Зуб ковша усиленный

1. Область применения.
Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к одноковшовым карьерным экскаваторам циклического действия, и может быть использована в горнодобывающей промышленности для разрушения и выемки горных пород и грунтов любой прочности после предварительного рыхления.
2. Уровень техники.
В нашей стране наибольшее применение в эксплуатации получили цельные зубья, изготавливаемые литьем или штамповкой. Типовыми образцами цельнолитых зубьев можно считать прямые зубья симметричной клиновидной формы или изогнутые зубья, рабочий клин которых отклонен от оси зуба на 7-8°, зубья с более сложной криволинейной формой встречаются реже и практически не используются. При этом зубья с криволинейными формами больше подходят рабочему процессу ковша и могут оказаться более эффективными и долговечными. Для производства литых зубьев применяется сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда), среди преимуществ которой высокое сопротивление износу (истиранию) при больших давлениях или ударных нагрузках, также характерная для нее высокая пластичность. Указанные преимущества обусловлены ярко выраженным в этой стали явлением наклепа, который происходит в этой стали при ударных нагрузках и выражается в увеличении прочности и твердости поверхностных слоев детали, подвергнувшихся нагартовке.
1. Известен цельнолитой зуб ковша [1], включающий клинообразную рабочую часть с криволинейными рабочими поверхностями, включающую ребра усиления и режущую грань, смещенную относительно продольной оси зуба, и хвостовую часть в виде вилки для закрепления на корпусе ковша. На боковых гранях зуба выполнены криволинейные козырьки, закрывающие режущую кромку передней стенки ковша. Предполагается, что такая форма должна увеличить долговечность зуба, однако режущая кромка, смещенная вверх от продольной оси зуба, нарушает нормальное обтекание зуба грунтом, из-за чего быстро стачивается и затупляется, самозатачивания не происходит. Криволинейные рабочие поверхности зуба обходятся грунтом практически по касательной, что не приводит к наклепу поверхности у стали 110Г13Л, а приводит только к механическому истиранию и быстрому износу зуба.
2. Известен цельнолитой самовнедряющийся зуб ковша [2], включающий клинообразную рабочую часть с прямолинейными рабочими поверхностями, включающую ребра усиления и режущую грань, смещенную относительно продольной оси зуба вниз, и хвостовую часть в виде вилки для закрепления на корпусе ковша. Верхняя и нижняя рабочие поверхности зуба имеют малый угол заострения между собой и обеспечивают самозатачивание в процессе эксплуатации, так как режущая кромка на протяжении всей эксплуатации остается относительно тонкой. Наклон режущей кромки вниз так же снижает ее быстрое затупление, так как такое направление соответствует потоку грунта, наполняющего ковш. Однако рабочие поверхности этого зуба так же обходятся грунтом практически по касательной, что не приводит к упрочнению поверхностного слоя марганцовистой стали, из которой изготовлен зуб. Таким образом, не достигается долговечность работы этого зуба.
3. Известен цельнолитой зуб ковша [3], включающий клинообразную рабочую часть с криволинейными рабочими поверхностями, включающую ребра усиления и режущую грань, смещенную относительно продольной оси зуба, увеличенную переходную часть с внутренней полостью, выходящей на опорную поверхность, и хвостовую часть в виде вилки, дополнительно усиленную ребрами, для закрепления на корпусе ковша. Данная конструкция взята авторами за прототип. Данный зуб имеет преимущество над ранее рассмотренными конструкциями в том, что наиболее подходящий для процесса черпания профиль рабочих поверхностей, при этом конструкция не лишена следующих недостатков. Увеличенная длина зуба из-за развитой переходной части, в которой размещена технологическая полость, как и сама полость увеличивают общую нагруженность конструкции. Полость сделана для лучшей прокаливаемости материала при термообработке, но она значительно снижает площадь опирания в зоне контакта зуба с передней стенкой, что существенно повышает нагрузки в этом месте. Вытянутая за счет развитой переходной части вперед рабочая часть увеличивает изгибные нагрузки на зуб, которые выламывают его хвостовую часть из заделки, что требует дополнительного усиления ребрами хвостовых элементов. В отличие от предлагаемой конструкции рабочие поверхности зуба никак не реализуют эффект наклепа в материале, не реализована футеровка зуба частичками грунта, нет самозатачивания в процессе эксплуатации.
3. Раскрытие полезной модели.
Целью полезной модели является увеличение эффективности работы карьерных экскаваторов при одновременном сокращении эксплуатационных затрат.
Техническими результатами являются повышение износостойкости, увеличение срока службы и длительное сохранение эффективности резания рабочего органа экскаватора.
Указанная цель и результаты достигаются зубом ковша, выполненным в соответствии с формулой полезной модели, применением современных материалов, а также в сочетании с обеспечением заданных технических требований и соблюдением технологии изготовления.
4. Краткое описание чертежей.
Признаки и преимущества настоящей полезной модели станут очевидными из следующего описания технической сущности ее осуществления и прилагаемых к описанию рисунков со сквозной нумерацией, на которых:
- на фиг. 1 изображен чертеж уширенного зуба ковша,
- на фиг. 2 изображен уширенный зуб ковша, вид общий,
- на фиг. 3 изображен уширенный зуб ковша, изометрия,
- на фиг. 4 изображен чертеж зуба ковша с «крыльями»,
- на фиг. 5 изображен зуб ковша с «крыльями», вид общий.
- на фиг. 6 изображен зуб ковша с «крыльями», изометрия,
- на фиг. 7 изображена схема футеровки зуба грунтом при эксплуатации,
- на фиг. 8 изображена схема процесса самозатачивания зуба.
5. Осуществление полезной модели.
1
2
3
1
2
1
2
3
1. Конструкция предлагаемого цельнолитого зуба ковша в двух вариантах исполнения представлена на фиг.1-3 (уширенный зуб) и на фиг. 4-6 (зуб с «крыльями»). Усиленный зуб ковша выполнен цельнолитым и состоит из носовой (рабочей) части в форме клина, плавно переходящей в хвостовую часть в форме вилки, предназначенной для закрепления на корпусе ковша. Носовая часть образована выпуклой верхней 1 (фиг. 2, 5) и вогнутой нижней 2 рабочими поверхностями зуба. Ось рабочего клина, проходящая через острие носовой части зуба 3 и центр радиуса поверхности опирания зуба 4, отклонена вниз от оси хвостовой части на угол α=5-10° (фиг. 1, 4). Верхняя рабочая поверхность зуба состоит из центрального ребра 5, выгнутого наружу радиусом R=2000-2500 мм, и двух симметричных ступенчатых поверхностей по бокам, образованных 3-5 плоскими ступеньками 6, наклоненными по отношению к оси хвостовой части на угол β=20-30°. Перепад между ступеньками составляет h=20-40 мм. Нижняя рабочая поверхность зуба состоит из двух боковых ребер 7, вогнутых внутрь радиусом R=1000-1500 мм, и расположенной между ними выемки 8 (облегчения), вогнутой внутрь радиусом R=500-900 мм. Конструктивные особенности хвостовой части зуба варьируются в зависимости от конструкции ковша, на который устанавливается зуб. В зависимости от конструкции режущей кромки ковша ширина носовой части зуба может выполняться на 20-50 мм больше хвостовой части (t>t, фиг. 1), либо выполняться равной хвостовой части (t=t, фиг. 4) с выполнением на ширину t (фиг. 4) дополнительных уширяющих боковых элементов 13 (фиг. 5), называемых «крылья» и предохраняющих режущую кромку ковша.
2. Верхний 9 и нижний 10 элементы хвостовой части зуба в центре имеют прямоугольные площадки 11, здесь выполнены 2 сквозных отверстия 12 для крепления зуба на передней стенке ковша. При установке на ковш зуб надевается вилкой хвостовой части на переднюю стенку ковша, охватывая ее с обеих сторон, в указанные отверстия вставляют прутки соответствующего диаметра, затем прутки загибают сверху и снизу.
3. Усиленный зуб ковша может быть выполнен литым из трех марок современных износостойких сталей, каждая из которых превосходит сталь 110Г13Л по механическим свойствам, а сталь одной из марок обеспечивает до 1,5 раз более быстрый и активный процесс наклепа при ударно-абразивном изнашивании по сравнению со сталью Гадфильда. Конструкция детали учитывает требования литейной технологии и обеспечивание хорошую прокаливаемость при термообработке.
4. Зубья работают следующим образом. В начале черпания зубья ковша внедряются в предварительно разрыхленный взрывом массив породы или грунт. Ковш перемещается от основания забоя к его верхней кромке, при этом разрушаемая порода перемещается вдоль верхней и нижней рабочих поверхностей зубьев и передней стенки ковша, постепенно наполняя ковш экскаватора. После выхода ковша из массива грунта и отделения части породы от массива рабочее оборудование экскаватора поворачивают и переносят к месту разгрузки. При внедрении в породу и в процессе черпания верхние (1 и 6) и нижние (2)рабочие поверхности зуба интенсивно истираются о породу под действием абразивного износа и ударов крупных фрагментов породы.
Предложенная конструкция усиленного зуба ковша выгодно отличается от аналогов, приведенных в источниках [1], [2] и [3] тем, что верхняя рабочая поверхность зуба выполнена ступенчатой. За счет применения такой формы рабочей поверхности достигаются следующие преимущества:
- процесс наклепа рабочей поверхности идет более интенсивно из-за того, что при общем сохранении высоты вертикального сечения зуба рабочая поверхность наклонена к потоку грунта под большим углом (фиг. 7), а значит нормальная составляющая ударной нагрузки выше, что приводит к большей деформации поверхностных слоев и их более интенсивной нагартовке. В отличие от касательного прохода грунта вдоль рабочей поверхности, при котором в марганцовистой стали наклепа почти не происходит и идет простое истирание поверхности без ее упрочнения;
- в процессе копания часть грунта забивается в выемки между ступеньками рабочей поверхности, тем самым производится естественная «футеровка» рабочей поверхности зуба грунтом, частично исключающая прямой контакт рабочей поверхности зуба с перемещаемым над ней грунтом, тем самым снижается абразивный износ зуба;
- в процессе эксплуатации зуба происходит износ его рабочих поверхностей, но в отличие от обычных зубьев, где на каждой стадии износа режущая кромка зуба становится все более тупой и закругленной, режущая кромка усиленного зуба ступенчатой формы имеет до 2-3 участков «запрограммированного» износа, на которых профиль зуба восстанавливается при поэтапном стирании ступенек. Затупление режущей кромки зуба из-за этого также идет медленнее. За счет этого снижаются напорные усилия при внедрении зуба в породу, что благоприятно сказывается на общей нагруженности зуба и передней стенки ковша, а также снижает вероятность поломки как зуба, так и стенки.
Благодаря вышеуказанным преимуществам и в сочетании с применением современных износостойких сталей можно значительно повысить стойкость и долговечность зуба по сравнению с существующими аналогами.
Источники информации
1. Зуб ковша экскаватора. Патент РФ МПК E02F 9/28 №2107779. - Заявл. 14.06.1996. - Опубл. 27.03.1998. Авторы: Сычев К.К., Ершов Г.У., Ивочкин В.А.
2. Зуб ковша экскаватора. Патент РФ МПК E02F 9/28 №2167980. - Заявл. 12.10.2000. - Опубл. 27.05.2001. Авторы: Соболев В.Ф., Кудинов С.Я.
3. Зуб ковша экскаватора. Патент РФ МПК E02F 9/28 №2671014. - Заявл. 06.07.2017. - Опубл. 29.10.2018. Авторы: Соколов Г.А., Липатов А.А., Рубина О.Ф.