CC BY
156
ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГРЕЙФЕРНЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
В.А. Пенчук, профессор, д.т.н., Д.Г. Белицкий, аспирант, Донбасская национальная академия строительства и архитектуры
Аннотация. Рассматривается история развития грейферного рабочего органа. Приведены существующие технические решения грейферных механизмов для разработки плотных грунтов. Представлен новый способ разработки грунта грейфером с предварительным отрывом центрального объема грунта.
Ключевые слова: история, грейфер, прочный грунт, технические решения,
патент, эффективность.
Введение
Официально идея создания грейферного рабочего оборудования принадлежит Леонардо да Винчи, который в начале 16 в. предложил схемы экскаваторов-драглайнов и сделал набросок чертежа грейфера для землечерпалки. Леонардо да Винчи руководил прокладкой каналов в засушливой Миланской долине. В 1597 году для очистки каналов в Венеции была сконструирована и построена плавучая землечерпалка. Автором ее был венецианский механик Буанаюто Лорини, который описал устройство машины в труде «Делле Фортификационе». Далее в 1718 г. проект землеройного устройства с двумя ковшами представили Французской Академии наук механики де ла Бальм и Белидор, которое затем применялось при строительствах портов Тулона и Бреста [1]. Во второй половине девятнадцатого века масштабное строительство железных дорог и каналов потребовало перемещения все больших масс земли, которое уже не могло быть осуществлено с помощью ручного труда землекопов. В этот период Германии стали применять «строительные локомобили», оснащенные одноканатными грейферами.
Анализ публикаций
Современное понятие «грейфер» (от нем. greifen - хватать) относится к приспособлениям с самозакрывающимися челюстями
(створами). Первоначально грейферы имели канатный привод и работали по принципу подгребания и захвата груза. Они не могли разрабатывать плотные грунты, т.к. у канатного грейфера усилие внедрения осуществляется только за счет веса самого грейфера. Для увеличения усилия внедрения приходилось искусственно утяжелять грейфер, однако это приводит к резкому уменьшению коэффициента использования грузоподъемности крана, на котором этот грейфер установлен. Возможность разработки более плотных грунтов грейферы получили с появлением гидропривода и жесткой его подвески к стреле экскаватора. Внедрение гидравлического грейфера в материал может осуществляться двумя способами: с помощью гидроцилиндров стрелы или рукояти (наиболее распространенная схема в отечественной и зарубежной практике, обеспечивающая глубокое роющее движение челюстей при снижении вес грейферной подвески) или с помощью штанги, имеющей гидропривод для подъема и опускания.
В настоящее время эффективно применение грейферного оборудования в условиях стесненных площадок и ограниченного пространства при выполнении строительных и ремонтных работ в городах и населенных пунктах, на участках со сложным профилем траншей и котлованов, при выполнении доработок на большой глубине, на отрывке выемок с вертикальными стенками при строи-
тельстве подземных инженерных сооружений, на погрузочно-разгрузочных и очистных работах [2] На таких видах земляных работ, как разработка глубоких выемок с вертикальными стенами (котлованы, траншеи, колодцы, проходка шахт при строительстве инженерных коммуникаций и т. п.), разработка грунта и обратная засыпка в стесненных условиях (вблизи стен зданий, внутри цехов при реконструкции предприятий и т. п.), применение грейферного оборудования оказывается наиболее эффективным и целесообразным по сравнению с другими сменными видами рабочего оборудования.
Визуально оценить преимущества экскаватора с грейферным оборудованием по отношению к экскаватору с оборудованием обратная лопата, при выполнении малообъемных и рассредоточенных работ, особенно при разработке глубоких выемок с вертикальными стенками, можно на примере экскаватора ЭО-3322 (рис. 2).
V ,м3
----- 1 - при работе обратной лопатой (Уэ);
-----2 - при работе грейфером (Уг);
-----3 - разница объемов (Уэ - Уг)
Рис. 1. Зависимость объемов извлекаемого грунта от глубины выемки
Объем разработанного грунта обратной лопатой приблизительно в 2,25 раза больше, чем объем грунта извлекаемый при работе грейфером. При равной эксплуатационной производительности, полезная производительность грейфера, даже по самым грубым подсчетам, в два раза выше, чем у обратной лопаты [3].
Цель и постановка задачи
Основным сдерживающим фактором применения гидравлических грейферов на грунтах выше 3-й категории являются значительные нагрузки на челюсти при их внедрении в массив, а также при их провороте для отрыва некоторого объема грунта.
Перспективы развития
Для снижения указанных усилий предлагаются различные предложения по модернизации традиционных двухчелюстных грейферов (рис. 2).
а
Рис. 2. Существующие конструктивные решения грейферных ковшей для разработки прочных грунтов
Детальный анализ рабочего процесса грейфера традиционной конструкции [4] позволяют утверждать, что кроме процесса внедрения режущих кромок в массив грунта его эффективность зависит от начального процесса закрывания челюстей. Именно в этот момент происходит не резание грунта, а выталкивание некоторого объема из ненарушенного массива. Это весьма энергоемкий процесс.
Материалы патентного поиска показывают, что предлагаются различные конструкции специальных грейферов, в которых первоначально происходит разрушение центральной части массива грунта, а затем при закрытии челюстей - сдвиг грунта в сторону свободной зоны. На рис. 2, в представлена весьма сложная конструктивная схема грейферного оборудования, которая обеспечивает бурение центральной части разрабатываемого в одном цикле объема грунта [5]. Конструктивная схема Тюменского инженерно-строительного института (рис. 2, а) предполагает рациональное сочетание грейфера малого и большого объемов [6]. Логическим продолжением приведенного выше изобретения является конструктивное решение Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии [7]. Грейфер (рис. 2, б) имеет основные и дополнительные челю-
сти, но дополнительные челюсти еще снабжены устройством вертикального перемещения относительно основных челюстей. Кафедра «ПТСДМО» ДонНАСА разрабатывает новые энергосберегающие процессы разработки грунта грейферными рабочими органами. Нами разработано техническое решение грейфера для прочных грунтов, который дооборудован приводным винтовым якорем (рис. з).
а б
Ф\ ±
Рис. 3. Способ разработки плотного грунта грейфером с винтовым якорем
Принцип действия грейфера для разработки прочных грунтов следующий. Ковш устанавливают на грунт и ввинчивают якорь 1 (рис. 3, а), который затем выдергивают из грунта за счет смыкания челюстей 2. Выдергивание якоря сопровождается отделением кома грунта 3 от массива, при этом за счет усилия отрыва кома грунта режущие кромки челюстей грейфера погружаются в массив грунта (рис. 3, б). Режущими кромками челюстей грейфера, которые погрузились в массив грунта, производят разработку ослабленного массива грунта путем их поворота вокруг шарнира от силовых цилиндров [8]. Как видно из сказанного, используется принцип замкнутого силового потока, что сводит к минимуму передачу динамических нагрузок на базовую машину.
Применения в качестве центрального элемента приводного винтового якоря позволяет решить следующие задачи: обеспечить увеличение усилия внедрения режущих кромок в массив грунта; ослабить центральную часть массива грунта при первоначальном отрыве из него винтового якоря; снизить сопротивляемость массива грунта разрушения при закрытии челюстей грейфера.
Для широкого внедрения предлагаемых грейферов необходимо разработать рекомендации по выбору рациональных параметров винтового якоря и его привода, режущих кромок челюстей и механизма для его закрывания.
Выводы
В ХХ1 веке в развитии грейферного оборудования наметился очевидный всплеск в направлении создания конструкции как для погрузочно-разгрузочных работ, так и для разработки грунта на малообъемных и рассредоточенных объектах. Для разработки плотных грунтов предложен ряд оригинальных технических решений, каждое из которых имеет определенную область применения. Оригинальная конструкция специального грейфера с центральным приводным винтовым якорем обеспечивает расширение области эффективного применения уже существующих конструкций.
Литература
1. Интернет-сайт Первый экскаваторный
портал http://www.history.exkavator.ru. 2006.
2. Чадин С.В.. Никешин В.В. Грейферное
оборудование зарубежных гидравлических экскаваторов. - М.: ЦНИИстрой-дормаш, 1986. - 47 с.
3. Пенчук В.А.. Белицкий Д.Г. Технико-эко-
номическая эффективность использования грейферного рабочего органа на малообъемных земляных работах // Вюник ДонНАБА. - 2005-4(60). - С. 139-142.
4. Таубер Б.А. Грейферные механизмы. - 2-е
изд., переработ. и доп. - М.: Машиностроение, 1967. - 424 с.
5. А.с. СРСР №1133351. Е 02F 3/413. БИ №1.
1985.
6. А.с. СРСР №1089198. Е 02F 3/44. БИ №16.
1984.
7. Заявка на изобретение RU №99110096.
Е 02F 3/413. БИ 2001.03.10.
8. Патент Украины UA №75788. Е 02 F 1/00.
Бюл. № 5. 2006 р.
Рецензент: В.В Ничке. профессор. д.т.н.. ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 6 мая 2007 г.
