Патентное исследование с целью модернизации гидравлического экскаватора

На фиг.1 представлен ковш гидравлического карьерного экскаватора вид сбоку. На фиг.2 - вид ковша (задняя стенка 3) сверху. На фиг.3 - фиксатор подвески ковша.

Ковш карьерного гидравлического экскаватора (фиг. 1, фиг. 2) содержит цельнолитую переднюю стенку 1, на которой болтовым креплением установлены цельнолитые зубья 2, и заднюю стенку 3, цельнолитую с проушинами подвески ковша 4. Боковые стенки 5 сваркой соединены с передней 1 и задней 3 стенками, образуя жесткую сварно-литую конструкцию. Накладки 6 из высокомарганцевой аустенитной стали установлены на торцах боковых стенок 5. На задней стенке ковша 3 выполнен фиксатор 7, предохраняющий ковш от непроизвольного вращения оси подвески ковша, в проушине подвески ковша 4 выполнено отверстие 8 для фиксатора 7. Фиксатор 7 устанавливают в отверстие 8 в процессе сборки ковша.

Рабочий цикл карьерных гидравлических экскаваторов обратная лопата с независимым приводом стрелы, ковша и рукояти включает последовательно заглубление стрелы в котлован с одновременным позиционированием рукояти, загрузку ковша его поворотом относительно рукояти, выглубление стрелы с одновременным разворотом рукояти и поворотом ковша для предотвращения высыпания грунта. Далее поворот платформы с рабочим оборудованием, разгрузка ковша его поворотом относительно рукояти. При загрузке ковша его задняя 3 и передняя стенка 1 на режущей кромке, на которой установлены зубья 2, углубляются в породу и принимают удар от перекатывания крупных кусков породы по внутренней поверхности ковша, кроме того, происходит истирание внутренней поверхности ковша при скольжении породы во время разгрузки. Во время прохождения через породу, при загрузке, наружная поверхность передней стенки ковша 1 подвергается износу при ударе и скольжении. Применение цельнолитой передней стенки 1 и зубьев 2 из высокомарганцевой аустенитной стали, обладающей оптимальным сочетанием ударная вязкость - прочность, позволяет увеличить сопротивление ударному действию и истиранию, т.е. продлить срок службы ковша.

Наружные боковые стороны ковша 5 подвергаются износу при ударе об забой и скольжении по породе по внутренней и внешней поверхностям, причем концентрация напряжений на их торцах. Накладки 6 из высокомарганцевой аустенитной стали 6 защищают боковые поверхности 5, продлевают срок его эксплуатации, а возможность их замены упрощает ремонт ковша.

Формула изобретения

Ковш карьерного гидравлического экскаватора, содержащий переднюю стенку, на которой болтами закреплены зубья, заднюю и две боковые стенки, отличающийся тем, что передняя стенка и зубья выполнены литыми из высокомарганцевой аустенитной стали, задняя стенка выполнена цельнолитой с проушинами подвески ковша из стали высокой вязкости и прочности при низких температурах, снабжена фиксатором оси подвески ковша в виде цилиндрического стержня, верхняя часть которого выполнена в виде усеченного конуса, угол между образующими конуса и цилиндра ~15°, боковые стенки выполнены из низколегированной стали для ответственных листовых конструкций, каждая боковая стенка снабжена парой накладок из высокомарганцевой аустенитной стали, установленных на торцах боковой поверхности.

Вывод: Предлагаемый ковш карьерного гидравлического экскаватора обладает высоким ресурсом качества, позволяющим обеспечить бесперебойную работу экскаватора.

Патент №2

Способ крепления зуба ковша экскаватора

Изобретение относится к эксплуатации рабочего оборудования экскаваторов, точнее к способам крепления зубьев ковша прямой лопаты, драглайна, обратной лопаты. Крепление зуба ковша экскаватора осуществляется скобой и клином, который забивают между гнездом ковша и скобой и загибают тонкий конец. Клин загибают и втягивают в зазор между гнездом ковша и скобой за тонкий конец усилием трения его о забой в процессе работы экскаватора, при этом скоба обжимает клиновые концы зуба до его плотной посадки на зуб. Обеспечивается беззазорная посадка зуба на ковш дешевыми и доступными средствами. 1 ил.

Изобретение относится к рабочему оборудованию экскаватора, точнее, к способам крепления зубьев ковша прямой лопаты, драглайна, обратной лопаты и пр.

Известен способ крепления зуба ковша экскаватора, согласно которому зуб ковша крепят скобой и клином, который забивают в зазор между гнездом ковша и скобой и загибают тонкий конец (см. RU 2002907 С1, 15.11.1993, E 02 F 9/28).

Недостатком известного способа является то, что при наличии значительных зазоров между посадочными поверхностями невозможно обеспечить надежную посадку зуба, так как для этого необходимо очень большое усилие забивки клина, которое трудно обеспечить в условиях забоя.

Цель изобретения - обеспечить надежное крепление зуба на ковше дешевыми и доступными средствами.

Достигается это тем, что клин загибают и втягивают в зазор между гнездом ковша и скобой за тонкий конец усилием трения его о забой в процессе работы экскаватора, при этом скоба обжимает клиновые концы зуба до его плотной посадки на ковш.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен зуб 1, насаженный на ковш 2 экскаватора, при этом прямоугольное отверстие 3 зуба 1 совмещено с гнездом 4 в ковше 2, опорные поверхности 5 зуба 1 и ковша 2 соприкасаются, а верхняя кромка отверстия 3 расположена ближе к опорной поверхности 5, чем верхняя кромка гнезда 4. В гнездо 4 и отверстие 3 введена скоба 6, клиновые поверхности 7 которой охватывают клиновые концы 8 зуба 1. В клиновой зазор между скобой 6 и верхней кромкой гнезда 4 забивают клин 9, тонким концом 10 направленный в сторону забоя, разрабатываемого экскаватором, при этом внешняя поверхность 11 скобы 6 со стороны тонкого конца 10 клина 9 выполнена по радиусу. Стрелкой 12 показано направление подъема ковша, стрелкой 13 -направление напорного движения ковша, стрелкой 14 - усилие затяжки клина 9, обеспечивающееся силами трения клина 9 о забой.

После установки на ковш нового комплекта зубьев начинают нормальную разработку забоя, при этом суммарное направление движения зуба ковша совпадает с его продольной осью, при этом его тонкий конец 10 клина 9 разрабатываемым грунтом загибается по профилю радиусной поверхности 11 скобы 6. Усилие трения (см. стрелку 14), величина которого иногда достигает десятков тонн, постоянно втягивает клин в клиновой зазор между верхней кромкой гнезда 4 и скобой 6. Обратному движению клина 9 препятствует его загнутый конец 10. Клиновые поверхности 7 скобы 6 стягивают клиновые концы 8 зуба 1 и уже через непродолжительное время работы ковша в забое зазор между поверхностями ковша 2 и посадочными поверхностями зуба 1 полностью исчезает, а ковш с зубьями начинает работать как единое целое.

Формула изобретения

Способ крепления зуба ковша экскаватора, согласно которому зуб ковша крепят скобой и клином, который забивают в зазор между гнездом ковша и скобой и загибают тонкий конец, отличающийся тем, что клин загибают и втягивают в зазор между гнездом ковша и скобой за тонкий конец усилием трения его о забой в процессе работы экскаватора, при этом скоба обжимает клиновые концы зуба до его плотной посадки на ковш.

Вывод: Изобретение обеспечивает плотную посадку зубьев с неточными литыми посадочными поверхностями на ковш, что значительно удешевляет изготовление, упрощает замену и способствует их более надежной и длительной работе.

Патент №3

Повышение износостойкости экскаваторных ковшей

Ковши гидравлических экскаваторов обычно эксплуатируются в тяжёлых условиях, постоянно подвергаясь абразивному изнашиванию и высоким нагрузкам, в том числе по уровню динамичности, что сказывается на сроке их службы. Обычно пользователи периодически проводят ремонтные работы для восстановления рабочих свойств ковшей, затраты на которые становятся существенными. Ковши, подвергнутые восстановлению, несмотря на частичную потерю свойств, остаются работоспособными. Высокий уровень качественных показателей ковшей удаётся восстановить, но ненадолго, так как после ремонта процесс изнашивания может происходить с большей интенсивностью. Хотя ремонт ковшей позволяет на некоторое время увеличить их износостойкость, но не решает проблему кардинально. Для существенного повышения срока службы ковшей требуется разработка новых износостойких конструкций в соответствии с пожеланиями пользователей оборудования. Новые конструкции экскаваторных ковшей (е-ковши) предназначены для установки на экскаваторах класса 6-40 т и в настоящее время поставляются на рынок. В статье рассмотрены вопросы разработки таких ковшей, устанавливаемых на оборудовании класса 20 т.

Разработка экскаваторных ковшей с удлинённым сроком службы.

Поскольку экскаваторные ковши при проведении работ постоянно находятся под воздействием разрабатываемого грунта и высоких нагрузок, для их изготовления применяются износостойкие материалы (стали). Изнашивание происходит в основном по тыльной стороне ковша, поэтому её желательно изготавливать из материала повышенной износостойкости, частичный износ наблюдается по режущей кромке, т.е. процесс изнашивания - неравномерный. Это свидетельствует о том, что ремонту следует подвергать лишь некоторые части поверхности ковша и его рабочих элементов, при этом происходит изменение его формы в связи с неравномерным износом отдельных частей. Цель разработки е-ковша - наиболее полное блокирование износа всех его поверхностей, а также повышение срока службы благодаря применению более прочных и износостойких материалов.

Ковши, разработанные фирмой "Комацу", благодаря изменению формы и конструкции рабочих элементов эффективны не только при разработке грунтов (улучшено внедрение в грунт), но и при погрузке самосвалов. Существенным фактором снижения финансовых затрат на ремонт ковшей является проведение этих работ с учётом следующих особенностей: использование более дешёвых, но износостойких материалов, а также технологий ремонта, которые не требуют большого объёма ручного труда и трудозатрат в целом.

Изменение формы донной части ковша с целью предотвращения повышенного износа кромочной зоны. При эксплуатации обычных экскаваторных ковшей наиболее активное изнашивание происходит по передней и задней кромочным частям, представляющим собой прямые линии, и наружной криволинейной поверхности донной части, менее активное изнашивание - по плоским боковым стенкам (рис.1). Причина этого заключается в том, что основные усилия прикладываются к ковшу только в ограниченных по площади зонах, и процесс изнашивания активизируется там, где имеют место резкое изменение кривизны внешней поверхности ковша.



Рис. 1. Внешний вид нового экскаваторного е-ковша (а) и обычного (б): 1 - донная часть из износостойкого материала; 2 - боковые поверхности из износостойкого материала

В конструкции е-ковшей изменена форма поверхности ковша: кривизна тыльной части выполнена с двумя переходными радиусами. Это исключает резкий перепад действующих усилий при копании, обеспечивает оптимальное распределение нагрузок, действующих на ковш со стороны грунта, что способствует расширению зоны приложения этих усилий, а значит, снижению удельного силового воздействия на эту поверхность ковша и, следовательно, уменьшению его износа в целом. На рис. 2 показана степень износа обычных ковшей и е-ковшей, на котором видно, что изнашивание е-ковшей, происходит более равномерно, т.е. исключается быстрое разрушение материала донной части от износа в наиболее нагруженных зонах (площадь износа обычных ковшей примерно в 1,8 раза меньше, чем у е-ковшей).

Упрочнение материала в зонах активного износа ковшей.

Кроме донной части, изнашиванию подвергаются боковые стенки ковша. Разработчики новых моделей ковшей стремились обеспечить упрочнение материала в зонах активного износа и сделать износостойкость донной части и боковых стенок одинаковой. В табл. 1 приведены методы такого упрочнения.

В общем, повышение толщины материала ковшей преследует цель предотвращения чрезмерного износа. В частности, использование для боковых стенок материала большей толщины обеспечивает увеличение их жёсткости и оптимизацию формы для эффективного распределения действующих усилий по площади донной части. Благодаря большему перекрытию боковых стенок ковша наряду с повышением износостойкости можно предотвратить и чрезмерное деформирование ковша.

Разработка ковшей с облегчённым внедрением в грунт. Повышение технических характеристик ковшей способствует снижению усилий проникновения зубьев и передней кромки ковша в грунт и упрощает наполнение его грунтом. Этим определяется степень сложности выполнения рабочих операций, производительность экскаваторов и возможность их эксплуатации на тяжёлых каменистых грунтах в горных районах. Вследствие облегчённого внедрения ковша в грунт снижаются силы сопротивления как при работе с небольшим заглублением ковша при параллельном расположении его донной части поверхности грунта, так и при копании грунта с глубоким погружением ковша. При этом улучшаются эксплуатационные характеристики ковша. Чрезмерное уменьшение радиусов сопряжения донной части, наоборот, ведёт к повышению сопротивления грунта, в результате чего применение таких ковшей на каменистых грунтах в ряде случаев становится невозможным. Как видно на рис. 3, угол ввода е-ковшей в грунт больше примерно на 3? при одинаковом вылете стрелы, а внедрение ковша в грунт облегчено.



Таблица 1

Факторы, способствующие повышению износостойкости экскаваторного ковша (е-ковша)

Номер	Мероприятия	Элементы ковша
		Днище и режущие кромки	Боковые части
1	Изменение конструкции ковша	1. Улучшение схода грунта по внутренней части ковша за счёт изменения формы днища: переход на плавную кривую (сочетание двух различных радиусов построения) 2. Закрепление сваркой пяти дополнительных износостойких пластин, повышающих жёсткость ковша и предохраняющих от износа днище и сварные швы	Изменение конструкции боковых стенок ковша, повышающих жёсткость и износостойкость
2	Использование новых конструкционных материалов	При изготовлении ковша используются легированные стали с высоким противодействием абразивному износу и высокими прочностными свойствами
3	Внедрение прогрессивных технологических процессов	В целях повышения надёжности конструкции ковша и выравнивания ресурса наиболее сильно изнашиваемых элементов используется термическая обработка, износостойкая наплавка режущих кромок и др.

Облегчённое проникновение ковша в каменистый грунт имеет место в случаях, когда задняя часть ковша выполнена в форме поверхности, образованной двумя радиусами кривизны. Схемы поступления грунта в ковш показаны на рис. 4.



Рис. 2. Внешний вид поверхности износа е-ковша (а) и обычного (б) ковша, которая принята за 1. При эксплуатации ковша износ зависит только от числа циклов контактирования его с грунтом (для ковшей обоих видов это число было одинаковым). Зона износа на е-ковше - сплошная, на практике износ равномерный и занимает более широкую область (снижение концентрированного действия грунта и, следовательно, удлинение срока службы)

При малом радиусе кривизны извлекаемый грунт поступает в ковш с затруднением, происходит быстрое накопление его у передней кромки, а шапка грунта препятствует его полному наполнению (расстояние от передней кромки ковша до зоны подъёма грунта незначительное, грунт скапливается у передней кромки, и наполнение ковша неудовлетворительное). Это происходит потому, что вследствие избыточного сопротивления поступление грунта в ковш затруднено. В случае, когда тыльная поверхность ковша образована двумя криволинейными поверхностями с различными достаточно большими радиусами кривизны, грунт при работе экскаватора будет заполнять весь объём ковша непрерывно и без рывков. Если грунт заполняет ковш плавно и равномерно, то расстояние, на котором происходит копание грунта, сокращается, грунт сосредотачивается в ковше и уплотняется. При этом сопротивление извлечению грунта уменьшается, а производительность повышается.

Улучшение конструктивного исполнения ковшей за счёт совершенствования технологий сборки и сварки. При изготовлении ковшей сборку боковых сторон донной части проводят путём сварки. Если имел место прогрессирующий рост износа донной части ковша, то сварочные швы внутри ковша со временем полностью изнашивались (рис. 5, эти зоны показаны треугольниками), что приводило к разрыву элементов ковша. Поэтому приходилось уменьшать вместимость ковша путём поднятия его донной части (при этом выступы боковых сторон ковша играли роль направляющих). В ряде случаев необходимости в частой замене донной части не было, так как основной износ имел место на выступах нижних боковых стенок. Такая конструкция имела недостаток - неполное использование внутреннего объёма ковша.

Для исключения этого недостатка на е-ковшах фирмы "Комацу" используется другая схема выполнения сварочных швов и соединения донной части с боковыми поверхностями (рис. 6.) При таком исполнении чрезмерное и преждевременное изнашивание сварочных швов исключается, а соединение боковых сторон и донной части становится надёжным. Продолжительность эксплуатации таких ковшей можно определить по внешнему виду, сроки их замены и ремонта значительно удлиняются (можно видеть, что условия эксплуатации и возникновения износа оптимизированы).

Изменение формы ковша при использовании износостойких материалов и элементов. На обычных экскаваторных ковшах для защиты донной части используются три вида износостойких элементов (накладок), а на е-ковшах фирмы "Комацу" - пять, при этом они укладываются и крепятся в горизонтальном положении (рис. 7). Для закрепления элементов применяется сварка. Поскольку грунт в процессе эксплуатации перемещается перпендикулярно положению накладок, износ сварочных швов снижается, нет задиров швов

Таблица 2

Основные параметры ковшей



Рис. 7. Схемы крепления боковых износостойких накладок на е-ковшах (а) и обычных ковшах (б): 1 - в поперечном направлении укладываются пять износостойких накладок; 2 - сварочные швы располагают перпендикулярно направлению перемещения грунта, поэтому их износ минимален, в результате срок службы ковшей увеличивается; 3 - изношенные сварочные швы, поэтому при работе возможен разрыв изношенных накладок; 4 - удлинённые износостойкие накладки, их замена требуется даже при изнашивании незначительной их части, что повышает расходы на ремонт



Общая оценка экскаваторных ковшей фирмы "Комацу". Результаты практических испытаний е-ковшей показали, что их срок службы примерно в 2 раза больше, а интенсивность износа ниже по сравнению с обычными ковшами. По своим техническим характеристикам такие ковши, используемые для копания грунта, удовлетворяют запросам пользователей, - такова оценка большинства специалистов. Применение новых экскаваторных ковшей эффективнее и выгоднее, чем старых образцов, в частности, при использовании новых ковшей в горных районах получено 5%-ное снижение потребления топлива вследствие уменьшения усилий внедрения ковшей при копании и повышения их износостойкости.

Основные технические характеристики обычных и е-ковшей фирмы "Комацу" приведены в таблице 2 и на рис. 8.

Вывод: Новые ковши получили высокую оценку пользователей и специалистов, их разработка велась при участии японских и зарубежных ("Ору Пацу", "Сапото" и др.) фирм. Износостойкие элементы для этих ковшей, обеспечивающих высокие технические параметры, и другие комплектующие поставляла поставляла в основном фирма KAPS. Аббревиатура "е" в названии этих ковшей означает три их свойства: стойкость к износу; наличие оптимальной формы для использования на грунтоизвлекающем оборудовании и простоту ремонтных работ (соответственно endurance, effective, easy maintenance).

Патент №4

Исследования физической модели ковша экскаватора с роликовым днищем

Экспериментально доказана возможность снижения энергоёмкости рабочего процесса экскаватора за счёт перехода от трения скольжения к трению качения скальных грунтов о днище ковша, выполненное из вращающихся вокруг горизонтальных осей роликов.

Ключевые слова: погрузка скальных грунтов, одноковшовый экскаватор, инновационный ковш, физическая модель, экспериментальные исследования

Увеличение объёмов капитального и дорожного строительства в России способствует динамичному развитию рынка нерудных материалов. Темпы его роста соответствуют увеличению общего рынка строительства и составляют 10-15% в год. Благодаря повсеместному распределению месторождений добыча и производство нерудных строительных материалов осуществляются практически во всех регионах страны.

Дальнейшее повышение эффективности использования техники в карьерах должно базироваться на энергосберегающих технологиях и решаться комплексно, в том числе в рамках разработки и внедрения высокопроизводительных машин и специализированного оборудования.

При решении задачи совершенствования технических средств, используемых в карьерах, были получены результаты исследований, позволившие установить среднестатистические параметры наиболее востребованного потребителями рабочего оборудования для добычи нерудных материалов. Этим параметрам в наибольшей мере отвечает гидравлический экскаватор со средней вместимостью ковша 2,3м3 (при варьировании этого показателя в интервале 0,65-8,00 м³), работающий в Ростовском регионе на погрузке песчаника в карьере со средним объёмом годового производства 139000 м³ [1].

Процесс черпания является одной из основных операций рабочего цикла одноковшового экскаватора, а зависимость сопротивлений внедрению ковша в грунт от соответствующей его глубины WВН.К (S)- одной из базовых зависимостей, характеризующих размерно-геометрические параметры ковша. При решении задачи совершенствования таких машин, используемых на погрузке скальных грунтов, ряд исследователей рекомендует варьировать конструктивные параметры экскаваторного ковша, рассматривая сопротивления его внедрения WВН.К в массив грунта как сумму сопротивления WВН.ДН внедрения днища (определяемого сопротивлением формируемого при этом ядра уплотнения WЯД и непосредственно плоскости днища WПЛ) и сопротивления внедрения стенок ковша WВН.ДН[2], т.е.

WВН.К = WВН.ДН + WВН.СТ = (WЯД + WПЛ) + WВН.СТ (1) или WВН.К = 10 [B (0.1dЭФ S + Kв1 S2) + 0.24dСР А1,5 х (1,45 - С1) (S-S1) 2 ]*2 0,1 б KУС KГТ KТП,

где WВН.К - полное сопротивление внедрению ковша, H; B - ширина днища ковша, см; dЭФ - эффективный "диаметр" частиц, т.е. усредненный их "диаметр", одновременно взаимодействующих с передней кромкой ковша, см; S - глубина внедрения ковша, см; Kв1 = 0,25 + 0,034в1 - коэффициент, учитывающий угол в1 наклона днища ковша к разрабатываемой поверхности грунта, градус; А - угол наклона передней кромки боковой стенки ковша к грунтовой поверхности, рад; C1 - угол отклонения боковой стенки от вертикали, рад; (S-S1) - глубина внедрения боковых стенок, см; S1 - длина выступающей части днища относительно боковых стенок, см; б - угол наклона грунта к горизонту, градус; KУС - коэффициент, учитывающий влияние угла сопряжения боковых стенок с днищем; KГТ - коэффициент, учитывающий влияние горнотехнических условий; KТП - коэффициент, характеризующий "трудности" процесса погрузки, т.е. состояния грунта, разрыхлённость горной массы после взрыва.

Целесообразность улучшения рабочих качеств элементов ковша определялась по результатам оценки весомости факторов влияния на технико-эксплуатационные показатели одноковшовых экскаваторов. Для оценки значимости сопротивлений внедрения днища WВН.ДН и стенок WВН.СТ в полном сопротивлении внедрению ковша WВН.К - выполнялись преобразования по определению уравнений, описывающих соотношения WВН.ДН/ WВН.К и WВН.СТ/ WВН.К:

и WВН.СТ/ WВН.К = 1 - WВН.ДН/ WВН.К

По результатам вычислений строился график (рис. 1) зависимостей

WВН.i/ WВН.К = ѓ(B/dСР)

Границы области значимости определялись по выражениям [3]:

B = 1,2 или B/dСР = 1,2 / dСР,

где E - вместимость ковша.

Анализ полученных зависимостей свидетельствует о том, что в ковшах вместимостью более 0,65 м³ сопротивление внедрению днища ковша WВН.ДН составляет 80% и более. Это делает нецелесообразным при совершенствовании рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов улучшение рабочих качеств боковых стенок. Решение задачи следует искать в направлении улучшения рабочих свойств днища ковша.

Снижение энергоёмкости процесса внедрения ковша экскаватора возможно за счёт уменьшения коэффициента трения грунтов о днище путём перехода от трения скольжения к трению качения.

Предлагаемая конструкция ковша с роликовой рабочей поверхностью [4] (рис. 2) позволяет решить эту задачу за счёт того, что в ковше экскаватора 1 днище 3 выполнено в виде совокупности роликов, устанавливаемых с возможностью вращения относительно осей, закреплённых на боковых стенках 2.

При создании полноразмерных образцов одноковшовых экскаваторов от правильного определения нагрузок на элементы рабочего оборудования зависят работоспособность конструкции, её надёжность и масса, а также энергоёмкость рабочего процесса. Определение фактических значений нагрузок при проведении натурных испытаний экскаватора - процесс трудоёмкий и требующий значительных временных и финансовых затрат. Снизить последние при выполнении экспериментальных исследований позволяет разработка и использование физической модели.

Общее построение методики экспериментальных исследований рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели подчиняется следующим принципам:

· формулирование цели исследований и решаемых в процессе эксперимента задач;

· определение факторов, влияющих на рабочие процессы;

· установление значений постоянных и пределов изменения переменных факторов, принятых к исследованию;

· разработка методов решения поставленных задач и техники обработки получаемых результатов;

· проектирование экспериментального образца.



Рис. 1. Зависимости W_ВН.i / W_ВН.К от соотношения B/d_СР:

1 - W_ВН.ДН/ W_ВН.К;

2 - W_ВН.СТ/ W_ВН.К

Исследования рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели включали в себя рассмотрение следующих вопросов:

v уточнение механизма взаимодействия с рабочей средой роликовой поверхности днища ковша;

v получение количественных показателей, характеризующих рабочий процесс экскаватора.

При исследовании процессов взаимодействия рабочего оборудования одноковшового экскаватора с разрыхлёнными скальными грунтами на физической модели необходимо обеспечить подобие с натурным объектом в следующих аспектах:

· силовое (т е. наличие сопротивлений внедрению и черпанию); внутренних напряжений (при статическом приложении нагрузки);

· объёмов единичного зачёрпывания (при перемещении рабочего оборудования с малыми скоростями в реальном времени).

При этом основными исследуемыми процессами являются:

· внедрение ковша в рабочую среду (штабель грунта);

· зачёрпывание порции материала и передача его на последующее транспортное звено.

При проектировании физической модели необходимого оборудования одноковшового экскаватора в качестве базы использовался стенд для исследования рабочих процессов технологических машин Шахтинского института (филиала) ЮРГУ (НПИ) (рис. 3).

Учёт возможностей экспериментальной установки позволяет выделить совокупность факторов, влияющих на рабочие процессы (табл. 1).

Таблица 1

Совокупность факторов, влияющих на рабочие процессы

Фактор	Значение
Высота штабеля грунта, м	0,7
Ширина штабеля, м	1,5
Угол откоса штабеля, градус	45
Форма откоса штабеля	Прямолинейная
Погружаемая порода: тип крепость* средний размер частиц, м максимальный размер частиц, м насыпная плотность, кг/м3	Песчаник 14 0,06 0,15 1400
Характеристики рабочих цилиндров: ход, м диаметр поршня/штока, м	0,205 0,055/0,025
Угол разворота рукояти манипулятора, градус	0
Скорость перемещения ковша при внедрении	Максимальная
Скорость подачи тележки	0

Линейные размеры физической модели рабочего оборудования экскаватора (рис. 4) принимались с учётом моделирования процесса погрузки скальных грунтов с крупностью частиц dСР = 180-120 мм (параметром модели является ширина ковша). Физическая модель была выполнена в масштабе 1:3 по отношению к натурному образцу. Для оценки влияния коэффициента трения скальных грунтов о днище ковша на энергоёмкость процесса внедрения днище было выполнено в трёх вариантах (рис. 5): сплошными металлическими и с роликами - металлическими и пластиковыми.

При выполнении экспериментальных исследований для установления силовых характеристик процесса взаимодействия ковша со штабелем грунта использовался метод сбора количественных данных, предусматривающий видеорегистрацию рабочих параметров.

Измерительная система (рис. 6) состояла из манометра 1 (регистрирующего давление в напорной линии гидросистемы); мерной линейки 2 (позиционирующей процесс выдвижения штока рабочего цилиндра ковшового оборудования); видеокамеры 3 (осуществляющей видеозапись осуществляющей видеозапись регистрируемого давления в рабочем цилиндре pi и ход Si его штока).

Рис. 3. Стенд для исследования рабочих процессов технологических машин: 1 - штабель погружаемого материала; 2 - гидроманипулятор; 3- пульт управления; 4 - рукава высокого давления; 5 - силовая электрогидравлическая установка



Рис. 4. Конструктивная схема физической модели рабочего оборудования одноковшового экскаватора: 1 - ковш; 2 - шарнирно- рычажный механизм; 3 и 4 - гидроцилиндры поворота и перемещения ковша

Программа эксперимента была построена на основе следующих положений:

· сопротивления внедрению ковша в функции глубины внедрения определяют для каждого из трёх экспериментальных образцов;

· исследования с каждым из ковшей проводятся при постоянстве совокупности основных влияющих факторов;

· во всех сериях опытов строго изучается влияние одного фактора при постоянстве остальных.

Рис. 5. Конструкции экспериментальных ковшей со сплошным металлическим (а), роликовым металлическим (б) и роликовым пластиковым (в) днищами.

Рис. 6. Измерительная система: 1 - манометр; 2 - мерная линейка; 3 - видеокамера



Экспериментальные исследования процесса взаимодействия ковша с погружаемым материалом на разработанной физической модели рассмотренными способами позволили получить искомые данные для оценки влияния коэффициента трения скальных грунтов о днище ковша на энергоёмкость процесса внедрения и уточнения математического описания рассматриваемого рабочего процесса.

При разработке результатов исследований (видеограмм) и построении графиков (холостой ход, рабочий ход) первоначально заполнялись таблицы значений Я-точек (давление в рабочем цилиндре pЯ и ход штока SЯ), полученных экспериментальным путём. Строились аппроксимирующие зависимости (рис. 7), получаемые методом наименьших квадратов, а затем зависимость ? pЯ , определяющая разность pЯ (рабочий ход - холостой ход).

Рис. 7. Зависимости давления p_i в рабочем цилиндре от хода S_i для ковшей со сплошным металлическим (а), роликовым металлическим (б) и роликовым пластиковым (в) днищами: ^ - рабочий ход; - холостой ход; ? - аппроксимирующие зависимости; p_i - рабочее давление при внедрении ковша в грунт



Для оценки адекватности расчётных значений реальному процессу был выполнен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных зависимостей сопротивлений WВН.КЯ внедрению ковша в штабель грунта от глубины SЯ его внедрения (рис. 8).

При построении точек экспериментальных зависимостей

WЭВН.КЯ = ѓ(Si)

в качестве базовых использовались зависимости ? pi с учётом результатов расчёта, проведённого по формуле:

W ЭВН.КЯ = 0,25 D 2? pЯ, кН,

где D - диаметр поршня рабочего цилиндра, м.

Анализ полученных зависимостей WЭВН.КЯ = ѓ(SЯ), приведённых на рис. 8, свидетельствует о том, что сопротивления внедрению у ковшей с роликовыми днищами меньше, чем у ковша со сплошным металлическим днищем. Чтобы учесть влияние триботехнических свойств рабочей поверхности днища ковша на формирование сопротивления внедрению, в базовую математическую модель (1) был введён соответствующий коэффициент Kѓ.

Точки теоретической зависимости строились на основании результатов расчёта по формуле:

WТВН.К = WТВН.ДН + WТВН.СТ = (WТЯД + KѓWТПЛ)+ WТВН.СТ, (2)

где Kѓ - коэффициент, учитывающий улучшение триботехнических свойств рабочей поверхности днища ковша относительно плоской металлической, (и - коэффициент трения грунта по роликовому и гладкому днищу).

Значения Kѓ для построения теоретических зависимостей определялись с учётом величин WЭВН.КЯ , взятых из результатов проведённых экспериментальных исследований, и уточнённой математической модели (2) как средние значения переменных параметров точек рассматриваемой совокупности в данном интервале изменения хода SЯ.

где Kѓi - значение случайной величины; n - количество опытов,

Kѓi = (WЭВН.Кi - WТВН.СТi - WТЯДi)/ WТПЛi.

Получены значения Kѓ были сведены в табл. 2.

В результате анализа и сопоставления зависимостей, построенных по экспериментальным и расчётным данным (рис. 8), было установлено, что полученная теоретическая зависимость (2) позволяет с достаточной точностью описать процесс формирования сопротивления внедрению ковша в штабель в функции от глубины его внедрения с учётом улучшения триботехнических свойств рабочей поверхности днища ковша относительно плоской металлической.

Расположение точек теоретической зависимости внутри зоны допустимых значений свидетельствует об адекватности расчётных моделей реальному процессу при принятой доверительной вероятности в = 0,85 и относительной ошибке в определении среднего значения, не превышающей 20%.



Таблица 2

Значения Kѓ исследуемых ковшей

Параметры ковша	Днище
	сплошное металлическое	роликовое металлическое	роликовое пластиковое
, градус	39,5	18,5	11
KIТР	0,824	0,335	0,194
Kѓ	1,000	0,406	0,236

Примечание: и KIТР - угол и коэффициент трения грунта по днищу (I = п; I = р)

Приведённые результаты экспериментальных исследований послужили основой для оценки уровня повышения эффективности процесса погрузки скальных грунтов от использования ковшей с роликовым днищем, которая выполнена на примере экскаваторов с ковшами вместимостью 0,65-8 м³.

Уровень повышения эффективности процесса внедрения оценивался удельным показателем:

?ЭФ = (1 - WРВН.Кi / WПВН.Кi) max.

Для возможности сопоставления ковшей разного типоразмера получены зависимости сопротивления внедрению приводились к единице объёма рассматриваемого ковша WВН.К/E.

В рамках выполнения данного этапа работы были рассчитаны значения и построены зависимости удельного сопротивления внедрению в грунт WВН.К/E от глубины внедрения для базовых ковшей вместимостью 0,65-8 м³ и проектируемых на их основе ковшей с роликовым днищем (рис. 9).

Выполнение расчёты позволяют прогнозировать уровень повышения эффективности от внедрения ковша с роликовым днищем (рис. 10, 11). Анализ рис. 10 и 11 свидетельствует о том, что удельное сопротивление внедрению у ковшей с роликовым днищем существенно меньше, чем у их базовых аналогов. При этом с увеличением вместимости ковша в диапазоне 0,65-8 м³ показатель эффективности достигает 35% и более (см. рис. 11), следовательно, технический уровень предлагаемого инновационного ковша с роликовым днищем намного выше базового.

Рис. 8. Теоретические (?) и экспериментальные () зависимости сопротивлений внедрению ковшей W_ВН.Кi со сплошным металлическим (1), роликовым металлическим (2) и роликовым пластиковым (3) днищами от глубины S_i их внедрения

Рис. 9. Зависимости удельных сопротивлений внедрению базового (а) и инновационного (б) ковшей в грунт W_ВН.К/E от их глубины внедрения S и вместимости E: 1 - 0.65 м³; 2 - 1.0 м³; 3 - 1,2 м³; 4 - 1,6 м³; 5 - 2,5 м³; 6 - 4.0 м³; 7 - 5,2 м³; 8 - 8,0 м³

Рис. 10



Рис. 11. Уровень повышения эффективности ?_ЭФ процесса внедрения ковша в штабель в зависимости от его вместимости

Вывод: Проведённые исследования показали, что использование с роликовым днищем обеспечит существенное снижение энергозатрат одной из основных рабочих операций процесса погрузки нерудных материалов на карьерах.



Вывод по результатам патентного исследования

В процессе проведения патентного исследования удалось выяснить, что патент под номером 4 (Исследования физической модели ковша экскаватора с роликовым днищем) является наиболее приемлемым в модификации одноковшового гидравлического экскаватора. Так как по сравнению с известными техническими решениями предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества:

1. Снижение энергоёмкости процесса внедрения ковша экскаватора было достигнуто за счёт уменьшения коэффициента трения грунтов о днище путём перехода от трения скольжения к трению качения. Предлагаемая конструкция ковша с роликовой рабочей поверхностью позволяет решить задачу по снижению энергоёмкости процесса внедрения ковша за счёт того, что в ковше экскаватора днище выполнено в виде совокупности роликов, устанавливаемых с возможностью вращения относительно осей, закреплённых на боковых стенках.

2. Анализ полученных зависимостей WЭВН.КЯ = ѓ(SЯ), свидетельствует о том, что сопротивления внедрению у ковшей с роликовыми днищами меньше, чем у ковша со сплошным металлическим днищем;

3. Выполнение расчёты позволяют прогнозировать уровень повышения эффективности от внедрения ковша с роликовым днищем. Анализ рис. 10 и 11 (в патентном исследовании №4) свидетельствует о том, что удельное сопротивление внедрению у ковшей с роликовым днищем существенно меньше, чем у их базовых аналогов. При этом с увеличением вместимости ковша в диапазоне 0,65-8 м³ показатель эффективности достигает 35% и более (см. рис. 11), следовательно, технический уровень предлагаемого инновационного ковша с роликовым днищем намного выше базового.



Список литературы

1. Богомолов А.А. Технические основы создания машин. Учебное пособие. - Белгород: Издательство БГТУ, 2008. - 195с.

2. Ляшенко Ю.М., Ляшенко А.Ю. Статические исследования оборудования для производства карьерных работ при добыче нерудных материалов в условиях Ростовского региона // Изв. Вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2011. №4. С. 117-120.

3. Ерейский В.Д., Полежаев В.Г., Иванов О.П. К определению сопротивления внедрению ковша в сыпучий материал // Грузоподъёмные и транспортные установки: Сб. науч. тр. / НПИ. Новочеркасск, 1975. Т. 313. С. 93-95.

4. Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров: Учеб. Для вузов. 5-е изд., перераб. И доп. М.: Издательство МГГУ, 2003. 606 с.

5. Пат. На полезную модель RU 101 056 U1, МПК E02F 3/40 (2006.01). Рабочий орган одноковшового экскаватора / Ю.М. Ляшенко, Е.А. Ревякина, №2010128718/03. Заявл. 09.07.2010. Опубл. 10.01.2011. Бюл №1.

6. http://www.freepatent.ru.

7. http://www1.fips.ru

8. Крикун В.Я. Расчет сопротивления грунта резанию и копанию при переменной толщине стружки//Строительные и дорожные машины, №2, 2001.

9. Дмитриев В.Д., Крагель А.А., Пшеничников В.А. Экскаваторы и другие землеройные машины. Открытое акционерное общество "Уральский завод тяжелого машиностроения", 1997. 10. Воронцов Анатолий Николаевич (RU) общество с ограниченной ответственностью "СМАРТ" (ООО "СМАРТ") (RU), 2010.

11. Беркман И.Л. Универсальные одноковшовые строительные экскаваторы / И.Л. Беркман, А.В. Раннев, А.К. Рейш. - М., Машиностроение, 1977 г.

Размещено на Allbest.ru