КОВШ СКРЕПЕРА Российский патент 1998 года по МПК E02F3/64 

Изобретение относится к землеройно-транспортным машинам, а именно к скреперам с механизированной загрузкой ковша.

Известен ковш скрепера с загрузкой с помощью лопастного метателя (авт. св. СССР N 1546569, кл. E 02 F 3/64, 1990), который может быть принят в качестве аналога. Данный ковш скрепера состоит из смонтированного спереди ковша лопастного метателя с концентрично расположенными направляющими неподвижным кожухом и подвижным кожухом с козырьком, гидропривода метателя, гидролинии которого через гидрораспределитель соединены с источником гидроэнергии и гидробаком.

Вместе с тем, указанный аналог по сравнению с предлагаемым ковшом скрепера обладает существенными недостатками, а именно: имеет место сопротивление резанию грунта ножом, а также значительные затраты энергии на фрезерование (дробление) срезанного слоя грунта и отбрасывание его в ковш лопастным метателем, при этом каждая лопасть имеет размер, равный длине барабана метателя, что требует больших дополнительных затрат мощности скрепера.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса загрузки грунта в ковш за счет снижения удельной мощности, затрачиваемой на единицу объема перерабатываемого грунта скрепером, а также увеличение объема ковша скрепера, при неизменной мощности трактора, например, К-702, агрегатированного с предлагаемым ковшом скрепера.

В скреперостроении в течение последних 20-30 лет сформировались основные образцы машины и в дальнейшем проводились, в основном, работы по совершенствованию традиционных схем, не решалась главная проблема - обеспечение эффективной и быстрой загрузки ковша без помощи толкача или сложных и энергоемких загружателей непрерывного действия. В эксплуатации скреперов сложилось противоречие: с одной стороны, продолжается рост энерговооруженности, массы скреперов, объема ковша, скоростей транспортирования, с другой - невозможность полной реализации этих качеств из-за отсутствия технических возможностей и средств, которые бы обеспечили надежное заполнение ковша грунтом за минимально короткое время 50-60 с, как это можно сделать с помощью трактора-толкача, если не учитывать потери времени на маневрирование и стыковку скрепера с толкачом и ожидание толкача.

Указанная цель достигается тем, что вместо подрезающего ножа и лопастного метателя спереди ковша скрепера устанавливают фрезерный барабан, диаметр которого соизмерим с высотой ковша скрепера, а длина барабана соответственно соизмерима с шириной ковша скрепера, и приводится барабан в действие двумя установленными соосно с барабаном гидромоторами.

Сущность изобретения заключается в следующем. К тягачу, например, трактору К-702 закреплен хобот, который представляет собой П-образную сварную раму, жестко скрепленную с ковшом, при этом днище ковша расположено на определенном и неизменном расстоянии от грунта.

К П-образной раме снизу на двух растяжках, имеющих шарнирный перелом в одну лишь сторону, и двух гидроцилиндрах прикреплены два кронштейна, а на кронштейны неподвижно укреплены соосно друг другу два гидромотора, а на валах гидромоторов жестко укреплен фрезерный барабан, который, вращаясь, срезает грунт и забрасывает его в ковш скрепера, при этом диаметр и длина барабана соизмеримы соответственно с высотой и шириной ковша, например, диаметр, равный 0,8-0,9 высоты ковша.

Глубина врезания фрезерного барабана в грунт или толщина срезаемого грунта регулируются двумя гидроцилиндрами, которые обеспечивают вертикальное перемещение оси барабана относительно ковша, а две дополнительные растяжки, имеющие шарнирный перелом лишь в одну сторону, в совокупности с двумя гидроцилиндрами обеспечивают жесткое и прочное соединение фрезерного барабана относительно ковша скрепера. Неподвижный и подвижный кожухи фрезерного барабана обеспечивают эффективную погрузку срезанного грунта в ковш, в том числе подвижный кожух с козырьком позволяет направлять грунт в ковш до самой дальней точки ковша относительно фрезерного барабана.

Предлагаемый ковш скрепера снабжен также подвижной заслонкой для грунта и задней подвижной стенкой ковша для выгрузки грунта.

При этом при выгрузке грунта из ковша фрезерный барабан продолжает вращаться и способствует более равномерному разбрасыванию выгружаемого грунта.

На фиг. 1 и 2 изображен предлагаемый ковш скрепера в агрегате с тягачом, вид сбоку с частичными разрезами, а также частичный вид сверху по А.

На фиг. 3 и 4 изображен фрезерный барабан в продольном разрезе по Б-Б и в поперечном разрезе по В-В.

На фиг. 5 изображена схема расположения режущих кромок ножей на цилиндрической поверхности фрезерного барабана (развертка - I вариант), при котором режущие ножи расположены как бы в два ряда со смещением друг к другу под углом α/2 , что должно обеспечить более равномерную нагрузку на режущие ножи при фрезеровании грунта.

На фиг. 6 изображена схема расположения режущих кромок ножей на цилиндрической поверхности фрезерного барабана (развертка - II вариант), при котором все четыре ножа расположены по одной линии.

На фиг. 7 изображена схема к расчету параметров ковша скрепера.

Предлагаемый ковш скрепера состоит из следующих агрегатов, узлов и деталей.

К тягачу 1, например, трактору К-702 закреплен хобот 2, который составляет единое целое с П-образной сварной рамой 3, а рама 3 неподвижно соединена с ковшом скрепера 4. Ковш скрепера сзади опирается на задние колеса 5 (фиг. 1).

К П-образной раме 3 с двух сторон к каждой продольной "ветви" (окончанию рамы) снизу прикреплены две проушины 6, на которые при помощи осей со шплинтами установлены два гидроцилиндра 7, предназначенные для подъема и опускания фрезерного барабана 8. Фрезерный барабан 8 подвешивают к П-образной раме 3 при помощи вышеназванных гидроцилиндров 7 и двух распорных тяг (растяжек) 9, при этом растяжка 9 верхним концом через проушину 10 прикреплена снизу к П-образной раме 3, а нижним концом при помощи оси 11 и шплинтового соединения скреплена с кронштейном 12.

На два кронштейна 12 с помощью крепежных болтов неподвижно установлены два гидромотора 13, которые соосно и неподвижно скреплены с фрезерным барабаном 8 через две стенки 8а.

Фрезерный барабан представляет собой толстостенную трубу диаметром D₂ (фиг. 3) определенной длины, равную расчетной ширине полосы срезаемого грунта; на наружной поверхности трубы приварены кронштейны 14 и 15, на которых укреплены болтами режущие ножи-пластины 16. Количество зубьев фрезерного барабана 8 (рядов кронштейнов) может быть по расчету от 11 до 21. Кронштейны 14 и 15 могут быть установлены со смещением относительно друг друга на угол α/2 (фиг. 5) или по одной линии (фиг. 6), при этом их количество может равняться, например, четырем и более. Угол α соответствует углу между двумя соседними рядами кронштейнов 14 и 15 по окружности трубы фрезерного барабана.

К П-образной раме 3 снизу прикреплены два механизма 17, удерживают неподвижный кожух 18, а также управляют движением подвижного кожуха 19.

На двух боковых стенках ковша скрепера укреплены две оси 20, на которых при помощи четырех растяжек 21 установлена подвижная заслонка 22, которая, в свою очередь, через шарнирно связанную с ней растяжку 23 также шарнирно связана с вильчатым коромыслом 24. А вильчатое коромысло 24 другим своим концом шарнирно прикреплено к П-образной раме 3, и на определенном расстоянии от этого конца, коромысло шарнирно связано с гидроцилиндром 25, который через ушко корпуса шарнирно связано с кронштейном 26, укрепленным неподвижно к нижней и боковой поверхностям П-образной рамы 3.

В ковше скрепера 4 имеется также задняя подвижная стенка 27 для выталкивания грунта из ковша при разгрузке.

Предлагаемый ковш скрепера работает следующим образом.

Тракторист-скреперист подгоняет скрепер к обрабатываемому участку, включает вращение фрезерного барабана 8 при помощи двух гидромоторов 13, затем при помощи двух гидроцилиндров 7 опускает вращающийся фрезерный барабан на заданную величину, обеспечивающую определенную толщину срезаемого грунта, и включает продольное движение скрепера вперед (фиг. 1).

По мере движения вперед срезаемый грунт при помощи неподвижного кожуха 18 фрезерного барабана и подвижного кожуха 19 с определенной скоростью загружается в ковш 4 скрепера, при этом козырек подвижного кожуха и угол β поворота самого подвижного кожуха до 45^o могут обеспечить траекторию полета загружаемого грунта до самой крайней задней точки ковша (фиг. 7), что в конечном итоге обеспечивает полную и эффективную загрузку ковша грунтом. Такого же эффекта можно достичь при увеличении числа оборотов фрезерного барабана при неизменной продольной скорости спектра в конце цикла заполнения ковша.

После полной загрузки ковша тракторист-скреперист при помощи двух гидроцилиндров 7 поднимает фрезерный барабан 8 на определенную высоту над срезаемым грунтом, выключает вращение барабана и транспортирует скрепер на место выгрузки грунта.

Для выгрузки грунта из ковша 4 скрепера тракторист вновь включает вращение фрезерного барабана 8, при помощи гидроцилиндра 25, коромысла 24 и растяжек 23 поднимает вверх на необходимую величину заслонку 22, включает продольное движение скрепера вперед, а затем, сдвигая заднюю стенку 27 ковша скрепера вперед, выгружает грунт из ковша, а фрезерный барабан 8, продолжая вращение, способствует равномерному разбрасыванию выгружаемого грунта, при этом скорость вращения фрезерного барабана должна быть значительно меньше, чем при загрузке ковша.

Весь цикл работы скрепера и его агрегатов, начиная от загрузки, наполнения ковша и его разгрузки, можно и даже желательно производить по командам микропроцессора, расположенного, например, на приборном пульте управления тракториста-скрепериста.

Расчеты, произведенные для предлагаемого ковша скрепера, показывают, что скрепер, агрегатированный с трактором К-702, при диаметре фрезерного барабана 1800 мм, его ширине 2600 мм и числе оборотов 1,6 об/с, при скорости движения скрепера, равной одному метру в секунду, при толщине слоя срезаемого грунта, равной 10 см, за 62 с заполнит в ковш 16, 16 кубометра грунта, что в два с лишним раза превышает объем выпускаемых в настоящее время ковшей скреперов.

При этом расчеты также подтверждают, что мощности трактора К-702 вполне достаточно для обеспечения производительной работы скрепера с предлагаемым ковшом.

Предлагаемый ковш скрепера позволит существенно снизить затраты мощности скрепера на срезание слоя грунта, полностью отказаться от трактора-толкача и поднять производительность скрепера.

Ниже приводится расчет мощности при работе фрезы ковша скрепера
N_об = N_ф + N_от + N_под +N_тр, (1)
где
N_ф - мощность, затрачиваемая на фрезерование;
N_от - мощность, затрачиваемая на отбрасывание грунта с ножей-лопастей фрезы в ковш;
N_под - мощность, затрачиваемая на "подталкивание" фрезы;
N_тр - мощность, затрачиваемая на трения в передачах.

1. Мощность, затрачиваемая на фрезерование
N_r = K_уд • B • h • V_п,
где
K_уд - удельное сопротивление грунта резанию
K_уд = 0,13-0,14 МПа (3);
B - ширина захвата фрезерного барабана
,
Z_о - общее число ножей на барабане;
Z - число ножей в сечении барабана;
b - ширина одного ножа;
h - глубина фрезерования;
V_п - поступательная скорость скрепера.

2. Мощность, затрачиваемая на отбрасывание грунта с лопастей фрезы в ковш
,
где
K_от - коэффициент отбрасывания грунта ножами фрезы
K_от=1 (3)
γ_п - объемный вес грунта;
V_p - окружная скорость на концах лопастей (ножей).

3. Мощность, затрачиваемая на "подталкивание" фрезы
N_под = R_п•cosβ_п•V_п ,
где
R_п - сила сопротивления резанию;
β_п - угол наклона силы сопротивления.

4. Мощность, затрачиваемая на трения в передачах
N_тр = (N_r + N_от)•(1-η) ,
где
η - КПД передач фрезерного барабана.

Литература, использованная при расчете мощности скрепера.

1. Яцук Е.П. и др. Ротационные почвообрабатывающие машины, - М.: Машиностроение, 1971, с. 183-186.

2. Парфентьева Н.А., Фомина М.В. Решение задач по физике. В помощь поступающим в ВУЗы. Ч. I, М.: Мир, 1993, с. 26-30.

3. Баловнев В. И. и др. Дорожно-строительные машины и комплексы, - М.: Машиностроение, 1988, с.252.

Определение параметров ковша скрепера (фиг. 7). Для расчета длины ковша скрепера введем систему координат OXY, тогда движение грунта вдоль оси OX определяем по уравнению
X = V_рез t (1)
где
t - время движения грунта в полете.

Движение грунта вдоль оси OY определяем по уравнению
,
тогда можно выразить t
,
и, подставив полученное t в формулу (1), получим длину ковша L_кп
L_кп = V_рез • t - R.

Таким образом, исходя из этого, можно наполнить грунтом только зону A ковша. Для заполнения зоны B ковша грунт необходимо направить под некоторым углом к горизонту, например, 25-30, для чего можно поворотом подвижного кожуха с козырьком на определенный угол часть грунта отбрасывать и в зону B, т.е. ковш скрепера будет полностью заполнен грунтом.

Предлагаемый ковш скрепера по сравнению с аналогом, а также серийно выпускаемыми ковшами обладает следующими преимуществами:
при одинаковой мощности базового тягача предлагаемый скрепер может набрать в ковш в два раза больше грунта, при этом время наполнения ковша даже несколько сократится;
появляется возможность загрузки в предлагаемый ковш песка и снега, что в обычный ковш скрепера не возможно погрузить;
появляется возможность разработки мерзлого грунта;
появляется возможность увеличения мощности базовой машины, так как производительная работа скрепера не будет напрямую зависеть от сцепного веса машины, что безусловно повысит производительность нового скрепера.

Анализ доступной информации, выявленной патентно- информационными исследованиями, а также тот факт, что эта задача до сих пор не была решена, позволяют судить о соответствии предлагаемого технического решения необходимому для изобретения уровню техники. Новизна решения подтверждается также тем, что в России предлагаемое устройство разработано впервые и на сегодняшний день не имеет близких аналогов.

Использование: в землеройно-транспортных машинах. Ковш скрепера содержит лопастной метатель с концентрично расположенными неподвижным и подвижным кожухами, переднюю заслонку, заднюю подвижную стенку и колеса. Ковш неподвижно закреплен на П-образной раме и имеет фрезерный барабан диаметром и длиной соразмерными высоте и ширине ковша. Фрезерный барабан приводится во вращение, например, двумя гидромоторами с соосными приводными валами и имеет возможность перемещения вверх-вниз на определенную величину, выполняя роль срезающего грунт элемента, метателя грунта и дополнительного разгрузчика-разравнивателя при выгрузке грунта из ковша скрепера. Процессы загрузки грунта в ковш и выгрузки из ковша управляются по заданной программе микропроцессором. Этим достигается эффективность процесса загрузки грунта в ковш и увеличивается объем ковша скрепера. 7 ил.

Ковш скрепера, включающий смонтированный спереди лопастной метатель с концентрично расположенными неподвижным кожухом и подвижным кожухом с козырьком, передней заслонкой и задней подвижной стенкой и задними колесами, отличающийся тем, что ковш скрепера неподвижно и жестко укреплен на П-образной раме, составляющей единое целое с хоботом скрепера, и снабжен фрезерным барабаном, имеющим диаметр и длину соразмерными соответственно высоте и ширине ковша, например 0,8 - 0,9 высоты ковша, приводимым во вращение, например, двумя гидромоторами, установленными своими приводными валами соосно и скрепленными неподвижно с фрезерным барабаном, а фрезерный барабан посредством двух кронштейнов с укрепленными на них неподвижно гидромоторами и шарнирно связанных с двумя гидроцилиндрами и двумя шарнирными растяжками, другими концами также шарнирно скрепленными на П-образной раме ковша, передвигается вверх-вниз на определенную величину, равную заданной глубине снимаемого грунта, и одновременно выполняет роль срезающего грунт элемента, метателя грунта и дополнительного разгрузчика-разравнивателя грунта при выгрузке грунта из ковша скрепера, при этом процессы загрузки грунта в ковш и выгрузки из ковша в автоматизированном режиме выполняет гидросистема скрепера, управляемая по заданной программе микропроцессором, расположенным на пульте управления тракториста-скрепериста.