються:

o будівельне сміття;

o суглинок, суглинок з домішками;

o глина юрська, глина карбонна.

· межі щільності

o 1,8 — 2,1 т/м3.

· кут внутрішнього тертя

o 23 — 25 град.

· кут зовнішнього тертя

o 21 — 22 град.

· зчеплення грунту

o 0,03 — 0,06 МПа.

Вірогідність появи грунтів II і III категорій — 0,48 і 0,2 відповідно, тому обгрунтуванням «середніх» умов можна рахувати розробку грунтів, що найчастіше зустрічаються при земляних роботах.

Здатність розробляти міцніші грунти гідравлічним грейфером в основному обмежується стійкістю екскаватора. В процесі експлуатації машини існує вірогідність зустріти міцні грунти IV-й категорії і виникає необхідність їх розробити. Грейфер з приводним гвинтовим якорем реалізує принцип замкненого силового потоку, що виключає передачу навантажень на базову машину. Це дозволяє розробляти міцніші грунти і «середніми» умовами для нього приймаємо грунт IV-й категорії.

3. РОЗРОБКА ГРАФІЧНОЇ ІНТЕРПРЕТАЦІЇ ЖИТТЄВОГО ЦИКЛУ МАШИНИ, ЩО МОДЕРНІЗУЄТЬСЯ, І ВИБІР ТИМЧАСОВОЇ ТОЧКИ ЇЇ МОДЕРНІЗАЦІЇ

Термін служби — календарна тривалість від початку експлуатації або її відновлення після ремонту до переходу в граничний стан[9].

На рисунку 4 і в таблиці 4 представлений життєвий цикл екскаватора із змінним устаткуванням грейфер.

Таблиця 4 — Життєвий цикл машини, роки

1-технічне завдання;

2-робоча документація;

3-підготовка до виробництва;

4-виготовлення;

5-передпродажна підготовка;

6-точка модернізації;

7-утилізація.

Рисунок 4 — Розробка графічної інтерпретації життєвого циклу

Встановлення на грейфері приводного якірного пристрою дозволяє розширити його функціональні можливості, без значного збільшення металоємності і змін в базовій конструкції. У нашому випадку модернізацію можна виконувати як на стадії початку проектування, так і встановлювати приводний гвинтовий якір вже на існуючий ківш (точка 6 рисунка 4).

4. КОНСТРУКТИВНА І ФУНКЦІОНАЛЬНА СХЕМА МАШИНИ, ЩО МОДЕРНІЗУЄТЬСЯ Конструктивна схема екскаватора обладнаного грейфером з приводним гвинтовим якорем представлена на рисунку 5.

ґрунтовий модернізація грейферний ковш екскаватор

1 — базова машина; 2 — грейферний ківш;

3 — привід гвинтового якоря; 4 — гвинтовий накінечник.

Рисунок 5 — Екскаватор обладнаний грейфером з приводним гвинтовим якорем Рисунок 6 — Розробка грунту грейфером з гвинтовим якорем

Принцип дії грейфера для розробки міцних грунтів наступний. Ківш встановлюють на грунт (рисунок 6а) під дією стріли екскаватора і маси ковша щелепи занурюють в грунт (рисунок 6б) і угвинчують якір 1 (рисунок 6в), який потім висмикують з грунту за рахунок стулення щелеп (рисунок 6г). Висмикування якоря супроводжується відділенням грудки грунту від масиву (рисунок 6д), при цьому за рахунок зусилля відриву грудки грунту ріжучі кромки щелеп грейфера занурюються в масив грунту (рисунки 6 г і 6д). Ріжучими кромками щелеп грейфера, які занурилися в масив гранту, виробляють розробку ослабленого масиву грунту шляхом їх повороту навколо шарніра від силових циліндрів (рисунок 6е).

Функціональні схеми традиційного грейфера і грейфера з приводним якорем представлені на рисунках 7 і 8.

Рисунок 7 — Функціональна схема гідравлічного екскаватора, обладнаного грейфером Рисунок 8 — Функціональна схема гідравлічного екскаватора, обладнаного грейфером з приводним гвинтовим якорем

5 Приклади ефективної модернізації машини при «надмірності» і «недостатності» функції

При надмірності основної функції - розробка слабких грунтів — використовують ковши більшої місткості. Може збільшуватися ширина ковша або ширина розкриття щелеп (Рисунок 9).

Рисунок 9 — Широкозахватний грейфер Грейфер містить щелепи 1 і 2, жорстко скріпляє з нижніми важелями З і 4, шарнірні ромби, що складається з важелів З і 4 і тяги 5 і 6, Вісь шарніра 7 закріплена на стрілі крана або іншого механізму. Механізм приводу складається з гідроциліндру 8, штоку 9, двоплечевого важеля 10 і двох верхніх тяг 11 я 12. Гідроциліндр 8 сполучений своїй проушиною з нерухомою віссю 7. Шток 9 і двуплечний важіль 10 сполучені між собою за допомогою шарніру 13. Тяга 11 і 12 приводу сполучена шарнірно одним кінцем з двуплечим важелем 10, а іншим кінцем — з щелепами 1 і 2 відповідно. Кожна щелепа грейфера забезпечена очищувачами, механізми яких однакові між собою. Очищувач 14 скріплений жорстко з важелем 15 і має шарнірне з'єднання з щелепою 1. Тяга 16 одним кінцем шарнірно сполучена з важелем 15, а іншим — з тягою 12 приводу.

Грейфер працює таким чином. При переміщенні штока 9 відбувається переміщення двоплечевого важеля 10, яке через тягу 11 і 12 приводу викликає переміщення щелеп 1 і 2. Оскільки щелепи 1 і 2 жорстко скріплені з нижніми важелями 3 і 4 шарнірні ромби, будь-яка точка, у тому числі і ріжучі кромки, описують при русі еліптичну криву лінію 17. Одночасно з відкриттям щелеп тяга 16, впливаючи на важіль 15, викликає поворот очищувача 14, внаслідок чого грунт, що знаходиться в щелепі, витісняється за її межі.

Основним стримуючим чинником застосування гідравлічних грейферов на грунтах вище 3-й категорії є значні навантаження на щелепі при їх зануренні в масив, а також при їх провороті для відриву деякого об'єму грунту.

При недостатності основної функції, для зниження вказаних зусиль, пропонуються різні пропозиції по модернізації традиційних двохщелепних грейферов (рисунок 10).

Рисунок 10 — Існуючі конструктивні рішення грейферних ковшів для розробки міцних грунтів Детальний аналіз робочого процесу грейфера традиційної конструкції дозволяє стверджувати, що окрім процесу упровадження ріжучих кромок в масив грунту його ефективність залежить від початкового процесу закриття щелеп. Саме у цей момент відбувається не різання грунту, а випор деякого об'єму з непорушеного масиву. Це вельми енергоємний процес.

Матеріали патентного пошуку показують, що пропонуються різні конструкції спеціальних грейферів, в яких спочатку відбувається руйнування центральної частини масиву грунту, а потім при закритті щелеп — зрушення грунту у бік вільної зони. На рисунку 10 В представлена вельми складна конструктивна схема грейферного устаткування, яка забезпечує буріння центральної частини об'єму грунту, що розробляється в одному циклі. Конструктивна схема Тюменського інженерно-будівельного інституту (рисунок 10а) припускає раціональне поєднання грейфера малого і великого об'ємів. Логічним продовженням наведеного вище винаходу є конструктивне рішення Волгоградської державної архітектурно-будівельної академії. Грейфер (рисунок 10б) має основні і додаткові щелепи, але додаткові щелепи ще забезпечені пристроєм вертикального переміщення відносно основних щелеп.

6. функціонально-вартісний аналіз машини і вузла, що модернізується

F1 -Набор і розвантаження грунту; F2 -Підйом ковша;

F3 — Поворот робочого устаткування до місця розвантаження;

F4 — Переміщення бази на нове місце.

Рисунок 11 — Функціонально-вартісна діаграма Функціонально-вартісний аналіз гідравлічного екскаватора, обладнаного грейфером (рисунок 11) говорить про те, що оптимізація співвідношення між споживацькими властивостями (RJ) і витратами (CJ) на створення може бути спрямовано на функцію набору і розвантаження грунту.

7. ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНІ ПОКАЗНИКИ, ЯКІ ХАРАКТЕРИЗУЮТЬ ЕКСПЛУАТАЦІЮ МАШИНИ, ЯКА МОДЕРНІЗУЄТЬСЯ Будівельна машина призначена для виконання певних корисних робочих функцій. Для реалізації цих функцій машина має блоки регулювання, узгодження і управління робочим органом. Робоча функція найчастіше є узагальнювальною і включає функції підготовки, проведення і завершення перетворення деякого операнда. Наприклад, для екскаватора є наступна послідовність робочого процесу: опускання робочого органу, набір грунту, підйом робочого органу з грунтом, поворот на розвантаження, розвантаження ковша, поворот до місця набору грунту.

Кожна з функцій має конкретний зміст і призначення, але одна з них є визначаючою. Використовуючи метод умовно-приросних витрат, вартість машини можна представити у вигляді

(1)

де — вартість матеріалоносіїв для реалізації визначальної функції машини;

— додаткові витрати на реалізацію Fi-функції;

К — кількість додаткових функцій.

Для землерийно-транспортної машини основної, що визначає вибір тягача і основних параметрів робочого органу, є функція набору грунту F0 = F1, а додатковими функціями: F2 — транспортування грунту; F3 — розвантаження ковша; F4 — планування грунту; F5 — ущільнення грунту; F6 — холостого ходу.

Метод умовно-приросних витрат припускає первинне визначення вартісних витрат на матеріалоносії основніої функції F0, а потім до них послідовно додаються умовно-приросні витрати по інших функціях. Щоб встановити ті або інші умовно-приросні витрати, необхідно в думках відкинути решту витрат і з’ясувати вартість конкретних матеріалоносіїв.

Функцінально-вартісні діаграми наочно показують, яким функціям необхідно надавати найбільшу увагу при проектуванні і виготовленні машини. Вони не представляють практичного інтересу при експлуатації машин, коли відбувається практична реалізація вказаних функцій і отримання певної прибуткової частини Dt (+).

При роботі робочого органу в «середніх» умовах експлуатації продуктивність машини можна представити у вигляді наступного функціоналу:

(2)

де — технічна продуктивність машини в «середніх» умовах експлуатації;

— відповідно коефіцієнти, що враховують вплив на продуктивність відхилень від «середніх» умов часу виконання функцій F1, F2; F3; F4; F5 і F6.

Вплив часу виконання деякої функції Fi на продуктивність машини залежить від його частки в загальній тривалості робочого циклу. У таблиці 5 наедені дані про відносний час виконання основних функцій для екскаватору.

Таблиця 5 — Відносний час виконання основних функцій провідними будівельними машинами

У загальному вигляді технічна продуктивність машин для земляних робіт може бути записана як

(3)

де q — місткість робочого органу для «середніх» умов; К_н^ср і К_р^ср — відповідно коефіцієнти наповнення ковша і розпушування грунту в «середніх» умовах; t_ц^ср — час циклу машини в «середніх» умовах.

Значення коефіцієнтів впливу можна представити таким чином

(4)

де і - відповідно час виконання функції Fi у середніх фактичних умовах.

Залежності показують, що вплив на продуктивність машини функції Fi залежить від її частки в загальному часі робочого процесу. Тому в умовах експлуатації необхідно надавати увагу найзначущим функціям. При цьому підвищення продуктивності, а, відповідно, і прибуткової частини можна одержати не тільки за рахунок модернізації машини, але і за рахунок раціональних технологічних схем виконання всього складу функцій.

При експлуатації землерийно-транспортної машини найчастіше вважають, що для підвищення продуктивності необхідно ківш наповнювати з «шапкою». Об'єм «шапки» складає 10…20% місткості ковша. Слід зазначити, що на дозавантаження «шапки» нерідко витрачається стільки ж часу, скільки на наповнення самого ковша.

Чи доцільно завантажувати ківш грунтом до максимально можливої величини ((), ((), якщо збільшується фактичний час циклу (()? Якщо взяти до уваги, що при розробці грунту можна знижувати, то максимальна продуктивність визначається з умови

(5)

де V — об'єм грунту в ковші.

Слід зазначити, що завдяки застосуванню оптимальної технологічної схеми роботи грейфера при скороченні часу завантаження (Кн = 1,05 і Кн = 1,1) і завдяки підвищенню транспортної швидкості ((), досягається збільшення продуктивності в середньому на [11,5…15,8%].

Список використаної літератури

1. Астахов В. С. и др. Экскаваторные работы. М.: Стройиздат, 1987. 333 с.

2. Пенчук В. А., Белицкий Д. Г. Особенности рабочих процессов грейферного оборудования Механизация строительства. — 2006. — № 2. — С.9 12.

3. Пенчук В. А., Белицкий Д. Г. Технико-экономическая эффективность использования грейферного рабочего органа на малообъемных земляных работах.: Вестник ДонНАСА, 2005.

4. Чадин С. В., Никешин В. В. Грейферное оборудование зарубежных гидравлических экскаваторов. М., ЦНИИстройдормаш, 1986. — 47 c.

5. Пенчук В. А. Повышение эффективности рабочих процессов землеройных машин интенсификацией в массиве грунта напряжений разрыва. Научное издание. Вып. 2−95. Макеевка.- ДГАСА, 1995. 112 с.

6. Баловнев В. И., Хмара Л. А. Интенсификация земляных работ в дорожном строительстве. М.- Транспорт, 1983. С. 182.

7. Королев А. В., Королева М. В. Использование универсальных гидравлических экскаваторов при реконструкции и ремонте жилых зданий. Механизация строительства, 2001.-№ 5. С. 2−3.

8. Зеленин А. Н. Машины для земляных работ. М.: Машиностроение, 1975.

9. Пенчук В. А. Теория технических систем и история инженерной деятельности. Учебное пособие. — Макеевка: Полипресс, 2007. — 252с.

10. Патент України UA № 75 788, Е 02 F 1/00. Бюл. № 5, 2006р

11. А.с. СССР № 83 203, кл. Е 02 F 3/44. Бюл. № 47' 1982

12. Таубер Б. А. Грейферные механизмы. .- 2-е изд., переработ. и доп. — М.: Машиностроение, 1967. — 424с.

13. А.с. СРСР № 1 133 351, Е 02 °F 3/413, БИ № 1' 1985

14. А.с. СРСР № 1 089 198, Е 02 °F 3/44, БИ № 16' 1984

15. Заявка на изобретение RU № 99 110 096, Е 02 °F 3/413, БИ 2001.03.10