СПОСОБ КОПАНИЯ ОДНОКОВШОВЫМ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ЭКСКАВАТОРОМ И ОДНОКОВШОВЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭКСКАВАТОР Российский патент 1997 года по МПК E02F1/00 E02F3/38 

Изобретение относится к технике использования и конструктивно-кинематическому исполнению неполноповоротных одноковшовых гидравлических экскаваторов на транспортной базе преимущественно малогабаритных агрегатов для выполнения небольших рассредоточенных объемов земляных работ.

Общепринятый способ копания и одноковшовый гидравлический экскаватор для его осуществления включают ряд последовательно выполняемых операций, совокупность которых составляет рабочий цикл, который реализуется с помощью стрелы с рукоятью и рабочим органом, смонтированными на поворотной колонке, закрепленной, например, на пневмоколесном тракторе [1]
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известных способа и устройства, относятся повышенные энергоемкость и металлоемкость применительно к малогабаритным агрегатам для выполнения ограниченного объема работ.

Наиболее близкими способом и устройством того же назначения к предложенному способу и объекту по совокупности признаков является способ копания одноковшовым гидравлическим экскаватором и одноковшовый гидравлический экскаватор, согласно которым рабочему органу обеспечивают целенаправленное движение, а экскаватор включает транспортную базу и смонтированное на ней рабочее оборудование, содержащее стрелу, рукоять, рабочий орган, гидроцилиндры и элементы их управления; целенаправленное движение рабочего органа достигается за счет дополнительного гидрооборудования, воздействующего на гидроцилиндры принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известных способа и устройства, принятых за прототип, относятся повышенные габариты и масса конструкции, усложнение системы управления, невозможность осуществления рациональной траектории движения стрелы за счет кинематики устройства.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение осуществление рациональной траектории и скоростей движения стрелы при упрощении кинематики рабочего оборудования.

Технический результат снижение энергоемкости технологического процесса, уменьшение металлоемкости и габаритов рабочего оборудования, упрощение его монтажа-демонтажа на транспортной базе.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, включающем перемещение стрелы с рукоятью и рабочим органом путем подъема и опускания стрелы в вертикальной плоскости и ее разворота в горизонтальной плоскости, поворот стрелы производят первоначально с монотонным возрастанием, а затем с убыванием ее угла возвышения с одновременным изменением угловой скорости поворота стрелы повышением по мере увеличения угла горизонтального разворота для разгрузки рабочего органа и уменьшением при возвращении в положение для копания.

В известном одноковшовом гидравлическом экскаваторе, включающем транспортную базу и смонтированное на ней рабочее оборудование, приводные гидроцилиндры стрелы расположены под углом друг к другу, их штоки соединены между собой осью, помещенной в стенках пустотелой шаровой опоры, которая заключена в обойму с цапфами, соединенными со стрелой, при этом корпуса гидроцилиндров с помощью шарниров с двумя степенями свободы смонтированы на транспортной базе, а вертикальная вращающаяся часть поворотной колонки выполнена в виде короткобазного свободно поворотного штыря. Шарниры для крепления гидроцилиндров на транспортной базе совмещены с местами крепления выносных опор, при этом оси шарниров расположены в горизонтальной плоскости, параллельной продольной оси транспортной базы.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предложенного изобретения.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия изобретения требованию "изобретательского уровня" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками изобретения, результаты которого показывают, что изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня технологии и техники, в частности, в изобретении не предусматриваются известные преобразования.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 изображено изменение углов возвышения и поворота стрелы при работе одним приводным гидроцилиндром стрелы предлагаемого экскаватора; на фиг. 2 изменение угловой скорости поворота стрелы по мере увеличения ее угла горизонтального разворота для разгрузки рабочего органа; на фиг. 3 то же, при возвращении стрелы в положение для копания; на фиг. 4 общий вид предлагаемого экскаватора, вид сбоку; на фиг. 5 то же, вид в плане (вид по стрелке А на фиг. 4); на фиг. 6 вид по стрелке Б на фиг. 4; на фиг. 7 - сечение В-В на фиг. 4; на фиг. 8 сечение Г-Г на фиг. 5; на фиг. 9 сечение Д-Д на фиг. 8; на фиг. 10 сечение Е-Е на фиг. 1.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, заключается в следующем.

Способ копания одноковшовым гидравлическим экскаватором реализуют следующим образом.

При реализации рабочего цикла копания выполняют ряд известных перемещений стрелы с рукоятью и рабочим органом путем подъема и опускания (изменения угла возвышения) стрелы в вертикальной плоскости и ее разворота в горизонтальной плоскости. Поворот стрелы производят таким образом, что угол возвышения стрелы Φ первоначально монотонно возрастает, затем также монотонно убывает (фиг. 1). Угол горизонтального разворота j неизменно увеличивается при повороте стрелы от исходного положения для копания (ψ=0) до максимальной величины для разгрузки рабочего органа. Операцию по развороту стрелы на протяжении определенного времени t₁ осуществляют работой выдвижением штока только одного из приводных гидроцилиндров стрелы левым цилиндром при развороте стрелы вправо, правым цилиндром при развороте влево. В конце этой операции известным образом производят ограничение подачи рабочей жидкости в гидроцилиндр, и характер изменения углов Φ и ψ изменяется. После завершения операции после времени t₁ гидроцилиндр прекращает воздействовать на стрелу, параметры v и ψ не изменяются, наступает время разгрузки рабочего органа. Горизонтальный разворот для разгрузки рабочего органа (ψ _→ ψ_max) сопровождается неуклонным повышением угловой скорости поворота стрелы ω (фиг. 2), причем интенсивность возрастания параметра w тем выше, чем больше угол j (кривая w является первой производной кривой j на фиг. 1). В конце операции за счет торможения и остановки стрелы угловая скорость w интенсивно снижается, а по достижении времени t₁ становится равной нулю; наступает время разгрузки рабочего органа. При возвращении стрелы в положение для копания угол горизонтального разворота уменьшается (ψ _→ 0), угол возвышения стрелы Φ сначала монотонно возрастает, затем убывает (изменение параметров v и ψ при выполнении этой операции на чертежах не показано); это движение стрелы осуществляют работой того же гидроцилиндра втягиванием его штока. Возвращение стрелы в положение для копания сопровождается кратковременным нарастанием угловой скорости горизонтального разворота стрелы w (происходит разгон стрелы), затем плавным уменьшением (фиг. 3). Операция заканчивается при достижении времени t₃ (за время t₂ производят разгрузку рабочего органа), когда угловая скорость поворота стрелы становится равной нулю, причем в этой операции торможения стрелы не производят угловая скорость плавно снижается до нуля за счет особенностей кинематики рабочего оборудования. Продолжительность операции t₃ меньше времени операции t₁ за счет работы меньшей эффективной площади гидроцилиндра при втягивании его штока и при неизменной подаче жидкости. Оптимальное значение угла горизонтального разворота стрелы j=±35^o.±70^o, что соответствует изменению угла возвышения стрелы v в диапазоне 5^o.12^o.

Таким образом, описанный способ копания одноковшовым гидравлическим экскаватором реализуется работой только одного приводного гидроцилиндра стрелы в сочетании со специфическим устройством рабочего оборудования, при этом достигаются более рациональные технологические режимы копания (применительно к малогабаритным агрегатам):
изменение угла возвышения стрелы v способствует перемещению стрелы с рабочим органом по траектории, близкой к оптимальной;
характер изменения угла горизонтального разворота стрелы v от нуля до j_max и соответствующее изменение угловой скорости поворота стрелы ω включает плавный разгон системы, неуклонное наименее энергоемкое возрастание этих параметров, достигающих предельного значения к моменту разгрузки рабочего органа, когда проблемы динамики рабочего процесса становятся менее актуальными;
характер изменения параметров v и ω при изменении угла j от j_max до нуля удовлетворяет особенностям протекания этой операции, когда после разгрузки рабочего органа стрела, совершая холостой цикл работы, возвращается в положение для копания в конце операции система успокаивается (скорость ω плавно приближается к нулю), что важно для начала следующего цикла - собственно копания;
сокращение продолжительности операции t₃ при возвращении стрелы в положение для копания по сравнению с операцией продолжительностью t₁ достигается на наименее энергоемком холостом цикле работы без изменения подачи рабочей жидкости в гидроцилиндр.

Одноковшовый гидравлический экскаватор как устройство для осуществления описанного способа копания включает (фиг. 4-10) транспортную базу 1 - малогабаритное транспортно-технологическое средство, например, тракторное самоходное шасси. На транспортной базе смонтировано рабочее оборудование, содержащее поворотную колонну 2, стрелу 3 с рукоятью 4 и рабочим органом 5 (обратная лопата и т. п.). Для приведения в действие стрелы предусмотрены гидроцилиндры 6 и 7, для рукояти гидроцилиндр 8, для рабочего органа - гидроцилиндр 9. В состав рабочего оборудования входят также выносные опоры 10 и другие устройства. Приводные гидроцилиндры 6 и 7 расположены под углом друг к другу, шток одного цилиндра заканчивается удлиненной проушиной 11, а другого цилиндра схватывающей проушину удлиненной вилкой 12. Штоки посредством проушины и вилки соединены между собой осью 13, которая помещена в стенках пустотелой шаровой опоры 14.

Последняя заключена в обойму 15 с цапфами, соединенными со стрелой 3. Противоположные концы (корпуса) гидроцилиндров 6 и 7 с помощью шарниров 16 с двумя степенями свободы смонтированы на основании (раме) транспортной базы 1. Каждый из шарниров 16 содержит установленный на подшипниках короткобазный свободно поворотный штырь 17, заканчивающийся вилкой, которая с помощью оси 18 соединена с соответствующим элементом корпуса гидроцилиндра 6 или 7. Продольная ось штыря 17 расположена горизонтально оси шарниров 16 расположены в горизонтальной плоскости, параллельной продольной оси 1-1 транспортной базы 1. Корпуса 19 шарниров 16 совмещены с местами крепления выносных опор 10, при этом корпуса 19 закреплены на боковых плоскостях рамы 20 транспортной базы. Поворотная колонка 2 содержит вертикальный короткобазный свободно поворотный штырь 21, смонтированный на подшипниках в корпусе 22. Штырь заканчивается широкой вилкой 23, в которой помещены оси 24, соединяющие вращающуюся часть штырь 21 колонки 2 со стрелой 3. Корпус 22 колонки закреплен на верхней плоскости рамы 20 транспортной базы. Колонка 2 по устройству подобна шарнирам 16, но база между подшипниками свободно поворотного штыря 17 шарниров 16 равна 0,4.0,8 соответствующей базы штыря 21 колонки 2.

Одноковшовый гидравлический экскаватор работает следующим образом.

Вывешивание транспортной базы 1 с рабочим оборудованием посредством выносных опор 10, работа рукоятью 4 с помощью гидроцилиндра 8, заполнение и разгрузка рабочего органа 5 за счет работы гидроцилиндра 9 производится в обычном порядке. Подъем и опускание (изменение угла возвышения) стрелы 3 (вместе с рукоятью и рабочим органом) и горизонтальный разворот стрелы осуществляются только за счет работы приводных гидроцилиндров 6 и 7. При изменении длины перемещении штока с поршнем одного гидроцилиндра 6 или 7 стрела начинает перемещаться одновременно в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В частном случае при одновременном выдвижении или втягивании штоков обоих цилиндров 6 и 7 стрела разворачивается только в вертикальной плоскости. После заполнения и подъема рабочего органа включается один из гидроцилиндров, например, левый цилиндр 6 выдвигается его шток. Вследствие этого стрела 3 вместе с рукоятью и рабочим органом разворачивается в горизонтальной плоскости вправо на угол ψ = 55...70^°. Эта операция происходит с неуклонным повышением угловой скорости разворота стрелы, одновременно с этим угол возвышения стрелы Φ первоначально монотонно возрастает, затем убывает в диапазоне 5.12^o. В конце операции производится торможение и остановка стрелы, затем (или в конце разворота стрелы) рабочий орган разгружается. При возвращении стрелы в положение для копания втягивается шток этого же гидроцилиндра 6, и стрела 3 вместе с рукоятью и рабочим органом разворачивается в противоположную сторону до угла j = 0. Эта операция происходит за более короткое время за счет работы меньшей эффективной площади гидроцилиндра (при неизменной подаче рабочей жидкости) и сопровождается сначала разгоном системы до максимального значения, затем плавным снижением до нуля угловой скорости разворота стрелы. Одновременно с этим угол возвышения стрелы Φ сначала монотонно возрастает, затем убывает. Конец этой операции характеризуется плавной и полной остановкой стрелы без принудительного торможения только за счет особенностей кинематики рабочего оборудования. При включении в работу другого приводного гидроцилиндра 7 стрела 3 будет разворачиваться в противоположную сторону на угол минус j.

При эволюции относительно рамы 20 транспортной базы 1 происходит разворот в двух взаимно перпендикулярных направлениях (реализуются две степени свободы) стрелы 3 относительно поворотной колонки 2, корпусов приводных гидроцилиндров 6 и 7 в шарнирах 16. В колонке 2 стрела разворачивается на осях 24 относительно вилки 23 вертикального свободно поворотного штыря 21, а последний разворачивается относительно корпуса 22, закрепленного на раме 20 транспортной базы. В каждом из шарниров 16 корпус гидроцилиндра 6 или 7 разворачивается на оси 18 вилки горизонтального свободно поворотного штыря 17, который, в свою очередь, разворачивается относительно корпуса 19, закрепленного на раме. Одновременно с этим соответствующие удлиненные проушина 11 и охватывающая ее вилка 12 штоков приводных гидроцилиндров 6 и 7 проворачиваются друг относительно друга (изменяется угол между осями цилиндров) на оси 13. Вследствие изменения углов между плоскостью цилиндров 6 и 7 и стрелой 3 и между линией симметрии цилиндров 6,7 и стрелой пустотелая шаровая опора 14, несущая в себе ось 13, совершает ограниченное пространственное движение вокруг собственного центра относительно обоймы 15, которая, в свою очередь, разворачивается (покачивается) в цапфах относительно стрелы 3. За счет этого реализуются необходимые степени свободы цилиндров 6 и 7 друг относительно друга, каждого цилиндра и обоих цилиндров относительно стрелы 3.

В итоге одноковшовый гидравлический экскаватор обеспечивает реализацию описанного способа копания, кинематика рабочего оборудования за счет особого расположения приводных гидроцилиндров 6 и 7 относительно основания, стрелы и по отношению друг к другу и за счет конструктивного исполнения мест крепления обоих концов гидроцилиндров способствуют осуществлению рациональной траектории и скоростей движения стрелы при упрощении оборудования. При описанных устройстве и принципе действия отпадает надобность в поворотной колонке повышенной сложности с отдельным механизмом поворота (вращения) - гидроцилиндры 6 и 7 осуществляют как подъем и опускание, так и поворот стрелы, при этом поворотная колонка 2 превращается по существу в простейший опорный шарнир. Цилиндры 6 и 7 совместно со стрелой 3 образуют подвижную трехстержневую пространственную структуру, звенья которой соединены между собой геометрически в одной точке в центре шаровой опоры 14 специального шарнирного устройства. Известно, что трехстержневые пространственные системы характеризуются повышенной жесткостью при минимальной массе, несмотря на то, что их звенья имеют шарнирное крепление. Благодаря этому достигается упрощение конструкции, уменьшение металлоемкости и габаритов рабочего оборудования, монтаж которого на транспортной базе также упрощен и заключается, по существу, в креплении на раме 20 корпуса 22 поворотной колонки 2 и корпусов 19 шарниров 16, совмещенных с местами крепления выносных опор 10, этому способствует и горизонтальное расположение осей шарниров 16.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий: способ копания и устройство для его осуществления предназначены для использования при выполнении преимущественно небольших рассредоточенных объемов земляных работ с помощью малогабаритных агрегатов; для заявленного изобретения в том виде, как оно описано в независимых пунктах нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке методов и средств; способ и устройство для его осуществления способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Использование: для выполнения преимущественно небольших рассредоточенных объемов земляных работ с помощью малогабаритных агрегатов. Изобретение обеспечивает снижение энергоемкости технологического процесса, уменьшение металлоемкости и габаритов рабочего оборудования, упрощение его кинематики и монтажа-демонтажа. Сущность изобретения: в одноковшовом гидравлическом экскаваторе поворот стрелы с рукоятью и рабочим органом производят с монотонным возрастанием, затем убыванием угла ее возвышения с одновременным изменением угловой скорости поворота стрелы - повышением по мере увеличения угла горизонтального разворота для разгрузки рабочего органа и уменьшением - при возвращении в положение для копания. Для этого в рабочем оборудовании экскаватора приводные гидроцилиндры стрелы расположены под углом друг к другу, их штоки соединены между собой осью, помещенной в стенках пустотелой шаровой опоры, взаимодействующей со стрелой, при этом корпуса гидроцилиндров с помощью шарниров с двумя степенями свободы смонтированы на транспортной базе, а вертикальная вращающаяся часть поворотной колонки выполнена в виде короткообразного свободного поворотного штыря. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ копания одноковшовым гидравлическим экскаватором, включающий перемещение стрелы с рукоятью и рабочим органом путем подъема и опускания стрелы в вертикальной плоскости и ее разворота в горизонтальной плоскости, отличающийся тем, что поворот стрелы производят первоначально с монотонным возрастанием, а затем убыванием ее угла возвышения с одновременным изменением угловой скорости поворота стрелы повышением по мере увеличения угла горизонтального разворота для разгрузки рабочего органа и уменьшением при возвращении в положение для копания. 2. Одноковшовый гидравлический экскаватор, включающий транспортную базу и смонтированное на ней рабочее оборудование, содержащее поворотную колонку, стрелу с рукоятью и рабочим органом, приводные гидроцилиндры и выносные опоры, отличающийся тем, что приводные гидроцилиндры стрелы расположены под углом друг к другу, их штоки соединены между собой осью, помещенной в стенках пустотелой шаровой опоры, которая заключена в обойму с цапфами, соединенными со стрелой, при этом корпусы гидроцилиндров с помощью шарниров с двумя степенями свободы смонтированы на транспортной базе, а вертикальная вращающаяся часть поворотной колонки выполнена в виде короткообразного свободно-поворотного штыря. 3. Экскаватор по п. 2, отличающийся тем, что шарниры для крепления гидроцилиндров на транспортной базе совмещены с местами крепления выносных опор, при этом оси шарниров расположены в горизонтальной плоскости, параллельной продольной оси транспортной базы.