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

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

Известны проходческие комбайны с планетарным рабочим органом типа ПКГ-2 (а. с. 101917, кл. Е 21 С 27/01 от 1952), в которых 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 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, кл. Е 21 С 27/00 от 1985) и барабанные (а.с. 113050, кл. Е 21 С 27/02 от 1955), у которых для разрушения полезного ископаемого используется способ скалывания по принципу работы фрезы. Такие органы разрушают массив внутри цилиндрической поверхности с траекториями режущих кромок инструментов по циклоидам, форма которых практически не отличается от окружности.

Положительной особенностью шнека являются его хорошие транспортные и удовлетворительные погрузочные свойства, недостаток ограниченное количество режущих инструментов в каждой линии резания, которое, как правило, равно количеству заходов винта спиралей на шнеке. Барабан же, напротив, имеет плохие транспортные свойства, но позволяет устанавливать достаточное количество режущих инструментов в каждой из линий резания.

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, кл. Е 21 С 27/02 от 1955) без дополнительных устройств позволяет комбайну наиболее полно и качественно отработать пласт при минимальной площади незакрепленной кровли.

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

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

Предлагается создать рабочий орган сложной конструкции, а котором сочетаются положительные особенности шнекового, барабанного и планетарного органов разрушения, т.е. возможность установки большого количества инструментов в одну из линий резания, как в барабане; обеспечивающего хорошие транспортно-погрузочные свойства, как в шнеке; и, реализующего экономичный ударно-режущий способ разрушения, как в планетарном органе комбайна ПКГ-3.

Прототипом такого рабочего органа взят режущий шнек комбайна со своим, например, регулируемым приводом. В предлагаемой основной модификации нового органа шнек выполняет только транспортную функцию, поэтому режущие инструменты на нем демонтируются.

Для решения поставленной задачи предлагается оснастить шнек редуктором-формирователем траекторий, закрепив его корпус между самим шнеком и его валом. Снаружи корпуса редуктора-формирователя траекторий со стороны спиралей шнека, в пределах наружного контура кольца этих спиралей, в специально сделанных в них для этого вырезах, по окружности расположить несколько режущих барабанов и закрепить их на дополнительные валы, установленные в корпусе редуктора-формирователя траекторий параллельно оси шнека. На дополнительные валы режущих барабанов внутри корпуса редуктора-формирователя траекторий закрепить шестерни. Эти шестерни кинематически связать с зубчатым колесом органа, закрепленном на промежуточном дополнительном валу, проходящем внутри вала шнека. Указанный выше промежуточный вал, в основной модификации предлагаемого органа, является выходным валом дополнительного, например, регулируемого привода.

Анализ кинематической схемы полученного органа разрушения позволил заключить, что данный механизм органа является дифференциальным, позволяющим производить суммирование векторов угловых частот шнека и режущих барабанов. Эта возможность позволяет получать сложное движение кромок режущих инструментов, закрепленных на барабанах органа. Такой орган далее в тексте будет называться дифференциальным шнеко-барабанным органом разрушения. Конструкция и кинематика органа дают возможность производить разрушение массива ударно-режущим способом с траекториями движения режущих кромок инструментов по трохоидальным кривым отдельными выемками, расположенными по дуге окружности, внутри цилиндра разрушения со снятием каждой элементарной стружки в сторону обнажения от ранее сделанной выемки инструментом-предшественником.

В механизме предложенного органа разрушения шнек совместно с корпусом редуктора-формирователя траекторий является водилом органа, вращение которого осуществляется от привода шнека, режущие барабаны выполняют роль сателлитов, а их вращение осуществляет дополнительный привод через зубчатое колесо, закрепленное на его выходному валу.

Принцип работы органа заключается в следующем.

При вращении шнека (водила органа) своим приводом и одновременном встречном и убыстренном вращении режущих барабанов (сателлитов) дополнительным приводом, кромки инструментов, закрепленных на режущих барабанах, совершает сложное движение по траекториям кривых, представляющих собой эпи- или гипотрохоиды. Эти кривые каждой из линий резания расположены в плоскостях вращения шнека для каждой из названных линий резания. При таком движении массив разрушается изнутри цилиндра последовательно отдельными выемками, расположенными по дуге окружности, реализуя экономичный ударно-режущий способ разрушения.

Предлагаемый орган разрушения позволяет задавать нужный режим работы путем изменения размеров устройства, количества режущих барабанов и, самое существенное путем выбора соотношения частот вращения шнека (водила органа) и его режущих барабанов (сателлитов).

Для реализации наиболее выгодного ударно-режуще-отрывного режима разрушения, подобного процессу копания штыковой лопатой с обрыва, наиболее желательной траекторией кромок инструментов является удлиненная гипотрохоида с узкой петлей в районе точки возврата кривой. Конструкция и принцип работы предлагаемого органа позволяет легко добиться получения нужных кривых. Закономерности, раскрывающие кинематику работы теоретического механизма дифференциального шнеко-барабанного органа разрушения подробно разобраны в Приложении "КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ".

Таким образом, предложенный орган разрушения позволяет осуществить принудительное регулирование режимов разрушения ударно-режущим способом, как изменением размеров элементов устройства, так и путем целенаправленного выбора соотношения угловых частот водила органа (шнека) и его сателлитов (режущих барабанов), что дает возможность осуществить широкий и доступный способ регулирования режимов разрушения.

Конструктивно предлагаемый орган разрушения может быть выполнен в любом сочетании количества режущих барабанов и спиралей на шнеке, с выполнением того условия, чтобы не нарушать транспортировку отбитого полезного ископаемого.

Валы режущих барабанов могут устанавливаться и закрепляться на органе как консольно, в корпусе редуктора-формирователя траекторий, так и двухопорно посредством дополнительных опор. Дополнительные опоры могут устанавливаться на обечайке барана шнека или же в теле спиралей и подпирать режущие барабаны как по концам, так и в их середине. Способ установки и закрепления режущих барабанов решается конструктивно в зависимости от количества спиралей на шнеке и количества выше названных режущих барабанов. Для ликвидации пропущенных линий резания под опорами режущих барабанов, при наличии вторых опор, в дополнительной модификации органа рекомендуется на соседних спиралях шнека оставлять (устанавливать) дополнительные режущие инструменты, работающие в складывающем режиме, т.е. по известному принципу работы режущего шнека горного комбайна.

В качестве примера решения поставленной задачи на чертежах фигуры 1 и 2 представлена схема конструкции дифференциального шнеко-барабанного органа разрушений. На фиг. 1 показан главный вид, на фиг. 2 дается вид на орган разрушения со стороны забоя.

Предлагаемый орган имеет по три спирали на шнека и по три режущих барабана. Режущие барабаны в предлагаемой конструкции закреплены на дополнительных валах, опертых в корпусе редуктора-формирователя траекторий и расположены на органе консольно, без дополнительных опор на обечайке барабана шнека или его спиралях.

Из чертежей фиг. 1 и 2 следует, что предлагаемый орган разрушения состоит из обечайки барабана шнека 1, на которой жестко закреплены три спирали 2. К обечайке барабана шнека 1 и спиралям 2 также жестко прикреплен корпус редуктора-формирователя траекторий органа 3. Таким образом, в кинематическом плане обечайка барабана шнека 1, спирали 2 и корпус редуктора-формирователя траекторий органа 3 представляют собой одно целое и являются корпусом органа разрушения (водилом органа 1^oC3). В корпусе редуктора-формирователя траекторий органа 3 на соответствующих подшипниковых опорах установлены три дополнительных вала 4, на которых закреплены режущие барабаны 5, оснащенные инструментами 6 и внутри корпуса редуктора-формирователя траекторий органа 3 на эти валы 4 закреплены шестерни 7 для привода режущих барабанов 5. Шестерни 7 сцеплены с зубчатым колесом 8, закрепленном на сплошном промежуточном дополнительном валу 9, являющемся в основной модификации органа выходным валом дополнительного регулируемого привода 10. В дополнительной модификации органа этот вал 9 может быть связан с дополнительным приводом 10 посредством ряда шестерен.

Корпус редуктора-формирователя траекторий органа 3 скреплен с полым валом шнека 11, одетым на промежуточный дополнительный вал 9. На другом конце вала шнека 11 закреплена ведомая шестерня 12 трансмиссии привода шнека. Шестерня 12 сцеплена с ведущей шестерней 13, закрепленной на выходном валу привода шнека 15.

Привод шнека 15, привод режущих барабанов дополнительный привод 10 и трансмиссионные шестерни 12 и 13 привода шнека установлены в корпусе привода органа разрушения 16.

Работает орган следующим образом.

При вращении корпуса органа разрушения (водила органа 1 ^oC 3) приводом шнека 15 и одновременном встречном вращении режущих барабанов 5 через зубчатое колесо 8 дополнительным приводом 10, режущие кромки инструментов 6 совершают сложное движение по траекториям кривых трохоидальной формы. При таком движении кромок, инструменты 6 разрушают массив изнутри цилиндра последовательно отдельными выемками, расположенными по окружности. Целенаправленный выбор соотношения векторов вращения приводов органа 10 и 15, передаточное отношение шестерен 12 и 13 трансмиссии корпуса органа разрушения (водила органа 1 ^oC 3), передаточное отношение: зубчатое колесо 8 - шестерня 7, а также количество режущих барабанов 5 на органе и количество инструментов 6 в линии резания каждого барабана, с учетом размеров элементов органа, дают возможность устанавливать нужный режим работы органа, позволяя задавать толщину элементарной стружки и направление ее снятия как со дна выемки на уступ с ослабленной динамикой, так и с бермы уступа в выемку со значительной динамикой процессы разрушения.

Для успешной работы предлагаемого органа, в принципе, регулируемым можно выбрать любой привод с соответствующими кинематическими связями посредством коробок передач или сменных шестерен, т.к. форма и угловой размер элементарной стружки, а также условия ее снятия, определяются, в основном, соотношением векторов угловых частот вращения элементов органа, т.е. корпуса (водила органа 1 ^oC 3) и режущих барабанов 6.

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

Применение данного типа органа в отраслях горно-добывающей промышленности для разрушения пластов полезного ископаемого при его выемке, кроме названных показателей, позволяет ожидать относительно более крупный скол, что должно снизить уровень пылеобразования, улучшить санитарные условия труда. Существующие органы разрушения, использующие способ скалывания, являются источниками большого количества мелкодисперсной пыли.

Кроме названной отрасли, данный тип органа разрушения практически без переделки может быть применен в строительстве на машинах по разрушению грунта, в сельскохозяйственной технике на машинах по обработке почвы или на машинах для посадки пропашных культур, в коммунальном хозяйстве на машинах по разрушению корки льда или слежавшегося снега на дорогах и тротуарах, в машиностроении при обычной или профильной обработке изделий и, возможно, в оптике при изготовлении линз сложного асферического профиля, т.к. нужную кривизну и шаг выемок, в принципе, легко получить, изменяя размеры элементов устройства и (или) угловые частоты корпуса органа разрушения (водила органа) и режущих барабанов.

Использование: относится к рабочим органам горных очистных комбайнов. Сущность изобретения: конструкция дифференциального шнеко-барабанного органа разрушения состоит из обечайки барабана шнека, спиралей и корпуса редуктора-формирователя траекторий, жестко соединенных вместе и являющихся корпусом органа разрушения, выполняющего функцию водила, а также режущих барабанов, оснащенных инструментами, кинематически выполняющих функцию сателлитов дифференциального механизма органа разрушения. Корпус органа разрушения (водило) имеет свою кинематическую систему привода, состоящую из трансмиссионных шестерен, самого привода и валов. Привод режущих барабанов осуществляется кинематической системой, состоящей из зубчатого колеса, шестерен, самого привода и валов. Оба привода и трансмиссионные шестерни установлены в корпусе приводов органа. Нужные параметры режимов работы органа получаем целенаправленным выбором соотношения векторов угловых частот корпуса (водила) и режущих барабанов (сателлитов) органа разрушения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Рабочий орган горного очистного комбайна, содержащий шнек, вал которого установлен в корпусе комбайна и кинематически связан с редуктором его привода, отличающийся тем, что шнек снаружи в пределах окружности внешнего контура его спиралей снабжен несколькими режущими барабанами, закрепленными консольно на дополнительных валах, установленных во встроенном между валом и шнеком корпусе редуктора-формирователя траекторий, который выполнен из закрепленных на другом конце дополнительных валов шестерен и сцепленного с ними зубчатого колеса, закрепленного на промежуточном дополнительном валу, проходящем внутри полого вала шнека и являющегося выходным валом дополнительного регулируемого привода. 2. Рабочий орган по п.1, отличающийся тем, что режущие барабаны установлены на шнеке со второй опорой, расположенной на обечайке барабана шнека или в его спиралях, причем для ликвидации пропущенных линий резания режущих барабанов на соседних спиралях шнека установлены режущие инструменты, работающие в режиме скалывания, присущего работе режущего шнека горного комбайна. 3. Рабочий орган по пп.1 и 2, отличающийся тем, что трансмиссия от дополнительного регулируемого привода на промежуточный дополнительный вал с зубчатым колесом осуществлена посредством кинематической связи из ряда зубчатых колес.