Определение вместимости ковша

1.2. Подбор комплекта машин для разработки котлована.

Для разработки грунта механическим методом в котлованах и траншеях в качестве основной (ведущей) машины применяют экскаваторы(ЭО).Это универсальные и мобильные машины, позволяющие разрабатывать грунт как с погрузкой в автотранспортные средства, так и с отсыпкой в отвал. Они имеют сменное рабочее оборудование, способны разрабатывать почти любые грунты и работать совершенно с различными видами транспортных средств. Вид рабочего оборудования экскаватора (драглайн, прямая или обратная лопата) выбирается в зависимости от размеров сооружения (глубина котлована), вида грунта, уровня грунтовых вод и сезона производства работ. Тип и марку остальных машин устанавливают в соответствии с техническими характеристиками экскаватора.

Предварительный подбор ведущей машины экскаватора осуществляют по емкости ковша в зависимости от объема грунта в котловане. По виду и категории грунта выбирают тип ковша экскаватора. Например, для песков и супесей выбирают ковши со сплошной режущей кромкой, а для глин и суглинков - с зубьями.

Разработка и перемещение грунта при устройстве котлованов и траншей могут осуществляться бульдозерами, экскаваторами в комплекте с автосамосвалами.

Выбор способа комплексно-механизированного процесса производства земляных работ производится на основа технико-экономического сравнения вариантов различных комплектов машин. Для сравнения следует выбирать 2-3 машины одного или разных типов.

Срезка растительного слоя осуществляется бульдозерами или скреперами. При выборе типов машин необходимо иметь ввиду, что технологический процесс срезки растительного грунта включает собственно срезку, а также перемещение грунта. Бульдозерами целесообразно перемещать грунт на расстоянии до 50-150 м (в зависимости от мощности бульдозера). Берём для этого бульдозер на базе трактора Т-100 .

Предельные размеры выемок, которые могут быть выполнены одноковшовыми ЭО с одной стоянки, зависят от его рабочих параметров.

,

Основными рабочими параметрами одноковшовых ЭО являются:

максимально возможная высота копания +Н (для ЭО прямая лопата);

глубина копания (резания) -Н ;

наибольший и наименьший радиусы копания на уровне стоянки ЭО R min R max ;

радиус выгрузки R в или R b ;

высота выгрузки Н в или Н b .

Разработку грунта одноковшовыми ЭО ведут позиционно. Зону, в которой действует ЭО на данной позиции, называют забоем (рабочая площадка ЭО). В неё входят площадка с ЭО, часть массива грунта для разработки с одной стоянки, и площадка с транспортом под погрузку или где размещается отвал грунта. По окончании разработки грунта в данном забое ЭО перемещается (длина передвижки) на новую позицию-стоянку.

Экскаватор и транспортные средства должны быть расположены в забое таким образом, чтобы среднее значение угла поворота ЭО от места заполнения ковша до места его выгрузки было минимальным, т.к. поворот стрелы осуществляется дважды- с грузом на выгрузку и после выгрузки, и на поворот стрелы расходуется 70% рабочего времени цикла ЭО.

Одноковшовыми экскаваторами котлованы отрывают на глубину, несколько меньшую проектной, оставляя так называемый «недобор» для того, чтобы избежать повреждения основания и не допустить переборов грунта.

Таблица допустимых недоборов грунта, в основании котлованов при их разработке одноковшовыми экскаваторами, см .

В состав комплекта сменного оборудования для экскаваторной разработки котлована входят также планирующая гребёнка для зачистки дна котлована от недобора грунта.

На что она влияет и от чего зависит?

Эти вопросы мы обсудили с техническим директором ГК «Интертехника» (г. Иваново), который занимается расчетом эффективности использования оборудования уже более 10 лет.

Вместимость ковша - величина, которая рассчитывается в соответствии с общепринятыми мировыми стандартами ISO (Международная организация по стандартизации) и также соответствует требованиям стандартов SAE (Общество автомобильных инженеров) и СЕСЕ (Комитет по европейскому строительному оборудованию).

Различают геометрический объем ковша и номинальную (фактическую) вместимость . Геометрический объем - это произведение площади внутренней поверхности боковой стенки и расстояния между боковыми стенками. Фактически, геометрическая вместимость - это объем ковша, загруженного до плоскости т.н. геометрической вместимости. Эта плоскость находится между верхней задней гранью и режущей кромкой ковша (рис. 1).

Рис. 1

При определении номинального объема ковша (или т.н. вместимости с «шапкой») применяется специальный расчетный метод, основанный на данных о внутренних размерах ковша (геометрическом объеме) и условном объеме «шапки». Номинальная вместимость ковша - это сумма геометрического объема и объема шапки (рис. 1) . Объем шапки рассчитывается в соответствии с углом естественного откоса, сформированного свободной плоскостью грунта и горизонтальной плоскостью. Как правило, номинальный объем ковша превышает геометрический на 15-30 %. Это связано с тем, что не существует одинаковых показателей угла естественного откоса.

Инженерная служба ГК «Интертехника» на основании многолетнего опыта производственной деятельности пришла к выводу, что объем ковша необходимо выбирать в соответствии с целым рядом факторов. Особое значение среди них отводится виду (экскаватор, экскаватор-погрузчик, фронтальный погрузчик) и характеристикам базовой машины (вес, максимальная грузоподъемность и т.д.). Для того, чтобы помочь клиентам выбрать и купить ковш для экскаватора конструкторы ГК «Интертехника» сравнивают данные по рабочей нагрузке ковша (масса ковша + масса грунта) и максимально допустимой нагрузке. При этом, в расчетах, а, следовательно, и при выборе ковша необходимо ориентироваться на максимальную грузоподъемность экскаватора. Опыт ГК «Интертехника» в проектировании ковшей для экскаватора показал, что, к примеру, грунты плотностью 1100 кг/м3 разрабатываются стандартным ковшом объемом 1,87 м3. Если на этот же экскаватор поставить скальный ковш (для грунтов плотностью 2000 кг/м3), то объем ковша будет составлять уже 1,5 м3. Это связано с тем, что вес скальных ковшей может увеличиваться из-за общей толщины конструкции и использования дополнительных защитных элементов. В этом случае из-за превышения допустимых значений по нагрузке на конце рукояти чрезмерно большая вместимость ковша может привести к нарушению устойчивости базовой машины.

Иначе обстоят дела с ковшами для легких (сыпучих) материалов на фронтальных погрузчиках. По итогам проведенных расчетов специалисты ГК «Интертехника» установили, что если такой грунт является неплотным и отличается особой легкостью, то для его разработки подойдут ковши увеличенного объема и ширины. Например, для фронтального погрузчика Volvo L90F, задействованного при перегрузке грунта плотностью 1600-1800 м3, рекомендуется ковш с максимальным объемом 2,7 м3. Если же этот погрузчик будет работать с легкими грунтами (плотность 1000 кг/м3 - 1200 кг/м3), то максимальный объем составит уже 4,1 м3. При этом ковш для фронтального погрузчика выбирается в соответствии с данными по допустимой опрокидывающей нагрузке, значение которой устанавливается отдельно для каждой базовой машины.

Итак, как же выбрать и купить ковш нужного объема?

Специалисты ГК «Интертехника» предлагают учитывать 4 основных параметра:

Грузоподъемность базовой машины

Плотность разрабатываемого грунта

Тип ковша

Вес ковша

Почему именно так? Рассмотрим этот вопрос на конкретных примерах из практики.

Для работы на карьере по добыче известняка ГК «Интертехника» изготовила скальный ковш , который был установлен на экскаватор Komatsu PC300. Объем ковша составил 1,3 м3. Такая вместимость считается небольшой, но оптимальной, поскольку ковш задействован при разработке скального грунта плотностью 2300 кг/м3. Известняк - грунт достаточно плотный и при работе с ним потребуется большое усилие копания. Кроме того, для защиты от абразивного износа ковш был оснащен элементами дополнительной футеровки, которые увеличили его массу. В свою очередь, вес ковша с грунтом должен соответствовать параметрам грузоподъемности экскаватора. В этой связи объем ковша был рассчитан так, чтобы масса ковша осталась в пределах допустимых норм. Таким образом, увеличение массы ковша и плотности грунта повлекло за собой уменьшение его объема. Если сравнить экскаватор Komatsu PC300 и изготовленный для него скальный ковш, например, с усиленным ковшом, задействованным на грунтах плотностью 2000 кг/м3, то зависимость объема и веса ковша станет еще более очевидной. Например, для экскаватора JCB 330 специалисты ГК «Интертехника» спроектировали усиленный ковш, вместимостью 1,5 м3. Экскаватор задействован на объекте по разработке грунта плотностью 2000 кг/м3. Этот грунт легче известняка, вес ковша с грунтом будет меньше, соответственно объем грунта при перегрузке можно увеличить. Машина той же тоннажности - гусеничный экскаватор Caterpillar 330. Экскаватор работает на объекте по добыче аммиачной селитры - минерального вещества, плотность которого составляет 800 кг/м3. Соответственно усилие копания, которое прикладывается при перегрузке этого вещества небольшое. Дополнительных элементов защиты ковша не потребуется. Следовательно, объем ковша можно увеличить до 2 м3.

Таким образом, на примере экскаваторов одинаковой тоннажности (30 тонн) можно проследить, как зависит объем ковша от его массы, типа, грузоподъемности экскаватора и плотности разрабатываемого грунта. Эти параметры являются определяющими при выборе ковша «правильного» объема.

Всю необходимую техническую информацию по ковшам для , и мини-техники Вы можете получить у специалистов ГК «Интертехника» по телефону 8-800-555-02-80 (бесплатный для всех регионов РФ) или на сайте www.intertexnika.ru.

Определение вместимости ковша

НОМИНАЛЬНАЯ ВМЕСТИМОСТЬ КОВША

Вместимость ковша бывает геометрической и максимальной (“с шапкой“). На практике чаще используется вместимость ковша с "шапкой".

Вместимость ковша экскаваторов фирмы ВЗМ отвечает требованиям стандарта ISO и таких стандартов, как JIS, PCSA и SAE (JIS и SAE базируются на стандарте ISO.)

1) Геометрическая вместимость ковша Геометрическая вместимость ковша - это объем ковша, загруженного до плоскости геометрической вместимости. Плоскость геометрической вместимости проходит через верхнюю заднюю грань и режущую кромку ковша (см. правый верхний рисунок).

2) Вместимость с "шапкой" Вместимость с "шапкой" - это сумма геометрической вместимости и объема материала над ковшом с углом естественного откоса 1:2, как показано справа на центральном рисунке. Это не означает, что экскаватор с обратной лопатой должен перемещать ковш в таком положении или что угол естественногооткоса всего материала составляет 1:2.

Существуют различные стандарты для определения вместимости ковша с “шапкой“. Принципиальная разница между ними заключается в определении понятия "угла естественного откоса", как указано в следующей таблице.

Угол естественного откоса

Примечания:

ISO........Международная организация по стандартизации - стандарты ISO 7451 и ISO 7546

JIS.........Промышленный стандарт Японии - стандарт JIS A8401 - 1976

PCSA ....Ассоциация производителей подъемных кранов и лопат (США) - стандарт PCSA № 37-26

SAE.......Общество автомобильных инженеров (США) - стандарт SAE J296/J742b

CECE ....Комитет по европейскому строительному оборудованию - стандарт CECE раздел VI

Выбор ковша экскаватора

Фирма ВЗМ предлагает ковши различной формы и размеров, чтобы дать возможность пользователям выбрать оптимальный ковш с учетом типа почвы и характера выполняемой работы. Это позволяет выполнить работу наиболее эффективно. Ниже приводятся рекомендации по выбору оптимального ковша.

1. Выбор типа (формы)

На экскаваторы можно установить ковши различных типов.

· Универсальный ковш

· Ковш для работы в облегченном режиме

· Ковш для тяжелых режимов работы

· Узкий ковш (ковш для зачистки траншей)

· Ковш для скальных пород

· Ковш с рыхлителем

· Прочие ковши специального назначения

2. Выбор размера

Пункты 1) и 2) следует рассматривать совместно.

1) Устойчивость машины (с обратной лопатой) Чрезмерно большая вместимость ковша приводит к ухудшению устойчивости машины, что, в свою очередь, создает опасность опрокидывания. Принципиальный подход к вопросу выбора ковша с точки зрения устойчивости машины следующий. Обозначив через A максимально допустимую нагрузку для обеспечения боковой устойчивости машины, а через B - рабочую нагрузку ковша (масса ковша + масса груза), размер ковша следует выбрать таким, чтобы

B ≤ A

Из рис. 1 следует, что

A = W1 + (L0 / L) W 2 = W 1 + W2 (приблизительно)

где, W1: Масса пустого ковша по таблице грузоподъемности. Значение массы указано в таблицах "Сочетания ковша и рукояти".

W2: Минимальная грузоподъемность по таблице грузоподъемности при соответствующей длине стрелы и рукояти (грузоподъемность зависит от вертикального положения рукояти)

Из рис. 2 следует, что

B = W3 + W4

где, W3: Масса ковша

W4: Масса груза

(= номинальная вместимость ковша x удельная масса грунта)

2) Усилие врезания ковша

При выборе ковша убедитесь в достаточности усилия врезания ковша в грунт стройплощадки. Усилие врезания ковша - это усилие резания грунта на единицу ширины ковша. Усилие врезания ковша = усилие резания грунта / ширина ковша Чем больше величина усилия резания грунта на единицу ширину ковша, тем больше усилие врезания ковша (показатель проникновения в грунт). Усилие резания грунта создается гидроцилиндрами ковша и гидроцилиндрами стрелы. Кроме усилия резания грунта на усилие врезания ковша оказывают влияние ширина ковша и радиус разгрузки (расстояние от оси шарнира ковша до передней части зубьев ковша).

(1) Номинальное усилие резания грунта ковшом - это сила, прикладываемая к передней точке резания ковша. Она создается гидроцилиндром ковша и гидроцилиндром рукояти. силие, создаваемое первым из них, называется усилием резания грунта ковшом, а усилие, создаваемое последним, - напорным усилием рукояти. Указанные усилия резания грунта вычисляют, приложив к цилиндрам рабочее давление разгрузки. Из расчетов следует исключить массу узлов и силу трения. Определение усилия резания грунта дается на основании стандарта SAE J1179 и формируется следующим образом.

a. Усилие резания грунта ковшом Номинальное усилие резания грунта ковшом (обозначенное V на верхнем цилиндрами ковша и действующее по касательной к дуге адиуса C. Ковш следует расположить таким образом, чтобы получить максимальный изгибающий момент от цилиндров ковша и рычажного механизма.

б. Напорное усилие рукояти Номинальное напорное усилие рукояти (обозначенное W на нижнем рисунке) - это усилие, создаваемое цилиндрами рукояти и действующее по касательной к дуге радиуса B. Рукоять следует расположить таким образом, чтобы получить максимальный изгибающий момент от цилиндров рукояти и ковша, расположенных, как упомянуто выше.

(2) Ширина ковша Чем шире ковш, тем хуже он врезается в грунт. Как правило, для выемки грунта, который легко разбивается, рекомендуется использовать широкий ковш. Узкий ковш лучше приспособлен для работы на вердом рунте. Из соображений увеличения срока службы ковша, рукояти, стрелы и соответствующих пальцев шарниров и втулок следует ограничить ширину ковша. Чрезмерно широкий ковш приведет к воздействию слишком б ольшого згибающего момента на соответствующие детали, что, в свою очередь, ведет к преждевременным поломкам и износу.

(3) Радиус разгрузки Величина радиуса разгрузки также влияет на усилие резания грунта ковшом. При равном толкающем усилии цилиндра ковша ковш с меньшим радиусом разгрузки лучше врезается в твердый грунт, чем ковш большим радиусом разгрузки. Для получения надлежащего усилия врезания ширину и радиус разгрузки ковша следует выбирать с учетом вышеупомянутых усилий резания грунта. Для получения сведений о допустимой ширине и усилию врезания по каждой модели ковша обращайтесь к сотрудникам фирмы.

Для каждого вида работ следует выбрать ковш соответствующего типа. Рекомендуется обратиться к сотруднику фирмы ВЗМ по поводу наличия ковшей требуемого типа.

Основными машинами, используемые на земляных работах, являются одноковшовые экскаваторы, производительность которых зависит от конструктивных и технологических факторов, от качественных и количественных закономерностей изменения параметров экскаваторного забоя, от вида рабочего оборудования экскаватора и характера разрабатываемого грунта. При разработке крупных котлованов, выемок для дорог и каналов, карьеров и т. д., когда грунт транспортируют на расстояния, превышающие возможности рабочего оборудования экскаваторов, применяют комплект машин, которые подбирают с учетом вместимости ковша экскаватора.

Для нормальной работы экскаватора требуется с оптимальной вместимостью. Объем грунта в ковше зависит от объемной массы грунта и коэффициента наполнения ковша (табл. 1).

Коэффициент наполнения ковша КН одноковшовых экскаваторов

КН — коэффициент наполнения ковша равен отношению объема разрыхленного грунта в ковше и емкости ковша.

Объемная масса равна отношению массы грунта в состоянии естественной влажности к его объему (табл. 2).

Фактический объем ковша экскаватора принимается как сумма геометрической вместимости ковша (по «воде») и объема «шапки». Геометрическая вместимость ковша является произведением площади внутренней поверхности боковой стенки на расстояние между боковыми стенками. Объем «шапки» определяется значением угла естественного откоса (табл. 3). Угол естественного откоса — угол образованный свободной плоскостью грунта или другого сыпучего материала и горизонтальной плоскостью. Из-за разницы угла естественного откоса для разных материалов фактический объем ковша больше геометрического примерно на 15-30%.

В различных системах стандартов при определении вместимости ковша пользуются понятием с «шапкой» с фиксированной величиной угла естественного откоса.

Значение угла естественного откоса в системах стандартов (табл. 4)

Основным критерием, определяющим объем ковша, является максимально допустимая нагрузка на конце рукояти обеспечивающая боковую устойчивость экскаватора. Вес ковша с грунтом не должен превышать этого значения.

Учитывая объемную массу грунта, так же принимается во внимание категория, к которой он относится (табл. 2). Вес пустого ковша при эквивалентном объеме для разных категорий грунтов имеет разную величину. Так на тяжелых грунтах (V — VI категорий) применяют ковши скального назначения с меньшим объемом. Обусловлено это тем, что прочность ковша, предназначенного для более легких грунтов (I — IV категорий), недостаточна при использовании на скальных и полускальных грунтах.

Ковши скального назначения имеют больший запас прочности за счет увеличения толщины элементов конструкции, и при сохранении прежнего объема вес ковша будет больше. Вес такого ковша с грунтом может превышать допустимое значение. По этой причине объем скального ковша меньше стандартного (общеземельного). Обратная ситуация по ковшам погрузочным для легких сыпучих материалов. Эти материалы имеют относительно низкую объемную массу, и находятся не в плотном состоянии. Учитывая относительно небольшие нагрузки, ковш имеет увеличенный объем. Выбор толщины элементов ковша также сопряжен с воздействием абразивного износа. Этот фактор может серьезно влиять на выбор толщины некоторых элементов ковша для обеспечения заданного срока службы. По этому, учитывая воздействие от абразивного износа, вес ковша увеличивается, а его вместимость снижается. В целом падает экономическая эффективность работы экскаватора.

На сегодняшний день наиболее эффективным методом защиты от абразивного износа является использование закаленных износостойких сталей. Их применение позволяет значительно снизить толщины тех элементов ковша, которые наиболее подвержены абразивному износу при сохранении требуемого запаса прочности. Хорошим примером является Швеция. Сталь Hardox обладает высокой твердостью, ударной вязкостью и прочностью. Благодаря применению этих сталей можно увеличить объем ковша, не выходя за рамки предельных нагрузок, тем самым поднять экономическую эффективность работ.

Принимаем экскаватор с вместимостью ковша 0,8…1,0 м 3 (так как объем грунта в котловане лежит в пределах 10000…20000 м 3).

Экскаватор обратная лопата на гусеничном ходу;

Марка: ЭО-4121А;

Вместимость ковша: 1,0 м 3 ;

Наибольшая глубина копания: 5,8 м;

Наибольший радиус копания: 9,0 м;

Наибольшая высота выгрузки: 5,0 м;

Мощность двигателя: 95 кВт;

Масса: 19,2 т.

Для транспортировки грунта с места возведения фундамента применяются автосамосвалы, грузоподъемность которых зависит от дальности транспортировки грунта и емкости ковша экскаватора.

При емкости ковша экскаватора 0,8…1,0 м 3 и дальности транспортировки грунта на расстояние 10 км целесообразно применять самосвал грузоподъемностью 10 т.

Марка автосамосвала: Урал 55571-40;

Грузоподъемность: 10 т;

Полная масса: 20,205 т;

Длина: 7735 мм;

Ширина: 2500 мм;

Высота: 2980 мм;

Мощность двигателя: 169 кВт;

Максимальная скорость: 80 км/ч.

Определим количество транспортных средств, необходимое для бесперебойной отвозки грунта:

где Т ц – продолжительность цикла автосамосвала, мин;

t n – продолжительность погрузки грунта в автосамосвал, мин.

где и- время груженого и порожнего пробега автосамосвала, мин;

мин – продолжительность разгрузки автосамосвала, мин;

мин – время маневрирования автосамосвала, мин;

мин – время на мойку колес, мин;

, [мин]

, [мин]

где - средняя скорость движения груженого самосвала (20…30 км/ч);

Средняя скорость движения порожнего самосвала (30…40 км/ч);

L – расстояние перемещения грунта, км.

Продолжительность погрузки грунта в автосамосвал определяется следующим образом:

где - погрузочная емкость кузова автосамосвала, м 3 ;

Эксплуатационная часовая производительность экскаватора, м 3 /ч.

Погрузочная емкость кузова автосамосвала определяется в плотном теле грунта:

где - число ковшей экскаватора, выгружаемых в кузов самосвала;

Вместимость ковша экскаватора, м 3 ;

Коэффициент использования вместимости ковша экскаватора, =0,9.

В кузов автосамосвала выгружается целое число ковшей экскаватора:

где Q – грузоподъемность автосамосвала, т;

Плотность грунта, т/м 3 .

Эксплуатационная часовая производительность:

где Н вр – норма времени на разработку 100 м 3 грунта, маш-ч.

Глина карбонная относится к III группе по сложности разработке механизированным способом. По ЕНиР определяем норму времени с учетом III группы грунта, вместимости ковша экскаватора 1,0 м 3 и с погрузкой в транспортное средство:

м 3

Принимаем 5 самосвалов для бесперебойной отвозки грунта.