Зуб ковша экскаватора (варианты) и способ его изготовления

 

Изобретение относится к конструктивным элементам экскаваторов и других землеройных машин, а именно к деталям их рабочих органов и к способам их изготовления. Зуб ковша экскаватора состоит из адаптера, хвостовик которого имеет соответствующие прорези для крепления на ковше экскаватора. На противоположном конце адаптера имеется направляющий выступ, на котором надет и закреплен демпфер. На выступе могут быть выполнены пазы для размещения в них соответствующих выступов демпфера. На наконечнике адаптера расположена коронка, внутренняя поверхность которой имеет форму, сопрягающуюся с наружной поверхностью передней части демпфера. Варианты конструкции зуба предусматривают различные соединения коронки и демпфера. Соединение может быть осуществлено посредством тугой посадки и образования неразъемного соединения за счет зацепления зубцов, выполненных на соединяющихся поверхностях, или за счет размещения в зазоре между соединяемыми поверхностями слоя легкоплавкого металла, или путем наплавки второго слоя металла. Способ изготовления зуба по третьему варианту предусматривает осуществление наплавки методом литья металла в форму, в которую предварительно введен наконечник демпфера. Изобретение обеспечивает повышение надежности конструкции, экономичности и долговечности при эксплуатации. 4 с. и 9 з.п.ф-лы, 3 ил.

Группа изобретений относится к конструктивным элементам экскаваторов и других землеройных машин, а именно к деталям из рабочих органов и к способам их изготовления.

Известен составной зуб для землеройной машины [1], включающий коронку и адаптер. Адаптер имеет сужающийся конец, образующий выступ, а коронка имеет соответствующей формы полость. Соединение коронки и адаптера осуществляется механическим путем с помощью эластичного клина, который устанавливается в специальные овальные отверстия. Составной зуб достаточно прост в изготовлении, однако имеет ненадежное соединение, а коронка, выполненная из износостойкой стали, имеет излишне массивную форму. В процессе эксплуатации ковша экскаватора коронка изнашивается и требуется ее постоянная замена. Таким образом, дорогая износостойкая сталь используется нерационально, что увеличивает эксплуатационные расходы.

Другой известный составной зуб [2] имеет менее металлоемкую форму коронки, что с одной стороны удешевляет конструкцию, однако с другой стороны тонкие стенки коронки и длинный посадочный выступ делают конструкцию ненадежной. В процессе эксплуатации может разрушиться не только коронка, но и сам адаптер. Соединение деталей зуба осуществляется также с помощью штифта и является ненадежным.

Известны более сложные конструкции зуба. Так, узел крепления зуба рабочего органа землеройной машины [3] предусматривает соединение составных частей с помощью муфты, расположенный на заднем конце удлиненного корпуса коронки и охватывающей головку адаптера. Сопрягающиеся поверхности адаптера и коронки имеют сложную конфигурацию с впадинами и выступами, что делает всю конструкцию нетехнологичной в изготовлении.

Наиболее близким к заявляемому устройству является узел крепления зуба ковша экскаватора [4], принятый за прототип устройства.

Зуб [4] состоит из адаптера, имеющего на конце направляющий клинообразный выступ с округлыми впадинами, на котором при помощи штифта установлена коронка из износостойкого материала. Коронка имеет удлиненную клинообразную форму. Ее внутренняя поверхность имеет форму, сопрягающуюся с наружной концевой поверхностью адаптера, и дополнительно снабжена округлыми выступами, фиксирующими положение коронки на адаптере. Зуб снабжен дополнительным рабочим элементом в виде крышки, установленной на специальной направляющей и защищающей верхнюю часть адаптера. На крышке со стороны коронки выполнены ребра, которые являются дополнительными фиксаторами взаимного положения указанных элементов.

Таким образом, рабочий орган зуба состоит из двух взаимодействующих элементов: коронки и крышки, выполненных из износостойкой стали, что усложняет и удорожает конструкцию. Кроме того, значительная часть коронки не является рабочей, а служит только для закрепления ее на адаптере, т.е. часть износостойкой стали не используется по назначению. Наличие сквозного канала (для установки штифта) на концевой части адаптера также уменьшает надежность зуба в целом, т. е. может привести в процессе эксплуатации к разрушению адаптера.

Известны различные способы изготовления зуба ковша экскаватора, при этом операцией, определяющей ресурсные характеристики зуба, является операция соединения коронки и адаптера. Традиционно соединение осуществляется механическим путем с помощью клиньев, штифтов и муфт, как это описано в [1-4]. При этом простота соединения является несомненным преимуществом, однако такие соединения, как отмечалось, не обладают достаточной надежностью, что приводит к преждевременным поломкам зуба в месте соединения коронки и адаптера.

Другим известным способом изготовления зуба является способ [5], в котором между поверхностью полости в задней части коронки землеройного зуба и внешней поверхностью передней части адаптера располагают размягчающийся при нагреве полимерный материал и нагревают его до температуры размягчения. Застывший слой полимера обеспечивает сравнительно прочное соединение деталей зуба в результате адгезионного взаимодействия. После износа коронки опять нагревают материал до температуры размягчения и заменяют изношенную коронку на новую.

Способ прост в реализации, однако полимерный материал, соединяющий коронку с адаптером, не обладает достаточной жесткостью и высокими адгезионными свойствами, обеспечивающими надежное крепление коронки на адаптере, а следовательно, надежную работу зуба.

В основу изобретения поставлена задача создания простой и надежной конструкции зуба для ковша экскаватора, экономичной с точки зрения использования износостойкой и долговечной при эксплуатации стали коронки. Способ изготовления такого зуба должен обеспечивать надежное соединение между собой его элементов.

Поставленная задача решается тремя вариантами конструкции зуба и способом изготовления третьего варианта зуба.

В первом варианте поставленная задача решается тем, что в зубе ковша экскаватора, включающем адаптер, на конце которого имеется направляющий выступ, рабочий орган, состоящий из двух элементов, одним из которых является коронка, выполненная из износостойкого материала, и фиксатор, согласно изобретению второй элемент рабочего органа выполнен в виде соосно расположенного демпфера, задняя часть которого закреплена на направляющем выступе адаптера, а передняя часть выполнена в виде сужающегося наконечника с зубчатой поверхностью, на котором закреплена коронка, внутренняя поверхность которой имеет форму, сопрягающуюся с наружной поверхностью наконечника демпфера, с обеспечением возможности их неразъемного соединения путем зацепления зубцов.

Во втором варианте поставленная задача решается тем, что в зубе ковша экскаватора, включающем адаптер, на конце которого имеется направляющий выступ, рабочий орган, состоящий из двух элементов, одним из которых является коронка, выполненная из износостойкого материала, и фиксатор, согласно изобретению второй элемент рабочего органа выполнен в виде соосно расположенного демпфера, его задняя часть закреплена на направляющем выступе адаптера, а передняя часть выполнена в виде сужающегося наконечника с переменным рельефом боковых поверхностей, где закреплена коронка, внутренняя поверхность которой имеет форму, сопрягающуюся с наружной поверхностью наконечника демпфера, а в зазоре между указанными поверхностями расположен слой застывшего металла.

В третьем варианте поставленная задача решается тем, что в зубе ковша экскаватора, включающем адаптер, на конце которого имеется направляющий выступ, рабочий орган, состоящий из двух элементов, одним из которых является коронка, выполненная из износостойкого материала, и фиксатор, согласно изобретению второй элемент рабочего органа выполнен в виде соосно расположенного демпфера, задняя часть которого закреплена на направляющем выступе адаптера, а передняя часть выполнена в виде сужающегося наконечника с переменным рельефом боковых поверхностей, на котором посредством наплавки выполнена коронка.

В качестве материала демпфера во всех вариантах используют сталь конструкционной марки с ударной вязкостью не менее 1,0 МДж/м² и условным пределом текучести, лежащим в пределах 0,3-0,8 условного предела текучести материала коронки, но не превышающим 0,7 условного предела текучести материала адаптера.

Наилучший результат достигается, когда направляющий выступ адаптера имеет H-образное поперечное сечение, а задняя часть демпфера снабжена двумя выступами прямоугольного сечения, установленными в пазы между полками H-образного направляющего выступа адаптера. При этом целесообразно фиксатор выполнить в виде скобы, охватывающей сверху демпфер и закрепленной на полках H-образного выступа адаптера.

Поставленная задача решается также способом изготовления зуба по третьему варианту, включающем формирование внутренней поверхности коронки по форме наружной поверхности направляющего выступа демпфера и закрепление коронки зуба на направляющем выступе посредством образования адгезионного взаимодействия, в котором согласно изобретению в качестве направляющего выступа используют переднюю часть демпфера, выполненную в виде сужающегося наконечника с переменным рельефом боковых поверхностей, а коронку изготавливают методом заливки расплавленного износостойкого материала в форму, в рабочей зоне которой предварительно размещают переднюю часть демпфера, затем демпфер с наплавленной коронкой охлаждают до комнатной температуры и закрепляют с помощью фиксатора заднюю часть демпфера на направляющем выступе адаптера.

На фиг. 1 представлен зуб, первый вариант, вид сбоку, сверху и сечение; на фиг. 2 - зуб, второй вариант, коронка в сборе с демпфером; на фиг. 3 - зуб, третий вариант, коронка в сборе с демпфером.

Зуб ковша экскаватора состоит из адаптера 1, хвостовик которого имеет соответствующие прорези для крепления на ковше экскаватора. На противоположном конце адаптера имеется направляющий выступ 2, на который надет и закреплен демпфер 3. Направляющий выступ 2 может иметь различную форму, однако целесообразно для обеспечения прочности конструкции выполнить в нем пазы, в которые могут быть жестко установлены соответствующие выступы демпфера (соединение по типу гнездо - вилка). Экспериментально установлено, что выполнение выступа 2 в виде профиля, имеющего H-образное поперечное сечение, и двух выступов 4 на задней части демпфера, имеющих прямоугольное сечение шириной, равной расстоянию между боковыми полками 5 на адаптере, позволяет обеспечить максимальную жесткость конструкции при минимальной длине выступов. Фиксацию взаимного положения деталей целесообразно осуществлять с помощью охватывающих конструкцию элементов, например, с помощью фиксатора 6 - имеющего форму скобы, размещенной над задней частью демпфера и закрепленной на полках 5 с помощью винтов 7. При этом скоба 6 имеет профилированное сечение и заглублена в тело выступа адаптера.

На наконечнике демпфера расположена коронка 8, внутренняя поверхность которой имеет форму, сопрягающуюся с наружной поверхностью передней части демпфера.

Наружная поверхность передней части демпфера выполнена в виде сужающегося наконечника. При этом форма выполнения наконечника может быть пирамидо-, конусо-, клинообразной или иной сложной формы, имеющей выступы и впадины, т. е. имеющей переменный рельеф боковой поверхности, например, в виде ступеней, зубцов (гребенки) и т.д. Одна из таких (наиболее простых) пирамидообразных форм с переменным углом схождения граней представлена на фиг. 2, другая - с зубчатой поверхностью передней части демпфера и соответственно зубчатой внутренней поверхностью коронки - на фиг. 1.

Заявляемые варианты решают одну задачу принципиально одним и тем же путем, отличие заключается в конструкционных особенностях, обусловленных способом крепления коронки зуба на демпфере.

Конструкция первого варианта зуба предусматривает наличие зубцов на поверхности сужающегося наконечника демпфера и соответствующих по форме зубцов на внутренней поверхности коронки. Неразъемное соединение указанных элементов может быть осуществлено с помощью тугой прессовой посадки. При приложении осевого усилия зубцы на демпфере вследствие упругости его материала подвергаются некоторому изгибу во внутрь, достаточному для того, чтобы зайти в зацепление с зубчатым рельефом коронки с образованием неразъемного соединения. При этом локальная пластическая деформация приводит к образованию адгезионных связей.

Во втором варианте в зазоре между наружной поверхностью наконечника демпфера 3 и внутренней поверхностью коронки 8 расположен слой 9 легкоплавкого застывшего металла, например, свинца. При этом свинец в расплавленном виде заливают в щель, а затем он застывает, образуя соединение. Рекомендуется во время сборки коронки 8 и демпфера 3 поместить между ними пластинки свинца, затем нагреть узел до расплавления свинца, после остывания которого получается прочное неразъемное соединение. Слой 9 застывшего металла играет роль прочного уплотнителя.

В третьем варианте изобретения коронка 8 выполнена посредством наплавки на демпфере 3 и весь узел является конструктивно единым биметаллическим элементом. При этом позиция 10 на фиг. 3 обозначает зону взаимного сплавления, т.е. переходный металлический слой.

Установлено, что наилучший результат достигается не только конструктивными особенностями устройства, но и используемым материалом для изготовления демпфера. Для эффективной работы демпфера и возможности простого монтажа материал должен удовлетворять определенным требованиям по ударной вязкости и прочностным свойствам.

Во всех вариантах реализации конструкции зуба в качестве материала демпфера используют сталь конструкционной марки с ударной вязкостью не менее 1 МДж/м² и условным пределом текучести, лежащем в пределах 0,3-0,8 условного предела текучести материала коронки, но не более 0,7 условного предела текучести материала адаптера. При уменьшении ударной вязкости ниже 1 МДж/м² в процессе эксплуатации происходит хрупкое разрушение демпфера в месте закрепления его к адаптеру. При изготовлении демпфера из стали с условным пределом текучести, меньшим 0,3 условного предела текучести материала коронки, происходит пластическая деформация демпфера (изгиб) и зуб приобретает нерабочую форму. Увеличение условного предела текучести выше заявляемого предела может привести к разрушению коронки в процессе ее монтажа и в процессе эксплуатации (разрушение передней части), а также необратимой пластической деформации адаптера во время эксплуатации зуба.

Устройство работает следующим образом.

В процессе внедрения ковша экскаватора в породу на коронку, демпфер и адаптер со стороны породы действуют сжимающие и изгибающие усилия, а коронка при внедрении в породу подвергается абразивному износу. При движении ковша экскаватора действующая на коронку распределенная нагрузка передается на наконечник демпфера и компенсируется его изгибающим моментом в зоне крепления демпфера к адаптеру (в зоне "вилки"). В процессе износа коронки не происходит хрупкого разрушения рабочего органа, а при полном абразивном износе коронки осуществляют замену сборного узла демпфер - коронка. При этом адаптер остается в рабочем состоянии, пригодном для повторного использования.

Согласно способу реализации третьего варианта конструкции зуба коронку получают методом литья в форму, изготовленную в соответствии с наружной конфигурацией коронки. Устанавливают форму в ее рабочую зону (предпочтительно сверху), вводят демпфер его передней частью, т.е. вводят наконечник, заливают форму расплавленным износостойким металлом, например, инструментальной быстрорежущей сталью, затем осуществляют регламентированное охлаждение до комнатной температуры и вынимают демпфер с наплавленной коронкой. В случае необходимости производят термообработку узла в сборе. После этого демпфер закрепляют на выступе адаптера с помощью фиксатора.

При такой технологии изготовления зуба внутренняя поверхность коронки повторяет рельеф наконечника демпфера и входит с ним в плотное соединение. В процессе остывания в форме возникают дополнительные сжимающие напряжения вследствие различных коэффициентов линейного расширения материалов. Ввиду того, что наконечник имеет развитую боковую поверхность, в зоне контакта демпфера с жидким металлом коронки образуются локальные металлические связи (на выступах), которые усиливают адгезионные связи.

Таким образом, зуб имеет во всех вариантах простую конструкцию, технологичную в изготовлении, экономичную с точки зрения использования дорогостоящей стали коронки и надежную в процессе эксплуатации. При неизбежном абразивном износе легко и быстро можно осуществить замену сборного или составного элемента, при этом не требуется замена адаптера, так как существенно повышается срок его службы. Способы изготовления зуба просты и обеспечивают надежное соединение.

Изобретение найдет промышленное применение на карьерных экскаваторах различных моделей.

Источники информации: 1. Заявка ЕПВ 0531603, МКИ E 02 F 9/28.

2. Патент Швейцарии 679939, МКИ E 02 F 9/28.

3. Патент СССР 1838524, МКИ E 02 F 9/28.

4. Патент Великобритании 2252577, МКИ E 02 F 9/28 (прототип устройства).

5. Акц. заявка Японии 5-24293, МКИ E 02 F 9/28 (прототип способа).

Формула изобретения

1. Зуб ковша экскаватора, включающий адаптер, на конце которого имеется направляющий выступ, рабочий орган, состоящий из двух элементов, одним из которых является коронка, выполненная из износостойкого материала, и фиксатор, отличающийся тем, что второй элемент рабочего органа выполнен в виде соосно расположенного демпфера, задняя часть которого закреплена на направляющем выступе адаптера, а передняя часть выполнена в виде сужающегося наконечника с зубчатой поверхностью, на котором закреплена коронка, внутренняя поверхность которой имеет форму, сопрягающуюся с наружной поверхностью наконечника демпфера, с обеспечением возможности их неразъемного соединения путем зацепления зубцов.

2. Зуб по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала демпфера используют сталь конструкционной марки с ударной вязкостью, не превышающей 1 МДж/м² и условным пределом текучести, лежащим в пределах 0,3-0,8 условного предела текучести материала коронки, но не превышающим 0,7 условного предела текучести материала адаптера.

3. Зуб по п.1, отличающийся тем, что направляющий выступ адаптера имеет Н-образное поперечное сечение, а задняя часть демпфера снабжена двумя выступами прямоугольного сечения, установленными в пазы между полками Н-образного направляющего выступа адаптера.

4. Зуб по п. 3, отличающийся тем, что фиксатор выполнен в виде скобы, охватывающей сверху демпфер и закрепленной на полках Н-образного выступа адаптера.

5. Зуб ковша экскаватора, включающий адаптер, на конце которого имеется направляющий выступ, рабочий орган, состоящий из двух элементов, одним из которых является коронка, выполненная из износостойкого материала, и фиксатор, отличающийся тем, что второй элемент рабочего органа выполнен в виде соосно расположенного демпфера, задняя часть которого закреплена на направляющем выступе адаптера, а передняя часть выполнена в виде сужающегося наконечника с переменным рельефом боковых поверхностей, на котором закреплена коронка, внутренняя поверхность которой имеет форму, сопрягающуюся с наружной поверхностью наконечника демпфера, а в зазоре между указанными поверхностями расположен слой застывшего металла.

6. Зуб по п.5, отличающийся тем, что в качестве материала демпфера используют сталь конструкционной марки с ударной вязкостью, не превышающей 1 МДж/м², и условным пределом текучести, лежащим в пределах 0,3-0,8 условного предела текучести материала коронки, но не превышающим 0,7 условного предела текучести материала адаптера.

7. Зуб по п.5, отличающийся тем, что направляющий выступ адаптера имеет Н-образное поперечное сечение, а задняя часть демпфера снабжена двумя выступами прямоугольного сечения, установленными в пазы между полками Н-образного направляющего выступа адаптера.

8. Зуб по п. 7, отличающийся тем, что фиксатор выполнен в виде скобы, охватывающей сверху демпфер и закрепленной на полках Н-образного выступа адаптера.

9. Зуб ковша экскаватора, включающий адаптер, на конце которого имеется направляющий выступ, рабочий орган, состоящий из двух элементов, одним из которых является коронка, выполненная из износостойкого материала, и фиксатор, отличающийся тем, что второй элемент рабочего органа выполнен в виде соосно расположенного демпфера, задняя часть которого закреплена на направляющем выступе адаптера, а передняя часть выполнена в виде сужающегося наконечника с переменным рельефом боковых поверхностей, на котором посредством наплавки выполнена коронка.

10. Зуб по п.9, отличающийся тем, что в качестве материала демпфера используют сталь конструкционной марки с ударной вязкостью, не превышающей 1 МДж/м² и условным пределом текучести, лежащим в пределах 0,3-0,8 условного предела текучести материала коронки, но не превышающим 0,7 условного предела текучести материала адаптера.

11. Зуб по п.9, отличающийся тем, что направляющий выступ адаптера имеет Н-образное поперечное сечение, а задняя часть демпфера снабжена двумя выступами прямоугольного сечения, установленными в пазы между полками Н-образного направляющего выступа адаптера.

12. Зуб по п.11, отличающийся тем, что фиксатор выполнен в виде скобы, охватывающей сверху демпфер и закрепленной ан полках Н-образного выступа адаптера.

13. Способ изготовления зуба землеройной машины, включающий формирование внутренней поверхности коронки по форме наружной поверхности направляющего выступа демпфера и закрепление коронки зуба на направляющем выступе посредством образования адгезионного взаимодействия, отличающийся тем, что в качестве направляющего выступа используют переднюю часть демпфера, которую выполняют в виде сужающегося наконечника с переменным рельефом боковых поверхностей, а коронку изготавливают методом литья расплавленного износостойкого материала в форму, в рабочей зоне которой предварительно размещают переднюю часть демпфера, затем демпфер с наплавленной коронкой охлаждают до комнатной температуры и закрепляют с помощью фиксатора заднюю часть демпфера на направляющем выступе адаптера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3