Материал: Патентное исследование с целью модернизации гидравлического экскаватора

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)

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.

ВН.К = WВН.ДН + WВН.СТ = (WЯД + WПЛ) + WВН.СТ (1) или WВН.К = 10 [B (0.1dЭФ S + Kβ1 S2) + 0.24dСР А1,5 х (1,45 - С1) (S-S1) 2 ]*2 0,1 α 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; Kβ1 = 0,25 + 0,034β1 - коэффициент, учитывающий угол β1 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; α - 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

ВН.i/ WВН.К = ƒ(B/dСР)

Границы области значимости определялись по выражениям [3]:

= 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.