СПОСОБ КОПАНИЯ ГРУНТОВ СКРЕПЕРАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК E02F3/64 

Изобретение относится к землеройно-транспортным машинам, а именно к скреперам с новым типом загружателя - активной передней заслонкой, существующим элементом скрепера, наделенным свойствами рабочего органа - копающего грунтонапорного действия.

Известны способы копания грунтов скреперами и устройствами для их реализации.

1. Обыкновенный скрепер с тяговой загрузкой ковша грунтом - тяговым способом, основанным на вырезании грунтовой стружки ковшом скрепера с проталкиванием ее в ковш тяговым усилием базовой машины (и толкача), где эффективность копания зависит от тяговых возможностей базовой машины (и толкача) и прочностных свойств разрабатываемого грунта, способности его выдерживать давление тягового усилия без разрушения стружки.

Способ характеризуется заполнением ковша конусообразной по очертанию "шапкой" с недозагружаемыми задней и передней частями ковша, с образованием и нарастанием перед ковшом призмы волочения и потерями из нее разработанного грунта в боковые валики.

Критерием степени наполнения ковша считается коэффициент наполнения К_н = 1,2, соответствующий объему с "шапкой", где сопротивления наполнению возрастают пропорционально квадрату высоту "шапки", а с целью снижения высоты наполнения ковша его наполняют с коротким днищем, но с развитыми параметрами по ширине резания ковшом с соотношениями заслонки по глубине, боковых стенок ковша по высоте, днища по длине относительно стыка днища с подножевой плитой как 1: 1,2: (1,1 ^oC 1,2). Определяющими параметрами ковша скрепера являются геометрическая вместимость и ширина резания, где соотношение ковшей скреперов по энергоемкости копания, по геометрической вместимости оценивается по масштабу их подобия, равному соотношению ковшей по ширине резания, где M = Bнк

:Bмк , где Bмк - - ширина резания ковшом эталона, например модели ковша.

Достоинствами скрепера обыкновенного с тяговым способом копания - более широкий спектр разрабатываемых грунтов, возможность копания на начальном этапе загрузки ковша на повышенных скоростях до 5-7 км/ч с интенсивным, сходу зарезанием ножа ковша в массив. Основными недостатками являются зависимость от трактора - толкача, неспособность загружаться на малосвязных грунтах даже с помощью мощных толкачей. Все колесные скреперы требуют обязательного применения толкача.

2. Скреперы элеваторные с загружающими механизмами непрерывного действия: а) скребково-элеваторные. Главное его достоинство - способность загружаться на малосвязных грунтах, не требует применения толкача.

Но такой скрепер более сложный, он по отношению к обыкновенному скреперу имеет большую массу (на 10-20%), имеет большую стоимость (на 20-25%). Время загрузки у него больше на 30%. Но главным его недостатком являются низке скорости процесса копания и связанная с этим низкая производительность загружателя из-за ограничений по скорости цепей элеватора (до 1,2 -1,4 м/с) и связанных с этим ограничений по скорости копания (до 1,6-2,2 км/ч), по толщине зарезания в грунт (до 100-150 мм). Чтобы получить приемлемую производительность элеваторного загружателя, ширину ковша по ширине резания увеличивают до 3,4-3,8 м (в большегрузных скреперах).

3. Шнековый скрепер. Основан способ копания им, как скребково-элеваторным, на продвижении грунтовой стружки, вырезанной ножом ковша, загрузочным механизмом - шнеками в ковш.

Особенности способа в том, что грунт в ковше откладывается "шапкой", подобной как в обыкновенном скрепере. Имеет так же, как скребково-элеваторный, низкие скорости копания из-за ограничений производительности шнеков по частоте их вращения (до 30-40 об/мин), по диаметрам шнеков (до 1,0-1,2 м), где выход за указанные пределы ведет к возрастанию потребляемой мощности приводами шнеков. Где с целью достижения определенной производительности в приемлемых параметрах по энергоемкости шнекового загружателя ковш скрепера принимают, как и в скребково-элеваторном, развитым по ширине до 3,4 м и более до габаритов ковша обыкновенного скрепера.

Известны опытно-промышленные образцы элеваторных скреперов: а) скребково-элеваторный ДЗ-155-1 с ковшом 15-29,3 м³с шириной резания ковшом 3412 мм на базе тягача БелАЗ = 531; б) шнековый с ЗТМ-129 c ковшом 16/23 м³ с шириной резания 3430 мм на базе тягача Белаз = 7422.

Определяющим параметрами скреперов, как уже указывалось выше, являются геометрическая вместимость ковша и ширина резания ковшом, где переход от одной модели ковша скрепера к другой, подобной ей, определяется масштабом моделирования и М = Bнк

: Bмк . Например, при ширине резания ковшом модели Bмк = 0,41 м для известного ряда номенклатуры скреперов по параметрам: а) с геометрической вместимостью ковша скрепера, у м³: 2,5; 4,0; 8-9; 15-16; б) шириной резания, Bмк : 1,5; 2,5; 2,76-2,3; 7,3-8,3; г) масштабом моделирования М : 4,0, 6,0, 6,7-7,0, 7,3-8,3.

Потребляемая мощность приводом загружателя по формуле моделирования : Nнпр

= Nмпр • М^3,5, где в) значения М^3,5 равны 128, 253, 780-920, 1080-1650.

Следовательно, потребляемая мощность на приводе загружателя возрастает с увеличением ширины резания, масштаба моделирования в отношении их М : М = 1650 : 1060 = 1,6.

Снижение ширины резания ковшом скрепера, наоборот, ведет к снижению энергоемкости процесса копания. Представляется актуальным увеличить или сохранить геометрическую вместимость ковша с уменьшением ширины резания, что достигается в скрепере по новому способу копания.

4. Известен "Способ копания грунтов скрепером и устройство для его реализации", концепция которого основана на тяговом способе копания обыкновенным скрепером с реализацией и преумножения имеющихся его достоинств и исключения его зависимости от трактора-толкача и других негативных свойств.

Способ копания указанным скрепером, оснащенным активной заслонкой ковша, заключается в том, что при совместном копании ковшом и заслонкой последняя перемещается перед ковшом со скоростью копания, превышающей скорость копания ковшом, где Унз

const, на заслонке, при ее зарезании в массив создают дополнительную силу тяги в помощь базовой машине, которая исключает возможность буксование ею, с одной стороны, а с другой, на отвале заслонки образуется пассивное сопротивление Е_п заслонке формирующейся на заслонке призмы выпирания (ПВ) с образующимися различными областями напряженных состояний сыпучей среды (наименьших, особых (средних) и наибольших), где с целью снижения пассивных Е_п сопротивлений на отвале заслонки копание заслонкой ведут с пологонаклонными плоскостями скольжения ПВ, исключающими небольшие напряжения сыпучей среды а ПВ, где главная плоскость скольжения ПВ проходит в ковше с углом наклона к горизонту в 45 -ϕ/2 от подножевой плиты к задней стенке ковша, совмещенной с траекторией копания заслонкой, а другая плоскость скольжения ПВ, повернутая от главной на 90^o против часовой стрелки, совмещена с отвалом заслонки, где в этих условиях длина днища ковша определяется высотой задней стенки, принятой равной высоте пологонаклонной передней заслонки, умноженной на котангенс угла в 45 - ϕ/2, , где ϕ - угол внутреннего трения разрыхленного грунта в ковше, где для средних грунтов, суглинков, с ϕ=30, h_д - длина днища ковша определяется значением L_д= h₃ctg(45-ϕ/2), при h₃= h_c =1 длина днища может быть принята в соотношении параметров ковша как величина L_д = 1,72, т. е. в соотношении как 1 : 1,2 : 1,72 параметров ковша по способу по отношению к соотношениям параметров ковша тяговым способом копания, где длина днища ковша в 1,4 - 1,7 раза больше длины днища обыкновенного скрепера. Это создает предпосылки для возможности снижения ширины резания ковшом в системе "ковш АЗ" на 7-16% в зависимости от геометрической вместимости ковша скрепера и грунтовых условий по ϕ , разрабатываемых при сохранении заданной геометрической вместимости ковша скрепера.

Целью изобретения является повышение производительности путем совершенствования способа копания и устройства для его реализации, более полной реализации заложенных в способе потенциальных возможностей.

Указанная цель достигается тем, что:
Копание на первоначальном этапе наполнения ковша начинают с преимущественным по скорости копания ковшом до 5-7 км/ч вне зависимости от скорости копания заслонкой, действующей в этом случае с подгребающей функцией без зарезания в массив с переходом на автоматическое зарезание в массив при снижении скорости копания ковшом до скорости или ниже скорости копания заслонкой.

Загрузку введут с преимущественным отложением центра тяжести массы грунта, смещенным в сторону и задней колесной опоре, с изменением геометрической вместимости ковша в зависимости от объемного веса разрабатываемого грунта, путем изменения местоположения заслонки в ковше относительно подножевой плиты при соответствующем смещении центра тяжести грунта в ковше.

С целью снижения потребляемой мощности приводом активной заслонки ширину резания ковшом принимают с уменьшением до 16% относительно ширины резания обыкновенным и элеваторными скреперами при сохранении геометрической вместимости за счет увеличения днища ковша в 1,4-1,7 раза в функциональной зависимости от параметра разрабатываемого грунта по ϕ = значений угла внутреннего трения шва грунта разрыхленного, поступающего в ковш.

Копание по способу ведут как обыкновенным скрепером с применением трактора-толкача с заслонкой, установленной в плавающем положении, зафиксированной за пределами плоскости скола стружки, где призма волочения образуется и накапливается между ножами ковша и заслонки, и смещается по мере накопления заслонкой в глубину ковша.

Способ копания грунта скрепером осуществляют следующим образом.

Теоретическое прогнозирование регламентов способа копания и параметров устройства основано на приоритетном значении одного из основных параметров разрабатываемых грунтов - угла ϕ внутреннего трения, его значении в разрыхленном состоянии внутри ковша, где согласно патентной заявке N 4945841 (03) 031644, длина днища ковша определяется в функциональной зависимости от угла ϕ по формуле L_дн. = h_ст. ctg (45^o- ϕ/2 ), где h_ст. -высота задней стенки ковша от уровня стыка днища с подножевой плитой, которую по высоте принимают равной высоте пологонаклонной передней заслонки h_ст = h_з, где если применять h_c= h₃= 1, то соотношение параметров ковша передней заслонкой по глубине (l₃ = h_з), боковых стенок по высоте h_б, днища ковша по глубине L_дн примет вид: 1: 1,2 : ctg (45 - ϕ/2 ), где в зависимости от значений ϕ = 24^o для суглинков и глин и ϕ = 38^o для песчаных грунтов соотношение примет вид как 1:1,2: (1,45-2,2). Указанное соотношение для параметров обыкновенного ковша тяговым способом копания имеет вид: 1 : 1,2 :(1,0-1,2), где длина днища ковша по способу больше по длине днища ковша обыкновенного в 1,4-1,7 раза в зависимости от значения ϕ грунта разрабатываемого.

Параметр 45 - ϕ/2 - это угол наклона к горизонту пологонаклонной главной плоскости скольжения призмы выпирания (ПВ), разделяющей массу грунта в ковше на верхнюю часть - активную, создающую пассивные сопротивления на заслонке Е_п, и пассивную, исключенную из взаимодействия с рабочими органами ковша и заслонки, где Е_п и функционально зависимое от нее штоковое усилие на приводе заслонки зависят от массы ПВ. Снижение массы ПВ обеспечивается в ковше по способу копания при соответствующем снижением Е штокового усилия и потребляемой мощности на приводе. Это имеет практическое значение.

Потребляемая мощность шнековым загружателем скрепера ЭТМ - 129 (4), созданного по разработки НПО ВНИИстройдормаш на базе самоходного скрепера ДЗ = 13Б с шириной резания Bнк

= 3430 мм при разработке грунтов с объемным весом в γ = 2,2 тн/м³, составляет 180 кВт.

Потребляемая мощность привода АЗ с шириной резания Bнк

= 3000 мм, т.е. меньшей, чем в шнековом скрепере на 15%, определяется из условия
Nнпр= Nмпр•M^3,5 , где при масштабе моделирования относительно модели с Bмк = 0,41 м М 3,0 : 0,41 = 7,3, М^3,5 = 1060. По данным сравнительных испытаний различных загружателей ковшей скреперов, проведенных в лаборатории физического моделирования, показанных в работе (3) для суглинков с объемным весом разрабатываемого грунта γ = 2,25 кг/л, Nмпр = 0,104 кВт, следовательно, Nнпр = 0,104,1060 = 110 кВт, что в 1,6 раза меньше потребляемой мощности приводом шнекового загружателя (180 кВт).

С целью повышения производительности, снижения времени копания системой "ковш + АЗ" копание ведут в два этапа. На первом этапе с начальной скоростью зарезания в массив ковшом скрепера до 5-7 км/ч, где заслонка при ее V₃ const, с ограниченной возможностью отбора мощности на ее привод и приемлемыми соотношениями скоростей копания ковшом и заслонкой не зарезается в массив и при У_з < У_к не создает дополнительной силы тяги. Заслонка работает в режиме подгребающем - скользит по грунтовой поверхности и при приближении к ковшу, будучи включенной в совместную работу с ковшом, зарезается в призму волочения и смещает ее в и грунт, отложившийся в передней части ковша, в его глубину, освобождая ковш для приема следующей порции с грунта с меньшим сопротивлением копанию.

По мере накопления ковша, снижение скорости копания ковшом до скорости копания заслонкой или ниже У_з > У_к, заслонка автоматически переходит на зарезание в массив с образованием сопротивления копанию заслонкой, работающего против сопротивлений копанию ковшом, снижающей потребное тяговое усилие на движителе.

Исключается зависимость копания ковшом от скорости копания заслонкой, зависимой от энерговооруженности базовой машины.

В определенных грунтовых и погодных условиях копание грунтов ведут с помощью толкача, где заслонка интенсифицирует рабочий процесс, где с целью снижения энергоемкости копания заслонку фиксируют в плавающем положении перед ковшом за пределами плоскости около грунтовой стружки, где призма волочения образуется и накапливается между ножами ковша и заслонки и по мере накопления заслонкой смещается в глубину ковша.

С целью повышения грузоподъемности скрепера копание ведут с преимущественным отложением центра тяжести грунта ближе к колесной опоре с увеличением грузоподъемности за счет большей загрузки задней колесной опоры, используя для этого грунтонапорное свойство заслонки, где за счет изменения местоположения заслонки относительно подножевой плиты изменяют геометрическую вместимость ковша с учетом объемного веса разрабатываемого грунта и вероятного местоположения его центра тяжести в груженом ковше. Это позволяет, например, ковш скрепера ДЗ-149-5, вместимостью 8,8 м³, прицепной и с/х трактору "Кировец" К-701 выполнять в полуприцепном исполнении вместимостью 9/11 м³ со смещением центра тяжести в удлиненном ковше относительно центра тяжести в прицепном обыкновенном ковше на 0,5 м с сохранением допустимой нагрузки на заднюю ось трактора при скорости транспортирования груженого скрепера со скоростью до 17 км/ч.

Использование: скрепера с активной передней заслонкой. Сущность изобретения: копание ведут ковшом и создают дополнительную силу тяги в помощь базовой машины заслонкой путем ее зарезания в массив грунта. Загрузку ковша скрепера грунтом ведут при скорости копания ковшом до 5-7 км/ч большей скорости копания заслонкой, имеющей постоянную скорость. При снижении скорости копания ковшом до скорости заслонки или ниже ее заслонка автоматически переходит на зарезание в массив с образованием дополнительной силы тяги. Скрепер для осуществления данного способа копания имеет ковш с уменьшенной шириной резания и удлиненной длиной днища, равной высоте заслонки в положении перед стыком подножевой плиты с днищем и определенным углом наклона ее к горизонту умноженной на котангенс угла наклона главной плоскости скольжения призмы выпирания с углом наклона ее к горизонту, зависящим от угла внутреннего трения разрыхленного грунта в ковше. Причем длина днища ковша в 1,4-1,7 раз больше длины днища скреперов обыкновенного и элеваторного. 2 н. и 2 з.п. ф-лыз

1. Способ копания грунтов скрепером с активной заслонкой ковша, навешенной на передней части ковша с помощью стрелы, гибкой связи и привода, копающего грунтонапорного действия, заключающийся в том, что копание ведут ковшом и создают дополнительную силу тяги в помощь базовой машине заслонкой путем ее зарезания в массив грунта, отличающийся тем, что копание ведут удлиненным ковшом с длиной днища, равной высоте заслонки в положении перед стыком подножевой плиты с днищем, и углом наклона ее к горизонту в 45 -ϕ/2 умноженной на котангенс угла наклона главной плоскости скольжения призмы выпирания с углом наклона ее к горизонту в 45 -ϕ/2, где ϕ - угол внутреннего трения разрыхленного грунта в ковше, причем длина днища в 1,4 - 1,7 раз, в зависимости от значений ϕ, больше длины днища скреперов обыкновенного и элеваторного, загрузку ковша скрепера грунтом ведут при скорости копания ковшом до 5 - 7 км/ч, большей скорости копания заслонкой, имеющей постоянную скорость, включенной в совместное копание и действующей в функции подгребающей, при сближении с ковшом заслонка зарезается в призму волочения и смещает ее и грунт, отложившийся в передней части ковша, в его глубину, освобождая эту часть ковша для приема следующей порции грунта с меньшим сопротивлением копанию, а при снижении скорости копания ковшом до скорости заслонки или ниже ее заслонка автоматически переходит на зарезание в массив с образованием дополнительной силы тяги. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что копание ведут с преимущественным размещением центра тяжести грунта в ковше ближе к задней колесной опоре. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что копание ведут с изменяемой геометрической вместимостью ковша за счет изменения местоположения заслонки относительно подножевой плиты с учетом объемного веса разрабатываемого грунта и местоположения его центра тяжести в ковше. 4. Скрепер с активной заслонкой ковша, включающий навешенную на передней части ковша с помощью стрелы, гибкой связи и привода активную заслонку копающего грунтонапорного действия, отличающийся тем, что ковш выполнен без изменения геометрической вместимости с уменьшенной шириной резания на 7 - 16% относительно ширины резания ковшом обыкновенного и элеваторного скрепера и удлиненным с длиной днища, равной высоте заслонки в положении перед стыком подножевой плиты с днищем, и углом наклона ее к горизонту в 45 ϕ/2 умноженной на котангенс угла наклона главной плоскости скольжения призмы выпирания с углом наклона ее к горизонту в 45 -ϕ/2, где ϕ - угол внутреннего трения разрыхленного грунта в ковше, причем длина днища ковша в 1,4 - 1,7 раз, в зависимости от значений ϕ больше длины днища скреперов обыкновенного и элеваторного.