ЗУБ КОВША ЭКСКАВАТОРА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК E02F9/28 

Группа изобретений относится к конструктивным элементам экскаваторов и других землеройных машин, а именно к деталям из рабочих органов и к способам их изготовления.

Известен составной зуб для землеройной машины [1], включающий коронку и адаптер. Адаптер имеет сужающийся конец, образующий выступ, а коронка имеет соответствующей формы полость. Соединение коронки и адаптера осуществляется механическим путем с помощью эластичного клина, который устанавливается в специальные овальные отверстия. Составной зуб достаточно прост в изготовлении, однако имеет ненадежное соединение, а коронка, выполненная из износостойкой стали, имеет излишне массивную форму. В процессе эксплуатации ковша экскаватора коронка изнашивается и требуется ее постоянная замена. Таким образом, дорогая износостойкая сталь используется нерационально, что увеличивает эксплуатационные расходы.

Другой известный составной зуб [2] имеет менее металлоемкую форму коронки, что с одной стороны удешевляет конструкцию, однако с другой стороны тонкие стенки коронки и длинный посадочный выступ делают конструкцию ненадежной. В процессе эксплуатации может разрушиться не только коронка, но и сам адаптер. Соединение деталей зуба осуществляется также с помощью штифта и является ненадежным.

Известны более сложные конструкции зуба. Так, узел крепления зуба рабочего органа землеройной машины [3] предусматривает соединение составных частей с помощью муфты, расположенный на заднем конце удлиненного корпуса коронки и охватывающей головку адаптера. Сопрягающиеся поверхности адаптера и коронки имеют сложную конфигурацию с впадинами и выступами, что делает всю конструкцию нетехнологичной в изготовлении.

Наиболее близким к заявляемому устройству является узел крепления зуба ковша экскаватора [4], принятый за прототип устройства.

Зуб [4] состоит из адаптера, имеющего на конце направляющий клинообразный выступ с округлыми впадинами, на котором при помощи штифта установлена коронка из износостойкого материала. Коронка имеет удлиненную клинообразную форму. Ее внутренняя поверхность имеет форму, сопрягающуюся с наружной концевой поверхностью адаптера, и дополнительно снабжена округлыми выступами, фиксирующими положение коронки на адаптере. Зуб снабжен дополнительным рабочим элементом в виде крышки, установленной на специальной направляющей и защищающей верхнюю часть адаптера. На крышке со стороны коронки выполнены ребра, которые являются дополнительными фиксаторами взаимного положения указанных элементов.

Таким образом, рабочий орган зуба состоит из двух взаимодействующих элементов: коронки и крышки, выполненных из износостойкой стали, что усложняет и удорожает конструкцию. Кроме того, значительная часть коронки не является рабочей, а служит только для закрепления ее на адаптере, т.е. часть износостойкой стали не используется по назначению. Наличие сквозного канала (для установки штифта) на концевой части адаптера также уменьшает надежность зуба в целом, т. е. может привести в процессе эксплуатации к разрушению адаптера.

Известны различные способы изготовления зуба ковша экскаватора, при этом операцией, определяющей ресурсные характеристики зуба, является операция соединения коронки и адаптера. Традиционно соединение осуществляется механическим путем с помощью клиньев, штифтов и муфт, как это описано в [1-4]. При этом простота соединения является несомненным преимуществом, однако такие соединения, как отмечалось, не обладают достаточной надежностью, что приводит к преждевременным поломкам зуба в месте соединения коронки и адаптера.

Другим известным способом изготовления зуба является способ [5], в котором между поверхностью полости в задней части коронки землеройного зуба и внешней поверхностью передней части адаптера располагают размягчающийся при нагреве полимерный материал и нагревают его до температуры размягчения. Застывший слой полимера обеспечивает сравнительно прочное соединение деталей зуба в результате адгезионного взаимодействия. После износа коронки опять нагревают материал до температуры размягчения и заменяют изношенную коронку на новую.

Способ прост в реализации, однако полимерный материал, соединяющий коронку с адаптером, не обладает достаточной жесткостью и высокими адгезионными свойствами, обеспечивающими надежное крепление коронки на адаптере, а следовательно, надежную работу зуба.

В основу изобретения поставлена задача создания простой и надежной конструкции зуба для ковша экскаватора, экономичной с точки зрения использования износостойкой и долговечной при эксплуатации стали коронки. Способ изготовления такого зуба должен обеспечивать надежное соединение между собой его элементов.

Поставленная задача решается тремя вариантами конструкции зуба и способом изготовления третьего варианта зуба.

В первом варианте поставленная задача решается тем, что в зубе ковша экскаватора, включающем адаптер, на конце которого имеется направляющий выступ, рабочий орган, состоящий из двух элементов, одним из которых является коронка, выполненная из износостойкого материала, и фиксатор, согласно изобретению второй элемент рабочего органа выполнен в виде соосно расположенного демпфера, задняя часть которого закреплена на направляющем выступе адаптера, а передняя часть выполнена в виде сужающегося наконечника с зубчатой поверхностью, на котором закреплена коронка, внутренняя поверхность которой имеет форму, сопрягающуюся с наружной поверхностью наконечника демпфера, с обеспечением возможности их неразъемного соединения путем зацепления зубцов.

Во втором варианте поставленная задача решается тем, что в зубе ковша экскаватора, включающем адаптер, на конце которого имеется направляющий выступ, рабочий орган, состоящий из двух элементов, одним из которых является коронка, выполненная из износостойкого материала, и фиксатор, согласно изобретению второй элемент рабочего органа выполнен в виде соосно расположенного демпфера, его задняя часть закреплена на направляющем выступе адаптера, а передняя часть выполнена в виде сужающегося наконечника с переменным рельефом боковых поверхностей, где закреплена коронка, внутренняя поверхность которой имеет форму, сопрягающуюся с наружной поверхностью наконечника демпфера, а в зазоре между указанными поверхностями расположен слой застывшего металла.

В третьем варианте поставленная задача решается тем, что в зубе ковша экскаватора, включающем адаптер, на конце которого имеется направляющий выступ, рабочий орган, состоящий из двух элементов, одним из которых является коронка, выполненная из износостойкого материала, и фиксатор, согласно изобретению второй элемент рабочего органа выполнен в виде соосно расположенного демпфера, задняя часть которого закреплена на направляющем выступе адаптера, а передняя часть выполнена в виде сужающегося наконечника с переменным рельефом боковых поверхностей, на котором посредством наплавки выполнена коронка.

В качестве материала демпфера во всех вариантах используют сталь конструкционной марки с ударной вязкостью не менее 1,0 МДж/м² и условным пределом текучести, лежащим в пределах 0,3-0,8 условного предела текучести материала коронки, но не превышающим 0,7 условного предела текучести материала адаптера.

Наилучший результат достигается, когда направляющий выступ адаптера имеет H-образное поперечное сечение, а задняя часть демпфера снабжена двумя выступами прямоугольного сечения, установленными в пазы между полками H-образного направляющего выступа адаптера. При этом целесообразно фиксатор выполнить в виде скобы, охватывающей сверху демпфер и закрепленной на полках H-образного выступа адаптера.

Поставленная задача решается также способом изготовления зуба по третьему варианту, включающем формирование внутренней поверхности коронки по форме наружной поверхности направляющего выступа демпфера и закрепление коронки зуба на направляющем выступе посредством образования адгезионного взаимодействия, в котором согласно изобретению в качестве направляющего выступа используют переднюю часть демпфера, выполненную в виде сужающегося наконечника с переменным рельефом боковых поверхностей, а коронку изготавливают методом заливки расплавленного износостойкого материала в форму, в рабочей зоне которой предварительно размещают переднюю часть демпфера, затем демпфер с наплавленной коронкой охлаждают до комнатной температуры и закрепляют с помощью фиксатора заднюю часть демпфера на направляющем выступе адаптера.

На фиг. 1 представлен зуб, первый вариант, вид сбоку, сверху и сечение; на фиг. 2 - зуб, второй вариант, коронка в сборе с демпфером; на фиг. 3 - зуб, третий вариант, коронка в сборе с демпфером.

Зуб ковша экскаватора состоит из адаптера 1, хвостовик которого имеет соответствующие прорези для крепления на ковше экскаватора. На противоположном конце адаптера имеется направляющий выступ 2, на который надет и закреплен демпфер 3. Направляющий выступ 2 может иметь различную форму, однако целесообразно для обеспечения прочности конструкции выполнить в нем пазы, в которые могут быть жестко установлены соответствующие выступы демпфера (соединение по типу гнездо - вилка). Экспериментально установлено, что выполнение выступа 2 в виде профиля, имеющего H-образное поперечное сечение, и двух выступов 4 на задней части демпфера, имеющих прямоугольное сечение шириной, равной расстоянию между боковыми полками 5 на адаптере, позволяет обеспечить максимальную жесткость конструкции при минимальной длине выступов. Фиксацию взаимного положения деталей целесообразно осуществлять с помощью охватывающих конструкцию элементов, например, с помощью фиксатора 6 - имеющего форму скобы, размещенной над задней частью демпфера и закрепленной на полках 5 с помощью винтов 7. При этом скоба 6 имеет профилированное сечение и заглублена в тело выступа адаптера.

На наконечнике демпфера расположена коронка 8, внутренняя поверхность которой имеет форму, сопрягающуюся с наружной поверхностью передней части демпфера.

Наружная поверхность передней части демпфера выполнена в виде сужающегося наконечника. При этом форма выполнения наконечника может быть пирамидо-, конусо-, клинообразной или иной сложной формы, имеющей выступы и впадины, т. е. имеющей переменный рельеф боковой поверхности, например, в виде ступеней, зубцов (гребенки) и т.д. Одна из таких (наиболее простых) пирамидообразных форм с переменным углом схождения граней представлена на фиг. 2, другая - с зубчатой поверхностью передней части демпфера и соответственно зубчатой внутренней поверхностью коронки - на фиг. 1.

Заявляемые варианты решают одну задачу принципиально одним и тем же путем, отличие заключается в конструкционных особенностях, обусловленных способом крепления коронки зуба на демпфере.

Конструкция первого варианта зуба предусматривает наличие зубцов на поверхности сужающегося наконечника демпфера и соответствующих по форме зубцов на внутренней поверхности коронки. Неразъемное соединение указанных элементов может быть осуществлено с помощью тугой прессовой посадки. При приложении осевого усилия зубцы на демпфере вследствие упругости его материала подвергаются некоторому изгибу во внутрь, достаточному для того, чтобы зайти в зацепление с зубчатым рельефом коронки с образованием неразъемного соединения. При этом локальная пластическая деформация приводит к образованию адгезионных связей.

Во втором варианте в зазоре между наружной поверхностью наконечника демпфера 3 и внутренней поверхностью коронки 8 расположен слой 9 легкоплавкого застывшего металла, например, свинца. При этом свинец в расплавленном виде заливают в щель, а затем он застывает, образуя соединение. Рекомендуется во время сборки коронки 8 и демпфера 3 поместить между ними пластинки свинца, затем нагреть узел до расплавления свинца, после остывания которого получается прочное неразъемное соединение. Слой 9 застывшего металла играет роль прочного уплотнителя.

В третьем варианте изобретения коронка 8 выполнена посредством наплавки на демпфере 3 и весь узел является конструктивно единым биметаллическим элементом. При этом позиция 10 на фиг. 3 обозначает зону взаимного сплавления, т.е. переходный металлический слой.

Установлено, что наилучший результат достигается не только конструктивными особенностями устройства, но и используемым материалом для изготовления демпфера. Для эффективной работы демпфера и возможности простого монтажа материал должен удовлетворять определенным требованиям по ударной вязкости и прочностным свойствам.

Во всех вариантах реализации конструкции зуба в качестве материала демпфера используют сталь конструкционной марки с ударной вязкостью не менее 1 МДж/м² и условным пределом текучести, лежащем в пределах 0,3-0,8 условного предела текучести материала коронки, но не более 0,7 условного предела текучести материала адаптера. При уменьшении ударной вязкости ниже 1 МДж/м² в процессе эксплуатации происходит хрупкое разрушение демпфера в месте закрепления его к адаптеру. При изготовлении демпфера из стали с условным пределом текучести, меньшим 0,3 условного предела текучести материала коронки, происходит пластическая деформация демпфера (изгиб) и зуб приобретает нерабочую форму. Увеличение условного предела текучести выше заявляемого предела может привести к разрушению коронки в процессе ее монтажа и в процессе эксплуатации (разрушение передней части), а также необратимой пластической деформации адаптера во время эксплуатации зуба.

Устройство работает следующим образом.

В процессе внедрения ковша экскаватора в породу на коронку, демпфер и адаптер со стороны породы действуют сжимающие и изгибающие усилия, а коронка при внедрении в породу подвергается абразивному износу. При движении ковша экскаватора действующая на коронку распределенная нагрузка передается на наконечник демпфера и компенсируется его изгибающим моментом в зоне крепления демпфера к адаптеру (в зоне "вилки"). В процессе износа коронки не происходит хрупкого разрушения рабочего органа, а при полном абразивном износе коронки осуществляют замену сборного узла демпфер - коронка. При этом адаптер остается в рабочем состоянии, пригодном для повторного использования.

Согласно способу реализации третьего варианта конструкции зуба коронку получают методом литья в форму, изготовленную в соответствии с наружной конфигурацией коронки. Устанавливают форму в ее рабочую зону (предпочтительно сверху), вводят демпфер его передней частью, т.е. вводят наконечник, заливают форму расплавленным износостойким металлом, например, инструментальной быстрорежущей сталью, затем осуществляют регламентированное охлаждение до комнатной температуры и вынимают демпфер с наплавленной коронкой. В случае необходимости производят термообработку узла в сборе. После этого демпфер закрепляют на выступе адаптера с помощью фиксатора.

При такой технологии изготовления зуба внутренняя поверхность коронки повторяет рельеф наконечника демпфера и входит с ним в плотное соединение. В процессе остывания в форме возникают дополнительные сжимающие напряжения вследствие различных коэффициентов линейного расширения материалов. Ввиду того, что наконечник имеет развитую боковую поверхность, в зоне контакта демпфера с жидким металлом коронки образуются локальные металлические связи (на выступах), которые усиливают адгезионные связи.

Таким образом, зуб имеет во всех вариантах простую конструкцию, технологичную в изготовлении, экономичную с точки зрения использования дорогостоящей стали коронки и надежную в процессе эксплуатации. При неизбежном абразивном износе легко и быстро можно осуществить замену сборного или составного элемента, при этом не требуется замена адаптера, так как существенно повышается срок его службы. Способы изготовления зуба просты и обеспечивают надежное соединение.

Изобретение найдет промышленное применение на карьерных экскаваторах различных моделей.

Источники информации:
1. Заявка ЕПВ 0531603, МКИ E 02 F 9/28.

2. Патент Швейцарии 679939, МКИ E 02 F 9/28.

3. Патент СССР 1838524, МКИ E 02 F 9/28.

4. Патент Великобритании 2252577, МКИ E 02 F 9/28 (прототип устройства).

5. Акц. заявка Японии 5-24293, МКИ E 02 F 9/28 (прототип способа).

Изобретение относится к конструктивным элементам экскаваторов и других землеройных машин, а именно к деталям их рабочих органов и к способам их изготовления. Зуб ковша экскаватора состоит из адаптера, хвостовик которого имеет соответствующие прорези для крепления на ковше экскаватора. На противоположном конце адаптера имеется направляющий выступ, на котором надет и закреплен демпфер. На выступе могут быть выполнены пазы для размещения в них соответствующих выступов демпфера. На наконечнике адаптера расположена коронка, внутренняя поверхность которой имеет форму, сопрягающуюся с наружной поверхностью передней части демпфера. Варианты конструкции зуба предусматривают различные соединения коронки и демпфера. Соединение может быть осуществлено посредством тугой посадки и образования неразъемного соединения за счет зацепления зубцов, выполненных на соединяющихся поверхностях, или за счет размещения в зазоре между соединяемыми поверхностями слоя легкоплавкого металла, или путем наплавки второго слоя металла. Способ изготовления зуба по третьему варианту предусматривает осуществление наплавки методом литья металла в форму, в которую предварительно введен наконечник демпфера. Изобретение обеспечивает повышение надежности конструкции, экономичности и долговечности при эксплуатации. 4 с. и 9 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Зуб ковша экскаватора, включающий адаптер, на конце которого имеется направляющий выступ, рабочий орган, состоящий из двух элементов, одним из которых является коронка, выполненная из износостойкого материала, и фиксатор, отличающийся тем, что второй элемент рабочего органа выполнен в виде соосно расположенного демпфера, задняя часть которого закреплена на направляющем выступе адаптера, а передняя часть выполнена в виде сужающегося наконечника с зубчатой поверхностью, на котором закреплена коронка, внутренняя поверхность которой имеет форму, сопрягающуюся с наружной поверхностью наконечника демпфера, с обеспечением возможности их неразъемного соединения путем зацепления зубцов. 2. Зуб по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала демпфера используют сталь конструкционной марки с ударной вязкостью, не превышающей 1 МДж/м² и условным пределом текучести, лежащим в пределах 0,3-0,8 условного предела текучести материала коронки, но не превышающим 0,7 условного предела текучести материала адаптера. 3. Зуб по п.1, отличающийся тем, что направляющий выступ адаптера имеет Н-образное поперечное сечение, а задняя часть демпфера снабжена двумя выступами прямоугольного сечения, установленными в пазы между полками Н-образного направляющего выступа адаптера. 4. Зуб по п. 3, отличающийся тем, что фиксатор выполнен в виде скобы, охватывающей сверху демпфер и закрепленной на полках Н-образного выступа адаптера. 5. Зуб ковша экскаватора, включающий адаптер, на конце которого имеется направляющий выступ, рабочий орган, состоящий из двух элементов, одним из которых является коронка, выполненная из износостойкого материала, и фиксатор, отличающийся тем, что второй элемент рабочего органа выполнен в виде соосно расположенного демпфера, задняя часть которого закреплена на направляющем выступе адаптера, а передняя часть выполнена в виде сужающегося наконечника с переменным рельефом боковых поверхностей, на котором закреплена коронка, внутренняя поверхность которой имеет форму, сопрягающуюся с наружной поверхностью наконечника демпфера, а в зазоре между указанными поверхностями расположен слой застывшего металла. 6. Зуб по п.5, отличающийся тем, что в качестве материала демпфера используют сталь конструкционной марки с ударной вязкостью, не превышающей 1 МДж/м², и условным пределом текучести, лежащим в пределах 0,3-0,8 условного предела текучести материала коронки, но не превышающим 0,7 условного предела текучести материала адаптера. 7. Зуб по п.5, отличающийся тем, что направляющий выступ адаптера имеет Н-образное поперечное сечение, а задняя часть демпфера снабжена двумя выступами прямоугольного сечения, установленными в пазы между полками Н-образного направляющего выступа адаптера. 8. Зуб по п. 7, отличающийся тем, что фиксатор выполнен в виде скобы, охватывающей сверху демпфер и закрепленной на полках Н-образного выступа адаптера. 9. Зуб ковша экскаватора, включающий адаптер, на конце которого имеется направляющий выступ, рабочий орган, состоящий из двух элементов, одним из которых является коронка, выполненная из износостойкого материала, и фиксатор, отличающийся тем, что второй элемент рабочего органа выполнен в виде соосно расположенного демпфера, задняя часть которого закреплена на направляющем выступе адаптера, а передняя часть выполнена в виде сужающегося наконечника с переменным рельефом боковых поверхностей, на котором посредством наплавки выполнена коронка. 10. Зуб по п.9, отличающийся тем, что в качестве материала демпфера используют сталь конструкционной марки с ударной вязкостью, не превышающей 1 МДж/м² и условным пределом текучести, лежащим в пределах 0,3-0,8 условного предела текучести материала коронки, но не превышающим 0,7 условного предела текучести материала адаптера. 11. Зуб по п.9, отличающийся тем, что направляющий выступ адаптера имеет Н-образное поперечное сечение, а задняя часть демпфера снабжена двумя выступами прямоугольного сечения, установленными в пазы между полками Н-образного направляющего выступа адаптера. 12. Зуб по п.11, отличающийся тем, что фиксатор выполнен в виде скобы, охватывающей сверху демпфер и закрепленной ан полках Н-образного выступа адаптера. 13. Способ изготовления зуба землеройной машины, включающий формирование внутренней поверхности коронки по форме наружной поверхности направляющего выступа демпфера и закрепление коронки зуба на направляющем выступе посредством образования адгезионного взаимодействия, отличающийся тем, что в качестве направляющего выступа используют переднюю часть демпфера, которую выполняют в виде сужающегося наконечника с переменным рельефом боковых поверхностей, а коронку изготавливают методом литья расплавленного износостойкого материала в форму, в рабочей зоне которой предварительно размещают переднюю часть демпфера, затем демпфер с наплавленной коронкой охлаждают до комнатной температуры и закрепляют с помощью фиксатора заднюю часть демпфера на направляющем выступе адаптера.