Excavatorul cu draglină

1. CURS 3
6.3.2. Excavator cu draglină
Excavatorul cu draglinǎ se deosebeşte de excavatorul mecanic cu cupǎ dreaptǎ prin aceea cǎ
legǎtura dintre cupǎ şi braţ este asiguratǎ prin elemente flexibile (cabluri şi lanţuri), ceea ce-i conferǎ o
autonomie de lucru mai mare pe distanţe de lucru mult mai mari (distanţe considerabile faţǎ de axa
maşinii de bazǎ), la aceeaşi capacitate a cupei.
În figura 6.11 se prezintă schema şi principalele părţi componente ale unui excavator cu
draglină. Draglina se caracterizează printr-o fixare flexibilă a cupei la braţ prin intermediul unui sistem
de cabluri şi lanţuri, care servesc şi la manevrarea cupei.
Draglina are avantajul realizării unor raze de acţiune şi a unor adâncimi de săpare mai mari ca
excavatorul cu cupă dreaptă şi inversă. Înfigerea cupei în pământ se realizează sub acţiunea greutăţii
proprii a cupei, iar săparea se realizează prin tragerea cupei, astfel că draglina se utilizează doar la
săparea în pământuri slabe şi mai ales la extragerea balastului din albia râurilor.
Datorită construcţiei cupei (fig.6.12) şi manevrării acesteia cu cabluri şi lanţuri, draglina poate
săpa şi sub nivelul apei.
Ciclul de lucru al draglinei cuprinde următoarele faze (fig.6.11):
- săparea pământului prin tragerea cupei şi umplerea cupei cu pământ din poziţia poziţia I în poziţia II;
- scoaterea cupei din pământ prin acţionarea cablului de ridicare a cupei (poziţia III);
- ridicarea cupei din poziţia III în poziţia IV cu ajutorul cabului de ridicare, cu desfăşurarea frânată a
cablului de tragere de pe toba de tragere;
- rotirea platformei cu cupa plină;
- descărcarea cupei prin basculare ca urmare a defrânării cablului de tragere;
- rotirea platformei cu cupa goală;
- căderea cupei prin desfăşurarea de pe tobă a cablului de ridicare (poziţia V), încheiată prin înfigerea
muchiei tăietoare a cupei în pământ.

2. Fig.6.11. Excavator cu draglină
1 – maşină de bază pe şenile cu platformă rotitoare; 2 – braţ; 3 – cupă; 4 – cablu de tragere a cupei; 5 – lanţuri de tragere; 6
– lanţuri de ridicare; 7 – cablu de echilibrare; 8 – cablu de ridicare a cupei; 9 – dispozitiv de ghidare a cablului de tragere;
10 – troliul principal cu două tobe (toba de tragere şi toba de ridicare a cupei); 11 – cablu pentru manevrarea braţului; 12 –
rola de echilibrare; I – V poziţii ale cupei în timpul ciclului de lucru.
Fig.6.12. Cupa draglinei

3. În figura 6.13 se prezintă cupa plină cu pământ, care se menţine în echilibru sub acţiunea
forţelor din cablul de ridicare şi din cablul de tragere, care este frânat.
Fig.1.13. Cupa draglinei plină cu pământ menţinutǎ în echilibru
La defrânarea (slăbirea) cablului de tragere se realizează bascularea cupei şi descărcarea
pământului. Descărcarea se realizeazǎ în mijloc de transport (fig.6.14) sau în grămadă (fig. 6.15).

4. Fig 6.14. Descǎrcarea în autobasculantǎ Fig. 6.15. Descǎrcarea în grǎmadǎ
Pentru acţionarea excavatorului cu draglină se foloseşte de regulă sistemul diesel-hidraulic, cu
motor diesel ce pune în mişcare mai multe pompe hidraulice, iar acestea alimentează motoarele
hidraulice rotative ale mecanismelor de deplasare şi rotire, precum şi motoarele hidraulice rotative
pentru acţionarea troliilor draglinei.
Fig.6.16. Extragerea balastului din albiile rǎurilor cu ajutorul draglinei

5. Draglină se utilizează frecvent în balastiere, la extragerea balastului din albiile râurilor (fig.6.16).

7. Calculul braţului excavatoarelor cu draglină
1. Ipoteza de calcul pentru braţul draglinei (poziţia cea mai defavorabilă în care se face calculul
braţului) este următoarea :
- braţul este înclinat la unghiul minim faţă de orizontală ( 0
min 25...30
 = );
- cupa încărcată cu pământ este ridicată spre capătul superior al braţului;
- în timpul rotirii platformei rotitoare se realizează frânarea bruscă a mecanismului de
rotire.
2. Determinarea forţelor care acţionează asupra braţului
a) Forţe ce acţionează în plan vertical
Pe schema din figura 1 se indică forţele ce acţionează în plan vertical şi anume:
Gb – greutatea braţului;
c p
G + – greutatea cupei pline cu pământ;
,
r rc
S S - forţele din cele două ramuri ale cablului de ridicare;
rb
S − forţa din palanul de manevrare a braţului;
,
c p b
P P
+ −forţe centrifuge asupra cupei şi braţului;
'
T
S - forţa în cablul de tragere (toba de tragere este frânată);
1, b
S S −reacţiuni în articulaţia braţului.

8. Fig.1. Schema forţelor ce acţionează în plan vertical
Greutăţile se presupun cunoscute. Celelalte forţe se determină parcurgând următoarele etape:
a.1. Determinarea forţei centrifuge asupra cupei cu pământ - cu relaţia:
2
c p
c p c
G
P r
g

+
+ = [N] (1)
în care :
c
r – distanţa de la centrul de greutate al cupei la axa de rotire a platformei rotitoare, în m;
g – accelaraţia gravitaţiei, în m/s2
ω - viteza unghiulară a platformei rotitoare, în rad/s.
a.2. Determinarea forţelor r
S şi '
T
S din condiţia de echilibru a cupei (se poate utiliza metoda grafică a
poligonului forţelor sau metoda analitică).
a.3. Determinarea forţei rc
S cu relaţia:
r
rc
r
S
S

= , în care r
 este randamentul rolei de cablu.
Pb
S1

9. a.4. Determinarea forţei centrifuge asupra braţului
Se determină mai întâi forţa centrifugă elementară dPb ce acţionează asupra unui element de
braţ de lungime dl şi masă dm:
2 2 2
min
cos
l
b
b
b
G dx
dP dm x m dl x x
gl
  

=  =   = (2)
în care :
x este distanţa de la elementul infinit mic considerat la axa de rotire a platformei rotitoare;
b
l – lungimea braţului;
dx– proiecţia pe orizontală a lungimii dl ( cos min
dx dl 
=  );
min
 - unghiul minim de înclinare a axului braţului faţă de orizontală.
Forţa centrifugă totală care acţionează asupra braţului b
P se determină prin integrare:
2 2
2 2
min min
1
( )
cos cos 2
b b
b b
b b
b b
a a
G G
P dP x dx b a
gl gl
 
 
= =  = −
  (3)
în care limitele de integrare a şi b sunt distanţe indicate în figura 1.
a.5. Determinarea forţei rb
S din palanul de manevrare a braţului
Din condiţia de echilibru a braţului - ecuaţia de momente faţă de articulaţia O, se obţine:
0 0
r r rc rc
b b rb rb
M S r G r S r M S r
c
= + − + =
−
 (4)
în care:
, , ,
r b rc rb
r r r r sunt distanţele de la articulaţia O la direcţiile forţelor , , ,
r b rc rb
S G S S ;
c
M – momentul forţelor centrifuge ale braţului faţă de articulaţia O.
Din relaţia (4) se obţine:
r r rc rc
b b
rb rb rb
rb rb
S r G r S r Mc
S S S
r r
+ −
 
= + = + (5)
Pentru calculul momentului c
M , care intervine în relaţiile (4) şi (5), se procedează astfel:

10. - se calculează momentul elementar c
dM dat de forţa centrifugă elementară b
dP în raport cu
articulaţia O (fig.2):
Fig.2. Schema de calcul a momentului dat de forţele centrifuge în raport cu articulaţia braţului
( ) ( )
2
min
min
min
cos
b
c b
b
G tg
dM dP x a tg x x a dx
gl
 


= − = − (6)
- se calculează prin integrare momentul total Mc ( faţă de articulaţia O) al forţelor centrifuge
ce acţionează pe toată lungimea braţului şi se obţine relaţia:
( ) ( )
2 2
min min 3 2 3
min min
1
2 3
cos cos 6
b
b b
c
b b
a
G tg G tg
M x x a dx b ab a
gl gl
   
 
= − = − +
 (7)
a.6. Determinarea reacţiunilor în articulaţia braţului 1
S şi b
S
1
S şi b
S se determină din condiţia de echilibru a braţului, scriind ecuaţiile de proiecţii sau
utilizând metoda grafică a poligonului forţelor (metoda ecuaţiilor vectoriale).
b) Forţe ce acţionează pe direcţie orizontală, perpendicular pe braţ
La frânarea mecanismului de rotire apar următoarele forţe tangenţiale de inerţie, indicate în
figura 3:
- forţa tangenţială de inerţie asupra cupei încărcate cu pământ ,
i c p
P + , care se poate considera
ca forţǎ concentrată având punctul de aplicaţie în centrul de greutate al cupei;
- forţa tangenţială de inerţie asupra braţului, care este o forţă distribuită, având rezultanta ,
i b
P .

11. Forţa ,
i c p
P + se determină cu relaţia:
max
. c p C
c p
i c p c
G
P m a r
g


+
+
+ =  = (8)
în care max
 este acceleraţia unghiulară maximă la frânarea mecanismului de rotire.
Fig.3. Schema forţelor orizontale perpendiculare pe axa braţului
Pentru determinarea forţei tangenţiale de inerţie asupra braţului, trebuie calculată mai întâi
forţa elementară ,
i b
dP ce acţionează asupra unui element infinit mic de braţ, de lungime dx şi masă
dm :
max max
min
, cos
b
i b
b
G dx
dP dm x x
gl
 

=  = (9)
Forţa tangenţială de inerţie totală asupra braţului ,
i b
P se determină prin integrare:
max max 2 2
min min
,
1
, ( )
cos cos 2
b b
b b
i i
b b
b b
a a
G G
P dP xdx b a
gl gl
 
 
= = = −
  (10)
3. Determinarea solicitărilor în secţiunile periculoase
Secţiunile periculoase care trebuie verificate sunt:
a) secţiunea de mijloc a braţului I-I, în care momentul dat de greutatea braţului are valoare
maximă;

12. b) secţiunea II-II unde se bifurcă braţul în plan orizontal, în care momentul dat de forţele
tangenţiale de inerţie are valoare maximă.
Spre exemplu, verificarea secţiunii I-I, solicitată la încovoiere în plan vertical şi în plan
orizontal, precum şi la compresiune.
Fig.4. Schema pentru determinarea momentului încovoietor în plan vertical
- Se calculează momentul încovoietor în plan vertical în secţiunea I-I (fig.4):
1 min
v cos
2 2 4
b b b
i b
l G l
M S S e 
=  − (11)
Se poate neglija efectul forţelor centrifuge ce acţionează asupra braţului.
- Se calculează forţa axială în secţiunea I-I (fig.4):
min
sin
2
b
b
G
N S 
= − (12)
- Se calculează momentul încovoietor dat de forţele tangenţiale de inerţie în secţiunea I-I , în plan
orizontal (fig. 3):
1 2
O O O
i i i
M M M
= + (13)
în care:
1
O
i
M este momentul încovoietor în secţiunea I-I dat forţa tangenţială de inerţie ,
i c p
P + ce
acţionează asupra cupei, considerată forţă concentrată în centrul de greutate al cupei;
2
O
i
M -momentul încovoietor în secţiunea I-I dat forţele tangenţiale de inerţie ce acţionează asupra
braţului, distribuite pe întreaga lungime a braţului.