ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ОРГАН ГОРНОЙ МАШИНЫ Российский патент 1998 года по МПК E21C35/22 

Изобретение относится к горной промышленности, преимущественно к угольной, и может быть использовано в горных машинах, в основном очистных и проходческих комбайнах, предназначенных для разрушения горного массива с обеспечением безопасности и здоровых условий труда шахтеров по факторам взрыва газа и пыли и заболеваемости пневмокониозом.

Известен очистной комбайн с эжекторной системой пылеподавления (а.с. СССР N 1214918, E 21 C 27/02, 35/22, опубл. 1990 г.), включающий исполнительные органы, систему орошения и дополнительное устройство для пылеподавления, состоящее из эжектора со всасывающими и выходными отверстиями, расположенными по его концам, и оросителя, при этом эжектор установлен своей продольной осью параллельно продольной оси комбайна на механизме подачи между исполнительными органами.

Недостатком этого комбайна является большое удаление эжектора от источников пыле- и искрообразования, что снижает эффективность пылеподавления и пылегазовзрывозащиты.

Известен исполнительный орган очистного комбайна с фазовой подачей воды от 20 до 150 МПа ("High pressure waterjet assised cutting system for shearer loaders/ Mining magazine. September, 1987, vol. 38, p. 238-241), включающий редуктор с встроенными радиально-поршневыми насосами, эксцентрично установленный роликовый подшипник, обратный клапан, резцы и оросители (форсунки) с сапфировыми соплами диаметром 0,6 мм, при этом поршни сообщены непосредственно с устьями сопел.

Недостатками этого исполнительного органа являются сложность конструкции и, несмотря на увеличение срока службы резцов, уменьшение вибрации комбайна и низкий расход воды, недостаточно высокая эффективность пылеподавления, поскольку показатель запыленности воздуха по содержанию подсчитанных частиц пыли остался без изменений (относительно традиционного способа пылеподавления с использованием оросителей).

Известно также устройство для реализации способа нормализации атмосферы в забое подготовительной выработки (а. с. СССР N 1663199A1, E 21 F 5/00, 35/22, опубл. 1991 г.), включающее исполнительный орган комбайна, форсунки (оросители), размещенные в полости исполнительного органа для отсоса запыленного воздуха и газа, пленкообразующий элемент, который жестко закреплен на стреле (водиле) комбайна у выходной части насадки, причем внешняя боковая поверхность насадки у ее выходной части выполнена перфорированной, а сопла оросителей направлены на входную часть насадки, при этом исполнительный орган снабжен пластинчатыми решетками и винтовыми направляющими, его стенки выполнены с отсасывающими каналами, в которых установлены пластинчатые решетки, а винтовые направляющие закреплены на внутренней поверхности стенок исполнительного органа.

Недостатком этого устройства являются низкая надежность работы и сложность конструкции, поскольку жидкая пленка, в условиях постоянно падающих и разлетающих кусков и мелких частиц разрушаемой горной породы, не способна разделить потоки жидкости и газа и не поступит в своем первозданном виде к исполнительному органу, а пластинчатые решетки и винтовые направляющие, которыми снабжен исполнительный орган, будут способствовать дополнительному пылеообразованию за счет истирания частиц горной породы, либо закупорятся, т. к. разряжение, создаваемое оросителями в насадке, явно недостаточно для удаления всех продуктов разрушения горной породы, поступающих внутрь исполнительного органа.

Наиболее близким по технической сущности является исполнительный орган горной машины ("Обеспыливание воздуха при работе выемочных машин и комплексов". Экспрессинформация, вып. 7, М., ЦНИИЭИуголь, 1985 г., с. 15-16), включающий закрепленный на валу корпус с резцами, водило, размещенные по окружности корпуса эжекторы с оросителями, выполненные в корпусе канала для подачи орошающей жидкости к резцам и оросителям, гидрораспределитель, вход которого сообщен с каналом для подвода жидкости, а выход - с каналами для ее подачи к оросителям, а также закрепленный на водиле отражатель.

Этому исполнительному органу присуща недостаточная эффективность плавления тонкодисперсных фракций пыли, а также большие расходы на приобретение дорогостоящих насосов и шлангов высокого давления и набора сальников.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в том, что исполнительный орган снабжен поршневыми насосами с возможностью автоматического включения подачи орошающей жидкости в эжекторы в процессе корпуса и увеличения объема отсасываемого пылегазовоздушного потока из зоны разрушения горного массива. Кроме того, обеспечивается автоматическое включение подачи орошающей жидкости к источникам пылеискрообразования только при наличии нагрузки на резце за счет установки подпружиненных обратных клапанов в корпусе исполнительного органа. Такое конструктивное решение позволит повысить надежность работы и эффективность пылегазоотсоса из зоны разрушения и устранить переувлажнение отбитой горной массы.

Положительный эффект изобретения достигается тем, что, с учетом общих признаков наиболее близкого по технической сущности исполнительного органа, он снабжен размещенными в корпусе поршневыми насосами, имеющими полости, а поршни выполнены с осевыми каналами и снабжены кольцевыми проточками на наружной боковой поверхности, а торцевая поверхность водила снабжена одним или несколькими волнообразными выступами, причем осевые каналы поршней сообщены с полостями, которые в свою очередь сообщены с каналами для подачи жидкости к оросителям, а штоки насосов размещены с возможностью взаимодействия с выступами водила и создания возвратно-поступательного движения поршня при вращении корпуса, при этом кольцевая проточка поршня выполнена с возможностью сообщения полости насоса с выходом гидрораспределителя. Кроме того, каналы для подачи орошающей жидкости к резцам снабжены подпружиненными обратными клапанами, размещенными с возможностью взаимодействия резца с запорным элементоvв клапана при наличии нагрузки на резце. Для очистного комбайна водило снабжено диском с отверстиями, при этом диск расположен между корпусом и отражателем с образованием полости, а для проходческого комбайна полости эжекторов выполнены в пространстве между резцами.

Обоснование достижения положительного эффекта от изобретения с помощью отличительных признаков следующее:
1. Снабжение исполнительного органа поршневыми насосами позволяет увеличить давление орошающей жидкости на оросителях и, естественно, объем отсасываемого воздуха с газом и пылью (за счет увеличения скорости движения диспергированной жидкости в эжекторах). Увеличение скорости движения жидкости повысит степень ее диспергирования, т.е. образование тумана.

2. Выполнение на торце водила волнообразного выступа (выступов) с возможностью взаимодействия со штоками поршневых насосов и создания возвратно-поступательного движения поршня, наружная боковая поверхность которого имеет кольцевую проточку, позволяет автоматически включать подачу орошающей жидкости к оросителям эжекторов в процессе работы (вращения) исполнительного органа и отключать подачу жидкости при его остановке.

3. Выполнение каналов для подачи орошающей жидкости к резцам с подпружиненными обратными клапанами с возможностью взаимодействия резца с запорным элементом клапана позволяет автоматически включать подачу орошающей жидкости при наличии нагрузки на резце и включать подачу - при отсутствии нагрузки на нем.

4. Автоматическое включение подачи орошающей жидкости к оросителям эжекторов и к резцам в процессе работы горной машины позволяет рационально расходовать жидкость, устранять переувлажнение отбитого угля, снизить обезводненность горных выработок и улучшить санитарно-гигиенические условия труда шахтеров, особенно при выемке пластов малой мощности.

5. Подача орошающей жидкости к горной машине с низким давлением и повышение давления жидкости поршневыми насосами непосредственно в исполнительном органе позволяет снизить расходы на приобретение дорогостоящих насосов и шлангов высокого давления, а также набора сальников.

6. Снабжение исполнительного органа очистного комбайна диском с отверстиями и расположение его между корпусом и отражателем позволяет получить полость, в которой уменьшается скорость движения (выноса) пылегазоводовоздушной смеси, создаваемой эжекторами, при этом в полости будет повышенная концентрация тонкодиспергированного тумана.

7. В процессе работы эжекторов, например, в очистных комбайнах, газы (преимущественно метан и сероводород) и различные виды пыли, соответственно выделяемые и образуемые при разрушении горного массива исполнительным органом, проходят вместе с потоком воздуха вдоль полостей эжекторов и поступают в полости между корпусом, диском и отражателем. Газ, отсосанный из мест разрушения, выбрасывается в атмосферу горной выработки. При прохождении же пыли вдоль вышеотмеченных полостей происходят три вида коагуляции пыли: кинематическая коагуляция - на выходе орошающей жидкости из оросителя, гравитационная и тепловая коагуляция, при этом грубые фракции пыли осаждаются в основном благодаря первыми двум процессам, а тонкодисперсные фракции - благодаря третьему. Скорость слипания частиц пыли зависит главным образом от счетной концентрации тумана. Если эта концентрация достаточно велика - эффект будет значительным. В связи с этим для повышения эффективности пылеподавления в исполнительном органе очистного комбайна образована полость между отражателем и диском. В этой полости относительная концентрация тумана будет значительно выше, чем в полостях эжекторов и в полости между корпусом и диском.

В процессе работы эжекторов в исполнительном органе проходческого комбайна газ и пыль вместе с потоком воздуха проходят вдоль полостей эжекторов и поступают в зону выемки, при этом происходит дополнительное образование тумана при встрече водовоздушного потока с горным массивом и продуктами его разрушения, в результате чего создается завеса на пути выхода частиц пыли из глубины выемки массива в атмосферу горной выработки, повышается эффективность подавления пыли как крупных, так и мелких фракций пыли.

8. Полость эжекторов, выполненная в теле корпуса и образованная стенками внутри корпуса, обеспечивает надежную и устойчивую работу системы отсоса пылегазовоздушного потока из зоны разрушения горного массива, исключает ее поломку.

9. В известных технических решениях отличительные признаки в таком сочетании и взаимосвязи не обнаружены.

Сущность изобретения "Исполнительный орган горной машины" поясняется графическими изображениями, где на фиг.1 показана принципиальная схема газо- и пылеотсоса очистного комбайна; на фиг.2 - принципиальная схема газо- и пылеотсоса проходческого комбайна; на фиг.3 - торец водила с выступом плавной формы для исполнительных органов с высокой частотой оборотов; на фиг.4 - торец водила с выступами плавной формы для исполнительных органов с низкой частотой оборотов; на фиг. 5 - размещение выступов на торце водила (вид по стрелке A фиг.1 и фиг.4); на фиг.6 и 7 - форма выступов (развернута) соответственно для одного и трех выступов; на фиг.8 - обратный клапан с запорным элементом.

Исполнительный орган горной машины включает закрепленный на валу 1 корпус 2 с резцами 3, водило 4, размещенные по окружности корпуса эжекторы 5 с оросителями 6, выполненные в корпусе каналы 7-10 для подачи орошающей жидкости к резцам и оросителям, гидрораспределитель 11, вход которого сообщен с каналом 12 для подвода жидкости, а выход - с каналами 8 и 10 для ее подачи к резцам с оросителям, а также закрепленный на водиле отражатель 13.

Исполнительный орган снабжен размещенными в корпусе поршневыми насосами 14, имеющими полости 15, а поршни 16 насосов выполнены с осевыми каналами 17 и снабжены кольцевыми проточками 18 на наружной боковой поверхности 19. Торцевая поверхность 20 водила (фиг.3-7) снабжена одним или несколькими волнообразными выступами 21. Осевые каналы поршней сообщены с полостями, которые в свою очередь сообщены с каналами 22 и 10 для подачи жидкости к оросителям. Штоки 23 насосов размещены с возможностью взаимодействия с выступами 21 водила и создания возвратно-поступательного движения поршня при вращении корпуса. Ход поршня зависит от высоты выступа и определяется количеством и давлением жидкости, необходимыми для эффективного отсоса газа и пыли эжекторами. Кольцевая проточка 18 поршня выполнена с возможностью сообщения полости насоса с выходом гидрораспределителя посредством каналов 24 и 7. Каналы 9 для подачи орошающей жидкости к резцам (фиг.8) снабжены подпружиненными обратными клапанами 25, размещенными с возможностью взаимодействия резца с запорным элементом 26 клапана при наличии нагрузки на резце.

В исполнительном органе очистного комбайна водило 4 снабжено диском 27 с отверстиями 28, при этом диск расположен между корпусом 2 и отражателем 13 с образованием полости 29.

В исполнительном органе проходческого комбайна выход эжекторов 5 выполнен в пространстве между резцами.

В отличие от ближайшего аналога в предлагаемом техническом решении полости эжекторов выполнены в теле корпуса. Необходимое количество эжекторов и поршневых насосов определяется конструктивными параметрами и размерами исполнительного органа, а также требованиями для обеспечения безопасных и здоровых условий труда шахтеров. Полость 15 поршневого насоса имеет пружину 30. Оросители 6 эжекторов 5 снабжены подпружиненными обратными клапанами 31. Взаимодействующие поверхности штоков 23 в поршневых насосах и вилкообразных выступов 21 (предпочтительно четное количество) на водиле 4 выполнены из коррозионно стойких материалов с низкими коэффициентами трения и истираемости. В варианте выполнения диск 27 и отражатель 13 имеют форму круга с отсеченным внизу сегментом с возможностью обеспечения погрузки отбитой горной массы на контейнер шнековыми лопастями 32 при выемке тонких и маломощных пластов очистными комбайнами. Кольцевая проточка 18 сообщена с осевым каналом 17 посредством канала (каналов) 33.

Исполнительный орган горной машины работает следующим образом.

Орошающая жидкость подается под низким давлением по каналу 12 в гидрораспределитель 11. Из гидрораспределителя жидкость по каналам 7, 8 и 9 поступает к резцам 3, а также по каналам 7 и 24 - к поршневому насосу 14. У резца 3 канал 9 (фиг.1, 2 и 8) имеет обратный клапан 25 с запорным элементом 26. Кольцевая проточка 18 на наружной боковой поверхности поршня 16 не совмещена с каналом 24. Пути выхода орошающей жидкости перекрыты.

В процессе вращения исполнительного органа осуществляется автоматическая подача орошающей жидкости к оросителям эжекторов, поскольку при взаимодействии штока 23 с выступами 21 поршень 16 совершает возвратно-поступательное движение. На фиг.1 и 2 показано положение поршня, когда орошающая жидкость к оросителям не поступает, т.к. шток поршня находится не на выступе 21, а на торцевой поверхности 20 водила 4 (фиг.1, 2, 3, 4, 6 и 7). В процессе вращения исполнительного органа шток 23 поршня 16 проходит торцевую поверхность и плавно взаимодействует с выступом 21, при этом поршень смещается в сторону от водила 4 (фиг.1 и 2) и кольцевая проточка 18 совмещается с каналом 24. Орошающая жидкость из канала 7 через канал 24, кольцевую проточку 18 и каналы 33 и 17 поступают в полость 15 насоса. В полости 15 за счет усилия, возникающего при движении поршня, давление жидкости повышается и она поступает по каналам 22 и 10 к оросителю 6 и далее в диспергированном виде - в эжекторе 5. Величина давления орошающей жидкости зависит от хода поршня после прохождения кольцевой проточкой 18 канала 24. При прохождении штоком 23 вершины выступа 21 поршень под действием усилия пружины 30 будет двигаться в обратном направлении, т.е. в сторону водила 4. Далее процесс подачи жидкости будет повторяться, и частота возвратно-поступательного движения поршня будет определяться количеством выступом на водиле, а также частотой вращения исполнительного органа.

При работе оросителей внутри эжекторов 5 создается разрежение. При этом пылегазовоздушный поток отсасывается из зоны разрушения и проходит через эжекторы, в которых частицы пыли, в основном крупных фракций, смачиваются.

В исполнительном органе очистного комбайна (фиг.1) из эжекторов 5 пылегазовоздушный поток через полость между корпусом 2 и диском 27 и отверстия 28 в диске поступает в полость 29, при этом часть газоводовоздушного потока (содержащего в основном крупные частицы пыли в результате центробежной силы, создаваемой при вращении корпуса и закручивания потока в эжекторах) отражается от диска 27 и выбрасывается в виде плазмы в атмосферу горной выработки через зазор между корпусом 2 и диском 27. Другая газоводовоздушного потока (содержащего полидисперсный аэрозоль, преимущественно тонкодисперсных фракций), попав через отверстия 28 в полость 29, резко меняет свои физические параметры: уменьшается скорость движения и увеличивается туманообразование за счет расширения потока на выходе из отверстий и дополнительного диспергирования жидкости при ударе об отражатель 13, а также за счет уменьшения скорости выноса тумана из полости 29, относительно полости между корпусом 2 и диском 27. В результате увеличения концентрации тумана (его плотности) повышается эффективность подавления тонкодисперсных фракций пыли.

В исполнительном органе проходческого комбайна (фиг.2) из эжекторов 5 водовоздушный поток поступает в зону выемки, при этом происходит дополнительное образование тумана при встрече потока с угольным массивом и продуктами его разрушения и создается завеса из диспергированной жидкости, которая, благодаря повышенной плотности тумана и замкнутости зоны выемки, смачивает частицы пыли, выходящие из глубины выемки массива в атмосферу горной выработки.

С целью уменьшения расхода орошающей жидкости предпочтительно использовать зонтичные оросители.

В процессе разрушения горной породы исполнительным органом подача орошающей жидкости к резцам, также как и подача ее к оросителям, осуществляется автоматически. При взаимодействии резца с горной породой, т.е. при наличии нагрузки на резец (фиг.8, стопорный элемент, предотвращающий разрушение обратного клапана, не показан), резец 3 подается назад и своей державкой 36 воздействует на запорный элемент 26 клапана 25. При этом запорный элемент отходит от седла 37 и открывает пути истечения жидкости из канала 9 по каналу 34, вдоль наружной поверхности 35 державки 36 резца 3 и внутренней поверхности 38 резцедержателя 39 к источникам пыле- и искрообразования. При снятии нагрузки на резце подачи жидкости прекращается. Далее процессы подачи и прекращения подачи жидкости будут чередоваться в зависимости от того, есть или нет нагрузка на резец.

В процессе ведения ремонтно-подготовительных работ, требующих вращение исполнительного органа без подачи орошающей жидкости к оросителям в эжекторах, предусмотрено устройство, блокирующее подачу жидкости (на фигурах не показано).

Экспериментальная проверка системы эжекторного отсоса с встроенными в корпусе поршневыми насосами проведена в лабораторных условиях. Экспериментальная проверка, а также анализ экспериментальных данных литературных источников по данному вопросу, показали, что по сравнению с ближайшим аналогом предлагаемое изобретение позволяет увеличить объем отсасываемого пылегазовоздушного потока. Система работоспособна.

Базовый объект (журнал "Уголь", 1996 г., N 5, с.30 и N 7, рекламный лист) содержит исполнительные органы очистных и проходческих комбайнов (например, К-800, К-900 и П-110) с системой высоконапорного орошения с применением насадок и оросителей. Система эжекторного отсоса пылегазоводовоздушного потока на исполнительных органах отсутствует, поэтому концентрация тонкодисперсных фракций пыли в процессе разрушения горного массива относительно велика.

Предлагаемый исполнительный орган горной машины устраняет недостатки ближайшего аналога и тем более базового объекта. Снижение его поршневыми насосами с возможностью автоматического включения в процессе вращения корпуса позволяет увеличить объем отсасываемого пылегазовоздушного потока из зоны разрушения горного массива и обеспечить безопасные и здоровые условия труда шахтеров по факторам взрыва газа и пыли и заболеваемости пенвмокониозом. Выполнение каналов для орошающей жидкости к резцам с подпружиненными обратными клапанами с возможностью взаимодействия запорного элемента клапана с резцом обеспечит автоматическое включение подачи орошающей жидкости при наличии нагрузки на резце и выключение подачи - при снятии нагрузки на нем. Кроме того, автоматическое включение подачи орошающей жидкости к оросителям эжекторов и к резцам в процессе работы горной машины позволяет рационально расходовать жидкость, устранить переувлажнение отбитого угля, снизить обводненность горных выработок и улучшить санитарно-гигиенические условия труда шахтеров, особенно при выемке пластов малой мощности.

Исполнительный орган горной машины предназначен для использования в машинах, предназначенных для разрушения горного массива. Исполнительный орган включает закрепленный на валу корпус с резцами, водило, размещенные по окружности корпуса эжекторы с оросителями, гидрораспределитель и закрепленный на водиле отражатель. В корпусе размещены поршневые насосы, поршни которых выполнены с кольцевыми проточками на наружной боковой поверхности. Торцевая поверхность водила имеет волнообразные выступы, с которыми взаимодействуют штоки насосов для создания возвратно-поступательного движения поршней при вращении корпуса. Кольцевая проточка каждого поршня выполнена с возможностью сообщения полости насоса с выходом гидрораспределителя. Конструкция исполнительного органа позволяет устранить скопление взрывоопасных концентраций газов в зоне его работы и снизить концентрацию пыли. Автоматическое включение подачи орошающей жидкости к оросителям и резцам устраняет переувлажнение отбитого угля. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Исполнительный орган горной машины, включающий закрепленный на валу корпус с резцами, водило, размещенные по окружности корпуса эжекторы с оросителями, выполненные в корпусе каналы для подачи орошающей жидкости к резцам и оросителям, гидрораспределитель, вход которого сообщен с каналом для подвода жидкости, а выход - с каналами для ее подачи к оросителям, а также закрепленный на водиле отражатель, отличающийся тем, что он снабжен размещенными в корпусе поршневыми насосами, имеющими полости, а поршни насосов выполнены с осевыми каналами и снабжены кольцевыми проточками на наружной боковой поверхности, а торцевая поверхность водила снабжена одним или несколькими волнообразными выступами, причем осевые каналы поршней сообщены с полостями, которые, в свою очередь, сообщены с каналами для подачи жидкости к оросителям, а штоки насосов размещены с возможностью взаимодействия с выступами водила и создания возвратно-поступательного движения поршня при вращении корпуса, при этом кольцевая проточка поршня выполнена с возможностью сообщения полости насоса с выходом гидрораспределителя. 2. Исполнительный орган по п. 1, отличающийся тем, что каналы для подачи орошающей жидкости к резцам снабжены подпружиненными обратными клапанами, размещенными с возможностью взаимодействия резца с запорным элементом клапана при наличии нагрузки на резце. 3. Исполнительный орган по п. 1, отличающийся тем, что для очистного комбайна водило снабжено диском с отверстиями, при этом диск расположен между корпусом и отражателем с образованием полости. 4. Исполнительный орган по п.1, отличающийся тем, что для проходческого комбайна полости эжекторов выполнены в пространстве между резцами.