ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ТИПА "ПТИЧКА-Б97" Российский патент 1998 года по МПК E02F9/28 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для оснащения рабочих органов горных и землеройных машин.

Известен породоразрушающий инструмент, включающий хвостовик и клинообразную рабочую часть, которая образована передней волнообразной поверхностью, снабженной электродом - выступом с каплеобразным профилем, задней волнообразной поверхностью, снабженной выкалывающим элементом, продольным фигурным пазом и ультразвуковым генератором, и боковыми поверхностями (см., например, патент СССР N1812283 от 10.10.92, кл. E 21 C 25/38).

Недостатком аналога является то, что диффузорная часть продольного фигурного паза не углубляется в процессе износа инструмента, что приводит к существенному увеличению собственной частоты колебаний рабочей части инструмента и тем самым к нарушению стабильности процесса разрушения породы выколом, то есть с минимальной энергоемкостью. Следовательно, уровень техники с точки зрения долговечности недостаточен.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является породоразрушающий инструмент, включающий хвостовик и клинообразную рабочую часть, которая образована передней волнообразной поверхностью, снабженной электродами - выступами с каплеобразным профилем и стабилизатором, задней волнообразной поверхностью, снабженной выкалывающим элементом, продольным фигурным пазом с дополнительными наклонными пазами, рассекателем потока и ультразвуковым генератором, и боковыми поверхностями, снабженными электродами-выступами с каплеобразным профилем (см., например, патент России N 2052102 от 22.04.93, кл. E 21 C 25/38).

Недостатком прототипа является то, что диффузорная часть продольного фигурного паза углубляется в процессе износа инструмента по длине недостаточно интенсивно, что ведет к изменению конструктивной жесткости инструмента, то есть к изменению собственной частоты колебаний рабочей части инструмента. А так как собственная частота колебаний инструмента настроена на собственную частоту колебаний "скорлупы" выкалываемого объема породы для разрушения массива забоя выколом, то рассогласование частот приводит к более энергоемкому способу разрушения, в лучшем случае к сколу, в худшем случае к резанию, что уменьшает долговечность инструмента. В связи с указанным, обеспечение ускоренного углубления диффузора продольного фигурного паза путем интенсивного фрезерования его в процессе эксплуатации чередой вихревых колец из диспергированной массы существенно повысит уровень техники - долговечность инструмента.

Достижение повышенного уровня техники возможно, когда породоразрушающий инструмент, включающий хвостовик и клинообразную рабочую часть, которая образована передней волнообразной поверхностью, снабженной электродами-выступами с каплеобразным профилем и стабилизатором, задней волнообразной поверхностью, снабженной выкалывающим элементом, продольным фигурным пазом с дополнительными наклонными пазами, рассекателем потока и ультразвуковым генератором, и боковыми поверхностями, снабженными электродами-выступами с каплеобразным профилем, причем боковые поверхности снабжены усилителями разряжения - выступами с треугольным профилем перед сопрягающимися с ними дополнительными наклонными пазами, а ультразвуковой генератор снабжен уплотнителем потока в виде поперечного выступа П-образной формы с прямоугольным сечением и щитком в виде расширяющегося в поперечном и продольном направлениях хвостовика с трапецеидальным профилем.

Сущность изобретения заключается в том, что за счет установки усилителей разряжения - выступов с треугольным профилем на боковых поверхностях перед сопряжениями их с дополнительными наклонными пазами продольного фигурного паза задней поверхности с габаритами по высоте 16 - 15 мм, ширине 15 - 16 мм, длине 10 - 15 мм. и за счет установки на ультразвуковом генераторе уплотнителя потока в виде поперечного выступа П-образной формы с прямоугольным сечением и щитка в виде расширяющегося в поперечном и продольном направлениях хвостовика с трапецеидальным профилем, образующаяся череда вихревых колец в диффузорной части продольного фигурного паза существенно уменьшает свой шаг, что способствует более интенсивному углублению диффузора в процессе эксплуатации инструмента за счет фрезерования поверхностей диффузора чередой вихревых колец.

Повышенное сжатие вихревых колец, возникающих на выходе турбулизованной массы из критической части сечения фигурного паза в продольном сечении соответствующего форме сопла Лаваля, становится возможным за счет увеличения разряжения в диффузорной полости продольного фигурного паза - следствия повышения разряжения в зоне сопряжения дополнительных наклонных пазов с боковыми поверхностями рабочей части инструмента, так как перед этими сопряжениями установлены усилители разряжения - выступы с треугольным профилем, которые интенсифицируют турбулизацию пограничного слоя, двигающегося вдоль боковых поверхностей. Угол наклона усилителя разряжения - выступа с треугольным профилем должен быть больше или равен максимальному энергетическому углу трения разрушаемой породы, то есть α^*= 45^°-0,5ρ^*, где ρ^* - угол внутреннего трения разрушаемой породы.

В связи с указанным, череда вихревых колец, образующаяся из набегающего потока в фигурном пазе, медленно перемещаясь вдоль диффузора, начинает более плотно прилегать к поверхностям диффузора. Справка: наиболее оптимальной структурой вихревых колец с точки зрения интенсивности фрезерования поверхности диффузора является такая, когда число В.Вебера We находится в диапазоне критических чисел: 10 - 33, что обеспечивает смещение рассекателя потока относительно продольной оси симметрии.

We = 1,57•ρ_п•u²/τ_сд.-о.α без смещенного рассекателя,
We = 1,57•ρ_п•u^*2/τ_сд.-о.α со смещенным рассекателем,
где ρ_п - плотность породы (кг/м³);
U - сдвиговая скорость;
u = 0,25•C*L.п.

•tgβ^* (м/с);
U^* - сдвиговая скорость в диспергированной массе при установке смещенного рассекателя в конфузоре u^*= u•tgβ^* (м/с);
τ_сд.-о.α сдвиговое напряжение τ_сд.-о.α = ρ_п•C*L.п./2•f_o (Па);
C*L.п.- скорость продольной ультразвуковой волны в породе (м/с);
β^* - минимальный энергетический угол β^* = 45^°-0,5ρ^*(град.);
f₀ - частота генерации сдвигового напряжения ядром повышенного давления объемного напряженного состояния f₀=C_ф/2•d_а.з. (Гц);
C_ф - фазовая скорость колебаний объемного напряженного состояния (м/с);
d_а.з. - диаметр абразивного зерна спекшегося из субзерен разрушаемой породы. Итак, наталкиваясь на ультразвуковой генератор, череда вихревых колец возбуждает в нем упругие продольные колебания. Запущенный таким образом ультразвуковой генератор в свою очередь начинает испускать встречный поток ультразвуковых колебаний, сдвинутых по фазе в турбулизированный поток, тем самым уплотняя череду вихревых колец указанного турбулизованного потока. Однако в связи с тем, что одна из стенок диффузора является подошвой разрушаемой массы забоя, то есть неровной поверхностью, у прототипа, в том числе и у аналогов, происходит своеобразная разгерметизация диффузора задней поверхности за счет подсоса воздуха, приводящая к отрыву пограничного турбулизованного слоя в основном от днища диффузора. В предлагаемом устройстве за счет установки на ультразвуковом генераторе уплотнителя потока в виде поперечного выступа П-образной формы с прямоугольным сечением, габариты которого зависят от физикомеханических свойств разрушаемой породы, например, для породы III-й категории крепости по шкале ГОССТРОЯ РФ габариты прямоугольного сечения 9•9 - 15•15 мм, высота поперечного выступа 18 - 25 мм, ширина 34 - 45 мм возникает дополнительная продольная турбулизация, герметизирующая диффузорную полость. С целью повышения надежности герметизации диффузорной полости, ультразвуковой генератор также снабжен дополнительным уплотнением - щитком в виде расширяющегося под максимальным энергетическим углом α^*, зависящим от физикомеханических свойств породы в поперечном и продольном направлениях хвостовика с трапецеидальным профилем длиной 33 - 35 мм, минимальной шириной 12 - 16 мм, максимальной шириной 75 - 80 мм, минимальной высотой 12 - 16 мм, максимальной высотой 38 - 40 мм. Если уплотнитель потока создает плотные вихри с малым диаметром, то щиток - дополнительное уплотнение создает концевой вихрь большого диаметра, перекрывающий череду вихревых колец, выходящих из диффузора, тем самым гарантируется герметизация диффузорной полости продольного фигурного паза задней поверхности, что обеспечивает поддержание повышенной плотности череды вихревых колец с уменьшенным шагом. А это в свою очередь обеспечивает безотрывное движение череды вихревых колец, то есть интенсивное фрезерование ими стенок и в особенности днища диффузора.

Поддержание постоянной продольной жесткости конструкции породоразрушающего инструмента в процессе уменьшения его рабочей части из-за износа по длине за счет интенсивного фрезерования диффузорной полости обеспечивает постоянство собственной частоты колебаний инструмента, равной, например, при разрушении монолита породы с ρ^* = 38^o коронкой рыхлителя бульдозера Т-35.01
f_ин= 0,0948•h_cp,М.Б.•E*1/2ин

/l2р.д.м.•ρ_ин.(Гц),
где h_ср.м.б. - средняя высота рабочей части инструмента;
E*ин- модуль упругости металла инструмента при температуре равной точке П.Кюри;
l_р.д.м. - резонансная длина рабочей части инструмента; взаимодействующего с монолитом;
ρ_ин. плотность металла инструмента.

А так как собственная частота колебаний инструмента f_ин рассчитывается в соответствии с собственной частотой колебаний скорлупы f₀ выкалываемого объемного напряженного состояния - плоской деформации (ПД), возникающей в массиве забоя перед инструментом, которая аналогична частоте f*o

сдвиговых напряжений τ_сд.-о.α, генерируемых ядром повышенного давления ПД, так как ядра повышенного давления, находящиеся по краям ПД, связаны волноводом - породой с повышенной плотностью и, испытывая камертонный эффект, синхронно пульсируют, то обеспечивается разрушение породы выколом, то есть с минимальной энергоемкостью на резонансной частоте f₀ = 2160 Гц.

Совокупность признаков позволяет достичь существенного увеличения долговечности породоразрушающего инструмента за счет ускоренного углубления диффузора продольного паза задней поверхности в связи с тем, что обеспечивается оптимальный режим эксплуатации с минимальным износом инструмента по длине.

Проведенный поиск по источникам патентной и научно-технической информации показал, что совокупность всех существенных отличительных признаков заявляемого изобретения не известна, следовательно техническое решение соответствует требованию "новизна", так как оно не известно из технического уровня техники.

При определении изобретательского уровня техники поиск информации был осуществлен по указанным источникам.

Не обнаруженные известные признаки в совокупности с отличительными признаками заявляемого технического решения - заявляемого изобретения соответствуют критерию "изобретательский уровень" из-за существенных отличий.

Возможно достижение высокой степени прогрессивности: увеличения ресурса в 1,5^oC1,7 раз по сравнению с ресурсом прототипа, при практически той же себестоимости изготовления, следовательно изобретение соответствует критерию "практическая применимость".

На фиг. 1 дан общий вид на породоразрушающий инструмент - коронку рыхлителя бульдозера в изометрии; на фиг. 2 - породоразрушающий инструмент, вид в плане снизу; на фиг. 3 - породоразрушающий инструмент, вид в плане снизу, взаимодействующий с зоной смятия породы, ядром повышенного давления, объемным напряженным состоянием (ПД), набегающим потоком и разного рода турбулизированными вихрями; на фиг. 4 - профиль прототипа породоразрушающего инструмента, взаимодействующего с элементами ПД, набегающим потоком и чередой вихревых колец, между которой и подошвой забоя образуется зона разгерметизации; на фиг. 5 - профиль заявляемого породоразрушающего инструмента, взаимодействующего с элементами напряженного состояния массива забоя - ПД турбулизованным по спирали потоком, чередой вихревых колец, плотными вихрями малого диаметра и концевым вихрем, а также с подошвой забоя только через череду вихревых колец, так как зона разгерметизации ликвидируется. Одновременно показан профиль зоны диффузора отфрезерованной чередой вихревых колец.

Породоразрушающий инструмент включает хвостовик 1 и клинообразную рабочую часть 2, которая образована передней волнообразной поверхностью 3, снабженной электродами - выступами с каплеобразным профилем 4 и стабилизатором 5, задней волнообразной поверхностью 6, снабженной выкалывающим элементом 7, продольным фигурным пазом 8 с дополнительными наклонными пазами 9, рассекателем потока 10 и ультразвуковым генератором 11, и боковыми поверхностями 12, снабженными электродами - выступами с каплеобразным профилем 13, причем боковые поверхности 12 снабжены усилителями разряжения - выступами с треугольным профилем 14 перед сопрягающимися с ними дополнительными наклонными пазами 9, а ультразвуковой генератор 11 снабжен уплотнителем потока 15 в виде поперечного выступа П-образной формы с прямоугольным сечением и щитком 16 в виде расширяющегося в поперечном и продольном направлениях хвостовика с трапецеидальным профилем.

В процессе работы породоразрушающий инструмент внедряется в разрушаемый массив породы, образуя перед выкалывающим элементом 7 высотой H из породы зону смятия 17, уплотненное ядро повышенного давления Буссинеска 18, объемное напряженное состояние (ПД) 19 и другие элементы ПД. При этом из зоны смятия 17 и первого уплотненного ядра повышенного давления 18 начинает испускаться диспергированная масса 20 со скоростью 300 - 500 м/с. Часть этой массы 20, нападая на заднюю поверхность 6 за счет несимметричного установленного рассекателя потока 10 в конфузоре 21 продольного фигурного паза 8, начинает закручиваться по спирали 22 из-за разности давлений в рассеченных потоках конфузора 21 - правом и левом. Это обеспечивает на выходе из критического сечения 23 продольного фигурного паза 8 череды вихревых колец 24 из диспергированной массы породы.

Одновременно обтекаемые пограничным слоем из диспергированной массы усилители разряжения 14 высотой h_у.р.=(0,45-0,5)•H, шириной b_у.р.=(0,45^oC0,5)•H и длиной l_у.р.=(0,3•0,45)•H, боковых поверхностей 12 турбулизируют пограничный слой в виде вихрей 27, создавая отрицательное давление в зонах сопряжения боковых поверхностей 12 с дополнительными наклонными пазами 9, что повышает разряжение в полости диффузора 25. Отсос воздуха из диффузора через дополнительные наклонные пазы способствует интенсивному расширению и прижатию череды вихревых колец 24 к поверхностям диффузора 25 продольного фигурного паза 8. Наталкиваясь на ультразвуковой генератор 11, череда вихревых колец 24 возбуждает в нем упругие колебания. Это обеспечивает генерацию встречных со сдвигом по фазе импульсов 26 ультразвуковым генератором 11, сжимающих череду вихревых колец 24, фрезерующих поверхности диффузора 25, то есть уменьшается шаг между вихревыми кольцами.

Для предотвращения подсоса воздуха в зоне разгерметизации 30, то есть между чередой вихревых колец 24 и поверхностью забоя 31 на ультразвуковом генераторе 11 установлен П-образный уплотнитель потока 15 шириной b_у.п.=H, высотой h_у.п.= 0,78•H, длиной l_у.п.=0,43•H, сечением 0,43•H•0,43•H, турбулизирующий диспергированную массу в продольном направлении. Тем самым возрастает плотность поверхностного слоя череды вихревых колец 24 за счет взаимодействия их с образовавшимися вихрями 28, что предотвращает подсос воздуха, так как ликвидируется зона разгерметизации 30. Иными словами обеспечивается условие для интенсивного фрезерования поверхности диффузора сжатой, уплотненной чередой вихревых колец. Предусмотренный щиток 16 в виде расширяющегося в поперечном и продольном направлениях хвостовика с трапецеидальным профилем длиной l_щ=(1,0-1,6)•H, с максимальной шириной b_щ=(2,3-2,5)•H и максимальной высотой h_щ=(1,2-1,6)•H, для предотвращения случайной разгерметизации диффузорной полости 25 образует при взаимодействии с турбулизированными вихрями 28 и чередой вихревых колец 24 концевой вихрь 29. Тем самым обеспечивается существенно уменьшенный шаг череды вихревых колец 24 практически при любых случайностях, а также безотрывное их перемещение вдоль поверхностей диффузора 25. Указанное безотрывное перемещение уплотненной череды вихревых колец 24 интенсивно фрезерует своими вихрями поверхность диффузора 25. Интенсифицированное углубление диффузора за счет отфрезерованной зоны 32 уменьшает высоту сечения клинообразной рабочей части 2 в заделке при уменьшении длины рабочей части 2 в ходе эксплуатации, тем самым поддерживается постоянство собственной частоты колебаний рабочей части 2 инструмента, то есть обеспечивается условие разрушения массива забоя с минимальной энергоемкостью до полного износа рабочей части 2 по длине. Указанное снижает интенсивность износа клинообразной рабочей части 2 по длине и тем самым повышает долговечность породоразрушающего инструмента в 1,5-1,7 раз по сравнению с долговечностью прототипа или в 10-14 раз по сравнению с долговечностью серийных конструкций отечественного и импортного производства.

В результате повышения технического уровня эффект у потребителя при эксплуатации, например, одного бульдозера типа Т-35.01 (Т-500) с породоразрушающим инструментом типа "Птичка-Б97" может составить около 14 тыс. долларов США/год. Исходные данные: ρ^* = 38^°; коэффициент крепости по шкале Протодъяконова - 14. Время непрерывного рыхления в сутки 3 ч. Количество рабочих дней в году 120. Годовая потребность в серийном инструменте 120 шт./г. Потребность в инструменте прототипа 17 шт. /г. Потребность в инструменте типа "Птичка-Б97" 12 шт./г. При сопоставимой массе инструментов 22 и 24 кг. отпускная цена заявляемого и серийного инструментов 130 дол. США/шт.

Породоразрушающий инструмент предназначен для использования в горных и землеройных машинах для оснащения их рабочих органов. Породоразрушающий инструмент включает хвостовик и клинообразную рабочую часть. На передней поверхности рабочей части, имеющей волнообразную форму, расположены электроды-выступы каплеобразной формы и стабилизатор. На задней поверхности волнообразной формы расположены выкалывающий элемент и фигурный продольный паз с дополнительными наклонными пазами, рассекатель потока и ультразвуковой генератор. Боковые поверхности выполнены с электродами-выступами каплеобразного профиля и с усилителями разряжения - выступами треугольного профиля, расположенными перед сопрягающимися с ними дополнительными наклонными пазами. Такое выполнение инструмента повышает его производительность при работе на крепких породах. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Породоразрушающий инструмент, включающий хвостовик и клинообразную рабочую часть, которая образована передней волнообразной поверхностью, снабженной электродами-выступами с каплеобразным профилем и стабилизатором, задней волнообразной поверхностью, снабженной выкалывающим элементом, продольным фигурным пазом с дополнительными наклонными пазами, рассекателем потока и ультразвуковым генератором и боковыми поверхностями, снабженными электродами-выступами с каплеобразным профилем, отличающийся тем, что боковые поверхности инструмента снабжены усилителями разряжения - выступами с треугольным профилем перед сопрягающимися с ними дополнительными наклонными пазами. 2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что ультразвуковой генератор задней поверхности снабжен уплотнителем потока в виде поперечного выступа П-образной формы с прямоугольным сечением. 3. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что ультразвуковой генератор задней поверхности снабжен щитком в виде расширяющегося в поперечном и продольном направлениях хвостовика с трапецеидальным профилем.