способ экскавации грунта одноковшовым экскаватором и устройство для его осуществления

Формула изобретения

СПОСОБ ЭКСКАВАЦИИ ГРУНТА ОДНОКОВШОВЫМ ЭКСКАВАТОРОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ экскавации грунта одноковшовым экскаватором, включающий поступательное перемещение рукояти и заполнение ковша при послойном срезе грунта его режущими элементами, отличающийся тем, что экскавацию грунта производят при постоянном однонаправленном вращении ковша вокруг продольной оси рукояти, а послойный срез грунта ковшом ведут при выдвинутых в сторону вращения за боковые габариты ковша режущих элементах, причем послойный срез грунта ковшом в процессе однонаправленного вращения производят при его эксцентричном смещении относительно оси вращения или в подвернутом состоянии к оси вращения.

2. Устройство для экскавации грунта одноковшовым экскаватором, включающее стрелу с механизмом ее подъема, шарнирно связанную со стрелой рукоять с механизмом их относительного поворота и с корпусом, в котором с возможностью вращательного и поступательного перемещения расположена штанга с продольными направляющими гранями, механизм подачи и вращения штанги, шарнирно соединенный со штангой ковш с режущими элементами, отличающееся тем, что ковш имеет на одном из боковых режущих элементов зубья, выдвинутые вперед в сторону его вращения, и закреплен на шарнире штанги с возможностью эксцентричного смещения относительно ее продольной оси и фиксации под углом до 90^o к оси штанги, механизм подачи штанги выполнен из параллельно расположенных вдоль оси по обеим сторонам штанги замкнутых на корпусе рукояти цепных полиспастов на раздвинутых вдоль оси штанги втулках, соосно установленных на подшипниках штанги и связанных между собой рейкой, установленной параллельно оси штанги и с возможностью продольного перемещения в направляющих корпуса рукояти, и взаимодействующих с приводными звездочками, кинематически связанными с ведомым валом, установленным на оси шарнирной связи стрелы и корпуса рукояти, а механизм вращения штанги выполнен в виде встроенного в корпус рукояти червячного редуктора с ответными пазами под продольные направляющие грани штанги в колесе и червяком, кинематически связанным с вращающейся осью шарнирной связи стрелы и корпуса рукояти, причем механизм подъема стрелы и ее поворота относительно рукояти выполнены в виде жесткой тяги и с приводом от самотормозящихся червячных редукторов, колеса которых соосно свинчены с тягой, а червяки и ведомый вал с осью шарнирной связи стрелы и корпуса рукояти с помощью замкнутых цепных передач кинематически связаны с общим приводным валом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам и устройствам для производства землеройных работ, в частности к экскавации грунта одноковшовыми мини-экскаваторами.

Известен способ экскавации грунта одноковшовым экскаватором, заключающийся в заполнении ковша путем его поступательного перемещения рукоятью при одновременном срезе грунта режущими и боковыми подрезающими зубьями и кромками ковша.

Недостаток известного способа экскавации грунта одноковшовым экскаватором - его большая энергоемкость, что является неприемлемым для работы мини-техники на грунтах с высокой категорией трудности разработки.

Наиболее близким к предлагаемому является способ экскавации грунта одноковшовым экскаватором, заключающийся в заполнении ковша рукоятью путем их вращательного перемещения вокруг вертикальной оси поворота экскаватора при послойном срезе грунта режущими и боковыми подрезающими зубьями и кромками ковша.

Недостатком известного способа экскавации грунта одноковшовым экскаватором является низкая производительность заполнения ковша путем послойного среза грунта, а также большая энергоемкость для развития значительного усилия напора для заполнения ковша, создаваемого механизмом поворота экскаватора, что неприемлемо для работы мини-техники на грунтах с высокой категорией трудности разработки.

Известно устройство для экскавации грунта одноковшовым экскаватором, включающее рукоять и ковш с механизмом поворота вокруг оси рукояти, содержащим центрирующую цапфу, которая жестко закреплена на боковой стенке ковша, режущая кромка и зубья которого расположены параллельно оси центрирующей цапфы и оси рукояти, а также с механизмом поворота на поперечной оси рукояти.

Недостатком известного устройства для экскавации грунта является низкая его производительность, связанная с послойным срезом грунта путем попеременного холостого перемещения ковша над срезанной поверхностью разрабатываемого массива, а также большая энергоемкость резания грунта путем поступательного перемещения режущей кромки с зубьями ковша при его повороте с рукоятью механизмом поворота экскаватора. Известное устройство непригодно для экскавации грунта высокой категории трудности разработки маломощной мини-техникой. Известное устройство не предназначено для экскавации грунта путем постоянного вращения ковша из-за его саморазгрузки, а механизм поворота вокруг оси цапфы предназначен только для разгрузки ковша через переднюю сторону.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для экскавации грунта одноковшовым экскаватором, включающее стрелу, шарнирно связанную со стрелой рукоять с механизмом поворота и корпусом, в котором с возможностью вращательного и поступательного перемещения расположена штанга с продольными направляющими гранями, и механизм подачи штанги, выполненный в виде встречно направленных зубчатых реек, связанных между собой с помощью шестерни с осью и расположенных параллельно штанге, при этом одна из реек жестко связана с корпусом, а другая - шарнирно со штангой, причем ось шестерни связана с корпусом с помощью гидроцилиндра напора, механизм вращения штанги, выполненный из жестко закрепленной в корпусе гайки и из расположенной с возможностью взаимодействия с гайкой и штангой винтовой втулки, связанной с корпусом с помощью гидроцилиндра вращения, шарнирно соединенный со штангой ковш с режущими и боковыми подрезающими зубьями и кромками и с механизмом его поворота относительно поперечной оси штанги в виде гидроцилиндра и рычагов.

Недостатком известного устройства для экскавации грунта одноковшовым гидравлическим экскаватором является большая энергоемкость резания грунта путем поступательного перемещения ковша и внедрения в грунт подрезающих боковых и режущих зубьев и кромок ковша, обладающих большим лобовым сопротивлением резанию. Ковш известного устройства не предназначен для постоянного вращения в одном из направлений, а выполнен только поворотным на штанге для перехода с прямой лопаты на обратную и наоборот. Механизмы вращения и подачи штанги известного устройства имеют сложную конструкцию и обладают значительной массой. Известное гидравлическое устройство непригодно для маломощной мини-техники, работающей в стесненных строительных условиях при экскавации грунта высокой категории трудности разработки.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в снижении энергоемкости экскавации грунта, возможности применения для экскавации грунта высокой категории трудности разработки одноковшовых маломощных мини-экскаваторов, упрощении конструкции рабочего оборудования и управления мини-экскаватором.

Технический результат по способу экскавации грунта одноковшовым экскаватором, включающему заполнение ковша при поступательном перемещении рукоятью и послойном срезе грунта его режущими и боковыми подрезающими зубьями и кромками, достигается тем, что экскавацию грунта производят при постоянном одновременном вращении ковша вокруг продольной оси рукояти, а послойное заполнение ковша грунтом ведут при выдвинутых в сторону вращения зубьях одной из его боковых подрезающих кромок, причем заполнение ковша грунтом в процессе однонаправленного вращения производят при его эксцентричном смещении относительно оси вращения или в подвернутом состоянии к оси вращения.

Технический результат по устройству для экскавации грунта одноковшовым экскаватором, включающим стрелу с механизмом ее подъема, шарнирно связанную со стрелой рукоять с механизмом их относительного поворота и с корпусом, в котором с возможностью вращательного и поступательного перемещения расположена штанга с продольными направляющими гранями, механизм подачи и вращения штанги, шарнирно соединенный со штангой ковш с режущими и боковыми подрезающими зубьями и кромками, приводной вал, достигается тем, что ковш выполнен с выдвинутыми вперед в сторону вращения зубьями одной из его боковых подрезающих кромок и закреплен на шарнире штанги с возможностью эксцентричного смещения относительно ее продольной оси и фиксации под углом до 90^о к оси штанги, механизм подачи штанги выполнен из параллельно расположенных между собой по обеим сторонам штанги замкнутых на корпусе рукояти цепных передач, перекинутых через раздвинутые вдоль оси штанги спаренные звездочки на поперечных осях втулок, соосно установленных на подшипниках штанги и связанных между собой рейкой, установленной параллельно оси штанги с возможностью продольного перемещения в направляющих корпуса рукояти, и взаимодействующих с приводными звездочками, кинематически связанными с ведомым валом, установленным на оси шарнирной связи стрелы и корпуса рукояти, а механизм вращения штанги выполнен в виде встроенного в корпус рукояти червячного редуктора с ответными пазами под продольные направляющие грани штанги в колесе и червяком, кинематически связанным с вращающейся осью шарнирной связи стрелы и корпуса рукояти, причем механизмы подъема стрелы и ее поворота относительно рукояти выполнены в виде тяги и с приводом от самотормозящихся, например червячных редукторов, колеса которых соосно свинчены с тягой, червяки, а также ведомый вал и ось шарнирной связи стрелы и корпуса рукояти - с помощью замкнутых цепных передач кинематически связаны с общим приводным валом.

Изучение известных технических решений показывает, что экскавация грунта одноковшовым экскаватором путем поступательного и однонаправленного вращения ковша с выдвинутыми вперед зубьями одной из боковых подрезающих кромок вокруг продольной оси штанги рукояти с эксцентриситетным смещением или в подвернутом к оси штанги до 90^о не была обнаружена. Не обнаружены и одноковшовые экскаваторы, в том числе мини-экскаваторы с механическим приводом, в которых ковш выполнен с выдвинутыми вперед в сторону вращения зубьями одной из его боковых подрезающих кромок и закреплен на шарнире штанги с возможностью эксцентричного смещения относительно ее продольной оси и фиксации под углом до 90^о включительно к оси штанги, механизм подачи штанги которых выполнен из параллельных оси штанги замкнутых на корпусе рукояти цепных передач, связанных между собой рейкой, установленной в направляющих корпуса рукояти, и взаимодействующих с приводными звездочками, кинематически связанными с ведомым валом на оси шарнирной связи стрелы и корпуса рукояти, механизм вращения штанги выполнен в виде встроенного в корпус рукояти червячного редуктора с ответными пазами под продольные направляющие грани штанги в колесе и червяком, кинематически связанным с вращающейся осью шарнирной связи стрелы и корпуса рукояти, а механизмы подъема стрелы и ее поворота относительно рукояти выполнены в виде тяги с приводом от самотормозящихся червячных редукторов, колеса которых соосно свинчены с тягой, а червяки, а также ведомый вал с осью шарнирной связи стрелы и корпуса рукояти с помощью замкнутых цепных передач кинематически связаны с общим приводным валом.

Был найден рабочий орган траншеекопателя, в котором процесс экскавации грунта осуществляют путем однонаправленного вращения и одновременного поступательного перемещения полуковшей, размещенных по спирали вокруг и вдоль вертикальной трубы со шнековым транспортером внутри, при этом полуковши снабжены выступающими вперед в направлении вращения подрезающими зубьями на одной боковой режущей кромке.

Однако применительно к маломощной мини-технике данный способ экскавации грунта многочисленными полуковшами неприемлем из-за большой энергоемкости процесса резания грунта и нехватки мощности на вращение массивного рабочего органа при рытье траншеи сразу на всю глубину. Данный способ экскавации грунта многочисленными полуковшами имеет и малую универсальность, так как применим только для рытья траншеи. В предлагаемом способе одним ковшом с нижними режущими зубьями и кромками возможно не только горизонтальное резание грунта в траншее, но и вертикальная выработка грунта в виде колодца, при этом ковш экскаватора более универсален для загрузочно-разгрузочных работ. Ограничены и функциональные возможности известного технического решения, так как диаметр рабочего органа траншеекопателя постоянен, а в известном решении ширина траншеи, диаметр колодцев и их глубина регулируемы.

Если известные одноковшовые экскаваторы на базе мини-техники не обеспечивают экскавацию грунта высокой категории трудности разработки из-за недостатка мощности на поступательное резание грунта зубьями и режущими кромками ковша, то предлагаемое роторное вращение ковша с выдвинутыми вперед в сторону вращения подрезающими зубьями, установленного с эксцентриситетом относительно оси вращения штанги рукояти или под углом до 90^о к этой оси, позволяет наименее энергоемким путем послойного фрезерования и наполнения ковша производить выработки в грунтовом массиве любой глубины, различных размеров и конфигураций.

Конструкция предлагаемого ковша мини-экскаватора и его привода механического принципа действия позволяет осуществлять экскавацию тяжелого грунта наиболее экономичным способом роторного фрезерования, при этом универсальность одноковшового экскаватора увеличивается из-за возможности рытья цилиндрических выработок различного диаметра, шурфов-дудок и др.

Следует отметить и относительную простоту конструкции нового технического решения и простоту управления и эксплуатации нового одноковшового мини-экскаватора. Цепные передачи широко распространены в машинах и механизмах, и использование их в новом техническом решении повышает ремонтоспособность одноковшового мини-экскаватора, в котором механические передачи, редукторы и привод в отличие от гидравлики могут работать при малых мощностях мини-техники более успешно при значительном снижении массы техники. Использование самотормозящихся, например червячных передач в механизмах подачи и вращения штанги с ковшом, механизмах подъема стрелы и ее поворота относительно рукояти необходимо для удержания работы в заданном режиме или позиции ковша при нейтральном положении одного из рычагов управления или его переключении. Поперечная устойчивость рабочего органа предлагаемого одноковшового мини-экскаватора может быть достигнута при вращении ковша либо режимами резания грунта при его роторном фрезеровании, либо специальными направляющими приспособлениями.

На фиг. 1 изображен одноковшовый мини-экскаватор, реализующий способ экскавации грунта, общий вид; на фиг.2 - рабочее оборудование одноковшового экскаватора, общий вид; на фиг.3 - вид А на фиг.2; на фиг.4 - вид Б на фиг. 2; на фиг.5 - совмещенный разрез В-В и Г-Г на фиг.1.

Способ экскавации грунта реализуется конкретным устройством одноковшового мини-экскаватора (фиг.1), включающим базовый мини-трактор 1 с поворотной платформой 2 на задней полураме и опорным приспособлением в виде отвала 3 бульдозера. Поворотная платформа 2 снабжена рабочим оборудованием одноковшового экскаватора с механическим приводом от приводного вала отбора мощности (на чертеже не показан) заднего моста. Рабочее оборудование мини-экскаватора включает стрелу 4 трубчатого или коробчатого сечения (фиг.2, 3) двухколенчатого вида, в полости которой на звездочках 5, 6, 7, 8, 9, 10 установлены замкнутые цепные передачи 11, 12 и 13, 14 соответственно привода механизмов вращения и подачи штанги 17 рукояти 18 экскаватора. Механизм вращения штанги 17 состоит из цилиндрического и связанного с ним червячного редукторов 19, 20, установленных в корпусе 21 рукояти 18, связанной со стрелой 4 с помощью вильчатого шарнира на оси 22. Колесо 23 червячного редуктора 20 выполнено с пазом под продольные направляющие 24 штанги 17. Механизм подачи штанги 17 состоит из параллельно расположенных между собой по обеим сторонам штанги 17 вдоль нее замкнутых на корпусе 21 рукояти 18 цепных передач-полиспастов 25 и 26, перекинутых через раздвинутые вдоль оси штанги 17 спаренные звездочки 27 и 28 на поперечных осях втулок 29 и 20, соосно установленных на подшипниках 31 штанги 17 и связанных между собой рейкой 32, установленной параллельно оси штанги 17 с возможностью продольного перемещения в направляющих 33 корпуса 21 рукояти 18. Цепные передачи 25, 26 в виде двух полиспастов перекинуты через отводные спаренные звездочки 34 и ролики 35, симметрично установленные на кронштейнах 36 относительно корпуса 21, и взаимодействуют с ведомым валом 37 на оси 22 цепного редуктора 38, связанного кинематически через цепную передачу 13, 14 и червячный редуктор на поворотной платформе 2 с приводным валом (на чертеже не показан). На штанге 17 рукояти 18 с возможностью поворота к ее оси на 90^о на шарнире 39 закреплен с помощью фиксатора 40 ковш 41 с выдвинутыми вперед в сторону, например правого вращения, зубьями 42 одной из боковых подрезающих кромок 43 и режущими зубьями 44 (фиг.4). Шарнир 39 штанги 17 связан с ковшом 41 с возможностью эксцентричного смещения по продольным направляющим 45 Т-образного типа или "ласточкина хвоста", установленных по диагонали кромки ковша 41 для максимального смещения его подрезающих зубьев 42 от оси вращения штанги 17, при этом ось шарнира 39 установлена под углом к направляющим 45 ковша 41. Стрела 4 выполнена Z-образной, снабжена на первом колене от рукояти 18 одноплечим рычагом 46, шарнирно связана вторым коленом с поворотной платформой 2 и свободным концом жест- ко связана балкой 47 с первым коленом, образуя треугольную раму. Мезанизм поворота рукояти 18 относительно стрелы 4 выполнен в виде шарнирно связанных с кронштейном 36 корпуса 21 рукояти 18 и между собой через рычаг 46 двух жестких тяг 48 и 49, последняя из которых выполнена с винтовой навивкой на свободном конце и свинчена соосно с колесом 50 самотормозящегося, например червячного, редуктора 51 (фиг.5), корпус которого шарнирно закреплен на поперечной оси консоли свободного конца стрелы 4, а червяк 52 кинематически связан через цилиндрический редуктор 53 и цепной редуктор 54 с приводным валом (на чертеже не показан). Механизм поворота стрелы 4 выполнен в виде жесткой винтовой тяги 55, шарнирно связанной с поворотной платформой 2 и свинченной соосно с колесом 56 самотормозящегося, например червячного, редуктора 57, корпус которого шарнирно закреплен на поперечной оси консоли свободного конца стрелы 4, а червяк 58 кинематически связан через цилиндрический редуктор 59 и цепной редуктор 60 с приводным валом (на чертеже не показан).

Способ экскавации грунта одноковшовым экскаватором заключается в следующем.

Мини-трактор 1 устанавливают на опорном приспособлении в виде отвала 3. Напор осуществляют стрелой 4, рукоятью 18 или комбинированным методом. Привод в действие механизма напора стрелы 4 от приводного вала осуществляют включением цепного редуктора 60 и цилиндрического редуктора 59, вращением червяка 58 и колеса 56 редуктора 57, которое соосно свинчивается с винтовой тягой 55 и поворачивает стрелу 4. Привод в действие механизма напора рукояти 18 от приводного вала осуществляют включением цепного редуктора 54 и цилиндрического редуктора 53, вращением червяка 52 и колеса 49 редуктора 51, которое соосно свинчивается с винтовой тяги 49 и толкает через рычаг 46 и тягу 48 кронштейн 36 корпуса 21 рукояти 18, поворачивая ее относительно стрелы 4. Привод в действие механизма подачи штанги 17 рукояти 18 от приводного вала осуществляют включением цепной передачи 14 и 13 вращением звездочек 10, 8 и звездочки 6 на ведомом валу 37, жестко связанном с приводной звездочкой цепного редуктора 38, который осуществляет вращение спаренных звездочек 34 на кронштейне 36 и натяжение одной из ветвей параллельных цепных полиспастов 25 и 26, перемещающих штангу 17 с ковшом 41 вдоль ее оси совместно с рейкой 32 в направляющих 33 корпуса 21 рукояти 18. Привод в действие механизма вращения штанги 17 с ковшом 41 на нижнем конце от приводного вала осуществляют включением цепной передачи 12 и 11, вращением червяка через цилиндрический редуктор 19 и вращением по часовой стрелке колеса 23 червячного редуктора 20, которое через продольный паз осуществляют передачу крутящего момента на продольные направляющие 24 штанги 17. Для эффективного наполнения ковша 41 при его вращении вокруг оси штанги 17, а также для изменения размеров и формы выработки в грунте ковш 41 смещают от оси вращения штанги 17 с заданным эксцентриситетом по диагональным продольным направляющим 45 или дополнительно ковш 41 подворачивают под углом 90^о, или под промежуточным углом от 0 до 90^о к продольной оси штанги 17, и фиксируют его в этом положении фиксатором 40. При работе механизма подачи и вращения штанги 17 создают цилиндрические выработки при смещении ковша 41 по направляющим 45 диаметром от Д₁ до Д₂, при этом выдвинутые вперед подрезающие зубья 42 одной из боковых режущих кромок ковша 41 осуществляют фрезерование боковых грунтовых стенок выработки, а режущие зубья 44 - фрезерование дна выработки. При работе в позиции ковша 41 подвернутого под углом 90^о к продольной оси штанги 17, фрезерование боковых стенок выработки осуществляют режущие зубья 44, а фрезерование дна выработки осуществляют подрезающие зубья ковша какой-либо из его боковых режущих кромок в зависимости от направления поворота. Продольные выработки в грунте осуществляют одновременным постоянным однонаправленным вращением ковша 41 и напором стрелы 4, рукояти 18 или комбинированным методом.

Механический привод предлагаемого экскаватора при его сравнительной сложности целесообразен для мини-техники с маломощным приводом, так как имеет по сравнению с гидроприводом более высокий КПД и сравнительно малую массу. Цепной привод предлагаемого экскаватора более удобен для кинематической связи механизмов, передающих большие нагрузки на большие расстояния, в реверсивных режимах, не требующих значительных скоростных передач. Цепной привод также более ремонтоспособен и надежен по сравнению с канатным и карданным, легко и удобно размещается в полости стрелы и защищается кожухами. Использование самотормозящихся червячных редукторов в механизмах подачи и вращения штанги рукояти, подъема стрелы и поворота ее относительно рукояти позволяет в момент переключения в режим реверсивной работы останавливать их. Пульт управления механизмами подачи и вращения штанги, подъема стрелы и ее поворота относительно рукояти состоит из четырех рукояток, что и в обычных экскаваторах, обеспечивающих работу этих механизмов в режимах напора и реверса, а также останавливать их в заданном положении. Поперечная устойчивость стрелы и рукояти экскаватора гарантируется режимами подачи и скорости фрезерования боковых стенок выработки зубьями ковша. Возможность постоянного вращения и работы ковша в режиме послойного фрезерования боковых стенок выработки существенно расширяет функциональные возможности новой техники и позволяет впервые на мини-экскаваторе производить экскавацию грунтов высокой категории трудности разработки. Предлагаемый мини-экскаватор может осуществлять впервые экскавацию цилиндрических выработок широкого диапазона размером по диаметру и на достаточную глубину. Съемный ковш легко может быть заменен другим типом навесного оборудования, привод которого и кинематика упрощается за счет вращателя штанги рукояти. Выдвижение подрезающих зубьев одной из боковых режущих кромок предлагаемого ковша экскаватора не влияет на его работоспособность в обычном поступательном режиме работы прямой и обратной лопаты, а только расширяет его функциональные возможности, этому способствует и шарнирное соединение ковша с вращающейся штангой для подворота ковша к ее продольной оси, что увеличивает диапазон габаритов выработки. Эксцентричное смещение ковша относительно оси вращения штанги позволяет не только увеличить диапазон габаритов выработки, но и способствует более полному заполнению ковша без его саморазгрузки в процессе роторного фрезерования боковых стенок выработки. Соосное вращение ковша со штангой возможно использовать для фрезерования и выемки грунта из выработки обычным поступательным перемещением ковша. Предлагаемая конструкция экскаватора легко может быть гидрофицирована на более мощной технике.