Ковшовые рабочие органы с конвейерным днищем: систематика и конструктивные особенности

УДК 622.271.002.5 (06)                                    

Введение. Технический уровень горнотранспортного оборудования для добычи полезных ископаемых открытым способом определяется конструктивным совершенством как машины в целом, так и её ковшового рабочего органа^1,2,3. Повысить технико-эксплуатационные показатели оборудования можно путем использования, прежде всего, рабочих органов рациональных конструкций и параметров.

Анализ средств механизации погрузки скальных грунтов с помощью эксплуатируемых в настоящее время выемочно-погрузочных машин (экскаваторов), выявил факторы, влияющие на эффективность их работы4. На рис. 1 представлен ковш широко применяемой конструкции с днищем в виде гладкой поверхности.

Машиностроение и машиноведение

Рис. 1. Ковшовый рабочий орган с днищем в виде гладкой поверхности

Установлено, что конструктивное усовершенствование ковшового рабочего органа ведется, главным образом, по пути снижения сопротивлений внедрению ковша в штабель [1]. Целью настоящей работы является систематизация разработанных авторами новых технических решений рабочих органов, в частности, с конвейерным днищем, анализ их конструктивных особенностей и улучшенных рабочих качеств, т. е. рассмотрение тенденций развития данного класса оборудования. Основные задачи работы:

• —    обоснование принципиальных подходов к изменению конструкций элементов ковшового рабочего органа;

• —    определение целесообразности применения функционально-структурного анализа для выбора направлений совершенствования конструкции ковша;

• —    разработка классификационных признаков, характеризующих ковши экскаваторов с уменьшенным сопротивлением внедрению;

• —    предварительная качественная оценка новых технических решений.

Материалы и методы. Согласно результатам графоаналитического и физического моделирования системы «ковш — штабель горной массы» установлено, что сопротивление внедрению ковшового рабочего органа в штабель существенно зависит от коэффициента трения погружаемого материала по поверхностям ковша [2, 3]. При синтезе обладающих конструктивной новизной технических решений ковшовых рабочих органов решена задача снижения коэффициента трения скальных грунтов о днище рабочих органов путем перехода от трения скольжения к трению качения [4].

Создание образцов новых типов рабочих органов — сложная, многоэтапная задача. Первым этапом определения перспективных конструктивных схем ковшовых рабочих органов явилось изучение накопленного опыта и установление морфологических признаков существующего оборудования (рис. 2).

Рис. 2. Функциональная модель выемочно-погрузочной машины

Составленная функциональная модель выемочно-погрузочной машины включает следующую совокупность действий: F _y — убрать горную массу; F _n — обеспечить перемещение в образованном пространстве; F ₃ — зачерпнуть отделенную от массива горную массу; F _3-3 — сформировать объем захвата; F _3-ф₃ — обеспечить функционирование органа формирования объема захвата; F _3-ф — обслужить забой по фронту; F _3-f — обслужить забой в глубину; F _3-D — переместить элемент формирования объема захвата к месту освобождения от порции материала; F _3-o — обеспечить освобождение элемента формирования объема захвата от порции материала; F _h — накопить и перегрузить зачерпнутую горную массу; F _h-t — обеспечить транспортирование (перемещение) горной массы; F _h-k — обеспечить сохранение контакта с последующим транспортным средством; F _h-h — обеспечить накопление горной массы; F _I — удерживать горную массу в процессе транспортирования (перемещения); F_n — приложить к горной массе воздействующее усилие; F III — передать воздействующее усилие от привода к исполнительным элементам; F _IV — переместить несущий элемент с отделенной от массива горной массой; F _V — воспринимать напорные усилия и закрепить положение функциональных элементов системы; F _VI — преобразовать подводимую к приводу энергию в изменение кинематического состояния системы; F _VII — объединить функциональные элементы системы для совместной работы.

Предлагаемая дифференциация функциональных признаков позволяет выйти на элементный уровень структурообразования отдельных механизмов выемочно-погрузочных машин. Невозможность дальнейшего дробления основных функций (макрофункций) на подчиненные (микрофункции) без перехода от функции к предметной форме их исполнения явилась сигналом к завершению функционального анализа.

С учетом составленной функциональной модели выемочно-погрузочной машины разработана морфологическая таблица, с помощью которой сформированы структурно-морфологические признаки технического решения, обладающего конструктивной новизной [4] (рис. 3).

Результаты исследования. Результатом практической реализации морфологического синтеза явилась разработанная конструкция ковша с днищем в виде конвейера [5]. Применение замкнутой ленты в качестве грузонесущего органа и опорной поверхности погружаемой горной массы ведет к исключению просыпания и заклинивания погружаемого материала. Такое исполнение характеризуется низким коэффициентом трения горной массы о днище в виде замкнутой ленты, опирающейся на ролики. Следовательно, нужно ожидать снижения энергоемкости рабочего процесса, что обеспечит увеличение производительности и надежности ковшового рабочего органа.

Представления об эффективности оснащения роликовыми элементами рабочих органов при погрузке скальных грунтов получили дальнейшее развитие в обладающей новизной конструкции рабочего органа погрузочнотранспортного модуля с цикловым исполнительным механизмом. Предлагаемый погрузочно-транспортный модуль, снабженный замкнутой лентой, отличается от существующих аналогов повышенной скоростью перемещения горной массы, он обеспечивает непрерывность погрузки материала при цикличной работе рабочего органа. Все это способствует повышению производительности и эффективности рабочего процесса при исключении возможности просыпания и заклинивания частиц между роликами. Увеличить эффективность ковшового рабочего органа позволяет также оснащение приводом ведущего ролика в конвейерном днище. Это решение обеспечивает сокращение времени операций внедрения, зачерпывания и разгрузки, увеличение наполнения ковша и, следовательно, способствует повышению производительности [6].

Рис. 3. Формирование структурно-морфологических признаков обладающего конструктивной новизной технического решения

Разработанные на приведенных принципах модели ковшей с конвейерным днищем образуют новую конструктивно-технологическую группу погрузочных органов, которые могут использоваться на экскаваторах, ковшовых погрузчиках и другом погрузочно-транспортном оборудовании. Ниже эти технические решения представлены совокупностью двух групп конструкций, характеризующихся днищем в виде роликовой

Машиностроение и машиноведение

поверхности и в виде замкнутой ленты (рис. 4) [7]. В свою очередь, конструктивно модели с замкнутой лентой делятся на бесприводные и с механизмом привода ленты, который может быть выполнен от электродвигателя с механической трансмиссий и с помощью различных вариантов силовых гидроцилиндров.

Рис. 4. Систематика ковшовых рабочих органов с конвейерным днищем

Рассмотрим конструктивные особенности бесприводных ковшовых рабочих органов с конвейерным днищем в виде роликовой поверхности, в виде замкнутой ленты, а также ковшовых рабочих органов с механизмом привода ленты конвейерного днища.

Ковшовый рабочий орган с конвейерным днищем в виде роликовой поверхности ⁵ . Согласно предлагаемой конструкции ковшового рабочего органа (рис. 5), днище 3 выполняется в виде поверхности, состоящей из совокупности роликов 4, которые устанавливаются с возможностью вращения вокруг осей 5, закрепленных на боковых стенках 2. Перед началом работы, когда процесс рыхления горных пород в карьере закончен, ковшовый рабочий орган находится перед штабелем кусковой горной массы в положении, показанном на рис. 5, б. Наполнение емкости 1 происходит при ее принудительном перемещении в направлении штабеля. При этом режущая кромка и зубья днища 3 срезают часть материала штабеля, расположенного на поверхности забоя. Горная масса в разрыхленном состоянии скользит по роликам 4 и поступает в емкость 1. Ролики 4 под напором горной массы вращаются относительно осей 5, снижая сопротивление ее перемещению относительно днища 3 и способствуя более эффективному наполнению емкости 1.

б)

а)

Рис. 5. Конструкция ковшового рабочего органа с конвейерным днищем в виде роликовой поверхности ( а ) и его положение перед штабелем кусковой горной массы ( б ):

1 — емкость ковша; 2 — боковые стенки; 3 — днище; 4 — совокупность роликов; 5 — ось вращения

Перемещение горной массы к месту разгрузки осуществляется в емкости 1. Разгрузка емкости происходит при ее наклоне вследствие перемещения горной массы под действием сил тяжести. При этом скольжение горной массы в обратном направлении по вращающимся в том же направлении роликам 4 способствует сокращению времени разгрузки. Использование роликов в качестве опорной поверхности погружаемой горной массы приводит к уменьшению рабочих нагрузок и снижению энергоемкости процесса. Кроме того, вращающиеся ролики обеспечивают равномерное истирание рабочей поверхности, что значительно снижает риск выхода из строя оборудования и повышает эффективность процесса.

Ковшовый рабочий орган с днищем в виде замкнутой ленты (рис. 6)⁶. Особенность такой конструкции заключается в том, что конвейерное днище 3 выполняется в виде замкнутой ленты 6, состоящей из пластин 7, шарнирно соединенных между собой пальцами 8. Лента опирается на ролики 4 и огибает последние. Ролики выступают в качестве направляющей трассы при движении верхней ветви полотна пластин 7. Под давлением ленты 6, взаимодействующей с горной массой, ролики 4 вращаются относительно осей 5, закрепленных на боковых стенках 2. Лента 6 при этом перемещается по роликам 4. Горная масса по ленте поступает в ёмкость 1. Применение замкнутой ленты в качестве грузонесущего органа и опорной поверхности горной массы исключает просыпание и заклинивание погружаемого материала.

а)                                                                       б)

Рис. 6. Ковшовый рабочий орган с конвейерным днищем в виде замкнутой ленты ( а )

и его положение перед штабелем кусковой горной массы ( б ): 1 — емкость ковша; 2 — боковые стенки; 3 — днище;

4 — ролики; 5 — ось вращения; 6 — лента; 7 — пластины; 8 — пальцы

Ковшовый рабочий орган с конвейерным днищем в виде замкнутой ленты, связанной с двигателем механической передачей ⁷ . Такая конструкция по сравнению с предыдущими способна в еще большей степени активизировать взаимодействие конвейерного днища с горной массой и, как следствие, ускорить процесс наполнения ковша (рис. 7). Возможные варианты привода описаны в рассмотренных ниже технических решениях.

Здесь конвейерное днище 2 выполнено в виде замкнутой ленты 3, огибающей ролики 4, оси вращения которых закреплены на боковых стенках 1. Один из роликов 5 выполняется приводным и оснащается механической передачей 6, связанной с двигателем 7, для перемещения замкнутой ленты,

Перемещение горной массы на ленте 3, приводимой в движение вращающимся приводным роликом 5 через механическую передачу 6 от двигателя 8, способствует более эффективному наполнению ёмкости и сокращает время операции. Таким образом, предлагаемый рабочий орган выгодно отличается от существующих аналогов тем, что обеспечивает сокращение времени операций внедрения, черпания и выгрузки, а при внедрении в штабель и зачерпывании увеличивает наполняемость и, следовательно, способствует повышению производительности.

Машиностроение и машиноведение

Рис. 7. Ковшовый рабочий орган с конвейерным днищем в виде замкнутой ленты, связанной с двигателем механической передачей: 1 — боковая стенка; 2 — днище; 3 — замкнутая лента;

4 — ролики; 5 — ведущий (приводной) ролик; 6 — механическая передача; 7 — двигатель

Ковшовый рабочий орган с конвейерным днищем в виде замкнутой ленты, связанной передаточными механизмами с приводом из двух гидроцилиндров ⁸ . Схема такого рабочего органа приведена на рис. 8. Его конвейерное днище 2 выполнено в виде замкнутой ленты 3, огибающей ролики 4, оси вращения которых закреплены на боковых стенках 1. Привод замкнутой ленты состоит из двух гидроцилиндров 6 и 7 с передаточными механизмами в виде установленных в направляющие ползунов 8, шатунов 9 и кривошипов 10. Шатуны 9 шарнирно связаны с ползунами 8, а кривошипы 10 жестко крепятся на оси ведущего ролика 5 при взаимно перпендикулярном смещении.

Оснащение ковшового рабочего органа приводом, состоящим из двух гидроцилиндров с передаточными механизмами указанной конструкции, обеспечивает вращательные движения ведущего ролика. Взаимное смещение точек крепления кривошипов обеспечивает выход гидроцилиндров из мертвых точек в заданном направлении вращения.

С помощью подачи рабочей жидкости в штоковую полость гидроцилиндра 6 обеспечивается движение его штока и передаточных механизмов, состоящих из установленных в направляющие ползунов 8, кривошипов 9 и шатунов 10. Таким образом приводится во вращение приводной ролик 5, чем обеспечивается перемещение ленты 3. При этом поршень гидроцилиндра 7 выводится из крайнего положения, после чего в его поршневую полость подается жидкость, чем обеспечивается одновременная работа гидроцилиндров 6 и 7.

Наполнение ковша происходит в период его принудительного перемещения в направлении штабеля. При этом режущая кромка и зубья днища 2 срезают часть материала штабеля, расположенного на поверхности забоя. Горная масса в разрыхленном состоянии входит во взаимодействие с лентой 3 и перемещается последней к днищу 2, заполняя ковшовый рабочий орган. Цикл завершается возвратом ковшового рабочего органа в исходное положение и его подготовкой к новому рабочему движению и заполнению.

Рис. 8. Ковшовый рабочий орган с конвейерным днищем в виде замкнутой ленты, связанной передаточными механизмами с приводом из двух гидроцилиндров: 1 — боковая стенка; 2 — конвейерное днище; 3 — лента; 4 — поддерживающие ролики; 5 — ведущий ролик; 6, 7 — гидроцилиндры; 8 —ползуны; 9 — шатуны; 10 — кривошипы

Конструктивное исполнение механизма привода ленты в виде вращающегося ролика, приводящегося во вращение двумя гидроцилиндрами с передаточными механизмами, позволяет использовать ковшовые рабочие органы с конвейерным днищем на гидравлических экскаваторах, играющих ключевую роль в механизации выемочно-погрузочных работ на карьерах. Таких экскаваторов насчитывается более 60 % от общей численности.

Ковшовый рабочий орган с конвейерным днищем в виде замкнутой ленты, связанной с приводными гидроцилиндрами через стопорные фиксаторы ⁹. Схема рабочего органа приведена на рис. 9. В данной конструкции привод замкнутой ленты 1 ковшового рабочего органа с конвейерным днищем состоит из двух гидроцилиндров 4 с установленными на штоках 5 подпружиненными фиксаторами 6, которые входят в зацепление с лентой 1 под действием пружины 7 при прямом ходе и свободно перемещаются при обратном.

В процессе погрузки в гидроцилиндр 4 подается рабочая жидкость. Шток 5 гидроцилиндра выдвигается, фиксатор 6 под действием пружины 7 входит в зацепление с лентой 1 и приводит ее в движение. Лента, двигаясь по роликам 2, осуществляет перемещение находящейся на ней горной массы. Непрерывность процесса транспортирования горной массы обеспечивается последовательной работой 2-х гидроцилиндров 4. Такой механизм привода конвейерной ленты упрощает конструкцию ковшового рабочего органа, повышает надежность привода, сохраняя положительный эффект рассмотренного выше привода ленты в виде вращающегося ролика, получающего вращение от двух гидроцилиндров с передаточными механизмами.

Рис. 9. Ковшовый рабочий орган с конвейерным днищем в виде замкнутой ленты, связанной с приводными гидроцилиндрами через стопорные фиксаторы: 1 — замкнутая лента; 2 — ролики; 3 –— боковые стенки;

4 — гидроцилиндр; 5 — шток гидроцилиндра; 6 — фиксатор; 7 — пружина

Обсуждение и заключения . Ковшовые рабочие органы с конвейерным днищем позволяют существенно повысить технический уровень эксплуатируемых экскаваторов, способствуют снижению энергоёмкости погрузки. Предварительный анализ показывает, что в сравнении с традиционными погрузочными органами экскаваторов, имеющими днище с гладкой поверхностью, предлагаемые технические решения имеют следующие преимущества:

— снижение сопротивления внедрению;

• —    повышение коэффициента наполнения ковша;

• —    уменьшение удельной энергоемкости процесса;

— увеличение результирующей технической производительности.

Эти преимущества будут более существенно проявляться с увеличением вместимости ковша экскаватора. Определенное конструктивное усложнение погрузочного органа не может существенно сказываться на стоимости экскаватора, предполагаемые дополнительные капитальные затраты окупаются в течение двух-четырех месяцев.

В основу комплексной экспертной оценки полученных в ходе морфологического синтеза вариантов технических решений положен метод расстановки приоритетов [8, 9]. Расчет комплексного приоритета ковшовых рабочих органов с конвейерным днищем и погрузочных модулей с транспортирующим днищем, позволил признать их перспективными при репрезентативности экспертной группы 0,81.