РАБОЧЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭКСКАВАТОРА
WORKING EQUIPMENT OF HYDRAULIC EXCAVATOR

Изобретение относится к землеройной технике и может быть использовано в горной промышленности при выполнении вскрышных работ в карьерах в зимний период года на мягких породах сезонного промерзания, а именно для разупрочнения мерзлых рабочих и нерабочих площадок, а также откосов путем нарезания щелей по высоте уступа.
Известно буровзрывное оборудование для разупрочнения промерзшего слоя уступов, состоящее из буровых станков и взрывного оборудования. С помощью буровых станков бурят скважины со стороны рабочей площадки уступа на определенном расстоянии друг от друга с последующей закладкой взрывчатых веществ и взрыванием (Справочник. Открытые горные работы / К.Н.Трубецкой, М.П.Потапов и др. - М.: Горное бюро, 1994, с.197-203).
Недостатком этого оборудования является значительная стоимость выполняемых работ, связанная не только с содержанием складских помещений под взрывчатые вещества, эксплуатацией автотранспорта и буровых станков, оплатой работы бригады взрывников и буровиков, с отводом и простоем выемочной техники из всего карьера на значительное время до начала взрыва, но и с тем, что с целью полного разрушения промерзшего поверхностного слоя породы со стороны откоса необходимо бурить скважины и закладывать большую массу взрывчатых веществ на всю высоту уступа.
Известны дискофрезерные экскаваторы, состоящие из базовой машины (трактора), дисковой фрезы или двух фрез, расположенных друг под другом на разных по высоте уровнях, прицепных или навесных к базовой машине (Черкашин В.А. Разработка мерзлых грунтов. - Л.: Стройиздат, 1977. С.154-157).
Недостатком таких экскаваторов является невозможность отрывать щели в мерзлой породе при угле наклона откоса уступа более 20°.
Известна конструкция рабочего оборудования гидравлического экскаватора, состоящая из шарнирно сочлененных стрелы и рукояти, шарнирно закрепленных на рукояти двух, симметрично расположенных фрез с резцами, зачистного ковша и привода фрез (RU 15351 U1, Е02F 3/28, 10.10.2000).
Данная конструкция предназначена для послойного рыхления поверхностного слоя мерзлых и крепких пород в забоях высотой 5…6 м с последующим зачерпыванием разрыхленной породы зачистным ковшом. Эта конструкция рабочего оборудования не обеспечивает нарезание узких и глубоких (до 2-2,2 м) щелей в поверхностном промерзшем слое породы откоса уступа. Кроме того, рабочее оборудование существующих строительных гидравлических экскаваторов с обратной (или прямой) лопатой не обеспечивает рыхление и зачерпывание породы с нижней и даже средней части поверхности откоса уступа высотой 15-16 м.
В качестве наиболее близкого аналога принята конструкция рабочего оборудования гидравлического экскаватора, состоящая из двухбалочной прямолинейной стрелы, имеющей внутренние направляющие в каждой балке, и одной дисковой фрезы с механизмами ее вращения и перемещения, установленными на тележке с опорными катками, размещенными внутри направляющих и с возможностью перемещения вдоль стрелы (RU 2187600 C1, E02F 5/30, 20.08.2002).
Экскаватор с таким оборудованием обеспечивает нарезание щелей в промерзшем поверхностном слое откосов, однако, использовать его для нарезания щелей на горизонтальных или близких к горизонтальным рабочим площадках уступов невозможно из-за наклонного расположения стрелы к поверхности породы при выполнении этой технологической операции. Кроме того, из-за длинного рабочего оборудования у экскаватора малая устойчивость и маневренность в транспортном режиме.
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, повышение эффективности разупрочнения уступов высотой до 15 м, промерзших на глубину 2-2,2 м за счет возможности экскаватора, с данной конструкцией рабочего оборудования, нарезать щели как на откосах, так и на рабочих площадках, уменьшение веса рабочего оборудования, увеличение устойчивости и маневренности экскаватора при передвижении.
Указанная задача решается путем установки на поворотной платформе экскаватора рабочего оборудования в виде двухбалочной консольной стрелы с механизмом подъема-опускания, дисковой фрезы с механизмом вращения, при этом механизм подъема-опускания стрелы включает шарнирно-связанную с поворотной платформой и со стрелой стойку, гидроцилиндр подъема стойки и телескопический гидроцилиндр, шарнирно-связанный с поворотной платформой и стрелой, которая выполнена телескопической и включает корневую, промежуточную и головную секции с гидромеханизмом телескопического их выдвижения и телескопическими трубопроводами, при этом головная секция стрелы смонтирована из трех частей: оголовка, среднего участка и выдвижного участка и имеет возможность двухкратного преломления в вертикальной плоскости при помощи двух гидромеханизмов, рабочее оборудование включает дополнительную дисковую фрезу, при этом дисковые фрезы установлены на оголовке головной секции стрелы и имеют раздельные механизмы их вращения, и расположены одна выше другой, причем центр вращения верхней дисковой фрезы смещен вперед по ходу выдвижения секций, а ширина верхней дисковой фрезы больше ширины нижней дисковой фрезы, при этом на оголовке головной секции стрелы установлены шарнирно по обе стороны от верхней дисковой фрезы опорной лыжи. Кроме того, насосная станция привода механизмов вращения дисковых фрез, гидромеханизмов преломления головной секции и гидромеханизмов телескопического выдвижения стрелы размещена на поворотной платформе экскаватора со стороны противовеса с передачей энергии механизмам по телескопическим трубопроводам, расположенным на секциях стрелы, и гидроцилиндрам, расположенным внутри секций стрелы.
Отличия от ближайшего аналога заключаются в ряде существенных признаков:
- для нарезания щелей в поверхностном промерзшем слое уступов применены две дисковые фрезы, которые расположены на разных уровнях по глубине и друг за другом, при этом нижняя дисковая фреза, являющаяся задней по ходу выдвижения стрелы, более узкая, чем верхняя дисковая фреза;
- привод вращения дисковых фрез раздельный;
- металлоконструкция рабочего оборудования состоит из телескопической двухбалочной консольной стрелы, концевая секция которой имеет возможность двухкратного преломления с помощью двух гидромеханизмов;
- насосная станция привода механизмов вращения дисковых фрез, гидромеханизмов преломления головной секции и гидромеханизмов телескопического выдвижения стрелы размещена на поворотной платформе экскаватора со стороны противовеса с передачей энергии механизмам по телескопическим гидроцилиндрам, расположенным внутри секций стрелы, и трубопроводам, расположенным на секциях стрелы;
- к оголовку головной секции стрелы закреплены шарнирно по обе стороны от верхней дисковой фрезы две опорные лыжи.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображено рабочее оборудование гидравлического экскаватора сбоку: положение I - рабочее при нарезании щелей на горизонтальных участках (рабочих площадках); положение II - транспортное; на фиг.2 - вид А на рабочее оборудование; на фиг.3 - положение рабочего оборудования при нарезании щелей на откосах; на фиг.4 - стрела сбоку с местным вырывом по гидроцилиндрам выдвижения секций и телескопическим трубопроводам; фиг.5 - поперечный разрез Б-Б по приводу верхней дисковой фрезы; фиг.6 - поперечный разрез В-В по приводу нижней дисковой фрезы.
На гидравлическом экскаваторе 1 с помощью стойки 2, гидроцилиндра подъема стойки 3, телескопического гидроцилиндра 4, шарниров 5, 6 и 7 смонтировано рабочее оборудование, основным элементом которого является телескопическая двухбалочная стрела 8. Стрела состоит из корневой 9, промежуточной 10 и головной 11 секций. Внутри секций располагаются выдвижные гидроцилиндры 12. На головной секции 11 стрелы установлены две дисковые фрезы: верхняя 13 и нижняя 14. Центр вращения верхней дисковой фрезы 13 смещен вперед по ходу выдвижения секций. Ширина верхней дисковой фрезы 13 больше ширины нижней дисковой фрезы 14. Головная секция 11 стрелы смонтирована из трех частей, а именно оголовка 15, среднего участка 16 и вдвижного участка 17, внутрь промежуточной секции 10. На вдвижном участке 17 и среднем участке 16 головной секции установлен гидромеханизм преломления 18 среднего участка, а на среднем участке 16 и оголовке 15 установлен гидромеханизм преломления 19 оголовка 15. Вдвижной участок 17 головной секции соединен со средним участком 16 с помощью шарнира 20, а средний участок 16 головной секции соединяется с оголовком 15 с помощью шарнира 21. На оголовке 15 головной секции установлены шарнирно по обе стороны от верхней дисковой фрезы опорные лыжи 22. Приводы верхней дисковой фрезы 13 и нижней дисковой фрезы 14 раздельные.
В привод верхней дисковой фрезы входят два высокомоментных гидромотора 23, которые через зубчатые зацепления передачи 24 соединены с приводным валом-шестерней 25. Зубья приводного вала-шестерни 25 соединены с зубчатым венцом 26 опорно-поворотного устройства 27, к которому жестко присоединена верхняя дисковая фреза 13. Привод нижней дисковой фрезы состоит из двух высокомоментных гидромоторов 28, на выходных валах которых насажены приводные звездочки 29. Приводные звездочки 29 соединены цепями 30 с ведомыми звездочками 31, насаженными на вал-шестерню 32. Зубья вала-шестерни 32 соединены с зубчатым венцом 33 опорно-поворотного устройства 34, с которым жестко соединена нижняя дисковая фреза 14. Насосная станция 35 питания высокомоментных гидромоторов 23 и 28, а также гидромеханизмов преломления 18 и 19 головной секции стрелы размещена на поворотной платформе экскаватора. Телескопические трубопроводы 36 питания высокомоментных гидромоторов и гидромеханизмов преломления головной секции стрелы закреплены с одной стороны к корневой секции стрелы, а с другой, соответственно, к выдвижным секциям. Гидравлическая схема выдвижения секций стрелы не приводится, поскольку она заимствована из крановой техники. В транспортном положении (II), а также в положении нарезания щелей на рабочих площадках уступов (I) корневая секция стрелы опирается на кронштейны 37, установленные на поворотной платформе экскаватора.
Гидравлический экскаватор с рабочим оборудованием выполняет разупрочнение промерзшей рабочей площадки уступа следующим образом. Гусеницы экскаватора и рабочее оборудование располагаются в положении II (транспортное) вдоль уступа. Включается насосная станция 35 и, соответственно, высокомоментные гидромоторы 23 и 28 привода верхней 13 и нижней 14 дисковых фрез. С помощью гидромеханизмов 18 и 19 преломления среднего участка 16 и оголовка 15 головная секция 11 переводится в положение I, фрезы внедряются в породу до тех пор пока опорные лыжи 22 не войдут в соприкосновение с дневной поверхностью породы. Опорные лыжи 22 предотвращают затягивание дисковых фрез в породу. В момент соприкосновения нижней дисковой фрезы 14 с породой включаются выдвижные гидроцилиндры 12 на выход секций 10, 11 из корневой 9, при этом заглубление в породу дисковых фрез идет постепенно и одновременно с выдвижением стрелы. С целью уменьшения динамических нагрузок резание породы зубьями дисковых фрез идет снизу вверх и по ходу выдвижения секций стрелы. Порода, вырезанная верхней дисковой фрезой 13, выносится на дневную поверхность. Поскольку верхняя дисковая фреза 13 шире, чем нижняя 14, то порода, вырезанная нижней дисковой фрезой, выносится в пространство, выработанное верхней дисковой фрезой. Скорость выдвижения секций 10, 11 выбирают в зависимости от крепости породы путем дросселирования жидкости в гидросистеме. Привод верхней дисковой фрезы 13 осуществляется от двух высокомоментных гидромоторов 23 через зубчатые передачи 24, приводной вал-шестерню 25, зубчатый венец 26 опорно-поворотного устройства 27. Привод нижней дисковой фрезы 14 осуществляется от двух высокомоментных гидромоторов 28 через приводные звездочки 29, цепные передачи 30, ведомые звездочки 31, вал-шестерню 32, зубчатый венец 33 опорно-поворотного устройства 34. При небольшой глубине промерзания массива в породу достаточно вводить только нижнюю дисковую фрезу 14, выключив при этом верхнюю 13. В этом случае верхняя дисковая фреза 13 перекатывается по дневной поверхности породы, выполняя функцию опорной лыжи. Расстояние между соседними параллельными щелями должно быть меньше, чем зев ковша карьерного экскаватора, который будет осуществлять разборку разупрочненного слоя породы. Процесс зарезания дисковых фрез в породу на рабочей площадке можно упростить, если их вводить в щели, прорезанные предыдущими проходами.
Гидравлический экскаватор с рабочим оборудованием выполняет разупрочнение промерзшего откоса уступа следующим образом. В исходном положении гидравлический экскаватор 1 располагается на расстоянии от бровки откоса, регламентируемом техникой безопасности (не менее 2-х метров), причем гусеницы (ходовые колеса) располагаются вдоль уступа.
Телескопическая двухбалочная стрела 8 с помощью стойки 2 гидроцилиндра подъема стойки 3 поднимается и одновременно поворачивается с помощью телескопического цилиндра 4 в наклонное положение, соответствующее углу наклона откоса. При нарезании щелей в промерзшем откосе уступа головная секция 11 соосна всей телескопической двухбалочной стреле 8 и преломление ее отсутствует. Дисковые фрезы 13 и 14 находятся над поверхностью породы в непосредственной близости от ходового оборудования гидравлического экскаватора и их приводы включены. Нарезание щелей осуществляется путем выдвижения секций телескопической двухбалочной стрелы 8 и протягивании вращающихся дисковых фрез 13 и 14 вниз по откосу. Опорные лыжи 22 перемещаются по поверхности откоса, предотвращая затягивание дисковых фрез в породу. В нижней части откоса приводы дисковых фрез 13 и 14 выключаются. С помощью гидромеханизма преломления 19 оголовок 15 головной секции 11 поднимается вместе с дисковыми фрезами 13 и 14. Нижняя дисковая фреза 14 выходит из прорези в породе и попадает в выработанное пространство верхней дисковой фрезой 13. После подъема оголовка 15 с дисковыми фрезами 13 и 14 осуществляется втягивание секций двухбалочной телескопической стрелы и возвращение дисковых фрез в верхнее положение. Гидравлический экскаватор 1 перемещается вдоль уступа карьера на расстояние менее ширины зева ковша карьерного экскаватора. Далее цикл по нарезанию новой щели в откосе повторяется.
Перевод рабочего оборудования в транспортное положение осуществляется, во-первых, путем втягивания секций 10 и 11 внутрь корневой секции 9 телескопической двухбалочной стрелы 8, а во-вторых, опускания и поворота ее в горизонтальное положение на кронштейны 37 с помощью гидроцилиндра 3 подъема стойки 2 и телескопического гидроцилиндра 4.
После нарезания щелей в поверхности рабочих площадок и откосов на глубину промерзания породы или на 15…20% меньше, чем глубина промерзания, разупрочненный уступ разрушается на блоки напорным или подъемным усилиями карьерного экскаватора.
Существенные признаки, отличающие рабочее оборудование гидравлического экскаватора от ближайшего аналога, позволяют получить следующий технический результат:
- возможность с помощью одного рабочего оборудования нарезать щели в промерзшем уступе как на поверхности откосов, так и на поверхности рабочих площадок;
- телескопическое исполнение двухбалочной стрелы позволяет значительно уменьшить габариты гидравлического экскаватора в транспортном положении и тем самым увеличить его устойчивость и маневренность, а следовательно, производительность;
- применение двух дисковых фрез небольшого диаметра вместо одной, но большого диаметра дает возможность уменьшить массу рабочего оборудования;
- постановка верхней более широкой дисковой фрезы в перед по ходу нарезания щелей позволяет нижней более узкой дисковой фрезе с меньшим сопротивлением продвигать вырезанную породу вверх в выработанное пространство верхней дисковой фрезой и тем самым снизить энергоемкость процесса разупрочнения промерзшего уступа;
- раздельный привод дисковых фрез позволяет при небольшой глубине промерзания поверхностного слоя уступа выключить привод верхней дисковой фрезы и нарезать щели только нижней дисковой фрезой, что приводит к снижению затрат энергии.