РАСПОРНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2004 года по МПК E21C37/10 

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для добычи ценного кристаллического сырья и природного камня, формирования бортов карьеров, разборки завалов и сооружений, дробления негабаритов.

Известно гидрораспорное устройство по патенту РФ №2052105, кл. Е 21 С 37/06, опубл. в БИ №1, 1996 г., содержащее трубчатый корпус с каналами для прохода рабочей жидкости, охватывающую трубчатый корпус эластичную оболочку, кромки которой закреплены на противоположных концевых участках трубчатого корпуса. Оно снабжено уплотнительными упругими элементами и выполнено с образованными со стороны боковой поверхности концевых участков трубчатого корпуса кольцевыми полостями, в которых расположены кромки эластичной оболочки. Площадь кольцевых полостей в поперечном сечении сужается в направлении кромок эластичной оболочки, а уплотнительные упругие элементы установлены в кольцевых полостях с возможностью продольного перемещения относительно оси устройства.

Для работы этого устройства необходима дополнительная высоконапорная система подачи рабочей жидкости. Эластичная оболочка, находясь в непосредственном контакте с горной породой, при высоком давлении рабочей жидкости (необходимом для разрушения крепких горных пород, например, гранитов и их аналогов) будет разрушаться из-за того, что материал, из которого она изготовлена, может затекать в зазоры между устройством и стенками шпура. Все это обуславливает относительно низкую эффективность работы устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является гидравлическое силовое устройство по авт. св. СССР №1798497, кл. Е 21 С 37/06, опубл. в БИ №8, 1993 г., включающее эластичную трубчатую оболочку с торцевыми элементами, штуцер подвода рабочего тела через торцевой элемент в трубчатую оболочку, подпружиненный обратный клапан с толкателем, выполненным в виде трубки с буртиком и установленный в подводящем канале штуцера. Подводящий канал штуцера выполнен с проточкой под буртики толкателя подпружиненного клапана, а толкатель установлен в подводящем канале штуцера с возможностью продольного перемещения и упора в проточку подводящего канала штуцера.

Устройство способно работать только совместно с высоконапорной нагнетательной магистралью. Оно обладает относительно высокой трудоемкостью изготовления и эксплуатации из-за необходимости надежной герметизации входящих в него узлов от утечки жидкости, обладающей сравнительно низкой вязкостью. Для устранения возможности повреждения эластичной оболочки при высоком давлении рабочей жидкости требуется ее армирование. Все это обуславливает низкую эффективность устройства.

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности устройства за счет устранения необходимости применения высоконапорных нагнетательных систем, а также снижения трудоемкости его изготовления и эксплуатации.

Задача решается тем, что в распорном устройстве, включающем трубчатую оболочку с торцевыми элементами, согласно предлагаемому техническому решению, трубчатая оболочка выполнена из продольных металлических полос, которые установлены внахлест и жестко скреплены на концах, при этом трубчатая оболочка заполнена пластичным веществом, в одном ее конце установлена заглушка, а на другой ее конец надето кольцо с внешней резьбой, на которое навинчен стакан, имеющий центральное отверстие с резьбой, куда вкручен винт с рукоятками.

При давлении, равном прочности на растяжение наиболее крепких горных пород (гранитов и их аналогов), пластичное вещество не продавливается через резьбовые соединения и каналы с малым (сотые доли миллиметра) поперечным сечением. Поэтому его применение существенно снижает требования к герметизации узлов устройства. Выполнение трубчатой оболочки из продольных металлических полос, которые установлены внахлест и жестко скреплены на концах, повышает долговечность устройства и устраняет необходимость использования армированной эластичной оболочки. Совокупность кольца с внешней резьбой, на которую навинчен стакан, имеющий центральное отверстие с резьбой, и вкрученного в центральное отверстие стакана винта с рукоятками позволяет осуществлять быструю замену дополнительных герметизирующих элементов (в случае их применения) и обходиться без высоконапорной нагнетательной системы (магистрали). В совокупности это повышает эффективность устройства.

Целесообразно в пластичное вещество ввести смазывающие материалы. Это облегчает внедрение винта в пластичное вещество.

Целесообразно в качестве пластичного вещества использовать смесь отработанных смазочных материалов и графитового порошка. Это снижает влияние температуры на свойство пластичного вещества, облегчает внедрение винта в пластичное вещество без изменения вязкости последнего.

Целесообразно трубчатую оболочку образовать из нескольких слоев металлических полос таким образом, чтобы металлические полосы каждого последующего слоя перекрывали зазоры между металлическими полосами предыдущего слоя. Это улучшает герметизацию трубчатой оболочки и позволяет без уменьшения ее прочности применять более тонкие металлические полосы, что обеспечивает устройству возможность расширяться на большую величину.

Целесообразно внутрь трубчатой оболочки поместить эластичную оболочку, при этом пластичное вещество подать в эластичную оболочку. Это снижает требования к точности изготовления трубчатой оболочки, что уменьшает стоимость ее изготовления.

Целесообразно винт с рукоятками вкрутить в трубку с внутренней и внешней резьбой, при этом трубку вкрутить в центральное отверстие стакана и снабдить рукоятками. Это позволяет при одинаковых моментах вращения винта или трубки регулировать усилие и величину расширения устройства.

Целесообразно при этом внутреннюю и внешнюю резьбы у трубки выполнить таким образом, чтобы вращение винта и трубки при их вкручивании в пластичное вещество осуществлялось в противоположных направлениях. Это устраняет возможность самопроизвольного выкручивания винта из трубки при вкручивании трубки в пластичное вещество.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами.

На фиг.1 показано распорное устройство в шпуре, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 до формирования трещины; на фиг.3 - то же, во время формирования трещины; на фиг.4 - то же, при выполнении трубчатой оболочки из нескольких слоев металлических полос и отсутствии внутри нее эластичной оболочки; на фиг.5 - распорное устройство с трубкой, в которую вкручен винт, продольный разрез.

Распорное устройство (фиг.1-5) состоит из металлических полос 1, которые установлены внахлест, жестко скреплены на концах и образуют трубчатую оболочку (поз. не обозначена). В одном (нижнем) конце трубчатой оболочки установлена заглушка 2. На другой (верхний) конец трубчатой оболочки надето кольцо 3 с внешней резьбой (на фиг. не обозначена). В трубчатую оболочку помещена эластичная оболочка 4, которая заполнена пластичным веществом 5. На кольцо 3 навинчен стакан 6, у которого имеется центральное отверстие (на фиг. не обозначено) с резьбой. В центральное отверстие с резьбой вкручен винт 7 с рукоятками 8. Устройство подано в шпур 9 до упора кольца 3 в устье шпура 9. Из шпура 9 сформирована трещина 10 (фиг.3 и 4). Винт 7 с рукоятками 8 может быть вкручен в трубку 11 (фиг.5) с внутренней и внешней резьбой (на фиг. не обозначены). При этом трубка 11 вкручена в центральное отверстие стакана 6 и снабжена рукоятками 12.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство со стороны заглушки 2 подают в шпур 9 (фиг.1) до упора кольца 3 в устье шпура 9. С помощью рукояток 8 вращают винт 7 в направлении его вкручивания в эластичную оболочку 4. Винт 7 внедряется в пластичное вещество 5 и повышает в нем давление. Давление от пластичного вещества 5 передается через эластичную оболочку 4 металлическим полосам 1, которые оказывают силовое воздействие на стенки шпура 9, в результате чего в горной породе (на стенке шпура 9) возникает и начинает развиваться трещина 10 (фиг.3). Винт 7 вкручивают в эластичную оболочку 4 до тех пор, пока не образуется трещина 10 нужных размеров. Затем винт 7 выкручивают из эластичной оболочки 4, от чего давление пластичного вещества 5 уменьшается практически до исходной величины. После этого устройство извлекают из шпура 9.

При выполнении трубчатой оболочки без зазоров между металлическими полосами 1 устройство способно работать без эластичной оболочки 4. Однако ее применение целесообразно, ибо она позволяет существенно снизить требования к точности изготовления трубчатой оболочки и тем самым уменьшить стоимость устройства. Эластичную оболочку 4 заполняют пластичным веществом 5 типа пластилина, которое оказывает сравнительно большое сопротивление движению по каналам с малым поперечным сечением. Применяя такое вещество, можно с помощью винтовой пары в замкнутом объеме создавать давление (вкручиванием винта 7 в эластичную оболочку 4) более 100 МПа. Это позволяет без гидравлических систем высокого давления и специальных уплотнительных элементов разрывать горную породу любой прочности. Отметим, что прочность на растяжение наиболее крепких горных пород (гранитов и их аналогов) не превышает 40 МПа.

Металлические полосы 1 выполняют две функции. Во-первых, они предохраняют эластичную оболочку 4 от повреждения при высоком давлении, способном продавливать материал, из которого она выполнена, в зазоры между устройством и стенками шпура 9. Во-вторых, металлические полосы 1, жестко скрепленные на концах и образующие трубчатую оболочку, обладающую большой прочностью, исключают возможность поперечного разрыва устройства. В результате не требуется трубчатый корпус (как в устройстве по патенту РФ №2052105 - аналоге) либо армирование эластичной оболочки 4 металлической проволокой (как в прототипе). Суммарная прочность на растяжение металлических полос 1 должна быть больше усилия, которое возникает от давления пластичного вещества 5 в продольном направлении. Заглушку 2 и кольцо 3 жестко скрепляют с металлическими полосами 1 известными способами, например, сваркой, горячей насадкой, клепкой и т.д. Стакан 6, имеющий с кольцом 3 резьбовое соединение, обеспечивает быструю замену эластичной оболочки 4 в случае ее повреждения и внедрение винта 7 в пластичное вещество 5 для создания в нем необходимого давления.

В качестве пластичного вещества 5 можно использовать пластилин. Для снижения трения между ним и винтом 7 в пластилин добавляют смазывающий материал, например, машинное масло. Такой состав является легкодоступным и дешевым. Однако в этом случае соотношение пластилина и машинного масла нужно подбирать для каждого конкретного диапазона изменения температуры. С понижением температуры возрастает сопротивление внедрению винта 7 в пластичное вещество 5 (смесь пластилина и машинного масла). Это увеличивает затраты энергии на разрушение горной породы. Поэтому в ряде случаев предполагается вместо смеси пластилина и машинного масла использовать смесь отработанных смазочных материалов и графитового порошка, свойства которого относительно слабо зависят от температуры. Графитовый порошок имеет низкое трение с металлами. Смесь его с солидолом обеспечивает нужное свойство пластичного вещества 5 в сравнительно большом диапазоне изменения температуры.

Поперечное сечение устройства, трубчатая оболочка которого выполнена из нескольких слоев металлических полос 1 таким образом, чтобы металлические полосы 1 каждого последующего слоя перекрывали зазоры между металлическими полосами 1 предыдущего слоя, представлена на фиг.4. Металлические полосы 1 имеют малую толщину. Это создает плотный контакт их поверхностей между собой и, следовательно, герметизацию устройства, которая усиливается тем, что трубчатая оболочка состоит из нескольких слоев. Поэтому при использовании пластичного вещества 5 можно, не повышая трудоемкости изготовления устройства, обходиться без эластичной оболочки 4. Кроме того, малая толщина металлических полос 1 обеспечивает устройству возможность расширяться на большую величину. В результате повышается надежность устройства.

Величина раздвижения металлических полос 1 в радиальном направлении при прочих равных условиях определяется диаметром винта 7. В свою очередь от диаметра (площади поперечного сечения) винта 7 зависит усилие, с которым нужно вращать рукоятки 8 для создания конкретного давления в пластичном веществе 5. Усилия, которые необходимо прикладывать к рукояткам 8, в различные периоды формирования трещины 10 существенно отличаются. Они имеют пиковое значение в начальный момент развития трещины 10. Для существенного снижения пикового значения усилия на рукоятках 8 винт 7 может быть вкручен в трубку 11 с внутренней и внешней резьбой (см. фиг.5), которая вкручена в центральное отверстие стакана 6. В этом случае вращение винта 7 осуществляют только в момент пикового значения усилия на рукоятках 8. В остальные периоды формирования трещины 10 вращают трубку 11 (с помощью рукояток 12) вместе с винтом 7. Из-за различной площади поперечного сечения винта 7 и центрального отверстия в стакане 6 (суммарной площади поперечного сечения винта 7 и трубки 11) узел из винта 7 и трубки 11 позволяет при одинаковых усилиях на рукоятках 8 и 11 создавать разные давления в пластичном веществе 5. Это аналогично тому, как в легковом автомобиле с помощью коробки передач при одинаковом моменте на валу двигателя обеспечивается разный момент на оси колеса. При этом момент вращения винта 7 для конкретного давления в пластичном веществе 5 можно регулировать не только его диаметром, но и шагом резьбы. Для горных пород малой (ракушечник) и средней (известняк, мрамор) прочности при стандартном диаметре шпура 9 (42-46 мм) предполагается применять устройства без трубки 11, а для крепких горных пород (гранитов и их аналогов) - с трубкой 11. Отметим, что пластичное вещество 5 практически несжимаемо. Поэтому для преодоления в нем пикового значения давления (в начальный момент формирования трещины 10) винт 7 в трубку 11 вкручивают на сравнительно небольшую величину.

Внутренняя и внешняя резьбы у трубки 11 могут быть выполнены таким образом, что вращение винта 7 и трубки 11 при их вкручивании в пластичное вещество 5 осуществляется в противоположных направлениях. Например, если внешняя резьба трубки 11 выполнена правой, то внутреннюю ее резьбу делают левой. Поэтому трубка 11, когда ее вкручивают в пластичное вещество 5, не может скручиваться с винта 7. Таким образом, устраняется возможность самопроизвольного выкручивания винта 7 из трубки 11 при вкручивании трубки 11 в пластичное вещество 5.

Благодаря тому, что в устройстве предусмотрена возможность применения различных узлов, обеспечивается высокая эффективность его работы в широком диапазоне изменения прочностных свойств и условий залегания горных пород. Устройство надежно, имеет простую конструкцию, может быть изготовлено механическими мастерскими практически любых горных предприятий. Его легко механизировать, например, путем вращения винта 7 или трубки 11 гайковертом.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для добычи ценного кристаллического сырья и природного камня, формирования бортов карьеров, разборки завалов и сооружений, дробления негабаритов. Устройство включает трубчатую оболочку с торцевыми элементами, выполненную из продольных металлических полос, которые установлены внахлест и жестко скреплены на концах. Трубчатая оболочка заполнена пластичным веществом, в одном ее конце установлена заглушка, а на другой ее конец надето кольцо с внешней резьбой, на которое навинчен стакан, имеющий центральное отверстие с резьбой, куда вкручен винт с рукоятками. Изобретение обеспечивает повышение эффективности устройства. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Распорное устройство, включающее трубчатую оболочку с торцевыми элементами, отличающееся тем, что трубчатая оболочка выполнена из продольных металлических полос, которые установлены внахлест и жестко скреплены на концах, при этом трубчатая оболочка заполнена пластичным веществом, в одном ее конце установлена заглушка, а на другой ее конец надето кольцо с внешней резьбой, на которое навинчен стакан, имеющий центральное отверстие с резьбой, куда вкручен винт с рукоятками.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в пластичное вещество введены смазывающие материалы.3. Устройство п.1, отличающееся тем, что в качестве пластичного вещества использована смесь отработанных смазочных материалов и графитового порошка.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трубчатую оболочку образуют из нескольких слоев металлических полос таким образом, чтобы металлические полосы каждого последующего слоя перекрывали зазоры между металлическими полосами предыдущего слоя.5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что внутрь трубчатой оболочки помещена эластичная оболочка, при этом пластичное вещество подано в эластичную оболочку.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что винт с рукоятками вкручен в трубку с внутренней и внешней резьбой, при этом трубка вкручена в центральное отверстие стакана и снабжена рукоятками.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что внутренняя и внешняя резьбы у трубки выполнены таким образом, что вращение винта и трубки при их вкручивании в пластичное вещество осуществляется в противоположных направлениях.