Устройство для снижения динамических нагрузок в металлоконструкциях роторного экскаватора
Полезная модель относится к землеройному машиностроению и может использоваться для повышения надежности роторного экскаватора или роторного заборщика путем снижения динамических нагрузок. В процессе работы экскаватора или заборщика в металлоконструкциях стрелы рабочего органа возникают вынужденные колебания, которые приводят к неуправляемым перемещениям роторного колеса. Эти перемещения резко возрастают, когда частоты вынужденных и собственных колебаний становятся близкими по величине (резонанс), что снижает надежность рабочего оборудования. Сущность полезной модели заключается в следующем: в приводе рабочего органа роторного экскаватора используется эпициклический редуктор со встроенным дебалансным механизмом, который кроме рабочего вращения сообщает роторному колесу крутильные высокочастотные асимметричные колебания. Таким образом, рабочая частота колебательной системы «ротор - стрела» переводится из околорезонансного режима в зарезонансный режим, где амплитуда колебаний минимальна.
Изобретение относится к области землеройных и перегрузочных машин, например роторных экскаваторов или роторных заборщиков, применяемых на открытых горных разработках и в перегрузочных терминалах.
Добычные и перегрузочные машины с роторными рабочими органами различного устройства являются одним из наиболее совершенных типов рабочих машин, так как они функционируют не в периодических, а в непрерывных режимах работы, не связанных с циркуляционными потерями энергии. В то же время взаимодействие зубьев ротора с обрабатываемой средой генерируют низкочастотные импульсы, которые передаются на рабочую стрелу агрегата. Частота этих импульсов во многих случаях оказывается близкой к собственным частотам каких-либо конструкционных элементов агрегата, и чаще всего к собственным частотам колебаний стрелы ротора. В связи с этим создается ряд серьезных проблем при эксплуатации. Возникает также опасность усталостных повреждений стрелы. Решение поставленной задачи достигается с помощью включения в трансмиссию специального импульсного инерционного механизма, накладывающего на равномерное вращение роторного колеса высокочастотные бигармонические крутильные колебания. Модернизация привода позволяет при работе роторного экскаватора или заборщика увести частоту колебаний металлоконструкции стрелы рабочего органа в зарезонансную область и таким образом снизить амплитуду колебаний и соответственно динамические нагрузки на металлоконструкции. Амплитудно-частотная характеристика колебательной системы «рабочий орган - металлоконструкция стрелы» представлена на фиг. 1. Эта характеристика представляет собой зависимость динамического коэффициента от отношения частоты возмущающей силы и частоты свободных колебаний системы.
Сущность полезной модели заключается в том, что для снижения динамических нагрузок на металлоконструкции роторного экскаватора или роторного заборщика используется импульсный привод роторного рабочего органа с эпициклической цевочной передачей, позволяющий снизить амплитуду колебаний стрелы ротора, уведя частоту этих колебаний в зарезонансную область, позволяющий многократно увеличить рабочие усилия рабочего органа на перерабатываемый продукт за счет замены статических рабочих усилий импульсными, а также позволяющий повысить эксплуатационную производительность машины за счет более полного заполнения ковшей и снизить энергопотребление машины за счет снижения осредненных сил трения между обрабатываемой средой и рабочим органом.
Известны авторские свидетельства: 
708016, кл. E02F 3/26; 1609880, кл. E02F 3/26, 9/20; 1129290, кл. E02F 3/18; 1271941, кл. E02F 3/26, 9/20; 1474222, кл. E02F 3/26; 610947, кл. E02F 9/14; 1638259, кл. E02F 3/18; 1263755, кл. E02F 3/18, в которых предлагаются различные способы гашения и подавления колебаний металлоконструкций роторных экскаваторов. Все эти способы требуют дополнительных устройств, устанавливаемых на машине, что влечет за собой дополнительные затраты энергии и усложняет основные конструкции машины.
Известно авторское свидетельство 613013, кл. E02F 3/18, в котором ковши роторного колеса закреплены на нем посредством соединительных звеньев из предварительно натянутых по периметру роторного колеса гибких элементов. Недостатком такого рабочего органа является недолговечность используемых гибких элементов и ухудшение процесса резанья грунта ковшами из-за наличия упругих элементов.
Известно авторское свидетельство 2030509 кл. E02F 3/24, в котором предлагается привод рабочих органов роторных машин, включающий двигатель с механизмом изменения режимов работы, присоединенный к корпусу, установленному на раме. Целью данного привода не является подавление колебаний, но по конструкции он является близким к заявляемому устройству. Недостатком является использование муфты свободного хода, кинематически соединенной посредством тел качения со звездочкой, что в условиях тяжелых условий эксплуатации не обеспечивает необходимой надежности привода.
Известно авторское свидетельство 428692, кл. E02F 3/24, в котором с целью повышения надежности работы и снижения веса рабочего оборудования, ротор и гибкое колесо волновой передачи смонтированы на полой оси, жестко установленной под углом к оси стрелы, а двигатель установлен на стреле с противоположной стороны относительно ротора и кинематически связан с ним через образованное в полой оси отверстие, причем жесткое колесо волновой передачи охватывает гибкое колесо и смонтировано в корпусе, установленном на роторе. Недостатком является применение полой оси, снижающей надежность конструкции, и использование волновой передачи, которая имеет сложную и дорогостоющую технологию изготовления гибкого зубчатого колеса и генератора, что затрудняет производство и ремонт, также в волновой передаче возникает высокая напряженность гибкого колеса и генератора волн. Известное рабочее оборудование роторного экскаватора является пассивным устройством борьбы с колебаниями ротора и машины, и является менее эффективным чем активные устройства.
Целью полезной модели является повышение надежности, долговечности и работоспособности рабочего оборудования за счет снижения динамических нагрузок в металлоконструкциях машины.
Достигается это тем, что вновь разработанное устройство привода роторного колеса, снабжено эпициклическим цевочным редуктором со встроенным бигармоническим дебалансным механизмом, который позволяет сообщить роторному колесу импульсное вращение. Схема индуктивного бигармонического дебалансного механизма представлена на фиг.2.
Устройство привода рабочего органа представлено на фиг.3, 4, 5, 6. Импульсный привод состоит из разъемного корпуса 1 и 2. В корпусе 1 установлен приводной вал 3, соединяющийся муфтой 4 (на чертеже не показана) с приводным электродвигателем 5 (на чертеже не показан). Приводной вал 3 установлен одним концом в корпусе 1 и вторым во фланце выходного вала 16 на подшипниках качения 6 и 7. На приводном валу 3 закреплен двойной эксцентрик 8, эксцентриситеты которого смещены на 180 градусов. На эксцентрике 8 на подшипниках качения 9, 10 с возможностью вращения насажены планетарные зубчатые колеса 11 и 12 с зубьями циклоидного профиля. Зубчатые колеса 11 и 12 входят в зацепление с закрепленными в корпусе 1 цевками 13, на которых насажены с возможностью вращения втулки 14. На приводном валу закреплено также центральное зубчатое колесо 15. На фланце выходного вала 16 установлены и закреплены от поворота консольные валики 17, 18, 19 и 20, на которых с возможностью свободного вращения на подшипниках качения 21, 22, 23 и 24 установлены зубчатые дебалансные колеса 25, 26, 27 и 28, входящие в зацепление с центральным зубчатым колесом 15. Выходной вал 16 установлен на подшипниках качения 29 и 30 в корпусе редуктора 2.
Устройство работает следующим образом.
Вращение приводного вала 3 через эксцентрики 8 сообщает планетарное движение зубчатым колесам 11 и 12. Они обегают систему неподвижных цевок 13 с втулками 14, закрепленными в корпусе 1 и вследствие разности количества зубьев через пальцы 17, 18, 19 и 20 передают медленное вращение выходному валу 16. Так создается вращение выходного вала привода с постоянной угловой скоростью. Одновременно, с той же скоростью поворачивается и роторный рабочий орган машины, установленный на выходном валу привода. В то же время центральное зубчатое колесо 15 приводит во вращение систему зубчатых колес 25, 26, 27 и 28 и вследствие того, что они выполнены в виде дебалансов с соотношением диаметров 1/2, попарно смещенных на 180 градусов по отношению друг к другу, создается знакопеременный крутящий момент, сообщающий выходному валу крутильные колебания по бигармоническому закону. Зубчатые колеса-дебалансы 25, 26, 27 и 28 передают крутильный момент выходному валу 16. Таким образом, выходной вал 16 постоянно совершает медленное вращение с наложенными на него высокочастотными крутильными бигармоническими колебаниями.
Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в МГАВТ и РИА, повышение частоты импульсов выводит стрелу ротора в зону зарезонансных режимов, что практически исключает ее повреждения от динамических нагрузок.
Устройство для снижения динамических нагрузок на металлоконструкцию стрелы роторного экскаватора, совмещенное с приводом рабочего органа, состоящее из двигателя, муфты и эпициклического импульсного редуктора с цевочным зацеплением, отличающееся тем, что редуктор привода рабочего органа состоит из разъемного корпуса, в котором установлен приводной вал, одним концом в корпусе и вторым во фланце выходного вала, на приводном валу закреплен двойной эксцентрик со смещенными на 180º эксцентриситетами, на котором с возможностью вращения насажены планетарные зубчатые колеса, с зубьями циклоидного профиля, входящие в зацепление с закрепленными в корпусе цевками, на которых насажены с возможностью вращения втулки, на приводном валу закреплено также центральное зубчатое колесо, а на фланце выходного вала установлены и закреплены от поворота консольные валики, на которых с возможностью свободного вращения установлены дебалансные зубчатые колеса, входящие в зацепление с центральным зубчатым колесом, установленным на приводном валу, при этом дебалансы зубчатых колес могут поворачиваться относительно друг друга.
