РАБОЧЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ КАРЬЕРНОГО ЭКСКАВАТОРА Российский патент 2016 года по МПК E02F3/30 

Изобретение относится к горным машинам, используемым при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом, а именно к карьерным экскаваторам типа «прямая лопата» с электромеханическим приводом главных механизмов.

Рабочее оборудование карьерных экскаваторов содержит стрелу, рукоять с закрепленным на ней ковшом, а также механизм и привод напора, который относится к группе главных механизмов и приводов карьерных экскаваторов. Вместимость ковша, конструктивные исполнения рукояти, стрелы и механизма напора определяют вид и параметры привода напора. Одним из самых распространенных типов механизма напора является реечный.

Аналогом предлагаемого изобретения является рабочее оборудование реечного экскаватора Harnischfeger Р&Н 2800ХРС (Рекламный проспект Р&Н 2800XPC Electrick Mining Shovel, Р&Н Mine Pro Services, 1-888-MINEPRO, Outside the U.S. and Canada), состоящее из стрелы и двухбалочной рукояти с ковшом, установленной в двух седловых подшипниках, опирающихся на проходящий через корпус стрелы напорный вал. Перемещение рукояти в седловом подшипнике осуществляется взаимодействием установленных на напорном валу кремальерных шестерен с рейками, которые расположены на балках рукояти. Балки рукояти опираются через рейки на ролики, выполненные заодно целое с кремальерными шестернями.

Недостатком такой конструкции является исполнение рукояти в двухбалочном варианте, что достаточно сложно в изготовлении, требует мощной связки балок рукояти в зоне соединения с ковшом и вызывает перелом силового потока при переходе силового потока от ковша к балкам рукояти и, как следствие, дополнительные напряжения в конструкции. Наличие двух балок и мощной связки существенно увеличивает вес движущихся частей рабочего оборудования, на подъем которого при копании тратится дополнительная энергия с одновременным снижением усилия резания на зубе ковша.

Другие недостатки этой конструкции:

- опора седловых подшипников на напорный вал, который в этом случае воспринимает дополнительные нагрузки в виде реакции в седловом подшипнике, возникающие при копании;

- опора рукояти через рейки на ролики кремальерных шестерен, установленных на напорном валу, вследствие чего последний воспринимает дополнительные нагрузки от веса ковша, рукояти и грунта;

- повышенный износ опорных вкладышей седлового подшипника, обусловленный дополнительным постоянным вращением напорного вала при копании экскаватора.

Прототипом заявляемой конструкции является рабочее оборудование реечного экскаватора MARION 201М (Рекламный проспект DRESSER MARION, DRESSER INDUSTRIES, INC, MARION DIVISION, 617 West Center Street, P.O. Box 505, Marion, Ohio 43302). Рабочее оборудование этого экскаватора состоит из стрелы, выполненной из двух соединенных между собой в верхней и нижней частях сварных балок коробчатого сечения. В нижней части балок расположены шарниры крепления стрелы к поворотной платформе, в средней части сварных балок во внутренние вертикалы вварены цапфы. На наружной поверхности каждой цапфы на подшипнике скольжения установлен качающийся рычаг (в оригинале именуемый «корпус подшипника»), к которому штифтами присоединяется корпус седлового подшипника (в оригинале именуемый «хомутный блок»). Внутри корпуса седлового подшипника смонтированы рукоять с присоединенным к нему ковшом, возвратно-поступательное движение которых при копании грунта осуществляется приводом напора при взаимодействии двух кремальерных шестерен, установленных на напорных валах, проходящих через внутренние отверстия цапф, с рейками, установленными на рукояти. Опора рукояти производится на ролики, установленные консольно на напорных валах.

Недостатком такой конструкции является, во-первых, неопределенность положения цапф, на которых устанавливается седловой подшипник, относительно нижнего шарнира стрелы. При слишком низком расположении напорного вала (расстоянии приварки цапф относительно нижнего шарнира стрелы меньше необходимого) заполнение ковша происходит выше уровня напорного вала. При этом, вследствие движения зуба ковша по дуге окружности, образуется недопустимое по условиям безопасности образование козырьков и снижение усилия резания на зубе ковша.

При увеличенном расстоянии приварки цапф относительно нижнего шарнира стрелы для обеспечения прочерпывания забоя на уровне стояния экскаватора необходимо увеличивать длину рукояти. Это увеличение приводит к неоправданному увеличению наибольшего радиуса копания, увеличению массы движущейся в процессе копания рукояти и ухудшению уравновешенности поворотной платформы и общей устойчивости экскаватора. Для компенсации ухудшения равновесия необходимо увеличение противовеса. Увеличение веса противовеса обуславливает увеличение рабочей массы и, как следствие, увеличение удельного давления на грунт, ограничивающее использование экскаватора на мягких грунтах с невысокой несущей способностью.

Во-вторых, установка седлового подшипника на наружную поверхность двух цапф предъявляет жесткие требования к соосности наружных посадочных поверхностей этих цапф, т.к. при копании седловой подшипник не может поворачиваться одновременно относительно двух разных осей.

Обеспечение такой соосности является весьма сложной технологической операцией, требующей специального оборудования - расточных станков с дополнительными выносными опорами и с головками, оборудованных планетарными резцами. При этом обработка цапф производится с двух установок, что дает отклонение от соосности в пределах 1…1,5 мм, для компенсации которого усложняется конструкция узла за счет введения зазоров в дополнительных шарнирах установки качающихся рычагов на цапфы и в штифтовом креплении корпуса седлового подшипника к качающимся рычагам.

В-третьих, опорные цапфы вварены только во внутренние вертикалы коробчатых балок стрелы. Такая конструкция при консольном нагружении цапф усилиями от седлового подшипника, возникающими при копании и в процессе поворота экскаватора, приводит к значительным изгибающим моментам, действующим на вертикалы. Для компенсации этих моментов требуется увеличение толщины вертикалов и мощного их подребрения для обеспечения жесткости узла.

В-четвертых, опора рукояти на ролики, установленные на напорном валу, нагружает последний дополнительными нагрузками от частичного восприятия веса ковша с грунтом и рукояти, что обуславливает необходимость увеличения рабочих сечений напорного вала.

В-пятых, весьма трудоемка замена подшипников скольжения, устанавливаемых на цапфах. Для их замены необходимо предварительно отсоединить корпус седлового подшипника с установленными в нем рукоятью с ковшом от качающихся рычагов, снять качающиеся рычаги и впрессовать подшипники. Снятие рычагов возможно только после демонтажа кремальерных шестерни и опорных роликов. Однако в связи с тем, что такой демонтаж во внутреннее пространство стрелы невозможен из-за отсутствия свободного места, снять кремальерные шестерни возможно только при выводе напорного вала наружу стрелы, т.е. при частичной разборке привода напора с вскрытием наружной масляной ванны и возможным нарушении герметизации ее уплотнений.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание рабочего оборудования карьерного экскаватора позволяющего обеспечить оптимальное расположение седлового подшипника с рукоятью на стреле, перераспределение весовых нагрузок рукояти и ковша с грунтом с напорного вала на балки стрелы и уменьшение трудоемкости технического обслуживания.

Техническая задача решается выполнением рабочего оборудования карьерного экскаватора, в виде рукояти с рейкой, ковша и стрелы, содержащей две балки коробчатого сечения. Балки стрелы состоят из двух вертикальных стенок и двух поясов, соединены в верхней и нижней части, шарнирно закреплены на платформе. На балках стрелы симметрично расположены цапфы с седловым подшипником, в котором установлена рукоять с рейкой, сопряженной с кремальерной шестерней привода напора. Стрела снабжена двумя монолитными стаканами, установленными соосно на балках и выполненными в виде двух последовательно расположенных коаксиальных цилиндров большего и меньшего диаметров с внутренними расточками по оси, в которые запрессованы цапфы. Больший цилиндр каждого стакана жестко закреплен в сквозных отверстиях вертикальных стенок соответствующей балки стрелы. Свободные торцы меньших цилиндров расположены в межбалочном пространстве и расстояние между ними меньше расстояния между балками стрелы. На цапфах под седловым подшипником установлены разъемные подшипники скольжения. Расположение цапф на балках стрелы определяют из соотношения:

где L - расстояние от нижнего шарнира стрелы до оси цапф совпадающей с осью напорного вала,

q - вместимость ковша,

k - коэффициент сопротивления грунта копанию (по Единым нормам выработки),

l - максимальный вылет рукояти относительно оси седлового подшипника,

Но - высота шарнира крепления стрелы к поворотной платформе стрелы от подошвы забоя,

Sn - стопорное усилие подъема,

Gi - веса движущихся частей (ковш, рукоять, грунт),

Li, Ln - соответственно плечи сил Gi и усилия Sn относительно выходного вала редуктора привода напора,

α - угол наклона стрелы.

Рукоять в седловом подшипнике опирается на регулируемые по высоте ролики, установленные на его корпусе.

Выполнение рабочего оборудования согласно изобретению позволяет проводить предварительную обработку наружных поверхностей цапф с последующей запрессовкой в обработанные на одной установке внутренние отверстия установленных в балках стрелы стаканов. Это обеспечивает точную соосность посадочных поверхностей цапф для седлового подшипника.

Стаканы жестко устанавливаются (ввариваются) одновременно в обе вертикальные стенки балок стрелы. При этом нагрузки, действующие на балки от седлового подшипника, воспринимаются балками не как изгиб одной вертикальной балки, а как одновременное растяжение одного и сжатие другого, двух, вертикальных элементов. Увеличенные диаметры стаканов в зоне их крепления к стреле существенно снижают напряжения в сварных швах крепления стаканов, а расположение цилиндров меньшего диаметра стаканов в межбалочном пространстве стрелы полностью исключает возможность нежелательного трения торцевых поверхностей седлового подшипника о вертикальные стенки балок.

Выполнение установленных на цапфах опорных подшипников скольжения разъемными существенно облегчает их демонтаж при необходимости замены подшипников. Для демонтажа подшипников достаточно отсоединить крышки седлового подшипника с нижним вкладышем и приподнять корпус седлового подшипника для замены верхнего вкладыша. При этом нет необходимости демонтировать даже частично привод напора.

Опора рукояти производится на регулируемые по высоте ролики, установленные на корпусе седлового подшипника. При этом весовые нагрузки передаются на стрелу через цапфы и вваренные стаканы, а не напорный вал.

Расчетно-эмпирическая формула, определяющая расположение цапф на балках стрелы, содержит силовые и массогабаритные характеристики экскаватора, выбирается из условий забоя и полного заполнения ковша при его подъеме до уровня напорного вала, что позволяет оптимально расположить седловой подшипник с рукоятью на стреле.

На чертежах представлены:

Фиг. 1 - общий вид рабочего оборудования карьерного экскаватора;

Фиг. 2 - стрела карьерного экскаватора, вид сбоку;

Фиг. 3 - стрела карьерного экскаватора, вид сверху;

Фиг. 4 - балка стрелы с цапфами и седловым подшипником в разрезе.

Рабочее оборудование экскаватора (Фиг. 1) состоит из двубалочной стрелы 1, на которой соосно установлена пара цапф 2, являющихся опорами для седлового подшипника 3. Внутри седлового подшипника 3 установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно него рукоять 4 с ковшом 5. На рукояти расположена рейка 6, а сопряженная с ней кремальерная шестерня размещена на стреле (не показана). Ковш 5 и рукоять 4 подвешены на подъемных канатах 7, огибающих блоки подвески ковша 8, а также головные блоки 9 стрелы 1.

Рабочее оборудование крепится в верхней части стрелы 1 вантами 10 к двуногой стойке (на фигуре показана не полностью и позицией не отмечена), а в нижней части стрелы 1 осями 11 к кронштейнам 12 поворотной платформы 13 экскаватора.

На Фиг. 2 показано расстояние L от нижнего шарнира 11 стрелы 1 до точки установки цапф 2, которое определяется соотношением, установленным на машинах карьерных реечных, и подтверждено расчетами.

Стрела 1 (Фиг. 3) состоит из двух сварных балок 14 коробчатого сечения, соединенных в верхней и нижней частях соответственно перемычками 15 и 16. На верхней перемычке 15 на оси установлены головные блоки 9, а на нижней перемычке 16 шарниры с осями 11 для крепления стрелы 1 к кронштейнам 12.

В центральной части стрелы 1 (Фиг. 4) на наружные поверхности соосно установленных цапф 2 на расстоянии L от нижних шарниров 11 на разъемных подшипниках скольжения, состоящих из верхних 17 и нижних 18 антифрикционных вкладышей, фиксируемых крышками 19, установлен седловой подшипник 3.

Цапфы 2 запрессованы в расточки монолитных стаканов 20, выполненных в виде двух последовательно расположенных коаксиальных цилиндров большего 21 и меньшего диаметров 22, жестко закрепленных (приварены) в сквозных отверстиях вертикальных стенок соответствующих балок 14 стрелы 1. При этом цилиндры меньшего диаметра 22 выступают во внутреннюю полость между балками 14, исключая возможность упора седлового подшипника 3 в вертикальные стенки балок 14.

Внутри седлового подшипника 3 установлена рукоять 4, опирающаяся на ролики 23 и фиксируемая от боковых и вертикальных смещений ползунами 24. Возвратно-поступательное перемещение рукояти 4 с ковшом 5 осуществляется за счет взаимодействия между установленной на валу привода напора (напорном валу) 25 кремальерной шестерней 26 и установленной на нижнем поясе рукояти 4 рейкой 6. Регулировка роликов 23 по высоте относительно корпуса седлового подшипника 3 достигается за счет установки необходимого количества прокладок 28.

Рабочее оборудование действует следующим образом.

В начале копания ковш 5 с рукоятью 4 выдвигаются в седловом подшипнике 3 до касания подошвы забоя (Фиг. 1). При включении лебедки подъема подъемный канат 7 наматывается на барабан лебедки (не показано), вследствие чего сокращается его длина и происходит поворот рукояти 4 с ковшом 5 и седловым подшипником 3 относительно стрелы 1. При этом ковш 5 заполняется грунтом. Регулирование толщины снимаемой стружки осуществляется перемещением приводом напора рукояти 4 с ковшом 5 относительно седлового подшипника 3 за счет взаимодействия кремальерной шестерни 26 напорного вала 25 с установленной на рукояти рейкой 6. После окончания этапа копания происходит вывод ковша 5 из забоя, поворот на выгрузку, выгрузка и поворот в забой с возвращением ковша 5 в первоначальное положение.

На всех этапах копания происходит возвратно-поступательное перемещение ковша 5 с рукоятью 4 в седловом подшипнике с одновременным поворотом седлового подшипника 3 с вкладышами на цапфах 2 стрелы 1.

Возникающие при копании нагрузки воспринимаются седловым подшипником 3 через ролики 23, боковые и верхние ползуны 24 и передаются через цапфы 2 на корпус стрелы 1 и далее через ванты 10 на двуногую стойку и через нижние шарниры 11 на поворотную платформу 13 карьерного экскаватора.

Использование изобретения позволяет создать универсальное рабочее оборудование реечного карьерного экскаватора с оптимальным распределением нагрузок и снизить трудоемкость технического обслуживания.

Изобретение относится к горным машинам, а именно к карьерным экскаваторам типа «прямая лопата» с электромеханическим приводом главных механизмов. Рабочее оборудование экскаватора содержит рукоять с рейкой, ковш и стрелу в виде двух балок коробчатого сечения, состоящих из двух вертикальных стенок и двух поясов. Балки соединены в верхней и нижней части, шарнирно закреплены на платформе. На балках стрелы симметрично расположены цапфы с седловым подшипником, в котором установлена рукоять с рейкой, сопряженной с кремальерной шестерней привода напора. Стрела снабжена двумя монолитными стаканами, установленными соосно на балках стрелы и выполненными в виде двух последовательно расположенных коаксиальных цилиндров большего и меньшего диаметров с внутренними расточками по оси, в которые запрессованы цапфы. Больший цилиндр каждого стакана жестко закреплен в сквозных отверстиях вертикальных стенок соответствующей балки стрелы. Свободные торцы меньших цилиндров расположены в межбалочном пространстве. На цапфах под седловым подшипником установлены разъемные подшипники скольжения. Расположение цапф на балках стрелы определяется соотношением:

где L - расстояние от нижнего шарнира стрелы до оси цапф, совпадающей с осью напорного вала; q - вместимость ковша; k - коэффициент сопротивления грунта копанию (по Единым нормам выработки); l - максимальный вылет рукояти относительно оси седлового подшипника; Но - высота шарнира крепления стрелы к поворотной платформе стрелы от подошвы забоя; Sn - стопорное усилие подъема; Gi - веса движущихся частей (ковш, рукоять, грунт); Li, Ln - соответственно плечи сил Gi и усилия Sn относительно выходного вала редуктора привода напора; α - угол наклона стрелы. Использование изобретения позволяет создать универсальное рабочее оборудование реечного карьерного экскаватора с оптимальным распределением нагрузок и снизить трудоемкость технического обслуживания. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Рабочее оборудование карьерного экскаватора, содержащее рукоять с рейкой, ковш и стрелу в виде двух балок коробчатого сечения, состоящих из двух вертикальных стенок и двух поясов, балки соединены в верхней и нижней части, шарнирно закреплены на платформе; на балках стрелы симметрично расположены цапфы с седловым подшипником, в котором установлена рукоять с рейкой, сопряженной с кремальерной шестерней привода напора, отличающееся тем, что стрела снабжена двумя монолитными стаканами, установленными соосно на балках стрелы и выполненными в виде двух последовательно расположенных коаксиальных цилиндров большего и меньшего диаметров с внутренними расточками по оси, в которые запрессованы цапфы, больший цилиндр каждого стакана жестко закреплен в сквозных отверстиях вертикальных стенок соответствующей балки стрелы, свободные торцы меньших цилиндров расположены в межбалочном пространстве, на цапфах под седловым подшипником установлены разъемные подшипники скольжения, а расположение цапф на балках стрелы определяется соотношением:

где L - расстояние от нижнего шарнира стрелы до оси цапф, совпадающей с осью напорного вала,
q - вместимость ковша,
k - коэффициент сопротивления грунта копанию (по Единым нормам выработки),
l - максимальный вылет рукояти относительно оси седлового подшипника,
Но - высота шарнира крепления стрелы к поворотной платформе стрелы от подошвы забоя,
Sn - стопорное усилие подъема,
Gi - веса движущихся частей (ковш, рукоять, грунт),
Li, Ln - соответственно плечи сил Gi и усилия Sn относительно выходного вала редуктора привода напора,
α - угол наклона стрелы.

2. Рабочее оборудование карьерного экскаватора по п. 1, отличающееся тем, что рукоять в седловом подшипнике опирается на регулируемые по высоте ролики, установленные на корпусе.