РАБОЧИЙ ОРГАН ГОРНОГО ОЧИСТНОГО КОМБАЙНА Российский патент 1996 года по МПК E21C27/02 E21C31/00 

Разработка относится к области техники, занимающейся вопросами механического резания и разрушения в основном хрупких монолитов, материалов и массивов, а более конкретно, к рабочим органам, предназначенным для осуществления разрушения пород ударно-режущим способом в условиях применения таких устройств в отрасли горно-добывающей промышленности.

Известны проходческие комбайны с планетарным рабочим органом типа ПКГ-3 (а. с. 101917 М.кл. Е 21 С 27/01 от 1952 г.), в котором используется экономичный ударно-режущий способ разрушения с траекториями перемещения режущей кромки инструмента в зоне разрушения по кривым эпициклоидальной формы. Способ этот дает относительно более крупный скол, позволяет осуществить разрушение пород более высокой крепости.

Было бы целесообразным использовать планетарный орган комбайна ПКГ-3 в очистных комбайнах, однако его применение ограничено по следующим показателям.

1. Такой орган имеет относительно крупные размеры поэтому его невозможно использовать в очистных комбайнах для пластов средней и малой мощности.

2. Появится необходимость оснастить очистной комбайн двумя спаренными органами, по паре на каждой рукояти, чтобы обеспечить выемку пласта за один проход комбайна при челночной схеме работы по выемке.

3. Работа с таким органом приведет к оставлению гребешков на почве и кровле пласта. Это приведет к тому, что с каждым циклом выемки будет ограничиваться распор стоек крепи и, кроме того, приведет к всплыванию става конвейера. Для устранения этого явления должны будут использованы дополнительные устройства типа бермовых фрез комбайна ПКГ-3, которые здесь будут подрезать гребешки кровли и почвы, т.е. понадобится специальное устройство по оформлению забоя.

4. Комбайн с подобным органом ограничит приближение става конвейера и передних стоек крепи к груди забоя из-за круговой его формы и наличия формирующих забой фрез. Это приведет к удлинению консоли крепи, к увеличению площади призабойного пространства, удерживаемого секцией крепи, к увеличению горного давления на призабойное пространство.

5. Ожидается активный увод комбайна в сторону забоя из-за того, что разрушение пород ведется по наружной боковой поверхности усеченного конуса, где резцы планетарных фрез, находящиеся у пустотного края конуса разрушения, зачастую не будут участвовать в разрушении и реактивные усилия окажутся неуравновешенными.

Известны также очистные комбайны для длинных забоев, например, шнековые (а.с. 1328510 М.кл. Е 21 С 27/00 от 1985 г.) и барабанные (а.с. 113050 М.кл. Е 21 С 27/02 от 1955 г.), у которых для разрушения полезного ископаемого используется способ скалывания по принципу работы фрезы. Такие органы разрушения массив разрушают внутри цилиндрической поверхности с траекториями режущих кромок инструментов по циклоидам, форма которых практически не отличается от окружности.

Шнековые и барабанные органы разрушения позволяют скомпоновать удачную схему очистного комбайна с расположением рабочих органов, например, по концам корпуса машины на выходных валах поворотных редукторов-рукоятей, оси которых перпендикулярны вертикальной поверхности груди забоя. Такая компоновка (см. а. с. 113050 М.кл. Е 21 С 27/02 от 1955 г.) без дополнительных устройств позволяет комбайну наиболее полно и качественно отработать пласт при минимальной площади незакрепленной кровли.

Следует отметить, что шнековые рабочие органы горных машин имеют хорошие транспортные и удовлетворительные погрузочные свойства.

Однако комбайны со шнековыми и барабанными рабочими органами, из-за способ разрушения, имеют существенные недостатки: высокое удельное энергопотребление, значительно пылевыделение, допускают работу по относительно слабым горным породам, сильно измельчают добытое полезное ископаемое.

Известны также баровые органы, например, плоский бар врубовой машины (а. с. 255156 М.кл. Е 21 С 25/24 от 1966 г.).

Баровый орган врубовой машины состоит из следующих узлов.

1. Из корпуса самого бара.

Корпус бара имеет возможность из транспортного положения, в процессе зарубки, поворачиваться вокруг оси приводной звездочки посредством специального устройства врубмашины (каната, гидравлического цилиндра и др.), а в рабочем положении, при подрубке пласта, закрепляется к корпусу машины, например, посредством пальца-фиксатора.

2. Из ведущего элемента приводной звездочки, закрепленной на выходном валу своего привода.

3. Из ведомого, исполнительного, элемента режущей цепи, оснащенной режущими инструментами, например, зубками.

4. Из обводного элемента, который может быть выполнен в виде пассивной звездочки, ролика или утюга специальной конфигурации, закрепленного на конце консоли корпуса бара.

Разрушение массива в процессе подрубки баровый орган производит способом скалывания, при этом на прямолинейном участке движения режущей цепи в ручье бара, действие по разрушению массива подобно работе пилы, а на участке движения режущей цепи по обводному элементу бара ролику, подобно работе дисковой фрезы.

При переходных процессах, во время зарубки, при заведении бара из транспортного в рабочее положение, на участке движения режущей цепи по обводному элементу бара ролику, реализуется ударно-режущий способ разрушения. Траекториями перемещения режущих кромок инструментов в этом случае являются эпитрохоиды. В процессе вырубки, при выведении бара из рабочего в транспортное положение, режущие кромки инструментов, находящихся на участке режущей цепи движущейся по обводному элементу ролику, совершают перемещения по траекториям вида некоторых гипотрохоид, т.е. и в этом случае осуществляется разрушение ударно-режущим способом.

Целью разработки рабочего органа нового типа для очистного комбайна является снижение энергоемкости процесса разрушения горного массива и уменьшение уровня пылеобразования за счет использования в таком органе ударно-режущего способа разрушения.

Для достижения поставленной цели предлагается создать орган, в котором используются положительные особенности прототипов, которыми являются шнек и режущий бар врубмашины.

Основой конструкции предлагаемого органа разрушения взят его основной прототип, например двухспиральный шнек, по тем мотивам, что такое устройство является хорошим транспортным средством, обеспечивающим также и достаточно качественную погрузку.

Для реализации ударно-режущего способа разрушения, как основного процесса в работе нового органа, предлагается шнек, оборудованный своим приводом, дооборудовать дополнительными устройствами в виде стопы (обоймы) из нескольких, например из пяти, отдельных симметричных двухлучевых плоских режущих баров.

Для этого внутрь полого барабана шнека, его обечайки, через полый выходной вал шнека пропустить дополнительный вал и на этот вал, вдоль его оси, закрепить приводные звездочки для привода режущих цепей каждого из выше названных баров.

Парные обводные элементы двухлучевых баров, в качестве которых могут быть использованы пассивные звездочки (см. а.с. 255156 М.кл. Е 21 С 25/24 от 1966 г. ), утюги или ролики расположены в прорезях барабана шнека, его обечайки, в середине противоположных промежутков между спиралями на осях, закрепленных на наружной поверхности барабана шнека, параллельно его оси, т.е. каждый соседний бар, его большая ось, смещается относительно большой оси предыдущего на некоторый угол по линии параллельной заходам спиралей шнека.

Каждая ведущая звездочка и соответствующая пара диаметрально расположенных роликов в плоскости данной звездочки, охвачены обособленными замкнутыми контурами режущих цепей. Эти цепи находятся в зацеплении со своими ведущими звездочками на двух диаметрально противоположных участках этих звездочек и выходят наружу барабана на обводные элементы ролики через отверстия в барабане шнека, его обечайке, таким образом, что кромки режущих инструментов выступают за пределы окружности наружного контура спиралей.

Кроме собственного привода шнека с кинематически жесткой, перестраиваемой или же регулируемой системой кинематический связи, новый орган снабжен дополнительным регулируемым приводом для режущих цепей баровых устройств посредством выше названных звездочек. Этот привод кинематически связан с дополнительным валом на котором закреплены ведущие звездочки всех баров органа. Таким образом, векторы угловых частот звездочек не будут зависеть от векторов угловых частот шнека, его обечайки.

Внимательное рассмотрение кинематической схемы одного из встроенных двухлучевых симметричных баров механизма предложенного органа, позволяет заключить, что это типичный дифференциально-волновой механизм с внешним расположением гибкого элемента, имеющий двухволновой генератор волн, т.е. это механизм волновой передачи с вращаемыми посредством независимых приводов жестким элементом и водилом генератора волн волновой дифференциал. Механизм подобного типа упоминается в статье М. Иванова "Волновые передачи" (см. журнал НТО СССР, 1972 г. N 4, с.19, предпоследний абзац).

На основании сказанного, в описании, в дальнейшем, будет применяться терминология, используемая в теории волновых передач.

В механизме предложенного органа конструкция шнека в целом, т.е. барабан, его обечайка, спирали и выходной вал, а также закрепленные снаружи в диаметральных прорезях обечайки барабана обводные элементы баров ролики - выполняют роль водила генератора волн, аналогично волновой передаче. Ведущее звездочки для привода цепей баров выполняют роль жестких элементов, в данном случае вращаемых, точно также как и в волновом дифференциале. Гибкими элементами механизма являются режущие цепи баров.

Работа каждого отдельного бара по разрушению массива в предложенном органе отличается от работы бара врубовой машины. В таком органе разрушение массива будут производить только активные инструменты, т.е. те, которые находятся на звеньях режущей цепи в момент работы по разрушению опертых об окружность обводного элемента ролика. Пассивные инструменты, т.е. те инструменты, звенья которых находятся на прямолинейном участке движения режущей цепи и на ведущей звездочке, в работе по разрушению массива участвовать не должны. Иными словами, работа по разрушению массива в предложенном органе подобна работе барового органа врубовой машины инструментами, находящимися на участке обводного элемента ролика в процессе вырубки.

Работает орган следующим образом.

Поскольку точки гибкого элемента волновой передачи совершают сложное движение по трохоидальным кривым в интересующей нас области траектории, то при одновременном встречном вращении звездочек жесткого элемента и водила генератора волн, функцию которого выполняют шнек и обводные элементы ролики на барабане шнека, эти ролики генератора перемещают волны гибких элементов - режущих цепей вокруг оси вращения устройства. Волновое движение гибкого элемента заставляет режущие кромки инструментов, опертых о поверхность роликов генератора волн, совершать сложное движение по траекториям гипотрохоид некоторого вида. Эти кривые расположены в плоскости вращения элементов органа. При таком движении каждый из баров разрушают массив изнутри цилиндра последовательно отдельными выемками, расположенными по окружности, реализуя экономичный ударно-режущий способ разрушения, подобный процессу копания штыковой лопатой с обрыва.

Предложенный орган по своей конструкции и функциям является дифференциально-волновым и далее в описании будет именоваться дифференциально-волновым органом разрушения. Такой орган позволяет задавать нужный режим разрушения путем изменения размеров элементов устройства и(или) выбором соотношения векторов угловых частот водила генератора волн (шнека) и жестких элементов (звездочек), поскольку приводы шнека и звездочек независимые и один из них или оба регулируемые.

Если жесткий элемент дифференциально-волнового органа разрушения затормозить или закрепить к корпусу машины, то в этом случае получим простейший орган разрушения планетарно-волновой, который кинематически повторяет обычную волновую передачу. При закреплении на каждом звене цепи гибкого элемента только по одному режущему инструменту, количество выемок от воздействия отдельных инструментов по окружности обработки при работе такого органа определяется количеством зубьев на жестком элементе, т.е. на звездочке, и, в конечном итоге, равно этому количеству, т.к. очередное, снятое с ведущей звездочки роликом генератора волн, звено цепи с пассивным инструментом позволяет коснуться и обработать поверхность забоя, другому, очередному активному инструменту, находящемуся в зоне разрушения. Отсюда можно заключить, что толщина стружки, снимаемой каждым следующим инструментом, зависит от количества зубьев на жестком элементе. Следовательно, в планетарно-волновом органе разрушения выбор режимов работы ограничен и возможен только путем изменения геометрических размеров элементов устройства, из которых легко изменяется только вылет стойки инструмента.

В органе разрушения с вращаемым жестким элементом звездочкой, у которого на каждом звене цепи гибкого элемента закреплено также только по одному инструменту, количество выемок на окружности обработки будет зависеть от количества зубьев на жестком элементе, но с учетом самого существенного фактора от значения соотношения векторов угловых частот водила генератора волн шнека и жесткого элемента звездочки.

Закономерности, раскрывающие кинематику работы теоретического механизма дифференциально-волнового органа разрушения определение формы траекторий и выбор режимов работы предлагаемого органа разрушения подобно разобраны в НОУ-ХАУ в Приложении: "КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ".

Таким образом, предложенный дифференциально-волновой орган разрушения позволяет осуществить предварительный выбор заданных режимов разрушения, как изменением геометрических размеров элементов, что ограничивает универсализм регулирования, так и путем целенаправленного выбор соотношения векторов угловых частот водила генератора волн шнека и, освобожденного от связи с корпусом устройства, жесткого элемента звездочки -, что является более широким, более доступным способом целенаправленного выбора режимов разрушения массива.

Транспортирование отбитой массы из зоны разрушения и ее погрузка на конвейер производится за счет известного эффекта шнека (винта).

Расположение режущих (отбойных) инструментов на шаге звена цепи гибкого элемента следует выбирать ближе, к переднему, по ходу водила, шарниру, т.к. в этом случае процесс внедрения инструмента в массив происходит с меньшими усилиями, а при выходе наблюдаются более интенсивные разрушения. Подобный эффект известен из теории работы гусеницы гусеничного трактора, но в гусеничном движителе такое явление стремятся не допускать, ослабить его влияние.

Установка нескольких инструментов на каждом звене цепи гибкого элемента, в том числе и на вынесенной вперед по ходу водила консоли звена, позволяет производить более полное разрушение массива за меньшее количество проходов роликов генератора волн и с меньшими энергозатратами.

К данному описанию прилагаются чертежи.

Фигура 1 показывает схему устройства дифференциально-волнового органа разрушения шнекового типа со встроенными пятью двухлучевыми плоскими барами, т.е. имеющему двухволновой генератор волн.

Фигура 2 показывает вид А-А фигуры 1, т.е. сечение шнека с видом на нижний (по чертежу) бар.

Из чертежей следует, что, используя двухзаходный шнек за основу устройства и встраивая в его конструкцию несколько симметричных двухлучевых плоских баров, удается создать достаточно простой орган разрушения, в котором в качестве преобладающего основного способа разрушения реализуется ударно-режущий, и, в тоже время, такой орган будет обладать неплохими транспортно-погрузочными свойствами.

Чтобы создать такой орган берется шнек, состоящий из полого барабана, его обечайки 1, с закрепленными на наружной ее поверхности двумя спиралями 2. В диаметральных прорезях обечайки 1, в средине промежутков между спиралями 2, снаружи обечайки, на осях 3, параллельных оси шнека и попарно смещенных по шагу спиралей 2 шнека, закрепляются пять пар роликов 4 водила генератора волн шнека. Внутри барабана, его обечайки 1 на кинематически независимом валу 5, соосном со шнеком и одетом на опорную ось 6, закреплены пять звездочек 7 жесткого элемента. Каждая звездочка 7 закреплена на выше названном дополнительном валу 5 вдоль его оси в плоскости с каждой из пяти пар роликов 4. Пары роликов 4 и звездочки 7, в плоскости их вращения, охвачены замкнутыми контурами режущих цепей 8, на внешней стороне которых закреплены отбойные (режущие) инструменты 9. Контуры цепей 8 внутри обечайки 1 находятся в зацеплении со звездочками 7 двумя диаметрально противоположными участками и через отверстия выходят наружу этой обечайки 1, замыкаясь на цилиндрической поверхности роликов 4 таким образом, что кромки инструментов 9 располагаются за пределами окружности контура спиралей 2.

Вращение водила генератора волн шнека, его обечайки, осуществляется от привода 10 шнека через шестерни 11-12 и полый вал 13. Независимое движение режущих цепей 8 обеспечивается вращением дополнительного вала 5 со звездочками 7 посредством дополнительного привода 14 через шестерни 15-16. При необходимости, для осуществления качественного зацепления контуров цепей 8 со звездочками 7, внутри барабана шнека, его обечайки 1, в прорезях тела спиралей 2 предусмотрена установка прижимных роликов 17.

Работает орган следующим образом.

При одновременном встречном вращении водила генератора волн шнека, его обечайки 1 с роликами 4 и жесткого элемента звездочек 7, ролики 4 перемещают волны гибких элементов контуров режущих цепей 8 вокруг оси вращения устройства за счет эффекта волновой передачи и заставляют кромки инструментов 9 двигаться по траекториям гипотрохоид некоторого вида. При таком движении массив разрушается последовательно отдельными выемками, расположенными по дуге окружности, т.е. реализуется ударно-режущей способ разрушения, подобный процессу копания штыковой лопатой с обрыва. Целенаправленный выбор частоты и направления вращения генератора волн и жесткого элемента дает возможность подбирать траектории режущих кромок инструментов, а также количество выемок на окружности обработки, обеспечивая нужный режим работы предложенного органа разрушения. Методика установления траекторий движения кромок инструментов, размеров элементарных стружек и характера процесса разрушения подробно изложены в Приложении: "КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ". Возможные щелочки, оставляемые в промежутках между цепями соседних баров разрушаются способом скалывания с помощью вспомогательных режущих инструментов 18, оставленных на спиралях шнека.

В принципе, регулируемым можно выбрать любой привод или оба одновременно. Можно также применить однодвигательный привод с соответствующими кинематическими связями посредством сменных шестерен, т.к. форма и угловой размер элементарной стружки определяется соотношением угловых частот вращения элементов.

Новый орган разрушения, в сравнении со шнековым и барабанным органами разрушения, а также режущим баром, где используется способ скалывания, позволяет ожидать увеличения скорости резания и повышения надежности инструмента из-за прерывистого режима работы, а также существенного снижения энергозатрат, идущих на разрушение, за счет использования, в качестве основного, ударно-режущего способа разрушения, реализующего физику криволинейных зависимостей ускорения по законам тригонометрических функций и обеспечивающего снятие элементарной стружки в сторону ранее полученного обнажения.

Дифференциально-волновой орган разрушения с принудительным регулированием режимов разрушения может иметь высокую степень безопасности, т.к. в нем, без потери рабочих качеств, можно использовать очень малую круговую скорость гибкого элемента и, соответственно, инструментов. Эта особенность резко ограничивает возможность травм работников при захвате одежды или частей тела движущимся инструментом, что нередко наблюдалось при работе режущего барабана или шнека.

Применение данного типа органа разрушения в горно-добывающей промышленности, кроме названных выше показателей, позволяет ожидать относительно более крупный скол, что снизит пылеобразование, улучшит санитарные условия труда. Существующие органы разрушения, использующие способ скалывания, являются источниками большого количества мелкодисперсной пыли.

Кроме названной отрасли, данный тип органа разрушения, практические без переделки, может быть применен в строительстве на машинах по разрушению грунта, в сельскохозяйственной технике на машинах по обработке почвы, в коммунальном хозяйстве на машинах по разрушению корки льда или слежавшегося снега на тротуарах, дорогах, взлетно-посадочных полосах аэродромов, в машиностроении при обработке материалов.

Использование: для разрушения пород ударно-режущим способом в горно-добывающей промышленности. Сущность изобретения: рабочий орган горного очистного комбайна представляет собой режущий шнек, центральный выходной вал которого через зубчатые колеса связан с приводом. Он снабжен двухлучевыми плоскими режущими барами, включающими ведущие звездочки, расположенные внутри обечайки барабана шнека и закрепленные на дополнительном центральном валу, и пары обводных элементов баров в виде пассивных звездочек или роликов, закрепленных между спиралями шнека снаружи обечайки барабана на осях, параллельных оси шнека. Кроме того, имеются замкнутые контуры режущих цепей, охватывающих ведущие звездочки и пары обводных элементов в плоскости каждого из баров и проходящих наружу барабана на ролики через отверстия его обечайки. Дополнительный центральный вал с ведущими звездочками баров кинематически связан с дополнительным регулируемым приводом. 2 ил.

Рабочий орган горного очистного комбайна, представляющий собой режущий шнек, центральный выходной вал которого посредством зубчатых колес кинематически связан с его приводом, отличающийся тем, что он снабжен встроенными двухлучевыми плоскими режущими барами, включающими в себя ведущие звездочки баров, расположенные внутри обечайки барабана шнека и закрепленные на дополнительном центральном валу, и пары обводных элементов баров в виде пассивных звездочек или роликов, которые закреплены в середине просвета между спиралями шнека снаружи обечайки барабана на осях, параллельных оси шнека, а также замкнутые контуры режущих цепей, которые охватывают ведущие звездочки и пары обводных элементов в плоскости каждого из баров и проходят наружу барабана, на ролики, через отверстия в его обечайке, причем дополнительный центральный вал с ведущими звездочками баров кинематически связан с дополнительным регулируемым приводом, например посредством дополнительных зубчатых колес.