RU2599753C1

RU2599753C1 - Excavator bucket of active action

Info

Publication number: RU2599753C1
Application number: RU2015126376/03A
Authority: RU
Inventors: Алексей Петрович Малахов; Евгений Владимирович Высоцкий
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2016-10-10

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: invention relates to mining and construction equipment. Excavator bucket of active action includes a housing and a power actuator in the form of percussion mechanisms with pushers, working teeth and arresters of their travel, as well as with return elements. Power actuator of the bucket of active action is made in the form of eccentric shaft in bearings of the housing of the bucket, with n eccentric elements on the shaft, displaced along and turned around the axis of this shaft relative to each other with a pitch of 360/n degrees along its circumference. Pushers of active teeth are made fork-shaped on one side in contact with cams. Their longitudinal axes are perpendicular to the cam turning axis. On the other side pushers have spherical ends in contact with the active teeth directly interacting with mine rock. Drive motors are installed inside the shaft ends, the motors are mechanically connected to the shaft to transfer torque and connected to frequency-controlled control system.

EFFECT: technical result is increase of power consumption and high efficiency of the bucket of active action.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области горных машин и строительства, а также к вибротехнике, а именно к регулируемым ударным и вибрационным машинам, и может быть использовано при добыче полезных ископаемых невзрывными способами, например экскаваторами (5…10 м³), драглайнами (25…100 м³) и мощными скреперами, снабженными ковшами активного действия, выемке мерзлых грунтов.The invention relates to the field of mining machinery and construction, as well as to vibroengineering, namely to adjustable shock and vibration machines, and can be used in mining using non-explosive methods, for example, excavators (5 ... 10 m ³ ), draglines (25 ... 100 m ³ ) and powerful scrapers equipped with buckets of active action, excavation of frozen soils.

Известен ковш активного действия экскаватора (КАДЭ) с пневматическими машинами ударного действия (патент №2149952 (РФ) Экскаватор с ковшом активного действия / Маттис А.Р., Лабутин В.Н., Дмитриев В.Н. и др., опубликован 27.05.2000, бюллетень №15).Known bucket active excavator (KADE) with pneumatic impact machines (patent No. 2149952 (RF) Excavator with active bucket / Mattis A.R., Labutin V.N., Dmitriev V.N. and others, published 27.05. 2000, Bulletin No. 15).

В этом КАДЭ используются известные пневматические машины ударного действия, подключенные к компрессору с давлением 0,5 МПа (5 атм), что не обеспечивает необходимой производительности экскаваторов типов ЭКГ-5В, ЭКГ-12 и др.This CADE uses well-known pneumatic impact machines connected to a compressor with a pressure of 0.5 MPa (5 atm), which does not provide the necessary performance for excavators of types ECG-5V, ECG-12, etc.

Известен также КАДЭ (Маттис А.Р. и др. Безвзрывные технологии открытой добычи твердых полезных ископаемых / [А.Р. Маттис и др.]: отв. ред. В.Н. Опарин; Российская академия наук, сибирское отделение, институт горного дела, институт горного дела севера; Уральское отделение, институт горного дела. - Новосибирск. Изд. СО РАН, 2007 г., с. 337, 166, 167, 220), являющийся прототипом, где в КАДЭ используются ударные пневматические машины 3 шт., работающие на давлении воздуха 0,5 МПа (5 атм), стр. 167, рис. 4.8, или гидравлические ударные машины, стр. 220, рис. 5.9, работающие при давлении до 30 МПа (300 атм). Эти КАДЭ в активных рабочих зубцах имеют силовые органы пневматических или гидравлических молотов с бойками, воздействующими в ударном режиме через толкатели, возвратные элементы и сами зубцы на горную породу.KADE is also known (Mattis A.R. et al. Non-explosive technologies for open mining of solid minerals / [A.R. Mattis et al.]: Ed. V.N. Oparin; Russian Academy of Sciences, Siberian Branch, Mining Institute Institute of Mining of the North; Ural Branch, Institute of Mining - Novosibirsk, Publishing House, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2007, p. 337, 166, 167, 220), which is a prototype where 3 pneumatic impact machines are used in the CADE. operating at an air pressure of 0.5 MPa (5 atm), p. 167, fig. 4.8, or hydraulic percussion machines, p. 220, fig. 5.9, operating at pressures up to 30 MPa (300 atm). These KADEs in active working teeth have power bodies of pneumatic or hydraulic hammers with strikers acting in shock mode through pushers, return elements and the teeth themselves on the rock.

Но даже такие высокие давления по сравнению с пневматическими приводами, работающими на давлении 0,5…1 МПа (5…10 атм), не обеспечивают необходимой производительности современных экскаваторов, когда требуется разрабатывать породы с прочностью до 100…120 МПа, разработка которых создает усилия при соударении инструмента с горной породой до 3…4 МН, стр. 85 [2], и дает при этом на лезвии зуба усилия 3500…4500 кН и более, стр. 111 [2], что в несколько раз выше показателей копания современных гидравлических экскаваторов равного класса.But even such high pressures in comparison with pneumatic actuators operating at a pressure of 0.5 ... 1 MPa (5 ... 10 atm) do not provide the necessary performance of modern excavators when it is necessary to develop rocks with a strength of up to 100 ... 120 MPa, the development of which creates efforts when a tool hits a rock up to 3 ... 4 MN, p. 85 [2], and at the same time gives a force of 3500 ... 4500 kN or more on the tooth blade, p. 111 [2], which is several times higher than the digging rates of modern hydraulic excavators of equal class.

То есть исходя из последних всеобъемлющих исследований и экспериментов необходимо создание исполнительных органов КАДЭ с минимальными параметрами (W_уд=5…10 кДж, частотой ударов до 20…25 Гц, предударной скоростью 10…15 м/с, временем соударения 2…3 мс), что ведет к необходимой подводимой мощности 3-машинного КАДЭ в 300-400 кВт с использованием современных отечественных маслостанций и моторов с давлением 30…40 МПа и скоростями вращения 1500…3000 об/мин.That is, based on the latest comprehensive studies and experiments, it is necessary to create KADE executive bodies with minimum parameters (W _beats = 5 ... 10 kJ, impact frequency up to 20 ... 25 Hz, pre-shock speed 10 ... 15 m / s, collision time 2 ... 3 ms) which leads to the required input power of a 3-machine CADE of 300-400 kW using modern domestic oil stations and motors with a pressure of 30 ... 40 MPa and rotational speeds of 1500 ... 3000 rpm.

Современное же состояние КАДЭ, несмотря на большие сложности при изготовлении, отличается крайне низкой надежностью управления и малой энергоемкостью.The current state of the CADE, despite the great difficulties in manufacturing, is characterized by extremely low reliability of control and low energy consumption.

Задачей (техническим результатом) изобретения является упрощение процесса изготовления и управления исполнительным органом КАДЭ при увеличении энергоемкости этого органа, что, соответственно, повышает производительность и увеличивает надежность работы КАДЭ.The objective (technical result) of the invention is to simplify the manufacturing process and control the executive body of the CADE while increasing the energy intensity of this body, which, accordingly, increases productivity and increases the reliability of the CADE.

Указанная задача достигается тем, что ковш активного действия экскаватора содержит, непосредственно, корпус ковша экскаватора и силовой исполнительный орган в виде механизмов ударного действия с толкателями, рабочими зубцами и ограничителями их хода, а также с возвратными элементами, сам силовой исполнительный орган выполнен в виде массивного эксцентрикового вала в подшипниковых опорах корпуса ковша, с n эксцентриковыми элементами на валу, смещенными вдоль и повернутыми вокруг оси этого вала относительно друг друга с шагом 360/n градусов по его окружности, толкатели рабочих зубцов выполнены с одной стороны вилкообразными в контакте с эксцентриками, где их продольные оси перпендикулярны оси вращения эксцентриков, а с другой стороны толкатели имеют сферические торцы, контактирующие с рабочими зубцами, которые напрямую взаимодействуют с горной породой, при этом внутри концов массивного вала установлены приводные двигатели, механически соединенные с массивным валом для передачи момента вращения, а приводные двигатели подключены к частотно-регулируемой системе управления.This task is achieved by the fact that the bucket of active action of the excavator contains directly the body of the bucket of the excavator and the power actuator in the form of shock mechanisms with pushers, working teeth and limiters of their stroke, as well as with return elements, the power actuator itself is made in the form of a massive an eccentric shaft in the bearings of the bucket body, with n eccentric elements on the shaft, offset along and rotated about the axis of this shaft relative to each other in increments of 360 / n degrees on its circumference, the pushers of the working teeth are made on the one hand fork-shaped in contact with the eccentrics, where their longitudinal axes are perpendicular to the axis of rotation of the eccentrics, and on the other hand the pushers have spherical ends in contact with the working teeth, which directly interact with the rock, while inside the ends of the massive shaft are installed drive motors mechanically connected to the massive shaft to transmit torque, and the drive motors are connected to a frequency-controlled system i.

На чертеже приведена конструкция предлагаемого КАДЭ, который содержит литой массивный корпус-ковш 1, в днище которого в подшипниках 2 расположен массивный вал 3 с эксцентриками, равномерно размещенными по длине вала и смещенными по окружности на 360/n градусов (на чертеже показан один эксцентрик 4). Внутри концов 5, 6 вала 3 расположены приводные двигатели КАДЭ 7, 8, закрепленные на боковых стенках 9 ковша, а валы 10,11 двигателей механически связаны с массивным валом 3 соосно вдоль его оси вращения 12. Каждый из n эксцентриков массивного вала, смещенный относительно центральной оси 12 на величину е эксцентриситета 13, связан с вилкообразным концом 16 толкателя 14 со сферическим наконечником 15, взаимодействующим с рабочим зубцом 15. Толкатель 14 сферической опорой 15 опирается в задний торец 18 рабочего зубца 19, имеющий ограничители хода 20, 21 относительно корпуса ковша, снабженного ограничительными упорами 22. Рабочий зубец 19 имеет на конце сменную ударную пику 23, упирающуюся при работе в горный массив 24. Приводные двигатели 7, 8 соединены линиями питания 25, 27 и линиями управления 26, 28 с частотно-регулируемым электроприводом (на чертеже не показано), расположенным внутри экскаватора, подключенного к промышленной электросети или имеющего свою дизель-электрическую станцию необходимой мощности.The drawing shows the design of the proposed CADE, which contains a cast massive casing-bucket 1, in the bottom of which in the bearings 2 there is a massive shaft 3 with eccentrics uniformly spaced along the length of the shaft and shifted around the circumference by 360 / n degrees (the figure shows one eccentric 4 ) Inside the ends 5, 6 of the shaft 3 are located KADE drive motors 7, 8, mounted on the side walls 9 of the bucket, and the motor shafts 10.11 are mechanically connected to the massive shaft 3 coaxially along its axis of rotation 12. Each of the n eccentrics of the massive shaft, offset relative to the central axis 12 by the eccentricity value e 13, is connected with a fork-shaped end 16 of the pusher 14 with a spherical tip 15 that interacts with the working tooth 15. The pusher 14 with the spherical support 15 rests on the rear end 18 of the working tooth 19, which has travel stops 20, 21 but the bucket body equipped with restrictive stops 22. The working tooth 19 has a removable shock peak 23 at the end, abutting the rock mass during operation 24. The drive motors 7, 8 are connected by power lines 25, 27 and control lines 26, 28 with a frequency-controlled electric drive (not shown), located inside an excavator connected to an industrial power grid or having its own diesel-electric station of the required power.

КАДЭ работает следующим образом. При подключении к источнику питания посредством линий 25, 26, 27, 28 двигатели 7, 8 через валы 10, 11 начинают вращать массивный вал 3 вокруг его центральной оси 12. Массивный вал 3 вращается в подшипниках 2, установленных в боковых стенках 9 корпуса и днища (на чертеже не показано) ковша 1. При вращении вала 3 n эксцентриков 4 с эксцентриситетами 13, контактируя с вилкой 16 толкателя 14, перемещают сферическими наконечниками 15 рабочий зубец 19. При этом вилкообразный толкатель 14 опирается вилкой 16 на выступающую часть эксцентрика 4 и перемещается на расчетную величину хода 17, то есть на величину е эксцентриситета 13 в поперечном валу 3 направлении, обеспечивая эффект работы кривошипа. Толкатель 14 сферическим концом 15 упирается в задний торец 18 рабочего зубца 19, положение которого устанавливается упорами 22 корпуса ковша 1 при их контакте с ограничителями хода 20, 21 рабочего зубца. В переднем торце рабочего зубца 19 установлена сменная пика 23, упирающаяся при работе в горный массив 24, разрушая его.KADE works as follows. When connected to the power source through lines 25, 26, 27, 28, the motors 7, 8 through the shafts 10, 11 begin to rotate the massive shaft 3 around its central axis 12. The massive shaft 3 rotates in bearings 2 mounted in the side walls 9 of the housing and bottom (not shown) bucket 1. When rotating the shaft 3 n of eccentrics 4 with eccentricities 13, in contact with the fork 16 of the pusher 14, the working tooth 19 moves with the spherical tips 15. The fork-shaped pusher 14 is supported by the fork 16 on the protruding part of the eccentric 4 and moves for settlement elichinu stroke 17, i.e. an amount e of eccentricity 13 in the transverse direction of the shaft 3, providing the effect of operation of the crank. The pusher 14 with a spherical end 15 abuts against the rear end 18 of the working tooth 19, the position of which is set by the stops 22 of the bucket body 1 when they are in contact with the travel stops 20, 21 of the working tooth. In the front end of the working tooth 19, a replaceable peak 23 is installed, abutting during work in the mountain range 24, destroying it.

В связи с тем что массивный вал 3 имеет значительный момент инерции, двигатели подключены к частотно-регулируемому электроприводу, обеспечивающему плавный пуск механизма КАДЭ посредством линий питания 25, 27 и линий управления 26, 28. Массивный вал 3, разогнавшись до скорости вращения 1500…3000 об/мин, может быть введен в работу КАДЭ стрелой экскаватора. До соприкосновения рабочих зубцов 19 ковша 1 с горным массивом вал 3 работает в холостом режиме. При экскавации все рабочие зубцы ковша совершают поступательное движение с частотой вращения вала 3, поочередно разрушая горную породу 24. Частота виброударов при скорости вращения вала в 1500…3000 об/мин достигает 25…50 Гц, что весьма сложно получить в пневматических и гидравлических КАДЭ.Due to the fact that the massive shaft 3 has a significant moment of inertia, the motors are connected to a frequency-controlled electric drive that provides a smooth start-up of the KADE mechanism by means of power lines 25, 27 and control lines 26, 28. Massive shaft 3, having accelerated to a speed of rotation of 1500 ... 3000 rpm, can be introduced into the work of the CADE with an arrow of an excavator. Before the contact of the working teeth 19 of the bucket 1 with the massif, the shaft 3 is idling. During excavation, all working teeth of the bucket translate with a shaft rotation frequency of 3, successively destroying the rock 24. The frequency of vibration impacts at a shaft rotation speed of 1,500 ... 3,000 rpm reaches 25 ... 50 Hz, which is very difficult to obtain in pneumatic and hydraulic CADEs.

В предлагаемом КАДЭ все толкатели 14 работают автоматически строго поочередно, обеспечивая виброударный режим работы зубцов 19 с большими частотами и большей энергией ударов при небольшом времени соударения, что увеличивает производительность экскаватора.In the proposed CADE, all pushers 14 work automatically strictly alternately, providing a vibro-shock mode of operation of the teeth 19 with high frequencies and higher impact energy with a short impact time, which increases the productivity of the excavator.

Так как приводной массивный вал 3 вращается практически с постоянной скоростью, питающая электростанция и приводные двигатели работают в облегченных режимах.Since the drive massive shaft 3 rotates at almost constant speed, the power plant and drive motors operate in lightweight modes.

Конструктивная схема предложенного решения КАДЭ также отличается простотой, что снижает процесс изготовления, так как процесс изготовления массивного вала с эксцентриками многократно проще изготовления пневмо- и гидромолотов, и упрощает управление исполнительным органом КАДЭ при увеличении энергоемкости этого устройства, соответственно, повышая производительность и увеличивая надежность работы КАДЭ и экскаватора в целом по добыче полезных ископаемых с большой прочностью породы, т.е. поставленная задача в решении КАДЭ выполняется полностью.The design scheme of the proposed CADE solution is also simple, which reduces the manufacturing process, since the manufacturing process of a massive shaft with eccentrics is many times simpler than manufacturing pneumatic and hydraulic hammers, and simplifies the management of the CADE executive body while increasing the energy consumption of this device, respectively, increasing productivity and increasing reliability CADE and the excavator as a whole for mining with high rock strength, i.e. the task in solving the CADE is fully implemented.

Claims

The excavator’s active bucket contains the excavator’s bucket body and power actuator in the form of shock mechanisms with pushers, working teeth and limiters of their stroke, as well as return elements, characterized in that the power actuator of the active bucket is made in the form of a massive eccentric shaft in bearings of the bucket body, with n eccentric elements on the shaft, offset along and rotated around the axis of this shaft relative to each other with a pitch of 360 / n degrees around its circumference On the one hand, the pushers of the working teeth are fork-shaped in contact with the eccentrics, where their longitudinal axes are perpendicular to the axis of rotation of the eccentrics, and on the other hand, the pushers have spherical ends in contact with the working teeth that directly interact with the rock, while inside the ends of the massive shaft mounted drive motors, mechanically connected to a massive shaft for transmitting torque, and drive motors are connected to a frequency-controlled control system.