КОВШ КАРЬЕРНОГО ЭКСКАВАТОРА
BUCKET OF MINE EXCAVATOR

Изобретение относится к горным машинам, используемым при разработке и погрузке в транспортные средства или отвал полезных ископаемых открытых месторождений, а именно к рабочему оборудованию карьерных экскаваторов типа «прямая лопата».
Эффективность эксплуатации карьерного экскаватора зависит не только от его производительности, но и от вынужденных простоев на замену изношенных узлов. В процессе эксплуатации наибольшему естественному износу подвержены детали ковша, например, зубья считают расходным материалом. Проблема долговечности и соизмеримого срока службы узлов ковша всегда стоит при создании рабочего оборудования карьерных экскаваторов, эксплуатируемых в забоях с высокой плотностью и абразивностью горной породы.
Известен износоустойчивый, ударопрочный ковш экскаватора (Заявка RU №2008136023, МПК E02F 3/14, опубл. 10.03.2010), изготовленный литьем, который включает корпус, содержащий заднюю пластину, опорную пластину, а также левую и правую боковые пластины, которые целиком сформированы литьем. Ковш экскаватора содержит литые боковые накладки, присоединенные с возможностью отсоединения к передним концам левой и правой пластин корпуса ковша экскаватора с помощью болтов и гаек; литые o-образные передние накладки, установленные на нижний конец опорной пластины по всей ее ширине; ряд переходников держателя зуба, расположенных между передними накладками с заданным интервалом; и держатели зуба, присоединенные к концам переходников держателя зуба.
Износостойкий, ударопрочный ковш экскаватора, при изготовлении которого слиток металла, содержащий сплав Si, Cr, Mn как основу, В, а остальное Fe и постоянные примеси; нагревают до температуры 1600-1650°C, и заливают расплавленный металл во внутреннюю полость литейной формы; отверждают залитый металл и отделяют верхнюю часть литейной формы и опоку, и таким образом изготавливают ковш экскаватора литьем в песчаную форму. Закладывают отлитый в песчаную форму ковш в электрическую печь, нагревают ковш до температуры 900-1100°C, охлаждают горячий ковш в холодной воде; растачивают, подвергают торцевому фрезерованию, сверлят соединительную часть охлажденного ковша и нарезают в ней резьбу, так что ковш может быть присоединен к корпусу экскаватора; и присоединяют к ней такие части, как втулки, пальцы и болты; моют, сушат и окрашивают собранный ковш.
Износостойкий, ударопрочный ковш экскаватора, выполненный из металла, который представляет собой высокомарганцовистую сталь, содержащую 0,90-1,35 весовых процентов С, 0,30-0,80 весовых процентов Si, 11-14 весовых процентов Mn, менее 0,10 весовых процентов Р, менее 0,50 весовых процентов S, менее 0,005 весовых процентов В, и остальное Fe и постоянные примеси.
Прочность обеспечивается выполнением ковша вариантами специально подобранных компонентов металла, а его основными недостатками является неремонтопригодность и однородность конструкции, которая не предполагает уменьшение концентрации рабочих напряжений в изнашиваемых элементах, повышению их устойчивости к критическим напряжениям.
Другим вариантом увеличения долговечности ковша может служить усиление зон ковша, подвергающихся абразивному износу с одновременным возникновением в них критических напряжений. Известна режущая кромка ковша карьерного экскаватора (Патент RU №2116406, МПК E02F 9/28, опубл. 27.07.1998), включающая зубья, площадь поперечного сечения которых увеличивается на рабочей длине зуба от его конца до посадочного места зуба, и средства защиты края ковша экскаватора. Верхняя поверхность каждого зуба на первом участке от конца зуба до 1/3 его рабочей длины является плоской и проходит вблизи продольной оси зуба, на втором участке от 1/3 до 2/3 его рабочей длины является вогнутой и проходит ниже продольной оси зуба, на третьем участке от 2/3 до конца его рабочего участка. Поверхность зуба поднимается вверх относительно продольной оси зуба, нижняя поверхность каждого зуба проходит ниже продольной оси зуба, на первом и втором участках рабочей длины является выпуклой вниз, а на третьем участке вогнутой. Кроме того, каждый зуб снабжен двумя продольными ребрами жесткости, расположенными посередине на верхней и нижней поверхностях зуба, причем каждое ребро начинается на втором участке рабочей длины зуба и заканчивается вблизи места крепления зуба к ковшу экскаватора. Средства защиты края ковша имеют скобообразное сечение и в рабочем положении охватывают этот край.
При работе ковша экскаватора черпание грунта происходит снизу вверх. При этом зуб истирается, но благодаря тому, что зуб имеет относительно небольшую толщину, и благодаря указанной форме зуба толщина зуба практически не меняется на всем протяжении рабочего участка, этот зуб является самозатачивающимся. Таким образом, угол заострения, т.е. угол между нижней и верхней поверхностями зуба, всегда остается острым, что обеспечивает эффективное взламывание породы и, следовательно, высокую производительность, по мнению заявителя.
Выполнение зубьев ковша небольшой толщины и вышеуказанной геометрии не обеспечит их самозатачиваемость при истирании в процессе копания из-за неоднородности породы, кривизны поверхности забоя и угла копания. Кроме того, наличие точек перегиба в геометрии может создавать критические напряжения и, как следствие, поломку зубьев при копании. Направленная вверх передняя кромка зуба не дозволяет подчищать подошву забоя и усугубляет абразивное изнашивание передней стенки ковша.
Известно техническое решение (Патент RU №2521263, МПК E02F 3/40, опубл. 27.06.2014), позволяющее повысить надежность и долговечность ковша экскаватора. Для этого откидное днище выполнено составным из створок с засовами, системой выдергивания засовов с тяговым элементом, приводимым в действие от внешнего привода. Засов одной из створок кинематически связан с последующей створкой. Все створки одним концом шарнирно крепятся к задней стенке, а противоположным концом с помощью засова - к передней стенке. Система выдергивания засова выполнена так, что засов одной из створок кинематически связан с последующей створкой тяговым элементом таким образом, что выдергивание засова предыдущей створки происходит после поворота последующей створки относительно ее шарнирного крепления к задней стенке, а связь с тяговым элементом, приводимым в действие от внешнего привода, осуществлена с засовом последней створки.
Кроме того кинематическая связь засова одной из створок с последующей створкой выполнена с помощью цепи, один конец которой связан с засовом одной из створок, а другой крепится на последующей створке, причем длина цепи такая, что ее полное натяжение происходит после поворота одной из створок относительно ее шарнирного крепления к задней стенке. Тяговый орган, приводимый в действие от внешнего привода, выдергивает засов одной из створок и сначала происходит ее открытие, а затем полное натяжение цепи, при повороте этой створки, приводит к открытию последующей створки.
Недостатками конструкции являются:
- короткие рычаги, что при данной конструкции требует больших усилий привода механизма открывания днища ковша;
- тяговые усилия для второй створки не связаны с приводом открывания днища ковша и поэтому оператор не может повлиять на выдвижение засова при его заклинивании;
- сомнительно применение механизма торможения днища ковша, т.к. динамика первой створки должна обеспечивать открытие второй створки;
- усложненная кинематическая схема ведет к дополнительным возможным отказам. Вышеперечисленные условия отнюдь не способствуют заявленному увеличению надежности и долговечности ковша.
Прототипом выбран ковш экскаватора ЭКГ-8И (Экскаваторы ЭКГ-8И, ЭКГ-6,3ус и ЭКГ-4У. Инструкция по эксплуатации 3519.00.00.000 ИЭ, ПО «Ижорский завод» им. Жданова, Ленинград, Колпино, 1986 г.), состоящий из передней, задней и боковых стенок, которые свариваются между собой стыковыми швами, днища ковша, механизма торможения, механизма открывания днища ковша и подвески ковша. Передняя стенка ковша отлита из высокомарганцовистой стали, а задняя отлита из углеродистой стали. На передней стенке ковша закреплены зубья, состоящие из основания и съемной коронки. Днище ковша представляет собой плиту из высокомарганцовистой стали усиленной ребрами. Для увеличения срока службы передняя стенка снабжена верхним и нижним поясами, наплавленными твердым сплавом.
К недостаткам ковша, как показала эксплуатация, относятся сильный и неравномерный износ передней стенки. Отклонение режущей кромки от плоскости передней стенки защищает ее тыльную сторону с механизмом закрывания днища, но приводит к налипанию грунта. Рычажный механизм открывания днища ковша является сложным и ненадежным. Конструкция механизма торможения днища ковша, состоящая из дисков с регулировочной жесткой пружиной, не обеспечивает плавное открывание днища и возможны его удары о ковш. Фланцевое соединение ковша с рукоятью из-за износа осей усложняет монтаж и демонтаж при замене ковша.
Техническая задача предлагаемого изобретения - создать надежный с высоким запасом прочности ковш карьерного экскаватора, посредством оптимизации конструкции его передней стенки и зубьев, применения износостойких материалов и устойчивых в эксплуатации механизмов торможения и открывания днища ковша. Это позволит использовать ковш для вскрышных работ на мерзлых и скальных грунтах, в забоях с высокой плотностью и абразивностью горной породы.
Поставленная задача реализуется выполнением ковша карьерного экскаватора, с задней, боковой, передней с режущей кромкой стенок и днища, в виде литой плиты из износостойкой стали с ребрами жесткости; механизмами закрывания и торможения днища ковша. На режущей кромке передней стенки установлены зубья, механизм закрывания днища ковша включает засов с направляющими и систему рычагов, механизм торможения состоит из дисков с регулировочной пружиной.
-1
Режущая кромка передней стенки ковша выполнена дугообразной, кривизной 0,17÷0,1 м, а между зубьями установлены упрочняющие накладки из износостойкой стали, выполненные в виде усеченной пирамиды, основание которой расположено на поверхности передней стенки с внутренней стороны, а высота равна четверти толщины передней стенки. На боковых кромках передней стенки установлены п-образные съемные накладки из износостойкой стали. Зубья выполнены в виде четырехгранной призмы с конгруэнтными боковыми гранями, внешняя грань зубьев лежит в одной плоскости с передней стенкой, а внутренняя грань у вершин зубьев образует угол 10≤15 с осью симметрии передней стенки. Зубья установлены в пазах на передней стенке и закреплены шпильками.
Задняя стенка снабжена двумя парами поясов жесткости из износостойкой стали, расположенными на ее внешней поверхности, а в нижней части задней стенки выполнены проушины, в которых установлена ось для крепления днища ковша.
С внешней стороны проушин размещен съемный механизм торможения днища ковша, включающий рычаги и фрикционные диски, установленные на полых осях, в которых размещены регулировочные пружины, на торцах осей установлены стаканы и регулировочные гайки.
Ребра жесткости на днище ковша размещены симметрично от торцов направляющих засова к боковым граням днища, образуя с ними угол 60°÷90°; на ребрах жесткости в сквозном отверстии засова расположен рычаг, один конец которого закреплен с возможностью перемещения, а другой ограничен стопором.
Накладки между зубьями передней стенки выполнены съемными.
-1
Выполнение режущей кромки дугообразной с радиусом кривизны 0,17÷0,1 м позволяет увеличить механическую устойчивость конструкции ковша при копании, когда нагрузки не только максимальны, но и не равномерны, особенно на твердых породах в плохо подготовленных забоях.
Упрочняющие накладки из износостойкой стали, выполненные в виде усеченной пирамиды, основание которой расположено на поверхности передней стенки с внутренней стороны, а высота равна четверти толщины передней стенки, установленные в промежутках между зубьями, предохраняют переднюю стенку от износа. Указанная форма и толщина накладок определены расчетно-эмпирически, как не создающие дополнительное сопротивление грунту при копании, но достаточные для защиты режущей кромки.
Выполнение упрочняющих накладок съемными упрощает ремонт и продлевает срок эксплуатации ковша.
Форма зубьев в виде четырехгранной призмы с конгруэнтными боковыми гранями, внешняя грань которых лежит в одной плоскости с передней стенкой, а внутренняя грань у вершин зубьев образует угол 10°≤15° с осью симметрии передней стенки. Форма вершины зуба установлена экспериментально и подтверждена статистикой эксплуатации (зубья ковша - это расходный материал и меняются 3-4 раза в месяц). Зубья такой формы изнашиваются равномерно, а следовательно, замена производится комплектно, что снижает время на техническое обслуживание. Кроме того, размещение внешних граней зубьев в одной плоскости с режущей кромкой передней стенки позволяет в процессе копания качественно подчищать поверхность подошвы забоя и не проводить ее дополнительное выравнивание.
На боковых кромках передней стенки установлены защитные п-образные съемные накладки из износостойкой стали, которые продлевают срок эксплуатации передней стенки корпуса ковша.
Выполнение механизма торможения днища ковша, состоящего из рычагов и фрикционных дисков, установленных на полых осях, в которых размещены регулировочные пружины, а на торцах осей установлены стаканы и гайки, позволяет плавно регулировать раскрытие ковша при разгрузке и устранить удары днища о корпус, что продлевает срок службы ковша.
Выполнение ребер жесткости на днище ковша симметрично от торцов направляющих засова к боковым граням днища под углом 60°÷90° укрепляет днище ковша. А размещенный на них рычаг, проходящий через сквозное отверстие засова, один конец которого закреплен с возможностью перемещения, а другой ограничен стопором, формирует простой и надежный механизм открывания днища ковша.
На чертежах представлены: Фиг. 1 - общий вид ковша, Фиг. 2 - фрагмент передней стенки с осью симметрии, Фиг. 3 - днище ковша, Фиг. 4 - задняя стенка ковша, Фиг. 5 - механизм торможения днища ковша.
Ковш карьерного экскаватора (Фиг. 1) содержит заднюю 1, боковые 2, переднюю 3 с режущей кромкой 4 стенки и днище 5, в виде литой плиты из износостойкой стали, механизмы закрывания 6 и торможения 7 днища 5 ковша.
На выполненной дугообразной, кривизной 0,17÷0,1 м-1 режущей кромке 4 передней стенки 3 (Фиг. 1 и Фиг. 3) установлены зубья 8 в пазах 9 на передней стенке 3 и закреплены шпильками 10. Зубья 8 выполнены в виде четырехгранной призмы с конгруэнтными боковыми гранями 11, их внешняя грань 12 лежит в одной плоскости с передней стенкой, а внутренняя грань 13 у вершин зубьев образует угол α=10°≤15° с осью симметрии O-O передней стенки 3.
Между зубьями 8 установлены упрочняющие накладки 14 из износостойкой стали, выполненные в виде усеченной пирамиды, основание которой расположено на внутренней стороне передней стенки 3.
На боковых кромках передней стенки 3 установлены п-образные съемные накладки из износостойкой стали 15.
Задняя стенка 1 (фиг. 1 и фиг. 4) снабжена двумя парами поясов жесткости 16 из износостойкой стали, расположенными на ее внешней поверхности, в нижней части задней стенки выполнены проушины 17, в которых установлены полые оси 18 крепления днища ковша 5.
Механизм закрывания днища ковша 5 (фиг. 3) включает засов 19 с направляющими 20 на днище 5, паз 21 на передней стенке 4 и рычаг 22. Ребра жесткости 23 на днище 5 размещены симметрично от торцов направляющих 20 засова 19 к боковым граням днища 5, образуя с ними угол β=60°÷90°. На ребрах жесткости 23 днища 5 в сквозном отверстии засова 19 расположен рычаг 22. Один конец рычага 22 прилегает к ребрам жесткости 23 с возможностью перемещения. На ребре жесткости 23 установлен ограничитель перемещения 24 рычага 22, движение которого ограничено стопором 25 с другой стороны.
С внешней стороны проушин 17 (Фиг. 4 и Фиг. 5) размещен съемный механизм торможения 7 днища ковша 5, включающий рычаги 26 и фрикционные диски 27, установленные на полых осях 18, в которых размещены регулировочные пружины (на фигурах не показано), на торцах осей 18 установлены стаканы 28 и гайки 29. На петлях 30 днища ковша 5 установлены оси 31 и выполнены выступы 32.
Рабочее оборудование с ковшом предлагаемой конструкции работает следующим образом: Перед началом копания ковш опускается на подошву забоя в зону, максимально приближенную к экскаватору. При включении лебедки подъема рукоять с ковшом поворачиваются относительно стрелы. Формирование толщины стружки производится включением механизма напора, обеспечивающего выдвижение ковша с рукоятью относительно седлового подшипника (на фигурах не показано). При загрузке передняя стенка ковша 3 с режущей кромкой 4, на которой установлены зубья 8, углубляется в породу и принимает ее абразивное и ударное воздействие на зубья 8, упрочняющие накладки 14, и на накладки из износостойкой стали 15 на боковых кромках передней стенки 3. Заднюю стенку 1 от абразивного износа предохраняют ребра жесткости 16 из износостойкого материала. Боковые стенки ковша 2 и боковые кромки передней стенки 3 также подвергаются износу при ударе об забой. Применение упрочняющих накладок 14 и 15 из износостойкой стали, обладающей оптимальным сочетанием ударная вязкость – прочность, позволяет увеличить абразивное и ударное сопротивление, т.е. продлить срок службы ковша, возможность их замены упрощает его ремонт.
После заполнения ковша он выводится из забоя и поворачивается на выгрузку. Конец рычага 22, установленный с возможностью перемещения, отодвигается на расстояние, ограниченное стопором 25, передвигая засов 19 по направляющим 20 таким образом, что засов выходит из паза 21. Днище ковша 5 свободно падает и грунт высыпается. Закрывание днища ковша 5 происходит самопроизвольно под собственным весом при опускании ковша из положения разгрузки в положение начала копания.
Для предохранения задней стенки 1 (при открывании) и передней стенки ковша 3 (при закрывании) от удара днища 5, рычаги 26 съемного механизма торможения 7 вырезами фиксируются попеременно на осях 31 и выступах 32. Фрикционные диски 27, расположенные между рычагами 26, создают необходимый тормозной момент, который регулируется сжатием регулировочной пружины в осях 18, гайками 29.
Использование предлагаемого изобретения позволит создать надежный с высоким запасом прочности ковш карьерного экскаватора. Усиление конструкции ковша в зонах, наиболее подверженных абразивному и ударному износу, а также конструкция зубьев, применение съемной защиты и предлагаемых механизмов открывания и торможения днища позволит упростить и сократить время ремонта и замены узлов, в конечном счете, увеличит срок его эксплуатации.