1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ СКРЕПЕРОВ С ЭЛЕВАТОРНОЙ ЗАГРУЗКОЙ

Рабочее оборудование скрепера с элеваторной загрузкой включает тяговую раму, ковш и механизм загрузки. Механизм загрузки представляет собой скребковый элеватор, размещенный в передней части ковша вместо заслонки. Ковш элеваторного скрепера отличается от обычного ковша формой, обусловленной увеличением длины днища, и конструкцией механизма разгрузки.

Наиболее распространенная схема разгрузки предусматривает открытие в днище ковша разгрузочной щели и наличие Выталкивающей задней стенки. Открытие разгрузочной щели, равной примерно половине длины днища, осуществляется путем введения подвижной части днища, передвигаемой при разгрузке назад. При открытии разгрузочной щели находящийся над ней грунт высыпается из ковша. Оставшаяся в ковше часть грунта удаляется путем перемещения выталкивающей стенки вперед до края разгрузочной щели. При разгрузке необходимо соблюдать определенную последовательность действий элементов механизма разгрузки: вначале следует обеспечить открытие разгрузочной щели и только затем начинать перемещение выталкивающей стенки. Иначе свободный выход грунта из ковша отсутствует, что приводит к запиранию грунта между элеватором и задней стенкой и перегрузке привода механизма нагрузки.

Чтобы обеспечить разравнивание выгруженного грунта, подвижное днище ковша снабжается планирующим ножом. При закрытой разгрузочной щели и достижении подвижным днищем упора на ковше закрепленный шарнирно планирующий нож поворачивается и устанавливается в нерабочее положение. Подвижная часть днища перемещается на роликах по направляющим, расположенным с наружной стороны на боковых стенках ковша. Рычажно-звенный механизм, связывающий подвижную часть днища и гидроцилиндр, размещаются в зоне буферной рамы. В некоторых случаях применяют схему разгрузки, предусматривающую перемещение задней стенки и днища единственным гидроцилиндром.

На скрепере 252FT фирмы Вабко (США) привод днища осуществляется двумя гидроцилиндрами, расположенными снаружи, на боковых стенках ковша. Шток гидроцилиндра непосредственно присоединен к кронштейну подвижного днища, а корпус прикреплен к стенке ковша в передней части. При открытии разгрузочной щели шток гидроцилиндра выдвигается, а при закрытии щели шток втягивается внутрь гидроцилиндра.

Следует отметить разнообразие применяемых конструктивных схем механизма разгрузки. Например, на скреперах фирмы Катерпиллер (США) применяется оригинальная схема полупринудительной разгрузки, которой предусматривается поворот днища относительно неподвижной оси, расположенной в верхней части на боковых стенках ковша. С помощью гидроцилиндра, рычажной системы и тяги днище поворачивается назад и вверх. В крайнем положении днище образует для выгрузки грунта просторную щель. При повороте днища происходит одновременное выдвижение вперед рамы элеватора, что предотвращает возможное заклинивание грунта в начальной фазе выгрузки. В открытом положении днище с укрепленным на нем неподвижным ножом обеспечивает разравнивание высыпаемого грунта.

Конструкции скребкового элеватора на различных моделях современных скреперов в основном однотипны. Скребковый элеватор имеет от 14 до 22 равномерно расположенных скребков, которые закреплены с каждой стороны на замкнутой шарнирно пластинчатой цепи. Ввиду тяжелых условий работы элеватора в абразивной грунтовой среде применяют цепи с повышенной износостойкостью. Часть пластин звеньев цепи специально для крепления скребков имеет Г-образную форму. Чтобы уменьшить растягивающие усилия, действующие на болты крепления, их оси рекомендуется размещать параллельно лобовой плоскости скребков (рисунок 1.1). Для натяжения цепи нижний направляющий ролик может перемещаться вдоль рамы. Ось направляющего, ролика прикреплена к плунжеру, который размещен в корпусе на раме элеватора. В полость, образованную плунжером и корпусом, через пресс-масленку в корпусе нагнетается консистентная смазка. Нагнетаемая под давлением в полость смазка вызывает перемещение плунжера и связанного с ним направляющего ролика и обеспечивает требуемое усилие натяжения цепи. На скреперах малых размеров применяют преимущественно механический способ натяжения.

Рисунок 1.1 Размещение скребка на цепи

Рама элеватора имеет сборную или листосварную коробчатого сечения конструкцию. Особое внимание уделяется обеспечению ее жесткости и прочности. На раме элеватора размешаются поддерживающие ролики цепи и ведущий бал с опорами, ведущими звездочками, редуктором и гидромотором привода.

Важной задачей совершенствования конструкции элеваторного механизма является снижение возникающих при работе динамических нагрузок. Источником динамических нагрузок является кинематическая погрешность, цепной передачи и периодическое взаимодействие скребков элеватора с грунтом, находящимся на плоскости ножа.

Для защиты гидравлической части привода в конструкцию редуктора вводят дополнительные элементы в виде маховика или упругого вала, что позволяет повысить податливость валопровода и момент инерции движущихся частей привода. Конструктивно маховик объединяют с ведущим звеном редуктора. Этим обеспечивается снижение собственной частоты системы привода, при которой гидравлическая часть системы привода изолируется в определенной степени от воздействующих частот колебаний динамической нагрузки.

Указанные средства снижения динамических нагрузок в гидроприводе применены на элеваторных скреперах зарубежных фирм ДжонДир (мод. 762), Интернейншл Харвестер (мод. 444В, 44-25), Катерпиллер (мод. 633Д, 639Д) и др. .

Другим направлением снижения динамических нагрузок элеватора является непосредственное изменение характера взаимодействия скребков с грунтом. Это достигается путем пассивного или активного регулирования силового взаимодействия и параметров траектории движения скребков в зоне контакта с грунтом. Улучшить взаимодействие скребков с грунтом можно путем ориентации граней скребка при взаимодействии с грунтовой призмой, например смещением его лобовой грани назад от оси звена цели, на котором закреплен скребок.

В основе данного конструктивного решения лежит предположение о том, что сопротивление на скребке в процессе захвата грунта должно уменьшиться в результате более благоприятного угла, образующегося между лобовой гранью скребка и плоскостью ножа. Подобное крепление скребка к звену цепи длительное время применяется фирмой Вабко (США) на скрепере 252FT.

Известны другие конструктивные решения, направленные на уменьшение уровня возмущающих воздействий в контакте скребка с грунтом. Для этого применяются элементы подвески рамы элеватора различных модификаций. Например, на начальном этапе истории развития конструкции было принято жесткое крепление рамы элеватора к концу. Однако в дальнейшем такое крепление не нашло распространения, так как неизбежно вело к перегрузкам привода вследствие встречающихся в грунте каменистых включений и заклиниванию элеватора при их прохождении между скребком и ножевой плоскостью. Поэтому для обеспечения подвижности рамы практическое применение нашла подвеска свободно упругого типа. Такая подвеска позволяет раме элеватора перемещаться относительно стенок ковша и ножа в зависимости от изменения уровня загруженности скребков, например, в результате изменения грунтовых условий, толщины срезаемого грунта, при прохождении камней.

К наиболее простым схемам свободно упругой подвески относятся те, в которых, рама элеватора в верхней части крепится с помощью шарниров, соединяющих непосредственно раму элеватора со стенками ковша (рис 1.2). Этим обеспечивается плоскопараллельное движение рамы в продольно-вертикальной плоскости ковша, а ось направляющего ролика относительно ножа перемешается по дуге окружности и, как правило, траектория движения оси лежит в плоскости, перпендикулярной поверхности ножа. Движение рамы вниз ограничивается упорами, определяющими минимальное расстояние нижней оси от плоскости ножа.

Рисунок 1.2 - Схемы свободно упругой подвески элеватора с шарнирным верхним креплением рамы:

1- шарнирное соединение; 2- рама; 3- демпфирующий упор, 4- нож, 5- пружина; 6- жесткий упор, 7- амортизатор

Подвеска данной конструкции обеспечивает плавающее положение рамы и перемещение нижней оси элеватора от ножа по кратчайшему пути при возрастании сопротивлений на скребках и пропуске каменистых включений. Различие конструкций подвесок этого типа определяется в основном видом и формой выполнения упоров.

В известных конструкциях использованы в основном упоры с демпфирующими элементами с возможностью предварительного регулирования расстояния между нижней осью и ножом в зависимости от грунтовых условий работы (рис.1.2). Известно применение упоров, ограничивающих движение рамы элеватора вверх, применены также пружины, прижимающие раму элеватора вниз с возможностью регулирования усилия предварительного натяжения (рис.1.2, в, г). Применение пружин, предварительное регулирование их усилия натяжения позволяет рациональным образом изменять сопротивление движению рамы элеватора.

Наиболее предпочтительными вариантами конструкции подвески этого типа является подвеска, в которой использованы демпфирующие и регулируемые упоры, что обеспечивает более мягкую работу элеватора, а также применение прижимных пружин с регулированием предварительного натяжения.

В настоящее время некоторые типы конструкций свободно-упругих подвесок применяют фирмы: Катерпиллер (США) на скреперах 623Е, 613С, Фиат-Аллис (США) на скрепере 263-В, 261В, Джон Мир (США) на скреперах 762, 860.

Известны конструкции подвесок с шарнирно-рычажным верхним креплением рамы элеватора к ковшу (рис.1.3), Такая подвеска осуществляется с помощью рычагов, шарнирно соединенных с одной стороны с рамой, а с другой стороны со стенками ковша. Шарнирно-рычажное верхнее сопряжение также обеспечивает движение рамы в продольно-вертикальной плоскости ковша. В данной схеме только точка верхнего крепления рамы движется по окружности, а нижняя ось элеватора в зависимости от параметров подвески может иметь различную траекторию. Правильный выбор траектории движения нижней оси отвечающей менее жестким кинематическим условиям взаимодействия скребков с грунтом, позволяет улучшить приспособляемость рабочего органа элеватора к изменению значений и направления сопротивлений при захвате скребками грунта на ноже.

Для этого также предназначены элементы, совмещающие функции направляющих движения и упоров, которые могут быть выполнены регулируемыми по направлению, высоте в виде простой или сложной направляющей поверхности (рис.1.3 б, в).

Хорошо известна схема, в которой в качестве ограничителей использованы рычаги, а также демпфирующие регулируемые по высоте упоры, ограничивающие движение рамы вниз (см. рис.1.3, а). При использовании данной схемы перемещение рамы не вызывает заметного изменения условий транспортирования и потери грунта. При плоскопараллельном движении подвески обусловленного типа относительное смещение оси и изменение угла наклона рамы элеватора (рис. 1.3) характерно для скреперов 3-11Е и 5-23Сфирмы Тереке (США) и скрепера 615 фирмы Катерпиллер (США).

Рисунок 1.3 - Схемы свободно упругой подвески элеватора с шарнирно-рычажным верхним креплением рамы

1- шарнирное соединение; 2- рычаг; 3- рама, 4- упор,- 5- нож,- 6- ролик; 7- направляющий упор, в- пружина

Другая разновидность схемы подвески предусматривает соединение элеватора с ковшом с помощью роликов, расположенных в верхней части рамы, и элементов направляющего аппарата. Здесь возможны варианты исполнения. В одном случае элементы направляющего аппарата размещены на раме элеватора, а ролики, закреплены на ковше (рис.1.4, а, б), в другом случае, наоборот, ролики расположены на раме элеватора, а элементы направляющего аппарата на ковше (рис.1.4, в, г). Верхняя подвеска рамы элеватора этого типа, так же как, и шарнирно-рычажная, позволяет реализовать различные траектории движения нижней оси рамы в зоне ножа путем использования ограничителей, совмещающих функции направляющих движения и упоров. Данные ограничители могут быть выполнены регулируемыми по направлению и высоте, иметь различную форму направляющей поверхности.

Главными отличительными особенностями подвески этого типа являются возможность реализации различных траекторий движения рамы путем задания формы и наклона направляющих, а также возможность ограничить движение рамы длиной этих направляющих. Благодаря этому расширяются возможности для создания оптимальной траектории.

Для ограничения движения вверх и обеспечения усилия, прижимающего раму вниз, использованы упругие элементы с регулированием предварительного натяжения. Один из вариантов подвески элеватора этого типа использован, например, фирмой Интернейшнл (США) на скреперах 4-33 и 44-4.

В качестве ограничителей движения нижней оси элеватора в зоне ножа на этих скреперах применены открытые, установленные на стенках ковша регулируемые направляющие криволинейного профиля, по которым происходит качение опорных роликов, и пружины, прижимающие раму элеватора вниз с возможностью регулирования усилия предварительного натяжения. Направляющие верхнего узла крепления выполнены прямолинейными на стенках под углом установки рамы элеватора, что создает наиболее благоприятные условия транспортирования грунта в ковш.

Данная подвеска представляется наиболее предпочтительной из числа рассмотренных подвесок свободно упругого типа. Она позволяет полнее других обеспечить адаптацию элеваторного механизма путем пассивного регулирования силового взаимодействия и параметров траектории движения скребков при захвате грунта, а также стабилизировать условия транспортирования грунта в ковш.

Активное регулирование силового взаимодействия и параметров траектории скребков в зоне контакта с грунтом является относительно новым направлением совершенствования элеваторного механизма загрузки.

Рисунок 1.4 Схемы свободно упругой подвески элеватора с верхним креплением рамы в виде роликов и направляющих:

1- ролик, 2- направляющая; 3- рама; 4- рычаг,- 5- нож, 6- пружина; 7- шарнирное соединение

В известных схемах активное регулирование силового взаимодействия рабочего органа элеватора с грунтом выполняется на основе использования конструкций свободно упругих подвесок рассмотренных схем, но отличается от последних тем, что регулирование положения нижней оси рамы элеватора осуществляется принудительно в зависимости от параметра прямо или косвенно характеризующего сопротивление на скребках. В качестве параметров, определяющих сопротивление на скребках, может служить давление в напорной линии гидромотора элеватора или толщина срезаемой ножом стружки грунта. Регулирование положения рамы и нижней оси элеватора в зоне ножа осуществляется, как правило, с помощью гидравлического или механического привода.

Примером выполнения подвески с активным регулированием может служить механизм элеваторной загрузки скрепера 252FT фирмы Вабко (США). Элеватор этого скрепера Выполнен на основе свободно упругой подвески с шарнирным узлом крепления рамы к стенкам ковша, а регулирование положения рамы осуществляется с помощью механической связи тяговой рамы скрепера с рамой элеватора в зависимости от глубины резания путем ограничения расстояния между нижней осью элеватора и полостью ножа.

Разнообразное конструктивное исполнение скребковых элеваторов. Патентный анализ предлагаемых конструктивных исполнений показывает, что в направлении совершенствования ведется обширная исследовательская работа. В данном проекте проанализированы наиболее характерные конструкции скребковых элеваторов.

Ковш скрепера. А.С. 768887. Смирнов Г.Н.

ВНИИСтройдормаш. 07.10.80. Б №37.

Ковш скрепера (рис. 1.5) включает элеватор 1, который состоит из рамы 2 коробчатого сечения, в нижней части которой смонтированы дополнительные кронштейны 3 крепления направляющих звездочек 4, скребковую цепь 5 с прямолинейным участком 6, расположенным под углом, близким или равным 90° к срезаемой и перемещаемой в момент набора стружки грунта, а также ведущий вал 7 с подсоединенным к нему приводным механизмом 8, ведомый вал 9 и опоры 10 со звездочками 4.

Цель изобретения - снижение динамических нагрузок и уменьшение сопротивления загрузки грунта из-за исключения смятия грунта при снятии стружки скребками.

Недостатком данной конструкции является небольшая вместимость ковша, обусловленная наклонным положением элеватора и отсутствием верхней горизонтальной ветви.

Рисунок 1.5 - Ковш скрепера

Ковш скрепера. А.С. 1155683. 15.05.85. Бюл. №18.

Фарафонов В.И. Московское НПО по строительству и дорожному машиностроению.

Рисунок 1.6 - Ковш скрепера: 1 - сдвижное днище; 2 - нож; 3 - элеватор; 4 - рама; 13 - приводная звездочка; 14 - цепь; 15 - привод элеватора

Данная конструкция отличается тем, что с целью повышения производительности и уменьшения тягового усилия скрепера, прямолинейная продольная ветвь скребковой цепи расположена к плоскости ножа под углом 10-24° с вершиной направленной внутрь ковша. В этой конструкции такие же недостатки, которые присущи и предыдущей.

Скрепер. А.С. №369219. 8.11.73. Бюл. №10.

Долгутин Н.Ф. ВНИИСтройдормаш.

Этот скрепер отличается тем, что с целью уменьшения усилия на подъем ножа, последний смонтирован на продольных боковых рычагах, шарнирно соединенных одними своими концами с боковыми стенками ковша, а другая - с элеватором.

Рисунок 1.7 - Скрепер: 1 - ковш; 2 - нож; 3 - подвижное днище; 6 - элеватор; 7 - рычаги; 8 - рычаг; 11 - верхняя часть передней стенки; 12 - гидроцилиндр выталкивания грунта из ковша; 13 - нижняя часть передней поворотной стенки

Достоинства такой конструкции скрепера, с задним Расположением элеватора то, что центр тяжести смещается в сторону приводных колес. Это увеличивает силу тяги. Однако вместимость ковша в данном случае не может быть увеличена. т. к. отсутствует верхняя горизонтальная ветвь элеватора. Кроме того, скрепер должен быть оснащен задним механизмом подъема-опускания ковша, что влечет - за собой трудности управления машиной в процессе копания соприкосновение днища ковша с поверхностью грунта при спуске задних колес в траншею, вырезанную ножом.

Ковш скрепера. А.С. №1474224. 23.04.89. Бюл. №15.

Шаволов А.С., Важинский А.А. и Морозов А.И.

Рассматриваемое изобретение представляет значительный интерес, поскольку позволяет, по мнению его авторов, заполнять переднюю часть ковша со стороны поперечной балки тяговой рамы и тем самым смещать центр тяжести ковша в сторону базового тягача.

Рисунок 1.8 - Ковш скрепера: 1 - задняя стенка; 2 - ковш; 3 - подножевая плита; 4 - нож; 5 - подвижное днище; 7 - скребковый элеватор; 13,17,20 - направляющие; 15 - гидроцилиндр поворота элеватора

Недостатков данной конструкции несколько. Во-первых, отсутствие нижней горизонтальной ветви элеватора приводит к смятию стружки и повышенным нагрузкам. Во-вторых, верхняя часть ковша со стороны задней стенки не заполняется грунтом. В-третьих, при переводе элеватора в переднее положение грунт находящийся в ковше оказывает давление на скребки, что приводит к резкому увеличению сопротивлений цепи.

Ковш скрепера. А.С.№1335650. 7.04.85. Бюл. №33.

Шаволов А.С. и Мамедов Э.Т.

Рисунок 1.9 - Ковш скрепера: 1 - ковш; 2 - элеватор; 3 - заслонка; 4 - нижняя часть элеватора; 5 - нож; 12 - привод элеватора; 13 - гидроцилиндр поворота элеватора

Недостатком рассматриваемой конструкции является, то что она пригодна только для скреперов с полупринудительной разгрузкой, которые практически не выпускаются. Во-вторых, срезаемая стружка упирается в торец элеватора - задней стенки и отбрасывается в обратную сторону по отношению движения машины и формируется в виде призмы волочения. В-третьих, ленточный конвеер-элеватор является ненадежным элементом при работе скрепера на породах с крупнообломочными включениями.

Скрепер с толкачем. А.С. №1071711. 7.04.81. Бюл. 10

Шаволов А.С. ЦНИИС

Прежде всего следует отметить сложность и дороговизну рассматриваемой конструкции. Грунт, попавший в область заслонки, выталкивается из ковша обратной ветвью элеватора. Трудность ориентации элеватора внутри ковша, поскольку машинисту толкача нижняя часть элеватора совершенно не видна.

Рисунок 1.10 - Скрепер с толкачем: 1 - ковш; 2 - толкач; 3 - сцепка; 4 - бампер; 14 - скребковый элеватор; 16 - заслонка; 12 - привод элеватора; 9, 17 - гидроцилиндры управления положением элеватора

Ковш скрепера. А.С. №1460133. 23.02.89. Бюл. №7.

Шавалов А.С. и Важинский А.А.

Рисунок 1.11 - Ковш скрепера: 1 - ковш; 2 - днище; 3 - шарнир; 4 - лоток; 5 - нож; 6 - тяга; 10 - цепь; 12 - приводная звездочка; 14 - толкатель; 16 - вибратор; 20 - гидроцилиндр поворота элеватора

Цель данного изобретения - снижение энергоемкости процесса копания грунта. При скоростях резания грунта скрепером и перемещения его скребками элеватора вибрация практически не снижает энергоемкости копания. Это положение установлено многими исследованиями. Кроме того, скребки элеватора в области подножевой плиты сминают снимаемую стружку, что приводит к увеличению энергоемкости и динамических нагрузок.