ОПОРНАЯ РАМА ШАГАЮЩЕГО ЭКСКАВАТОРА

Полезная модель относится к горнодобывающим машинам, а именно к частям шагающего экскаватора и может быть использована как опора для восприятия нагрузок от поворотной платформы шагающего экскаватора и передачи их на грунт, а также для вращения поворотной платформы экскаватора на 360° вокруг своей оси, при передвижении экскаватора и подъеме-опускании ковша вместимостью 10-11 куб.м. Область применения шагающих экскаваторов: горнодобывающая промышленность и строительство гидротехнических сооружений.
Известна конструкция опорной рамы шагающего экскаватора (патент на полезную модель RU 142619 U1, опуб. 27.06.2014), выполненная в виде круглой плиты, состоящей из отдельных транспортабельных частей, соединенных посредством высокопрочных болтов и электрозаклепов, содержащей нижний опорный настил, верхний настил с кольцевыми приварными постелями под нижний рельсовый круг и зубчатый венец и утолщенным вварным цельным опорным листом под цапфу центральную, систему взаимно пересекающихся вертикальных продольных и поперечных стенок, образующих пространственную раму, разбивающую опорную плиту на три отдельные секции, образованных разделением круговой плиты вертикальными параллельными плоскостями на две одинаковые боковые части и расположенную между ними центральную часть.
К недостаткам известной опорной рамы следует отнести большой габарит и вес центральной секции, затрудняющий транспортировку и монтаж опорной рамы. Также к недостаткам известной модели следует отнести большое количество люков доступа, ослабляющих жесткость верхнего настила, увеличивающих материалоемкость и трудозатраты на их изготовление. Соединения секций выполнены с помощью электрозаклепок, что считается не технологичным за счет высокой нагрузки на сварное соединение и приводящем к преждевременному разрушению соединения.
Известна конструкция опорной рамы шагающего экскаватора, выполненная в виде круглой плиты, имеющей нижний и верхний настил с рядами кольцевых и поперечных балок, выполненных в виде листового металла, состоящая из одной центральной и нескольких (более трех), концентрично расположенных к центральной, радиальных секций, соединенных болтовыми высокопрочными соединениями (см. «Горное оборудование Уралмашзавода», Екатеринбург: «Уральский рабочий», 2003 г, стр. 30-32).
К недостаткам известной рамы следует отнести большое (более трех) количество радиальных секций, требующих дополнительных затрат на количество высокопрочных болтовых соединений, а также требующих увеличения количества технологических операций на соединение секций между собой и их последующую механическую обработку.
Известна конструкция опорной рамы шагающего экскаватора (патент на полезную модель RU 96584 U1, опуб. 10.08.2010), состоящая из четырех частей, центральной и трех наружных концентрично-расположенных к центральной части, соединенных между собой высокопрочным болтовым соединением, имеющих кольцевые, поперечные и продольные пересекающиеся балки, соединенные с верхним и нижним настилом с помощью сварного соединения, причем соединение наружной кольцевой балки и части верхнего настила, в виде опорной поверхности под нижний рельсовый круг, усилено частично Г-образной балкой. Между наружной кольцевой и внутренней кольцевой балками наружных секций на нижнем настиле также установлены Г-образные балки. На опорной поверхности нижнего настила рамы имеются зубообразные платики для предохранения его от истирания.
К недостаткам известной рамы следует отнести недостаточную жесткость конструкции верхнего настила. Так как верхний настил выполнен в составном варианте с помощью стыкового шва сварного соединения опорных поверхностей под нижний рельсовый круг и венцовую шестерню с основным металлом верхнего настила, существует вероятность разрушения сварного соединения опорных поверхностей с основным металлом верхнего настила ввиду значительных знакопеременных нагрузок на опорные поверхности, и, как следствие, механическая деформация с последующим разрушением продольных и поперечных балок металлоконструкции рамы. Так же к недостаткам известной рамы необходимо отнести установку Г-образных балок на нижний настил между наружными и внутренними кольцевыми балками. Целесообразность установки данных Г-образных балок, в случае увеличения жесткости, не подтверждена расчетами и в случае установки в указанном порядке будет провоцировать труднодоступность обслуживающего и ремонтного персонала внутрь секций.
Указанная известная рама по совокупности существенных признаков принята в качестве наиболее близкого аналога (прототипа) заявляемой опорной рамы.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является усовершенствование конструкции опорной рамы шагающего экскаватора, направленное на повышение запаса прочности.
Техническая проблема решается с помощью предлагаемой полезной модели, согласно которой опорная рама шагающего экскаватора, выполнена в виде четырех секций сварных пространственных металлоконструкций, соединенных между собой болтовым высокопрочным соединением, причем одна секция является центральной и имеет форму круга, остальные три равные секции концентрично соединены между собой и центральной секцией так, что образуют единую конструкцию взаимно пересекающихся вертикальных кольцевых и вертикальных продольных балок, соединенных сварными соединениями с верхним и нижним настилами секций, на нижний настил и центральную секцию дополнительно установлены ребра жесткости.
Кроме этого, в частной форме выполнения опорной рамы шагающего экскаватора:
- дополнительные ребра жесткости, установленные на нижний настил, выполнены в виде вертикальных стоек с толщиной стенки не менее 8 мм;
- дополнительные ребра жесткости, установленные на нижний настил, расположены накрест-лежащими на всей поверхности нижнего настила разделяя сегменты между вертикальными кольцевыми и вертикальными продольными стенками на равные симметричные части относительно центра каждого сегмента;
- дополнительное ребро жесткости, установленное в центральной секции, выполнено в виде цилиндрической обечайки с толщиной стенки не менее 16 мм;
- дополнительное ребро жесткости, установленное в центральной секции, расположено в центре центральной секции и служит основанием для вертикальных сварных швов вертикальных продольных стенок центральной секции.
Технический результат, полученный от полезной модели, заключается в повышении запаса прочности, то есть количества рабочих циклов, металлоконструкции опорной рамы.
Более подробно заявленная полезная модель поясняется чертежами, на которых изображено следующее:
Фиг. 1 - Общий вид опорной рамы;
Фиг. 2 - Нижний настил опорной рамы;
Фиг. 3 - Металлоконструкция секций опорной рамы;
Фиг. 4 - Усиление металлоконструкции секций;
Фиг. 5 - Расчет запаса прочности опорной рамы, устанавливаемой на шагающих экскаваторах ЭШ 10/70;
Фиг. 6 - Расчет запаса прочности заявленной опорной рамы.
Опорная рама шагающего экскаватора выполнена в виде четырех секций сварных пространственных металлоконструкций, соединенных между собой болтовым высокопрочным соединением. Опорная рама шагающего экскаватора содержит центральную секцию 1, выполненную в форме круга, три равные концентрично-расположенные секции 2, зубчатый венец 3, роликовый круг 4 имеющий нижний рельс, центральную цапфу 5, верхний настил 6 и нижний настил 7. Секции 2 соединены между собой и центральной секцией 1 так, что образуют единую конструкцию взаимно пересекающихся вертикальных кольцевых 8, продольных 9 и поперечных 10 балок, выполненных из листового металла, ограниченных и установленных с помощью сварных соединений верхним и нижним настилом, выполненных из листового металла. На нижний настил секций дополнительно установлены ребра жесткости 11 выполненные в виде вертикальных балок из листового металла с толщиной стенки не менее 8 мм, расположенные накрест-лежащими на всей поверхности нижнего настила, разделяя сегменты между вертикальными кольцевыми и вертикальными продольными балками на равные симметричные части относительно центра каждого сегмента. Также установлено дополнительное ребро жесткости 12 в центре центральной секции, выполненное в виде цилиндрической обечайки с толщиной стенки не менее 16 мм, служащая основанием для вертикальных сварных швов вертикальных продольных балок центральной секции.
Опорная рама шагающего экскаватора работает следующим образом.
В процессе работы и перемещения шагающего экскаватора на опорную раму воздействуют следующие основные нагрузки: нагрузки на опорную поверхность нижнего рельса 4 роликового круга от общего веса поворотной платформы и стрелы с ковшом при работе и перемещении экскаватора, нагрузки на опорную поверхность под центральную цапфу 5, возникающие от изгибающего момента на самой цапфе при перемещении экскаватора, нагрузки на зубчатый венец 3 при повороте экскаватора, а также нагрузки на пятно контакта опорной поверхности нижнего настила 7 при опускании всего экскаватора в процессе перемещения с усилием до 650 кН.
Для подтверждения технического результата были проведены расчеты с различными схемами нагружения металлоконструкций заявленной опорной рамы и опорной рамы известной конструкции, серийно изготавливаемой и устанавливаемой на шагающих экскаваторах ЭШ 10/70 «Новокраматорским машиностроительным заводом», соответствующие различным сценариям работы экскаватора. Расчеты были произведены с помощью программы конечно-элементного анализа «Ansys». Наибольшую эффективность расчетов с предоставлением количественных показателей позволил получить анализ металлоконструкции опорной рамы при ее нагружении в виде цикличного перемещения (опускании при шагании) экскаватора.
Первоначально был произведен расчет запаса прочности металлоконструкции известной опорной рамы, устанавливаемой на шагающих экскаваторах ЭШ 10/70 (Фиг. 5), при нагружении металлоконструкции в виде цикличного перемещения (опускании при шагании) экскаватора, где за единицу принято количество нагружений в 1 миллиард циклов. Согласно результатам расчетов программы, запас прочности составил 0,329, что соответствует 329 миллионам циклов.
Затем был произведен расчет запаса прочности металлоконструкции заявленной опорной рамы (Фиг. 6), с такими же условиями нагружения. Согласно результатам расчетов программы, запас прочности заявленной опорной рамы составляет 0,433, что соответствует 433 миллионам циклов.
В результате указанных расчетов было выявлено увеличение запаса прочности заявляемой опорной рамы на 32%.
Необходимо отметить, что программа «Ansys» при расчете данного нагружения имитирует и рассчитывает приложение усилия в конкретном пятне контакта металлоконструкции, без учета множества дополнительных нагрузок, возникающих при работе экскаватора, и при эталонных условиях изготовления металлоконструкции, поэтому величина запаса прочности и количество циклов являются величиной относительной, но при этом информативной и подтверждающей эффективность получения положительного технического результата.
Ранее известные конструкции опорной рамы шагающего экскаватора обладали низким уровнем запаса прочности металлоконструкций, то есть количеством рабочих циклов экскаватора, так как в процессе работы шагающего экскаватора на опорную раму воздействуют знакопеременные нагрузки при различных температурных режимах, листовой металл и сварные соединения секций подвергались преждевременному разрушению.
На АО «Черногорский ремонтно-механический завод» разработана конструкторско-технологическая документация на изготовление опорной рамы с применением заявленной полезной модели, согласно которой в опорной раме установлены дополнительные ребра жесткости.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет достичь технический результат, заключающийся в повышении запаса прочности, и, как следствие, увеличить срок службы и межремонтный интервал металлоконструкций опорной рамы.