Металлоконструкции экскаваторов Опорные слова и термины

Металлоконструкции экскаватора, гусеничные тележки, поворотная платформа и верхнее строение, роторная стрела, стрела, рукоять с ковшом, двуногая стойка, поддерживающая мачта, база (опорная рама), углеродистые, низколегированные, конструкционные стали, химический состав и механические свойства, профильный и листовой прокат, трубы.

На металлической конструкции (металлоконструкции) экскаватора, являющейся остовом машины, монтируются все рабочие механизмы, их привод и системы управления. Доля металлоконструкций в общей массе экскаватора может достигать 50%. Поэтому при их создании особое внимание должно обращаться на совершенство конструктивных форм и методов расчета, на обоснованную экономию металла при непременном обеспечении надежности, долговечности, удобства обслуживания и ремонта. Металлические конструкции экскаваторов выполняют, преимущественно сварными, и стыкуют, где необходима разборка, на чистых болтах.

В отдельных случаях трудно определить, какой элемент экскаватора может быть отнесен к силовой (несущей основные рабочие нагрузки) металлоконструкции, а какой — к механизмам. Значительная масса (до 45%) металлоконструкций экскаватора не несет силовой нагрузки, а служит для создания каркаса машинных помещений и для обеспечения безопасных условий для работы экипажа и др.

Распределение массы экскаватора между отдельными его узлами зависит, прежде всего, от конструктивной схемы машины, применяемых материалов, типа ходового устройства и других факторов. У роторного экскаватора (массой около 6000 т) на гусеничные тележки приходится 29,7% массы машины, на раму ходового устройства — 27%, на поворотную платформу и верхнее строение — 26,7% и роторную стрелу — 16,6%. При этом масса несущих металлоконструкций составила 42%, вспомогательных конструкций—10%, механизмов— 31%, электрооборудования

— 6%, гусеничных траков— 4%, противовеса, конвейерных лент, масла и других эксплуатационных материалов — 7%.

В общем случае к силовым (несущим) металлическим конструкциям экскаваторов относятся следующие узлы:

· у карьерных и вскрышных лопат — стрела, рукоять с ковшом, поворотная платформа с двуногой стойкой и опорная раму ходового механизма;

· у драглайнов — стрела и поддерживающая мачта (если она имеется), поворотная платформа с надстройкой и подкрановыми путями, передняя рама поддержки блоков тяговых и подъемных канатов, а также база (опорная рама) опорно-поворотного устройства и опорные башмаки;

· у многоковшовых экскаваторов — роторная стрела (ковшовая рама), собственно поворотная платформа, верхнее ее строение и надстройка поддержки рабочего органа, стрелы противовеса и отвальной консоли, собственно отвальная консоль или соединительный мост, промежуточная поворотная рама (если она имеется) и опорная рама ходового устройства.

Металлические конструкции экскаваторов изготовляются из стальных листов, труб, фасонного проката, гнутых и штампованных профилей. Все стали, в зависимости от механических свойств, при растяжении, применяемые для металлических конструкций, подразделяются на условные классы прочности. Цифры в индексе класса обозначают: числитель — минимальную величину временного сопротивления разрыву σв, знаменатель — минимальную величину предела текучести σт. Для конструкций экскаваторов применяются углеродистые стали класса С38/23 и низколегированные стали — классов С38/23, С44/29, С46/33 и С52/40.

Для сварных металлоконструкций экскаваторов следует использовать стали группы В (с гарантированным химическим составом и механическими свойствами) 4-й и 5-й категорий для несущих элементов и 1—3-й категорий. Для вспомогательных конструкций, для которой ГОСТ гарантирует σв, σт, δ5 (относительное удлинение), а н (ударную вязкость при температуре t =20°С для стали 3-й категории и при t = —20°С для сталей 4-й и 5-й категорий).

Основной маркой углеродистой стали является сталь ст. 3, хорошо сваривающаяся, достаточно прочная. Ее σт≥230 МПа, σв = 380—490МПа, δ5 ≥ 23%; а н≥105 Н·м/м2 при t = 20°С и а н≥3·105 Н·м/м2 при t = —20°С.

При определении деформаций и перемещений для сталей всех марок принимается модуль упругости при растяжении Е = 2,1-105 МН/м2 (2,1-106 кгс/см2). Коэффициент линейного расширения сталей всех марок принимается равным а = 1,2-10~5, коэффициент поперечной деформации (Пуассона) ν = 0,3 и плотность γ = 7,85 кг/дм3.

Элементы и связи, воспринимающие инерционные и ветровые нагрузки, а также металлоконструкции, работающие при температуре ниже —25° С, изготовляются из мартеновской стали спокойной плавки марки ВМСтЗсп. Неответственные элементы металлоконструкций, такие как поручни, настилы, кожухи и другие, изготовляются из сталей ст. 0, ст. 1 и ст. 2. Крепежные изделия (кроме болтов), валики, оси делаются из сталей ВСт4, ВСт4кп, болты, малонагруженные тяги — из стали ВСт5.

В зависимости от химического состава, сталь разделяется на I и II группы, соответственно с нормальным (стали марок 30, 45) и повышенным содержанием марганца (стали марок 30Г, 45Г). Стали марок 10, 20 часто применяют для трубчатых элементов несущих конструкций. Сталь марок 45 и 50 — для опорных роликовых кругов.

Из углеродистых сталей, для эксплуатации при температурах до —40°С, используется сталь М16с по ГОСТ 6713—75. Ее эквивалент, по механическим свойствам, сталь Ст.3, но с большим содержанием фосфора и серы.

Для снижения массы ответственных металлоконструкций экскаватора (стрел, рукоятей, элементов рам, ходовых частей и др.), где размеры сечений расчетных элементов определяются не условиями жесткости, а условиями прочности, применяются низколегированные стали марок 09Г2, 17ГС, 10ХСНД, 15ХСНД, 10Г2СД и 09Г2ДТ. Они имеют более высокую коррозионную стойкость, примерно в 1,5—2 раза большее значение предела текучести σти меньшую хладноломкость, чем сталь Ст.3. Однако, низколегированные стали более чувствительны к концентрации напряжений (имеют большие в 1,1—1,4 раза значения коэффициента концентрации) и дороже углеродистых сталей.

В качестве примера приведем основные показатели низколегированной стали 15ХСНД: σт

= 500 МН/м2, σв = 700 МН/м2, σ5 = 23%, а н = (1,1—1,3) -106 Н-м/м2при t = — 70°С и твердость по Бринеллю НВ 228.

Наибольший эффект достигается при выполнении из низколегированных сталей элементов, работающих преимущественно на растяжение. Для конструкций, работающих при переменных и знакопеременных нагрузках, из-за своего относительно низкого предела выносливости, эти стали менее приемлемы.

Несущие элементы сварных конструкций, выполненные из низколегированных сталей, более предпочтительны для работы при t>—40° С. Для более низких температур (до —65° С) рекомендуются стали 09Г2С, 15ХСНД и 10ХСНД.

Ферменные конструкции элементов экскаваторов — в основном стрел и элементов верхнего строения — используются при длинных пролетах и вылетах и малых нагрузках, не

дающих возможности рационально использовать материал балки по условиям жесткости. Недостатками ферменных конструкций, по сравнению с листовыми, являются их большая трудоемкость изготовления и меньшая выносливость (усталостная прочность). В экскаваторостроении применяются ферменные стрелы с треугольным (отвальные стрелы роторных экскаваторов и стрелы драглайнов) и прямоугольным поперечными сечениями. Боковые плоскости стрел образованы из плоских, в основном раскосных ферм.

При расчете ферм узлы предполагаются шарнирными, что не дает больших погрешностей, если отношение высоты сечения стержня к его длине меньше 1/16. Сечения стержней ферм могут быть одноэлементными и составными. Сечения, из одиночного уголкового профиля применяются лишь для легких горизонтальных и вспомогательных ферм. Наиболее часто употребляемые составные сечения стержней ферм даны на рис. 10.1. Сварные, составные из листов, сечения поясов ферм имеют преимущество, по сравнению с составными сечениями поясов из профильной стали с соединительными планками (сечения поясов на рис. 12.1, а—г, е—з). Выносливость сварного растянутого пояса, составленного из листов (рис. 10.1, ж,д, к) зависит от конструкции присоединения к нему раскосов вертикальных и горизонтальных ферм.

Широкое применение в экскаваторостроении имеют металлические конструкции, изготовляемые из гнутого и профилированного металла, особенно труб (рис. 10.3, и), которые вследствие наклепа имеют более высокую прочность. Благодаря использованию труб для изготовления решетчатых конструкций сокращается расход металла, особенно на стержни и пояса, так как сечения назначаются из условий предельной гибкости. Замкнутые профили (рис. 10.1, и, к), помимо хороших жесткостных показателей, имеют меньшую внешнюю поверхность (подверженную коррозии) и лучшие аэродинамические показатели.

Фирмой «Марион» (США) разработаны стрелы из высокопрочных алюминиевых сплавов длиной 60—78 м для драглайнов с ковшами 18—12 м3 соответственно.

Алюминиевые стрелы по сравнению со стальными обладают рядом преимуществ, они не боятся низких температур и корродирования, имеют на 30—33 % меньшую массу при одинаковых длинах. Это позволяет сократить продолжительность рабочего цикла и увеличить производительность экскаватора на 6—15 % за счет возможности установки ковша большей вместимости (на 10—12%) или увеличить длину стрелы, т. е. радиус действия машины.

Рис. 10.1. Основные типы составных сечений стержней сварных ферм

Разработка алюминиевой стрелы оказалась возможной благодаря применению ЭВМ для проведения детальных расчетов и получению специальных U-образных экструдированных профилей, сваренных попарно (рис. 10.2) с заданными ЭВМ параметрами.

Основные пояса стрелы соединяются между собой накладными пластинами и чистыми болтами из нержавеющей стали. Концевые элементы стрелы (узел крепления головного бока и подпятники) выполнены из нержавеющей стали, и присоединены к алюминиевым конструкциям, также с помощью пластин и чистых болтов.

Рис. 10.2. Сечение главного пояса алюминиевой стрелы драглайна

Опорные рамы (базы) мощных шагающих драглайнов (рис. 10.3) и роторных экскаваторов, имеющих шагающе-рельсовое ходовое оборудование, представляют собой круглую сварную металлоконструкцию (например, у ЭШ-100.100 диаметр базы 27 м, а ее высота 2,5 м) с вваренной в нее центральной цапфой.

Рис. 10.3 Металлоконструкция опорной рамы (базы) мощного драглайна

Рама состоит из верхнего и нижнего настилов, а также кольцевых и радиальных диафрагм. По условиям транспортирования рама изготовляется из секций, число которых может превышать 30, свариваемых при монтаже в единое целое с секцией центральной цапфы. Сварка секций производится по специальной технологии, и в определенной последовательности, обеспечивающей минимальные коробления листов и отклонение от вертикали оси центральной цапфы. Точность установки секций контролируется оптическими устройствами.

Для получения единой плоскости, как под опорным рельсом, так и под секциями зубчатого венца кольцевые платики, на которых крепятся рельсы на верхнем листе рамы, фрезеруются (после установки на место) специальными головками. Во время обработки головки перемещаются на рамах, вращающихся относительно оси центральной цапфы. Обработка опорных поверхностей после сварки обеспечивает необходимую точность сопрягаемых эле- ментов и хорошие условия их эксплуатации.

Металлоконструкция поворотной платформы карьерной лопаты представляет собой сварную, комбинированную металлоконструкцию коробчатого сечения, которая изготовлена из листовой стали. Она состоит из ряда пересекающихся вертикальных листов, перекрытых сверху и снизу горизонтальными листами.

Для восприятия через роликовый круг усилий от веса вращающейся части экскаватора в конструкции поворотной платформы предусмотрена кольцевая балка. Передняя часть поворотной платформы замыкается мощной балкой, предназначенной для восприятия усилий от пяты стрелы, возникающих в процессе экскавации.

В середине платформы вварен стальной стакан, с помощью которого платформа крепится к центральной цапфе, а в передней части платформы вварены литые ступицы для поворотных редукторов.

В средних продольных балках и в хвостовой части платформы вварены кронштейны для крепления задних оттяжек двуногой стойки.

Верхний лист платформы сплошной, нижний имеет окна. Корпус противовеса, коробчатой конструкции, является продолжением поворотной платформы. По бокам основной рамы платформы, болтами, крепятся площадки легкого типа, являющиеся основанием для боковых стенок кузова.

Контрольные вопросы

1. Какие элементы экскаваторов можно отнести к металлоконструкциям?

2. Какие виды металлопроката применяются при изготовлении металлоконструкций?

3. Какие марки сталей применяют для не ответственных деталей?

4. Применение каких марок стали обеспечивает снижение массы и увеличение прочности конструкции?

5. Какую форму имеют сечения ферм экскаваторов?

6. Какую конструкцию имеют основные металлоконструкции экскаваторов (стрелы, рукояти, поворотные платформы с двуногой стойкой, опорные рамы ходового оборудования, база опорно-поворотного устройства и опорные башмаки, разгрузочная консоль)?

Литература

1. Подэрни Р.Ю. Горные машины для открытых горных работ. В 2-х ч. М.: МГИ, 1999

2. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых горных работ. М.: Недра, 1985

3. Справочник механика открытых работ. Экскавационно-транспортные машины цикличного действия. Под ред. М.И. Щадова, Р.Ю. Подэрни. М.: Недра.