зуб ковша экскаватора

Формула изобретения

1. Самовнедряющийся зуб ковша экскаватора, имеющий рабочий участок с верхней и нижней рабочими поверхностями и хвостовик, отличающийся тем, что продольная ось рабочего участка зуба наклонена вниз и пересекает продольную ось хвостовика, причем угол между указанными продольными осями составляет 3 - 12^o.

2. Самовнедряющийся зуб ковша экскаватора по п.1, отличающийся тем, что на нижней поверхности зуба выполнено продольное ребро жесткости, рабочий участок от конца зуба до его посадочного места представляет собой клин с углом заострения между рабочими поверхностями, который составляет 0 - 15^o.

3. Самовнедряющийся зуб экскаватора по п.1 или 2, отличающийся тем, что угол между противолежащими поверхностями посадочного места зуба меньше соответствующего угла между посадочными поверхностями передней стенки ковша экскаватора на 1,5 - 2,0^o.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к землеройной технике, а более точно к зубьям ковшей экскаваторов, и наиболее успешно может применяться при конструировании и изготовлении ковшей экскаваторов, предназначенных для работы с неразобранными скальными и смерзшимися грунтами.

При разработке скальных грунтов в результате постоянного стремления горнодобывающих предприятий к снижению затрат на единицу объема добываемой породы, главной статьей которых являются затраты на взрывчатые вещества, сложилась практика подрывов горной массы без ее последующего взрыхления. В этом случае цельный скальный массив дробится трещинами на блоки без смещения последних относительно друг друга и представляет собой своеобразную "кладку", внедрение в которую обычных зубьев экскаваторов затруднено. Большие проблемы возникают и при экскавации смерзшихся грунтов.

При решении указанных задач одним из наиболее существенных условий является выбор оптимальной формы зубьев ковша экскаватора.

Известен зуб ковша экскаватора (SU, A, 1454919) для разработки мерзлых грунтов. Зуб включает хвостовик и рабочую часть. Сечение рабочей части в плоскости, перпендикулярной к продольной оси симметрии зуба, представляет собой равнобедренный треугольник. Передняя грань зуба выполнена в виде прямоугольника. Угол между боковыми гранями выполнен переменным и изменяется от 180^o у режущей кромки до 27^o у хвостовика.

При работе такого зуба при его продвижении в глубь грунта расклинивающая часть, проникая в грунт, способствует развитию пластических деформаций грунта в вертикальном направлении. Благодаря уменьшению угла расклинивая по мере удаления от режущей кромки до хвостовика работа расклинивающей части сводится к постепенному развитию незначительных пластических деформаций грунта по мере углубления зуба.

Однако расклинивающая кромка зуба, способствующая развитию пластических деформаций, "работает" не с монолитом мерзлоты, а с уже взломанными фрагментами, находящимися, по сути, внутри ковша, не оказывая существенного влияния на величину усилия копания.

Кроме того, по мере истирания зуба относительно быстро увеличивается площадь его поперечного сечения, а значит, резко увеличивается усилие, необходимое для внедрения зуба в грунт. Как указано в описании к упомянутому авторскому свидетельству, для увеличения износостойкости режущая кромка и расклинивающая кромка наплавляются специальным сплавом. Это не только существенно увеличивает стоимость изготовления такого зуба, но и не позволяет существенно улучшить его характеристики, поскольку сама конструкция обуславливает относительно быстрое затупление такого зуба и вызывает необходимость его замены еще до полного износа рабочей части зуба.

Известен зуб ковша экскаватора, описанный в (SU, A, 1710677). Описанный зуб имеет рабочую часть с взаимно перпендикулярными сопряженными между собой рабочими кромками и хвостовик с параллельными между собой опорными поверхностями. Продольная ось рабочей части зуба совпадает с продольной остью хвостовика и, следовательно, с продольной осью передней стенки ковша экскаватора, на которую этот зуб устанавливается. Рабочая часть зуба выполнена прямоугольной в поперечном сечении и имеет постоянное сечение на всем рабочем участке зуба. Большая сторона прямоугольника расположена перпендикулярно опорным поверхностям.

В процессе копания зуб внедряется в породу под действием усилия копания, при этом составляющая сопротивления грунта, направленная по касательной к траектории копания, воспринимается в направлении наибольшего размера сечения, а значит, и в направлении наибольшей прочности зуба. Таким образом, при работе практически исключена возможность излома зуба в этом направлении. По мере износа рабочая часть укорачивается, но, поскольку зуб имеет постоянное сечение, усилие внедрения в грунт остается практически постоянным вплоть до полного износа рабочей части зуба.

Однако при экскавации скальных грунтов сопротивление грунта копанию воспринимается зубом не только от непосредственного контакта режущей кромки зуба с грунтом в направлении наибольшей прочности зуба (в вертикальной плоскости), но и через скальные фрагменты, застрявшие между зубами и расклинивающие последние в направлении наименьшей прочности (в горизонтальной плоскости). Это повышает вероятность излома такого зуба. При этом не только снижается безопасность работы, но и, особенно в случае попадания обломков зуба в отгруженную породу, приводит к аварийной ситуации на дробилках.

Процесс копания можно условно разделить на два этапа. Первый этап - внедрение зуба в грунт ("напор"), второй - подъем ковша с одновременным его заполнением породой ("снятие стружки"). Усилие копания на начальной стадии - внедрении в грунт (напор) - определяется прежде всего площадью поверхности S зуба, внедряющейся в породу. В процессе экскавации износ зуба происходит преимущественно по траектории копания. Площадь износа зуба в первую очередь зависит от высоты зуба и угла копания , под которым зуб внедряется в породу. Поскольку известный зуб имеет постоянную площадь поперечного сечения, с большим размером по высоте, усилие копания при внедрении в грунт будет относительно большим в течение всего срока эксплуатации такого зуба. Известно, что усилие при внедрении в грунт (напор) в 1,43 раза больше усилия снятия стружки (подъем), поэтому именно напор в первую очередь определяет энергозатраты при копании грунта. Таким образом, использование таких зубьев при работе обуславливает относительно высокую энергоемкость процесса копания.

Важным параметром, влияющим на эффективность работы экскаватора, является степень заполнения ковша за один ход копания. Она определяется также в значительной степени углом копания , т.е. углом, под которым зубья у ковша внедряются в грунт. При зачерпывании грунта ковш перемещается по траектории, близкой к окружности L, при этом зубья должны внедряться в грунт, обеспечивая заполнение ковша. Если угол копания мал, то зубья проскальзывают, не захватывая грунт, заполнение ковша происходит плохо.

Если угол копания велик, то сопротивление грунта копанию резко возрастает, что увеличивает энергозатраты и может даже привести к потере устойчивости экскаватора или поломкам в подъемном механизме.

В описанной конструкции продольная ось зуба совпадает с продольной осью передней стенки ковша, на которую этот зуб устанавливается. Таким образом, угол копания в такой конструкции определяется конфигурацией ковша экскаватора, а именно углом наклона передней его стенки.

Также следует отметить, что надежность, безопасность и производительность работы экскаватора, в значительной степени, зависят от качества крепления зубьев на передней стенке ковша экскаватора. При обычном выполнении крепления зубьев к передней стенке ковша экскаватора, как это имеет место в описанной выше конструкции, угол между обращенными друг к другу посадочными поверхностями равен углу между посадочными поверхностями передней стенки ковша экскаватора. В процессе эксплуатации ковша в пространство между посадочными поверхностями ковша и зуба проникают мелкие частицы грунта, которые способствуют сильному абразивному износу последних. Посадочные места как бы "разнашиваются", посадка зуба на ковш становится свободной, что еще более ускоряет процесс износа. Кроме того, при неплотной посадке зуба на ковш существенно возрастает вероятность поломки зубьев, что снижает надежность всей конструкции.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создать самовнедряющийся зуб ковша экскаватора, который бы обеспечивал увеличение угла копания и уменьшение изнашиваемой площади зуба и тем самым снижение усилия внедрения в породу и эффективное заполнение ковша при снижении энергоемкости работ и одновременном повышении надежности и увеличении срока службы при работе на невзрыхленных скальных или смерзшихся грунтах.

Поставленная задача решается тем, что в самовнедряющемся зубе ковша экскаватора, имеющем рабочий участок с верхней и нижней рабочими поверхностями и хвостовик, в соответствии с изобретением, продольная ось рабочего участка зуба наклонена вниз и пересекает продольную ось хвостовика, причем этот угол между указанными продольными осями составляет 3 -12^o.

Поскольку продольная ось рабочего участка зуба наклонена вниз указанным образом, при работе в течение всего срока службы зуба обеспечивается оптимальный угол копания, т.е. угол, под которым зубья ковша внедряются в грунт. Соответственно изнашиваемая поверхность зуба имеет относительно небольшую площадь, что обуславливает относительно небольшое усилие внедрения зуба в грунт.

Целесообразно, чтобы на нижней поверхности зуба было выполнено продольное ребро жесткости, рабочий участок от конца зуба до его посадочного места представлял собой клин с углом заострения между рабочими поверхностями 0 -15^o.

Благодаря выполнению рабочей части зуба с продольным ребром жесткости, т. е. таврового сечения, а также при указанном угле заострения зуба уменьшается площадь поперечного сечения зуба и, следовательно, еще больше уменьшается усилие внедрения зуба в грунт. При этом прочность зуба на излом как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях оказывается практически одинаковой в отличие от известного зуба, описанного выше.

Поскольку благодаря указанной клиновой форме зуба с указанными углами при истирании зуба в процессе работы площадь поперечного сечения остается постоянной либо изменяется незначительно (max tg = 0,26). Это позволяет эксплуатировать зуб вплоть до полного износа рабочего участка.

Благодаря взаимному расположению осей участков зуба обеспечивается эффект самозаглубления зуба в массив в процессе копания и соответственно хорошее заполнение ковша в течение всего срока службы зуба. Этот эффект еще более усиливается благодаря указанной форме зуба.

Целесообразно, чтобы угол между противолежащими поверхностями посадочного места хвостовика зуба был меньше соответствующего угла между посадочными поверхностями кромки ковша на 1,5-2,0^o. В этом случае обеспечивается плотная посадка зуба на ковш в течение всего срока эксплуатации зуба, и, следовательно, еще больше повышается надежность работы ковша экскаватора с такими зубьями.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых:

фиг. 1 - изображает продольный разрез зуба, установленного на передней стенке ковша экскаватора, в соответствии с изобретением,

фиг. 2 - изображает поперечный разрез А-А на фиг. 1;

фиг. 3 - изображает схему взаимодействия зуба с грунтом;

фиг. 4 - изображает схему рабочего процесса копания.

Как показано на фиг. 1, самовнедряющийся зуб экскаватора имеет рабочий участок I и хвостовик II. Рабочий участок I имеет верхнюю рабочую поверхность 1 и нижнюю рабочую поверхность 2. На нижней поверхности зуба выполнено продольное ребро жесткости 3. Как видно из фиг. 2, поперечное сечение рабочего участка зуба представляет собой тавровое сечение. Рабочий участок зуба представляет собой клин с углом заострения между рабочими поверхностями 1 и 2 от 0 до 15^o. Продольная ось хвостовика зуба, обозначенная на чертеже X, совпадает с осью передней стенки ковша III. Продольная ось рабочего участка зуба обозначена на чертеже как Y. Угол наклона оси Y относительно оси Х составляет 3 -12^o.

Угол между противолежащими поверхностями 4 и 4" посадочного места хвостовика II выбирается таким образом, чтобы он на 1,5-2,0^o был меньше соответствующего угла между посадочными поверхностями 5 и 5" передней стенки ковша III, для которой разрабатывается зуб.

При работе ковша экскаватора верхняя поверхность рабочей части зуба 1 (фиг. 3) находится под углом копания к направлению действия силы сопротивления грунта P. Это приводит к появлению нормальной к траектории составляющей сопротивления грунта Q, направленной в глубь массива забоя. Под действием этой составляющей Q возникает эффект "затягивания" зуба в глубь массива забоя.

Как показано на фиг. 4, фактическая траектория копания М смещена относительно теоретической траектории L в сторону горного массива вследствие воздействия нормальной составляющей сопротивления грунта Q. Однако реализовать этот эффект "затягивания" зуба в грунт возможно только при оптимальном сочетании угла копания и площади изнашиваемой поверхности зуба S.

Проведенные эксперименты показали, что оптимальным, с точки зрения безопасной и производительной экскавации тяжелых скальных пород, является отклонение оси Y рабочего участка зуба от оси X хвостовика (передней стенки ковша экскаватора) на угол в пределах 3 - 12^o. Таким образом, угол копания при таком соотношение наклонов указанных осей будет всегда больше угла копания, определяемого только передней стенкой ковша экскаватора, как это имеет место в прототипе, на угол . Это обеспечивает такую величину составляющей Q, что при истирании зуба вплоть до полного его износа, площадь поперечного сечения остается достаточно малой для внедрения зуба в горный массив под действием упомянутой выше составляющей сопротивления грунта Q, что обеспечивает эффективное заполнение ковша и, следовательно, повышение производительности и снижение энергозатрат. При уменьшении угла менее 3^o площадь изнашиваемой поверхности зуба S увеличивается, величина составляющей Q оказывается недостаточной для внедрения зуба в массив, ковш "отжимается" от забоя, наполнение ковша ухудшается.

При увеличении угла свыше 12^o составляющая Q уменьшается, одновременно резко возрастает величина касательной составляющей сопротивления копанию P, что приводит к увеличению энергозатрат.

Как уже упоминалось, при работе экскаватора изнашиваются не только рабочие участки зубьев, но и посадочные места как зубьев, так и ковша экскаватора. При износе посадочных мест угол рассогласования уменьшается, и зубья все более плотно садятся на переднюю стенку ковша экскаватора. Экспериментально подтверждено, что при указанных углах рассогласования плотная посадка зубьев на ковш обеспечивается в течение всего срока службы зубьев. В том случае, если угол рассогласования меньше 1,5^o, то возможен преждевременный износ посадочных мест и ухудшение плотности посадки зубьев. В том случае, если угол рассогласования превышает 2^o, то уменьшается площадь контакта сопрягаемых поверхностей ковша и зубьев и снижение надежности соединения.

Следует также отметить, что заявляемая конструкция позволяет использовать при изготовлении зуба не только литье, но и штамповку, и применять при этом высокопрочные конструкционные марки сталей. Этим также дополнительно обеспечивается высокая твердость и прочность зубьев данной конструкции. Натурные испытания показали, что при использовании таких зубьев их расход на единицу отгруженной породы уменьшается в 2 раза.

Зубья предлагаемой конструкции могут быть изготовлены на существующем оборудовании из существующих материалов.