MINERAL WINNING PICK, PICK HOLDER, AND COMBINATION
РЕЗЕЦ ДЛЯ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, РЕЗЦЕДЕРЖАТЕЛЬ И ИХ КОМБИНАЦИЯ

Область техники
Изобретение относится к резцу и резцедержателю, используемым, в основном, в области добычи полезных ископаемых, например, в угольной промышленности, а также могут применяться и в других областях при проведении подземных работ, таких как проходка туннеля или штрека, или при выполнении наземных строительных работ, таких как планировка дорог, рытье траншей, как на суше, так и под водой.
Уровень техники
В угольной и в других областях горнодобывающей промышленности извлечение полезных ископаемых обычно производится методом сплошного забоя посредством очистного комбайна с одним или двумя регулируемыми по высоте барабанами, которые перемещаются в поперечной плоскости забоя с роторной режущей головкой, установленной на одном или на каждом из поворотных редукторов комбайна, следуя за направлением пласта. Обычно на каждом барабане имеется 50 или более мест, в которых установлены режущие инструменты. В каждом из этих мест приваривается резцедержатель. В каждом резцедержателе с возможностью замены установлен резец, предназначенный для взаимодействия с грунтом. В некоторых конструкциях каждый резцедержатель за резцом содержит распылитель воды для ее подачи на рабочий конец (т.е. головку) резца и на уголь. Как правило, каждый резец имеет хвостовик, крепеж для удержания резца в резцедержателе, головку и переходный участок между головкой и хвостовиком. Переходный участок обычно включает в себя заднюю пяту и передний конец или выступ.
При работе барабан очистного комбайна вращается относительно своей центральной оси. При вращении барабана резцедержатели вращаются вместе с барабаном относительно его оси, цепляясь при этом за грунт. Распылитель воды в резцедержателе распыляет воду на резец и уголь для снижения образования пыли и риска воспламенения от трения.
При контакте резца с забоем во время вращения барабана очистного комбайна резец разрушает извлекаемый материал, так что на него действуют силы F. Иногда сила F бывает направлена по нормали N к концу 24 относительно плоскости забоя, т.е. направлена вдоль линии 1а, перпендикулярной фронтальному направлению. Линия 1а проходит через точку взаимодействия 10а резца с материалом к центру вращения узла 8а резца относительно землеройного оборудования 4. В дальнейшем описании сила, проходящая вдоль линии 1а и имеющая только нормальный компонент N, будет называться нормальной (или направленной внутрь) силой, а сила F, коллинеарная или направленная по касательной Τ к траектории резанья (т.е. перпендикулярно линии 1а) и имеющая только касательную составляющую, будет называться касательной (или направленной назад) силой.
Когда резец вращается вместе с барабаном 6, на него действует сила F, которая является в основном касательной (т.е. направленной перпендикулярно и проходящей через точку взаимодействия конца с материалом к центру вращения узла резца относительно барабана, угол α составляет 0 градусов). В другие моменты на резец действует сила под углом α относительно касательной Т, т.е. имеющая касательную и нормальную составляющие (т.е. сила направлена между касательной Τ и нормалью Ν). При продолжении вращения резца на него действует в основном нормальная сила (т.е. сила, направленная в основном внутрь резца и проходящая перпендикулярно касательной Τ через точку взаимодействия конца 24а с материалом к центру вращения узла резца относительно барабана 6а, т.е. угол α равен 90° относительно касательной Т). Переход от сил, преимущественно нормальных и направленных внутрь, к силам, преимущественно касательным и направленным назад, и обратно, заставляет резец вибрировать и раскачиваться в резцедержателе. Циклическое раскачивание приводит к преждевременному износу резцедержателя, как это показано на фиг. 4. Преждевременный износ резцедержателя снижает надежность фиксации резца и может привести к выпадению резцов из резцедержателей во время работы. Как правило, при поломке резца или его выпадении из резцедержателя также выходит из строя и распылитель воды.
Поврежденные резцедержатели необходимо срезать с барабана и приваривать на их месте новые. Из-за риска воспламенения от трения, а также из-за тесноты и темноты на выемочном участке барабаны очистного комбайна необходимо удалять из забоя (т.е. выводить из эксплуатации) и перемещать в безопасное место для восстановления и ремонта, например, на поверхность. Перемещение барабана очистного комбайна, срезание сварочных швов между барабанами очистного комбайна и резцедержателем, и приваривание на их место новых резцедержателей занимает много времени. Такой ремонт может быть длительным и дорогостоящим.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на усовершенствование резца и узла резцедержателя для использования при добыче полезных ископаемых и в других областях. Конструкция согласно изобретению обеспечивает длительный ресурс резца и резцедержателя. Увеличение срока службы резца и резцедержателя снижает продолжительность простоя оборудования и повышает производительность.
Согласно одному из аспектов изобретения, резец имеет хвостовик с опорными поверхностями, выполненными с возможностью плотного контакта с опорными поверхностями резцедержателя при приложении к резцу усилий, направленных преимущественно внутрь и назад. При такой конструкции резец и резцедержатель лучше сопротивляются сдвигу резца при воздействии направленных назад и вниз усилий при работе барабана или режущей цепи. Уменьшение смещений резца приводит к уменьшению износа компонентов, в частности, стенок отверстия резцедержателя. Кроме того, уменьшение смещения хвостовика в отверстии повышает сопротивляемость истиранию лезвия резца (т.е. режущей части головки, содержащей лезвие резца) и позволяет вставить твердосплавный конец для взаимодействия резца с материалом (режущая кромка резца может испытывать меньший износ и обеспечивать лучшее удерживание твердосплавного конца в резце). Уменьшение износа компонентов, в частности, резца и резцедержателя, уменьшает время простоя машины и повышает производительность.
Согласно другому аспекту изобретения, резец имеет головку, предназначенную для взаимодействия с грунтом, и хвостовик, вставленный в отверстие резцедержателя. Головка и хвостовик установлены в одной плоскости, при этом хвостовик наклонен назад относительно действующих на резец и направленных внутрь усилий так, что при изменении направления воздействующей на головку резца силы, хвостовик упирается в переднюю и заднюю поверхности резцедержателя.
Согласно другому аспекту изобретения, резец имеет головку, конец которой предназначен для взаимодействия с грунтом, и хвостовик, вставленный в отверстие резцедержателя. Хвостовик наклонен назад относительно действующих на конец и направленных внутрь сил (т.е. хвостовик ориентирован так, что линия, проходящая вдоль направленной строго внутрь приложенной к дальнему концу головки силы, пересекает хвостовик), а его форма соответствует форме отверстия в резцедержателе, так что передняя и задняя опорные поверхности хвостовика и резцедержателя плотно контактируют друг с другом, независимо от того, направлены ли действующие силы преимущественно внутрь или преимущественно назад. Наклон назад помогает распределить силы между опорными поверхностями хвостовика для уменьшения износа компонентов, в частности, резцедержателя.
Согласно изобретению, резец выполнен с возможностью взаимодействия с грунтом и восприятия сил, вызывающих образование со стороны резца противодействующих сил, воздействующих на резцедержатель. Наклон хвостовика назад повышает устойчивость, позволяя резцу упираться в переднюю и заднюю поверхности отверстия резцедержателя даже при действии на резец сил, иногда направленных по существу внутрь (т.е. с преимущественно перпендикулярной составляющей), в целом назад (т.е. с преимущественно касательной составляющей), или сил, направленных между нормалью и касательной (т.е. силы с нормальной и касательной составляющими).
Согласно другому аспекту изобретения, хвостовик резца и отверстие резцедержателя имеют комплементарные фиксирующие формы, такие как С-образный крюк и выемка, для более надежного соединения вышеуказанных компонентов и уменьшения вероятности выпадения резца из отверстия во время работы.
Согласно другому аспекту изобретения, передняя и задняя опорные поверхности хвостовика являются расходящимися, форма и размеры которых соответствуют передней и задней опорным поверхностям резцедержателя. Передние и задние опорные поверхности резца и резцедержателя обеспечивают увеличение площади опоры поверхностей резца на резцедержатель. Использование расходящихся опорных поверхностей вдоль передних и задних частей хвостовика резца и отверстия резцедержателя повышает устойчивость для лучшего сопротивления силам, во время работы переходящих между направлениями назад и вбок, т.е. изменяющих свое направление от направления назад к направлению вбок. Расходящиеся (или наклоненные вбок) опорные поверхности выполнены с возможностью сопротивления направленным назад и вбок усилиям, уменьшая смещение резца при изменении направления действия сил во время работы и снижая износ компонентов.
Согласно другому аспекту изобретения, резец имеет головку и хвостовик, на передней поверхности которого выполнены наклоненные вбок (т.е. расходящиеся в направлении назад) поверхности в месте соединения головки с хвостовиком (т.е. отходящие вниз вдоль хвостовика от нижней поверхности головки), предназначенные для противодействия обычным силам, но вызывающие разлом резца в месте соединения головки с хвостовиком при воздействии чрезмерно высоких усилий. Таким образом, при разламывании резца под действием разрушающего усилия происходит отламывание выступа от хвостовика, и хвостовик можно легко извлечь, проталкивая его вниз (т.е. внутрь) сквозь резцедержатель и через углубление в барабане.
Согласно другому аспекту изобретения, на нижней поверхности головки резца и резцедержателя выполнены расходящиеся (или наклоненные вбок) поверхности. Наибольшая ширина этих расходящихся поверхностей резца, предпочтительно, ограничена шириной, как правило, меньшей или равной ширине хвостовика. Расходящиеся поверхности резцедержателя и хвостовика выполнены со смещением относительно верхней поверхности резцедержателя, так что эти расходящиеся поверхности плотно упираются во внутреннюю поверхность резцедержателя. Такие расходящиеся поверхности максимально увеличивают площадь поверхности между резцом и резцедержателем, увеличивая площадь опоры между этими компонентами. Кроме того, такие расходящиеся поверхности обеспечивают устойчивость при воздействии боковых усилий, уменьшают поверхностное давление резца на резцедержатель и смещение резца в резцедержателе при изменении направления усилий во время работы.
Согласно другому аспекту изобретения, резец имеет лезвие и выступ, расположенный под лезвием и выступающий вперед его (т.е. нижняя опорная поверхность выступа выступает вперед от линии, проходящей вдоль направленной строго внутрь силы, приложенной к дальнему концу твердосплавного конца головки резца). В это примере при установке резца на барабане нижняя опорная поверхность выступает вперед от линии, проходящей перпендикулярно через точку взаимодействия конца с материалом к центру вращения узла резца вокруг оси барабана. Выступ выступает вперед от лезвия, повышая устойчивость резца при воздействии на него направленных внутрь усилий.
Согласно другому аспекту изобретения, резец имеет хвостовик и головку, включающую в себя выступ и лезвие. Выступ расположен под лезвием и выступает вперед от него. Хвостовик наклонен назад относительно направленной строго внутрь силы. Указанный выступ в основном перпендикулярен задней опорной поверхности хвостовика. Наклонная назад опорная поверхность и выступ, выступающий вперед от лезвия и по существу перпендикулярный задней опорной поверхности хвостовика, позволяют задней опорной поверхности и выступу лучше сопротивляться действующим на резец и направленным внутрь нагрузкам.
Согласно другому аспекту изобретения, резцедержатель покрыт твердосплавным материалом. Резцедержатель может быть покрыт твердосплавным материалом в местах, где резец создает противодействующие силы, воздействующие на резцедержатель, где происходит истирание резцедержателя, где в резцедержателе установлен фиксатор резца, и в других местах резцедержателя с повышенным износом.
Согласно другому аспекту изобретения, резец не содержит пяты на задней поверхности хвостовика, что позволяет передней и задней поверхностям отверстия лучше сопротивляться противодействующим силам при воздействии на резец силы, имеющей преимущественно касательную составляющую, и силы, имеющей преимущественно нормальную составляющую. Кроме того, резец без пяты помогает уменьшить нежелательное смещение резца на передней и задней поверхностях отверстия резцедержателя и минимизировать контактное давление между резцом и резцедержателем. Резец без задней пяты обеспечивает сокращение количества дополнительных точек приложения противодействующих сил при воздействии на резец направленного внутрь усилия (например, силы, имеющей преимущественно перпендикулярную составляющую) и направленного назад усилия (например, силы, имеющей преимущественно касательную составляющую). Резец без задней пяты может также устранять вероятность любого контакта между резцом и распылителем воды, что уменьшает вероятность преждевременного выхода из строя этого распылителя.
Согласно другому аспекту изобретения, хвостовик резца имеет зазоры на передней и задней поверхностях, так что хвостовик имеет жесткие допуски относительно отверстия резцедержателя только в тех местах, где возникают противодействующие силы, что позволяет извлечь хвостовик с меньшим усилием.
Согласно другому аспекту изобретения, на резцедержателе установлен компактный распылитель для распыления воды на рабочий конец резца (т.е. головки резца) и на угольный пласт, причем распылитель установлен так, чтобы он был защищен как при нормальных условиях работы, так и при отламывании головки резца с ее перемещением назад.
Согласно другому аспекту изобретения, на одной или нескольких сторонах резца может быть выполнена выемка для зацепления с инструментом, используемым при извлечении резца из резцедержателя. Предпочтительно, такая выемка имеет по существу прямоугольную форму.
Преимущества и особенности изобретения будут более понятны из дальнейшего подробного описания со ссылками на чертежи, на которых показаны различные варианты осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана известная схема проведения земельных работ с использованием барабана с узлами резцов;
на фиг. 2 показан известный узел резца, содержащий резец и резцедержатель, вид в перспективе;
на фиг. 3 - известный резец, вид сбоку;
на фиг. 4 - известный узел резца, содержащий резец и резцедержатель, подвергающиеся износу от касательных и нормальных усилий, вид в разрезе;
на фиг. 5 - барабан очистного комбайна с двумя разными вариантами выполнения резцов в соответствии с изобретением, вид в разрезе;
на фиг. 6 - узел резца, включающий в себя резец и резцедержатель в соответствии с изобретением, на который действует сила с поперечной составляющей и сила, направленная между направлениями по касательной и по нормали, вид сзади в перспективе;
на фиг. 7 - узел резца, представленный на фиг. 6, вид в разрезе;
на фиг. 8 - резцедержатель, представленный на фиг. 6, вид спереди в перспективе;
на фиг. 9 - резцедержатель, представленный на фиг. 6, вид сзади в перспективе;
на фиг. 10 - резцедержатель, представленный на фиг. 6, вид сверху;
на фиг. 11 - резцедержатель, представленный на фиг. 10, вид в разрезе по линии 11-11;
на фиг. 12 - резец, представленный на фиг. 6, вид сзади в перспективе;
на фиг. 13 - резец, представленный на фиг. 6, вид сбоку;
на фиг. 13А - альтернативной вариант выполнения резца в соответствии с изобретением, вид сбоку;
на фиг. 14 - резец, представленный на фиг. 6, вид спереди;
на фиг. 15 - резец, представленный на фиг. 6, вид снизу;
на фиг. 16 - резец, представленный на фиг. 6, вид сзади;
на фиг. 17 - альтернативный вариант конструкции узла резца в соответствии с изобретением, вид сзади в перспективе;
на фиг. 18 - узел резца, представленный на фиг. 17, вид в разрезе;
на фиг. 19 - резцедержатель, представленный на фиг. 17, вид спереди в перспективе;
на фиг. 20 - резцедержатель, представленный на фиг. 17, вид сзади в перспективе;
на фиг. 21 - резцедержатель, представленный на фиг. 17, вид сверху;
на фиг. 22 - резцедержатель, представленный на фиг. 21, вид в разрезе по линии 22-22;
на фиг. 23 - резец, представленный на фиг. 17, вид спереди в перспективе;
на фиг. 24 - резец, представленный на фиг. 17, вид сзади в перспективе;
на фиг. 25 - резец, представленный на фиг. 17, вид сбоку.
на фиг. 26 - график изменения нагрузки, действующей на опорные поверхности хвостовика резца, представленного на фиг. 4, при изменении направления действия сил от нормального к касательному;
на фиг. 27 - график изменения нагрузки, действующей на опорные поверхности хвостовика резца, представленного на фиг. 6, при изменении направления действия сил от нормального к касательному.
Варианты осуществления изобретения
Изобретение относится к усовершенствованным резцу и резцедержателю для использования, например, при добыче полезных ископаемых и подземной разработке месторождений. Резцы и резцедержатели могут использоваться в различных приспособлениях, в том числе в барабанах очистных комбайнов, в головках проходческих комбайнов непрерывного действия и в режущих цепях. В дальнейшем описывается узел резца для крепления его на барабан очистного комбайна, если не указано иное; однако несмотря на это, различные аспекты изобретения могут быть использованы и в других типах проходческого оборудования. Для простоты описания используются понятия, характеризующие относительное расположение, такие как передний, задний, верхний, нижний, горизонтальный, вертикальный, и т.д. Тем не менее, эти понятия не являются абсолютными, так как ориентация резца и резцедержателя изменяется в процессе работы. Эти понятия необходимо рассматривать с учетом ориентации резца, как он показан на фиг. 4, 7 и 18, если не указано иначе, т.е. ориентации, при которой твердосплавный конец 24а, 24 и 124, взаимодействующий с извлекаемой породой, расположен вверху и спереди относительно резца 10а, 10 и 110.
2а'
На фиг. 1 показана схема проведения земельных работ посредством горного комбайна с узлами резцов для выемки ископаемых, таких как уголь. При такой работе используется горный комбайн 4 с приводным диском или барабаном 6, на котором установлены узлы резцов 8а. Узлы 8а резцов включают в себя резец 10а для воздействия на рудный пласт или грунт 9 при вращении барабана 6, и резцедержатель 12а для крепления резца 10а. Резцы 10а механически прикреплены к резцедержателю 12а. Узлы 8а резцов приварены к барабану 6 в его выемках. Узлы резцов 8а, как правило, установлены на барабане 6 так, что отверстие 14а в резцедержателе 12а для фиксации хвостовика 22а резца 10а располагается с наклоном назад под небольшим углом 0 (составляющем от 0,8° до 10°) относительно линии 1а, которая перпендикулярна траектории резания.
Извлекаемый земляной материал обычно находится в уплотненном пласте. Вращающийся барабан 6 проходит по подземному забою так, что резцы воздействуют на забой, отделяя материал от пласта небольшими порциями.
Резцы 10а воздействуют на породу с такой скоростью и силой, чтобы разрушить и отделить уплотненную породу. Расстояние между резцами определяет размер отделяемых частиц породы, а также является фактором, определяющим возникающие в отдельных резцах напряжения и нагрев компонентов. Добытая порода, как правило, поступает на конвейер и перемещается для дальнейшей обработки. Узлы резцов 8а часто прикреплены к барабану 6 в шахматном порядке. Обычно на каждом барабане имеется 50 или более узлов резцов, но их может быть и меньше 50.
На фиг. 2-4 показан типовой резец 10а и узел 8а резца. Резец 10а содержит некруглый хвостовик 22а с прямоугольной формой поперечного сечения, установленный с возможностью' снятия в соответствующем отверстии 14а резцедержателя 12а. Для предотвращения случайного выпадения хвостовик, выполненный с возможностью снятия, удерживается в резцедержателе посредством фиксатора, например, многореберной синтетической пластиковой вставки (не показана), введенной в отверстие 26а, напоминающее по форме цифру «8». Широко известны различные типы фиксаторов. На передней или ведущей поверхности 31а хвостовика 22а может быть выполнено глухое отверстие 27а, для размещения упругой заглушки (не показана), предназначенной для крепления хвостовика. От верхнего края ведущей поверхности 31а хвостовика 22а отходит направленный вперед выступ 30а, нижняя поверхность 41а которого упирается в верхнюю опорную поверхность 51а соответствующего резцедержателя 12а, в соответствии с широко известной технологией. Кроме того, вперед отходит выступ 30а с опорной точкой 16а для зацепления с извлекающим инструментом, таким как рычаг или монтировка, когда требуется извлечь резец 10а. На задней поверхности 32а хвостовика 22а выполнена пята 25а с опорной поверхностью 42а, и, кроме того, проход 18а для размещения в нем распылителя воды 13а, как показано на фиг. 4. За выступом 30а и пятой 25а располагается цельнофрезерованная режущая пластина 23а с твердосплавным концом 24а. Выступ 30а, пята 25а и режущая пластина 23а образуют головку 20а резца 10а.
На фиг. 4 представлен типовой резцедержатель 12а, подвергающийся износу под действующих на резец 10а сил F, которые иногда имеют составляющую, направленную преимущественно по нормали N (т.е. внутрь), составляющую, направленную преимущественно по касательной Τ (т.е. назад), или одновременно как нормальную, так и касательную составляющие. В рассматриваемом случае нормаль и касательная определяются относительно барабана, но определения «направленная внутрь» и «направленная назад», в целом, могут относиться как к барабану, так и к другим приспособлениям, например, к узлу режущей цепи. Перемещение направления сил приводит к возникновению циклических противодействующих сил R1-R6, действующих на резцедержатель 12а. Когда направление равнодействующей силы F переходит от направления преимущественно назад и направлением преимущественно внутрь, опорные поверхности 91а-96а резца 10а не всегда упираются в соответствующие опорные поверхности 81а-86а резцедержателя 12а. Когда равнодействующая сила F приближается к касательной Τ (т.е. когда угол α приблизительно равен нулю), действующая на резцедержатель 12а противодействующая сила будет создавать преимущественно силы R1-R3. Когда равнодействующая сила F приближается к нормали N (т.е. когда угол α относительно касательной Τ равен 90°), действующая на резцедержатель 12а противодействующая сила будет создавать преимущественно силы R4-R6. При воздействии резца на извлекаемую породу резец сначала отклоняется назад. При изменении угла α силы от 0° до 90° (т.е. от силы F, действующей по касательной Т, до силы, действующую по нормали Ν), контакт опорных поверхностей 81а, 91а, 82а, 92а, 83а, 93а под действием сил R1-R3 прекращается (т.е. сила, действующая на опорные поверхности, изменяется до нуля), а опорные поверхности 84а, 94а, 85а, 95а, 86а, 96а под действием сил R4-R6 вступают в контакт. Это приводит к тому, что резец 10а наклоняется вперед, и возникает усиленный износ резцедержателя 12а на поверхностях 84а, 85а и 86а. При возникновении нового цикла сил, действующие на резец силы исчезают, и опорные поверхности, находящиеся под действием сил R4-R6, переходят из состояния контакта в бесконтактное состояние, а опорные поверхности, на которые действуют силы R1-R3, переходят из бесконтактного состояния в состояние контакта. Это приводит к тому, что резец 10а снова наклоняется назад, и возникает усиленный износ на поверхностях 81а, 82а и 83а резцедержателя 12а. Под действием сил, заставляющих резец 10а раскачиваться в резцедержателе 12а, происходит его преждевременный износ.
На фиг. 26 показано, как происходит переход опорных поверхностей из контактного состояния в бесконтактное, когда сила F превращается из силы, направленной назад или по касательной Т, в силу, которая направлена внутрь или по нормали N. При вращении резца на него воздействует сила, направленная в основном по касательной и приложенная в точке взаимодействия лезвия с породой (т.е. сила направлена назад относительно резца), а при продолжении вращения на резец действует сила, направленная по нормали N относительно точки взаимодействия режущей пластины с породой (т.е. сила, направлена внутрь резца). По оси абсцисс 201 отложен угол от 0° до 90° относительно направления по касательной Τ (при угле 0° сила направлена по касательной Т, а при угле 90° сила направлена по нормали Ν). По оси ординат 202 отложены значения силы, действующей на опорную поверхность резца. Следует отметить, что при изменении направления действия входной силы от 0° до 90°, опора резца смещается с опорной поверхности 91а на опорную поверхность 94а. Кроме того, существует диапазон, в котором могут быть задействованы обе опорные поверхности 91а и 94а. Аналогичным образом, при изменении направления действия входного усилия от 0° до 90° резец поворачивается, и его опора смещается с опорной поверхности 92а на опорную поверхность 95а, а его опора с опорной поверхности 93а смещается на опорную поверхность 96а.
В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, представленным на фиг. 5-16, узел 8 резца содержит резцедержатель 12, резец 10 и крепеж 26 для закрепления резца 10 на резцедержателе 12. Крепеж 26, например, может представлять собой упругий удерживающий элемент, как показано на фиг. 12-16. В качестве удерживающего элемента 26 может использоваться заглушка, вставленная в отверстие хвостовика 22 и выполненная с возможностью взаимодействия с резцедержателем 12 для удерживания резца 10 в резцедержателе 12. Как вариант, в качестве крепежа 26 может использоваться фиксатор любого известного типа, обеспечивающего крепление резца в резцедержателе.
Для минимизации раскачивания резца в резцедержателе опорные поверхности оптимизированы так, что при переходе направления воздействующей на хвостовик резца входной силы F от направления назад Τ (по касательной) к направлению преимущественно внутрь N (по нормали), опорные поверхности 52, 53 резца 10 и опорные поверхности 47, 48 резцедержателя 12 сохраняют контакт друг с другом (т.е. силы, действующие на опорные поверхности, остаются больше или равными нулю, когда результирующая сила переходит от направления, в целом, назад к направлению, в целом, внутрь). Понятия «направленная, в целом, внутрь» и «направленная преимущественно внутрь» используются для описания силы, которая направлена строго внутрь или отклонена на ±15° от указанного направления. Понятия «направленная, в целом, назад» и «направленная преимущественно назад» используются для описания силы, которая направлена строго назад или отклонена на ±15° от указанного направления. Такая оптимизация показана на фиг. 27. Действующие на опорные поверхности противодействующие силы больше нуля, когда входная сила находится в диапазоне направлений от касательной (0°) до нормали (90°). Предпочтительно, при изменении угла α входной силы F от - 15° до 105° относительно касательной Τ действующие на опорные поверхности противодействующие силы остаются больше нуля. Существует несколько способов оптимизации формы резца и резцедержателя, обеспечивающих сохранение взаимодействия между опорными поверхностями. Например, можно уменьшить количество опорных поверхностей, наклонить назад хвостовик резца относительно направленной внутрь нормальной составляющей N силы (т.е. силы, направленной под углом α=90°), или удлинить выступ резца вперед за точку взаимодействия лезвия (т.е. вперед за линию 1, проходящую вдоль направленной строго внутрь силы, приложенной в точке взаимодействия лезвия с породой). В варианте выполнения, показанном на фиг. 5-16, количество опорных поверхностей минимизировано, хвостовик наклонен назад относительно направленной внутрь составляющей силы, и выступ проходит вперед за точку взаимодействия лезвия. Несмотря на это, резец может иметь разные формы и может, например, иметь лишь выступ, выступающий вперед за лезвие, или быть только наклоненным назад, или может иметь минимальное количество опорных поверхностей так, что все эти опорные поверхности резца остаются задействованными (т.е. противодействующая сила на этих опорных поверхностях всегда остается больше нуля) при переходе действующей на резец входной силы от направленной, в целом, назад по касательной Τ к направленной, в целом, внутрь по нормали N (т.е. силы F изменяют угол α относительно касательной Τ от -15° до 105°).
Резцедержатель 12 имеет нижнюю поверхность 35, верхнюю поверхность 36, переднюю поверхность 37, заднюю поверхность 38, а также боковые поверхности 39 и 40. Передняя поверхность 37, задняя поверхность 38 и нижняя поверхность 35 контактируют с барабаном 6 в выемке 7, хотя возможны и другие конструкции. Предпочтительно, резцедержатель приварен к барабану 6 в выемке 7. От нижней поверхности 35 к верхней поверхности 36 резцедержателя 12, предпочтительно, через центральную часть резцедержателя 12, проходит отверстие 14. Отверстие 14 имеет переднюю и заднюю угловые поверхности 43 и 44, и боковые поверхности 45 и 46. Отверстие 14 выполнено для опоры на него резца 10 и имеет в целом такую же форму, что и размещаемая в нем часть резца 10. Как показано на фиг. 10, отверстие 14 содержит участок 50 для размещения хвостовика, в целом, ромбовидной формы, с наклоненными вбок поверхностями 47, расходящимися в направлении назад и сходящимися в направлении вперед, образуя переднюю угловую поверхность 43, и с наклоненными вбок поверхностями 48, расходящимися в направлении вперед и сходящимися в направлении назад, образуя заднюю угловую поверхность 44. Наклоненные вбок передняя и задняя поверхности 47, 48, предпочтительно, имеют V-образную форму. Также могут быть использованы и другие формы. Передняя и задняя V-образные поверхности 47 и 48 увеличивают площадь контакта между резцедержателем 12 и резцом 10, обеспечивая дополнительную устойчивость и уменьшая давление. Кроме того, наклон передней и задней поверхностей 47, 48 позволяет сопротивляться направленным назад аксиальным нагрузкам, а также нагрузкам с боковыми составляющими на тех же самых поверхностях, для уменьшения смещения хвостовика 22 резца в отверстии 14 при отклонении нагрузок на резец 10 во время работы.
2'
2'
2'
1'
1'
1'
Предпочтительно, отверстие 14 выполнено с наклоном назад относительно силы F, имеющей строго перпендикулярную или направленную внутрь составляющую N (направленную вдоль линии 1, перпендикулярной концу 24 относительно плоскости забоя и перпендикулярную фронтальному направлению передвижения), как показано на фиг. 5 и 7. В примере с барабаном, линия 1 проходит перпендикулярно через точку взаимодействия наконечника 24 в центр вращения узла резца вокруг барабана 6. Угол Θ между задней поверхностью 48 резцедержателя и направленной строго внутрь составляющей N силы F предпочтительно составляет от 11° до 35°. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения отверстие 14 может быть выполнено с наклоном назад так, что угол Θ может составлять от 13° до 35°, а также может быть больше 35° или меньше 11°. Например, в одном из предпочтительных вариантов выполнения угол Θ составляет 15°. Как будет указано ниже, такая ориентация позволяет резцу 10 и резцедержателю лучше сопротивляться расчетным нагрузкам и уменьшает износ между этими двумя компонентами, в частности, износ резцедержателя. Предпочтительно, верхняя поверхность 36 резцедержателя расположена на одном уровне или ниже поверхности барабана, т.е. в выемке 7 (фиг. 5). Соответственно, в предпочтительном варианте отверстие 14 также отклонено вперед от верхней поверхности 36 резцедержателя 12 на угол Θ 55°-80°; однако, в некоторых вариантах выполнения угол Θ может быть больше 80° или меньше 55°. В одном из вариантов выполнения отверстие 14 отклонено вперед от верхней поверхности 36 на угол Θ около 75°.
Резцедержатель 12 имеет верхние опорные поверхности 51, предпочтительно, расположенные ниже верхней поверхности 36 резцедержателя 12 около передней поверхности 37. Предпочтительно, верхние опорные поверхности 51 наклонены вперед относительно нормали 1 так, что они перпендикулярны задним поверхностям 48.
Предпочтительно, верхние опорные поверхности 51 также выполнены в виде наклоненных вбок расходящихся наружу поверхностей. Предпочтительно, верхние опорные поверхности 51 имеют V-образную форму и расходятся в направлении вниз (т.е. внутрь), хотя возможны и другие формы. Верхние опорные поверхности 51 опираются на соответствующие расположенные под ними опорные поверхности 41 резца 10. V-образная форма верхних опорных поверхностей 51 увеличивает площадь контакта между резцедержателем 12 и резцом 10 и уменьшает давление между ними. V-образная форма верхних опорных поверхностей 51 обеспечивает дополнительную устойчивость и минимизирует смещение резца 10 в резцедержателе при воздействии на резец 10 боковых сил. Уменьшение смещений резца 10 в резцедержателе 12 и снижение контактное давления между компонентами, повышая ресурс каждого из компонентов узла резца.
В предпочтительном варианте выполнения верхние опорные поверхности 51 резцедержателя 12 покрыты твердосплавным материалом. Этот твердосплавный материал также увеличивает срок службы резцедержателя 12 за счет повышения износостойкости, когда резец 10 создает противодействующую силу R3', действующую на резцедержатель 12. Кроме того, резцедержатель также может быть покрыт твердосплавным материалом в местах, где резец создает противодействующие силы R1' и R2', воздействующие на резцедержатель и вызывающие его истирание, а также в месте, где размещен в резцедержателе крепеж резца, а также в других местах с повышенным износом.
Предпочтительно резцедержатель 12 имеет проход или отверстие 15, проходящее от нижней поверхности 35 вдоль задней поверхности 38 к верхней поверхности 36 резцедержателя 12. Отверстие 15 может быть глухим, проходящим от верхней поверхности 36, и может примыкать к глухому отверстию, проходящему от задней поверхности 38 или одной из боковых поверхностей 39 или 40 (не показано). Отверстие 15 может располагаться за резцом 10, но может быть расположено и в других местах. Отверстие 15 на верхней поверхности 36 резцедержателя 12 имеет расточку 21 для размещения в ней компактного распылителя (не показан) для распыления воды на головку 20 резца 10 и на угольный пласт. Расточка 21 и отверстие 15, выполнены с возможностью размещения компактного распылителя воды в резцедержателе 12 так, что только небольшая часть распылителя выступает над верхней поверхностью 36 резцедержателя 12. При нормальной работе такая небольшая выступающая над резцедержателем 12 часть распылителя воды защищена, поскольку она расположена за резцом 10. Использование компактного распылителя воды уменьшает вероятность его преждевременного выхода из строя при поломке головки 20 резца и ее смещении назад. Резцедержатель 12 может быть изготовлен посредством любой известной технологии, в том числе, посредством литья или штамповки.
2'
2'
2'
Резец 10 имеет хвостовик 22 для его удержания в резцедержателе 12, и головку 20 для воздействия на извлекаемый материал со скоростью и силой, достаточной для разрушения и разделения такого материала. Резец 10 может быть выполнен посредством любой известной технологии, в том числе, посредством литья или штамповки. Хвостовик 22 и головка 20 расположены на одной линии. Кроме того, большинство узлов резцов проходческого оборудования имеют головку и хвостовик, которые по существу ориентированы в плоскости, совпадающей с направлением проходки. Хвостовик 22 удерживается в отверстии 14 резцедержателя 12 посредством обычного фиксатора или крепежа 26. В процессе работы резец 10 перемещается по траектории, определяемой оборудованием, и при взаимодействии с забоем на него действуют силы F. При взаимодействии наконечника 24 с породой силы F иногда бывают направлены строго внутрь или по нормали N (т.е. присутствует только составляющая силы, направленная внутрь под углом α=90° относительно касательной Т). Иногда сила F бывает направлена строго назад или по касательной Τ (угол α равен 0°). Иногда входная сила F может быть направлена под таким углом α относительно касательной Т, при котором она имеет составляющие, направленные как внутрь, так и назад (т.е. сила F расположена между касательной Τ и нормалью Ν). Как было указано выше, эти различные силы имеют склонность к раскачиванию хвостовика стандартного резца, типа хвостовика 22а резца 10а, в отверстии резцедержателя. Для минимизации нежелательных перемещений резца 10 в резцедержателе 12 выполнено жесткое соединение хвостовика 22 с резцедержателем 12 по одинаковым передним и задним опорным поверхностям, независимо от того, направлена ли сила F преимущественно внутрь (т.е. по нормали N), или преимущественно назад (т.е. по касательной Т). В рассматриваемом примере выполнения узла 8 резца, закрепленного на барабане, линия 1 проходит перпендикулярно точке взаимодействия наконечника 24 относительно плоскости забоя и перпендикулярно фронтальному направлению. Хвостовик 22, предпочтительно, наклонен назад относительно силы F, направленной четко внутрь на наконечник резца (т.е. когда угол α направления силы F равен 90°). Хвостовик может быть отклонен назад относительно линии 1 на угол Θ равный 11°-35°. Линия 1 проходит вдоль направленной четко внутрь силе, приложенной к дальнему концу головки, и хвостовик ориентирован так, что он пересекает линию 1. В примере, где резец установлен на барабан, нижняя опорная поверхность проходит вперед линии, проходящей перпендикулярно через точку взаимодействия наконечника к центру вращения узла резца вокруг барабана. Линия 1 коллинеарна силе F, направленной строго внутрь, т.е. по нормали N. Несмотря на это, в некоторых вариантах осуществления изобретения хвостовик 22 может быть наклонен назад на угол Θ от 11° до 35°, а также может быть больше 35° или меньше 11°. В одном из предпочтительных вариантов выполнения хвостовик 22 отклонен назад относительно компонента силы F, направленного строго внутрь (нормальная линии 1), на угол Θ=15° . Отклонение назад хвостовика 22 увеличивает стабильность, позволяя резцу 10 упираться в переднюю стенку 43 и заднюю стенку 44 резцедержателя 12 при действии на резец 10 нормальных расчетных усилий. Хвостовик 22 выполнен с возможностью взаимодействия с резцедержателем, даже если действующие на головку 20 резца силы F направлены по существу внутрь (т.е. при действии силы с преимущественно нормальной составляющей N) или назад (т.е. при действии силы с преимущественно касательной составляющей). Хвостовик 22 установлен в отверстии 14 резцедержателя 12 и имеет такую же форму, что и отверстие 14. Несмотря на то, что резец с наклоненным назад хвостовиком и наклоненной вперед головкой, как было описано выше, обеспечивает благоприятное прилегание резца к резцедержателю, возможны и другие конструкции.
Хвостовик 22 имеет по существу направленную вперед переднюю часть 87, противоположную ей заднюю часть 88, направленную по существу противоположно направлению вперед, и боковые поверхности 57 и 58, проходящие между передней и задней частями 87 и 88. Как показано на фиг. 14-16, хвостовик 22 предпочтительно имеет по существу ромбовидную форму с передним и задним углами 55 и 56 и наклоненными вбок передними поверхностями 59, 60, расходящимися в направлении назад по мере их приближения к боковым поверхностям 57 и 58 для дополнения и упора в передние опорные поверхности 47 отверстия 14. Соответственно, передние поверхности 59, 60 являются предпочтительно плоскими и V-образными, они сходятся у передней угловой поверхности 55. Хвостовик 22 содержит также наклоненные вбок задние поверхности 61, 62, сходящиеся по мере удаления от боковых поверхностей 57 и 58 и смыкающиеся у задней угловой поверхности 56 для дополнения и упора в задние опорные поверхности 48 отверстия 14. Предпочтительно, задние поверхности 61, 62 имеют V-образную конфигурацию. Кроме того, V-образные передние и задние поверхности 59-62, например, могут иметь в целом изогнутую или аркообразную форму. Передние и задние V-образные поверхности 59-62 увеличивают площадь контакта между резцедержателем 12 и резцом 10, обеспечивая дополнительную устойчивость и уменьшение поверхностного давления. Могут применяться и другие способы увеличения площади поверхности хвостовика, например, передние и/или задние поверхности 59-62 могут иметь обратную V-образную форму, т.е. противоположные поверхности каждой пары поверхностей 59, 60 и 61, 62 могут сходиться друг к другу по мере их приближения к центру хвостовика. Кроме того, наклон передних и задних поверхностей 59-62 уменьшает боковые нагрузки, нормальные нагрузки и касательные нагрузки на тех же самых поверхностях, уменьшая смещение хвостовика резца в отверстии при изменении направления действия нагрузок на резец во время работы. Уменьшение смещения хвостовика в отверстии повышает сопротивляемость резца и его твердосплавного конца' истиранию вследствие трения о них частиц породы при взаимодействии резца с породой, и уменьшает износ резца в резцедержателе.
Головка 20 резца 10 содержит лезвие 23 и выступ 30. Лезвие 23 имеет конец 24, расположенный в верхней части передней поверхности 31 и предназначенный для взаимодействия с извлекаемым материалом и его разрушения. На одной или нескольких сторонах режущей пластины 23 может быть выполнена выемка 28. Выемка 28 предназначена для зацепления рычажным инструментом при извлечении резца 10 из резцедержателя 12. Выемка 28 имеет в целом прямоугольную форму. Однако она может иметь и другую форму: треугольную, круглую или какую-либо другую форму, и может, например, проходить насквозь через головку. Кроме того, помимо рычага могут использоваться и другие способы извлечения резца 10, и резец 10 может не иметь выемки 28.
Выступ 30 проходит под лезвием 23 и предназначен в основном для сопротивления направленным внутрь нагрузкам (т.е. силе F, имеющей большую направленную внутрь составляющую N). Выступ 30 вместе с хвостовиком 22 обеспечивают стабилизацию резца 10 в резцедержателе 12. Предпочтительно, выступ 30 выходит вперед за лезвие 23 для минимизации смещения резца при воздействии на него направленных внутрь нагрузок. Когда выступ 30 проходит вперед дальше лезвия 23, предпочтительно хвостовик должен быть отклонен назад для увеличения срока службы изделия и оптимизации формы лезвия 23 и выступа 30 по углу атаки. Кроме того, отклоненная назад опорная поверхность и выступ, проходящий перед лезвием и в целом перпендикулярный задней опорной поверхности хвостовика, позволяют как задней опорной поверхности, так и выступу лучше сопротивляться действующим на резец направленным внутрь нагрузкам.
Выступ 30 содержит одну или несколько нижних опорных поверхностей 41. Предпочтительно, нижние опорные поверхности 41 расположены под углом 75°-115° относительно задних поверхностей 61, 62 (при измерении указанного угла в направлении против часовой стрелки от задних поверхностей к нижним опорным поверхностям) для обеспечения сопротивления по существу перпендикулярным силам и минимизации смещений резца в резцедержателе. Возможны другие угловые ориентации. Выступ, отклоненный под большим углом, выходящим за указанный диапазон, способен обеспечивать достаточный зазор для более широкой арки между выступом и хвостовиком. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения нижние опорные поверхности 41 наклонены вперед на угол 105° относительно задних поверхностей 61-62 для регулирования разрушающего усилия, что будет описано ниже.
Предпочтительно, нижние опорные поверхности 41 наклонены вбок и расходятся наружу (например, перпендикулярно наружу), для взаимодействия и упора в верхние опорные поверхности 51 резцедержателя 12. Предпочтительно, более широкие участки опорных поверхностей 41 резца 10 ограничены по ширине так, что их ширина меньше или равна ширине хвостовика 22, но они могут иметь и ширину, большую ширины хвостовика. Верхние опорные поверхности 51 резцедержателя 12 и нижние опорные поверхности 41 резца смещены относительно верхней поверхности 36 резцедержателя 12 так, что нижние опорные поверхности 41 упираются во внутреннюю поверхность резцедержателя 12. В рассматриваемом примере опорные поверхности 41 имеют V-образную форму. Также могут быть использованы и другие формы. V-образная форма верхних и нижних опорных поверхностей 41 и 51 увеличивает площадь опорной поверхности, повышает устойчивость при воздействии боковых сил, и уменьшает поверхностное давление, оказываемое резцом на резцедержатель.
Предпочтительно, головка 20 не имеет пяты, что дает возможность опорным поверхностям 47, 48 отверстия 14 резцедержателя 12 более полно воспринимать противодействующие силы, когда сила F имеет в основном касательную составляющую Т, и когда сила F имеет в основном нормальную составляющую N, меньшая раскачивание резца в резцедержателе. Отсутствие пяты на задней поверхности 32 головки уменьшает материалоемкость резца 10 и снижает напряжение при определенных условиях нагружения. Кроме того, это уменьшает вероятность контакта головки 20 резца 12 с распылителем воды, что уменьшает вероятность его преждевременного выхода из строя.
Предпочтительно, в резце 10 под выступом 30 образована точка разлома, что при воздействии разрушающего усилия обеспечивает его разлом резца в месте, где головка 20 встречается с хвостовиком 22. Это позволяет легко извлекать хвостовик 22, выталкивая его через отверстие 14 резцедержателя 12 и доставая его из выемки 7 барабана 6. Передние V-образные поверхности 59, 60 и V-образные опорные поверхности 41 на выступе 30 сходятся к узкой передней угловой поверхности 89. Использование такой узкой передней части (кроме указанных выше преимуществ) ограничивает прочность резца посредством создания концентратора напряжений на передней угловой поверхности 89. При возникновении в процессе работы чрезмерных нагрузок, например, при соударении резца с металлической крепью в забое, высокие напряжения, возникающие в области передней угловой поверхности 89, заставляет выступ 30 отламываться от хвостовика 22. Изменение геометрии узкой передней угловой поверхности 89 изменяет разрушающее усилие, требующееся для отделения выступа от хвостовика. Использование таких V-образных передних поверхностей 59, 60 под V-образными опорными поверхностями 41 выступа обеспечивает полное отделение выступа от хвостовика. Кроме того, резец может быть тоньше в месте соединения выступа с хвостовиком, или может быть выполнен из материала, не обладающего такой же высокой прочностью, как прилегающие области резца, что обеспечивает возможность дополнительного контроля точки концентрации напряжений и отделения выступа от хвостовика при воздействии на него разрушающего усилия. Для обеспечения отделения выступа от хвостовика могут использоваться и другие способы создания точки концентрации напряжений, например, на передней кромке резца в месте соединения головки с хвостовиком может быть выполнена выемка или углубление. Подобное устройство раскрыто в патентном документе PCT/IB 2012/001988 от 08.08.2011. Кроме того, на передней кромке резца в месте соединения хвостовика с головкой, предпочтительно, отсутствуют какие-либо выемки или углубления, поскольку узкая передняя угловая поверхность 89 сама способствует отламыванию головки от хвостовика при воздействии разрушающего усилия.
Предпочтительно, хвостовик 22 резца имеет переднюю и заднюю угловые поверхности 55 и 56. Хвостовик 22 резца может иметь один или несколько передних и задних зазоров 63 и 64. Передний и задний зазоры обеспечивают пространство между хвостовиком и резцедержателем, так что резец и резцедержатель не упираются друг в друга в местах, где расположены указанные зазоры. Как показано на фиг. 13А, хвостовик может также иметь передний и задний зазоры 63 и 64, образующие верхние и нижние передние и задние опорные поверхности 52 и 53, или, как показано на фиг. 12-16, хвостовик 22 может иметь передний и задний зазоры 63 и 64, которые создают только верхнюю или нижнюю переднюю и заднюю опорные поверхности 52 и 53. Как показано на фиг. 12-16, передние зазоры 63 проходят от головки 20 вниз к передним опорным поверхностям 52, в месте воздействия на резец 10 противодействующей силы R1'. Передние опорные поверхности 52 располагаются на передних V-образных поверхностях 59 и 60. Задние зазоры 64 проходят от нижней части хвостовика 22 вверх к задним опорным поверхностям 53, в месте, где на резец 10 действует противодействующая сила R2'. Задние опорные поверхности 53 расположены на задних V-образных поверхностях 61 и 62. Передний и задний зазоры 63 и 64 позволяют хвостовику 22 иметь жесткие допуски относительно отверстия 14 только на передних опорных поверхностях 52 и задних опорных поверхностях 53, на которые действуют противодействующие силы R1' и R2'. Хвостовик 22, имеющий жесткие допуски по отношению к отверстию 14 только в минимальном количестве мест, можно удалить с приложением меньшего усилия. Поскольку производство продукта с жестким допуском может быть дорогостоящим, данные зазоры помогают снизить производственные затраты посредством минимизации областей с жестким допуском. В качестве альтернативы, хвостовик 22 может не иметь передних и задних зазоров.
Резец 10 устанавливается в резцедержатель 12 посредством введения хвостовика 22 в отверстие 14 и опоры выступа 30 на верхнюю поверхность резцедержателя (фиг. 7). Во время работы на резец действуют изменяющиеся в широком диапазоне силы F, которые иногда имеют направленную в основном внутрь составляющую (нормальную) N, или направленную в основном назад составляющую (касательную) Т, или имеющие как касательную составляющую Τ, так и нормальную составляющую N. Когда такие силы F преимущественно направлены назад или по касательной составляющей Т, им противодействуют задние опорные поверхности 53 резца 10, прижимаемые к соответствующим задним опорным поверхностям 48 отверстия 14, а также передние опорные поверхности 52, прижимаемые к соответствующим передним опорным поверхностям 47 отверстия 14, т.е. нагрузкам F, направленным под углом α около 0°, в основном противодействуют результирующие силы R1' и R2'. Аналогично, когда сила F имеет направленную преимущественно внутрь или нормальную составляющую N (т.е. когда сила F направлена под углом α, равным 90°), такой силе оказывают противодействие в основном нижние опорные поверхности 41 выступа 30, опирающиеся на верхние опорные поверхности 51 резцедержателя 12, задние опорные поверхности 53 резца 22, опирающиеся на задние опорные поверхности 48 резцедержателя 12, и передние опорные поверхности 52, опирающиеся на передние опорные поверхности 47 отверстия 14, т.е. силам F, направленным под углом α около 90°, в основном противодействуют результирующие силы R1', R2' и R3'. Таким образом, передние и задние опорные поверхности хвостовика и резцедержателя оказывают сопротивление прилагаемым нагрузкам, если сила F имеет преимущественно нормальную составляющую N, преимущественно касательную составляющую Т, или когда сила F направлена под утлом α от 0° до 90°, что минимизирует смещение резца 10 в резцедержателе 12. Таким образом, резец 10 упирается в переднюю стенку 43 и заднюю стенку 44 резцедержателя 12 при воздействии на резец 10 обычных расчетных усилий. Уменьшение смещений резца сводит к минимуму ударное воздействие резца 10 на резцедержатель 12.
Кроме того, силы F не являются постоянными, т.е. силы имеют не только нормальную составляющую N и/или касательную составляющую Т. В прикладываемой силе присутствует определенная поперечная составляющая, например, сила F1, как показано на фиг. 6. Использование передних и задних V-образных опорных поверхностей 52, 53 на хвостовике 22 и передней и задней V-образных поверхностей 47, 48 в отверстии 14 наряду с V-образными нижними опорными поверхностями 41 выступа 30 и V-образными верхними опорными поверхностями 51 резцедержателя 12 обеспечивает сопротивляемость боковым силам (т.е. силам, таким как сила F1, с поперечной составляющей). Таким образом, одни и те же опорные поверхности способны сопротивляться силам F, имеющим в основном нормальную составляющую N, в основном касательную составляющую Т, и боковые составляющие расчетных сил на резце. Использование одних и тех же опорных поверхностей для обеспечения сопротивления нормальным составляющим, касательным составляющим и боковым силам уменьшает смещение, обычно происходящее между резцом и резцедержателем, что обеспечивает уменьшение износа обоих компонентов и увеличивает их срок службы. Это является особенно благоприятным для резцедержателя, поскольку его замена является намного более сложной и требует больше времени по сравнению с заменой резца.
В альтернативном варианте осуществления изобретения (фиг. 5 и 17-25) узел 108 резца содержит резцедержатель 112, аналогичный резцедержателю 12, обладающий многими такими же преимуществами и выполняет те же самые задачи. В приведенном ниже описании будут рассмотрены различия между этими двумя вариантами, и не будут подробно описаны их общие черты, свойственные узлу 108. В данном варианте выполнения узел 108 резца содержит крепеж 126 в виде штифта. Крепеж 126 выполнен с возможностью введения в отверстие 190 с одной стороны резцедержателя 112 и проходит сквозь резец 110 к другой стороне резцедержателя. Отверстие 190 может проходить насквозь резцедержателя, как это показано на чертежах, или может проходить по части резцедержателя. Кроме того, для удержания штифта 126 в отверстии 190 может использоваться фиксатор, например, шплинт, болт с гайкой или без гайки, крышка или стопорное кольцо. Кроме того, в качестве крепежа 126 вместо штифта может использоваться любой другой известный фиксатор.
Резцедержатель 112 содержит нижнюю поверхность 135, верхнюю поверхность 136, переднюю поверхность 137, заднюю поверхность 138, а также боковые поверхности 139 и 140. Предпочтительно, от нижней поверхности 135 к верхней поверхности 136 резцедержателя 112 по центральной части резцедержателя 112 проходит отверстие 114. Отверстие 114 содержит переднюю и заднюю поверхности 143 и 144, и боковые поверхности 145 и 146. Как показано на фиг. 21, отверстие 114 содержит участок 150 для размещения хвостовика, имеющий в основном прямоугольную форму. Также могут быть использованы другие формы отверстия 14 резцедержателя 12 узла 8 резца, например, ромбовидная форма. Аналогично, резцедержатель 12 может иметь отверстие для размещения хвостовика с участком прямоугольной формы.
2''
2'
1''
1'
Резцедержатель 112 содержит выемку 170 с отверстием 114, проходящим от нижней поверхности 135 к передней поверхности 137. Выемка 170 содержит наклоненную назад переднюю опорную поверхность 152, выполненную с возможностью размещения и упора резца 110 с комплементарной фиксирующей формой 175. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения фиксирующая форма выполнена в виде С-образного крюка 175, но может иметь и другие формы. Использование крюка 175, выполненного с возможностью зацепления с участком 150 для размещения хвостовика, уменьшает вероятность выхода резца из резцедержателя даже при наклоненном назад хвостовике 122. Уменьшение риска выпадения резца позволяет применять больший наклон хвостовика назад (т.е. опорных поверхностей хвостовика) для обеспечения более высокой сопротивляемости расчетным нагрузкам при определенных условиях работы. В некоторых случаях применение крюка 175, выполненного с возможностью зацепления с участком 150 для размещения хвостовика, обеспечивает лучшее распределение противодействующих сил, так что между силами R1'' и R2'' происходит лучшее разделение большей части нагрузки, приходящейся обычно на силу R2'', в результате чего уменьшается контактное давление от R2''. Соответственно, отверстие 114, предпочтительно, выполнено с наклоном назад относительно нормали 101. В рассматриваемом примере с резцом, установленным на барабане, линия 101 обычно проходит через точку взаимодействия конца 24 с породой и центр вращения узла 108 резца вокруг барабана 6. Предпочтительно, отверстие 114 отклонено назад относительно нормали 101 под углом Θ около 11°-35°, хотя могут использоваться большие или меньшие углы. В одном из предпочтительных вариантов угол Θ, например, составляет 20°. Аналогично, отверстие 114, предпочтительно, выполнено с наклоном вперед относительно верхней поверхности 136 резцедержателя 112 на угол Θ 55°-80°. В одном из предпочтительных вариантов выполнения, отверстие 114 отклонено вперед от верхней поверхности 136 на угол Θ около 70°.
Предпочтительно, верхняя опорная поверхность 151 выполнена с наклоном вперед относительно направления силы F, имеющей направленную внутрь (т.е. нормальную) составляющую N, так что верхняя опорная поверхность 151 проходит, в целом, перпендикулярно задним поверхностям 144. Такой наклон обеспечивает сопротивляемость расчетным нормальным нагрузкам без возникновения чрезмерно высоких напряжений в компонентах во время работы. Возможны другие формы и углы наклона, например, в целом V-образных верхних опорных поверхностей резца 10. Верхняя опорная поверхность 151 упирается в соответствующую нижнюю опорную поверхность 141 резца 110. Предпочтительно, передняя опорная поверхность 152 резцедержателя 112 покрыта твердосплавным материалом в местах, где хвостовик 122 резца создает противодействующую силу R1'', действующую на резцедержатель. Кроме того, резцедержатель также может быть покрыт твердосплавным материалом в местах, где резец создает воздействующие на резцедержатель противодействующие силы R2'' и R3'', где происходит истирание резцедержателя, где в резцедержателе расположен фиксатор резца, и в других местах резцедержателя с повышенным износом.
Резцедержатель 112, как и резцедержатель 12, также предпочтительно содержит проход или отверстие 115, проходящее рядом с задней поверхностью 138 от нижней поверхности 135 к верхней поверхности 136 резцедержателя 112. В отдельных случаях отверстие 115 может быть глухим, отходящим от верхней поверхности 136, и может примыкать к глухому отверстию, проходящему от задней поверхности 138 или одной из боковых поверхностей 139 или 140 (не показано). Отверстие 115 может располагаться за резцом 110, но может быть расположено и в других местах. Отверстие 115 содержит расточку 121 на верхней поверхности 136 резцедержателя 112 для размещения в ней компактного распылителя (не показан) для распыления воды на конец 124 резца 110 и на угольный пласт.
2''
2''
Резец 110 содержит хвостовик 122 для удержания его в резцедержателе 112 и головку 120 для взаимодействия с извлекаемым материалом. Удержание хвостовика 122 в отверстии 114 резцедержателя 112 осуществляется посредством крепежа 126. Для минимизации нежелательных смещений резца 110 в резцедержателе 112 обеспечивают жесткое соединение хвостовика 122 с резцедержателем 112 на передней и задней опорных поверхностях независимо от того, имеет ли сила F составляющую, направленную преимущественно внутрь, или направленную преимущественно назад. В данном варианте выполнения хвостовик 122 предпочтительно выполнен с наклоном назад от направления силы F, имеющей строго нормальную составляющую N. Предпочтительно, хвостовик 122 выполнен с наклоном назад относительно линии 101 на угол Θ 11°-35°, хотя могут использоваться большие или меньшие углы. В одном из возможных предпочтительных вариантов осуществления изобретения хвостовик 122 отклонен назад относительно линии 101 на угол Θ около 20°. Наклон назад хвостовика 122 увеличивает стабильность вследствие упора резца 110 в переднюю и заднюю опорные поверхности 152 и 156 резцедержателя 112 при воздействии на резец 110 обычных расчетных усилий.
3''
3''
Хвостовик 122 установлен в отверстии 114 резцедержателя 112 и имеет такую же форму, что и отверстие 114. Хвостовик 122 содержит переднюю угловую поверхность 155, заднюю и боковые поверхности 156-158, С-образный крюк 175, а также зазор или скошенную поверхность 171. Боковые поверхности 157-158 являются в основном плоскими и отходят вниз от головки 120 резца 110. Передняя угловая поверхность 155 хвостовика 122 отходит вниз от головки 120 резца 110 и образует V-образные передние поверхности 159 и 160, сходящиеся у передней угловой поверхности 155. С-образный крюк 175 отходит вперед и вниз от V-образных передних поверхностей 159 и 160 к нижней поверхности 154 хвостовика 122. С-образный крюк 175 содержит по существу плоскую поверхность 176, предпочтительно отклоненную вперед относительно линии 102 на угол Θ от 0° до 90°. Линия 102 проходит перпендикулярно задней поверхности 156 и, предпочтительно, вдоль нижней поверхности 154, однако нижняя поверхность может иметь и другую ориентацию. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения по существу плоская поверхность 176 С-образного крюка 175 предпочтительно отклонена от линии 102 на угол Θ от 45° до 55°. С-образный крюк хвостовика уменьшает вероятность выпадения резца во время работы. Кроме того, он может обеспечить более значительный наклон хвостовика назад. Скошенная поверхность 171 является в целом плоской и проходит от нижней поверхности 154 к задней поверхности 156. Задняя поверхность 156 является в целом плоской и проходит вниз от головки 120 резца 110. Несмотря на то, что плоские опорные поверхности являются предпочтительными, они могут иметь и другие формы. Скошенная поверхность 171 упрощает установку хвостовика 122 с С-образным крюком 175 в отверстие 114. Кроме того, совместно с описанным С-образным крюком могут использоваться и другие формы хвостовика, например, ромбовидная форма хвостовика резца 10.
Головка 120 резца 110 содержит выступ 130 и лезвие 123. Вершина 124 лезвия 123 в верхней части передней поверхности 131 предназначена для взаимодействия с извлекаемым материалом и его разрушения. Выступ 130 так же, как и хвостовик 122, обеспечивает стабилизацию резца 110 в резцедержателе 112. Выступ 130 содержит нижнюю опорную поверхность 141. Предпочтительно, нижняя опорная поверхность 141 выполнена с наклоном вперед относительно нормали 101. Предпочтительно, нижняя опорная поверхность 141 расположена под углом 90°-115° относительно задней опорной поверхности 156 (при измерении указанного угла в направлении против часовой стрелки от задней опорной поверхности к нижней опорной поверхности), что позволяет минимизировать смещения резца в резцедержателе. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения нижняя опорная поверхность 141 наклонена на угол 105° относительно задней поверхности 156 для регулирования разрушающего усилия, что будет описано далее.
Предпочтительно, нижняя опорная поверхность выполнена плоской, и ее форма соответствует форме соответствующих верхних опорных поверхностей 151 резцедержателя 112. Возможно применение и других форм, например, в целом, V-образных нижних опорных поверхностей резца 10. Предпочтительно, головка 120 не содержит пяты, что дает возможность передней опорной поверхности 152 и задней опорной поверхности 156 отверстия 114 резцедержателя 112 лучше сопротивляться противодействующим силам, воздействующим на данные поверхности, когда сила F имеет в целом касательную составляющую Τ или в целом нормальную составляющую N.
Предпочтительно, резец 110, так же, как и резец 10, выполнен с возможностью его отламывания в месте соединения головки 120 с хвостовиком 122 при воздействии разрушающего усилия. Это позволяет легко извлекать хвостовик 122, выталкивая его через отверстие 114 в резцедержателе 112, и извлекать его из выемки 107 барабана 6. Как и в резце 10, соединение V-образных передних поверхностей 159, 160 с нижней опорной поверхностью 141 выполнено с возможностью создания естественной точки концентрации напряжений для отламывания выступа от хвостовика.
Предпочтительно, хвостовик 22, так же как и хвостовик 22, имеет зазоры 163 и 164, образуемые передней и задней поверхностями 155 и 156. Передние зазоры 163 проходят от головки 120 вниз к передней опорной поверхности 152, в месте воздействия на резец 110 противодействующей силы R1''. Передняя опорная поверхность 152 расположена на верхней части С-образного крюка 175. Задний зазор 164 проходит от верхней части скошенной поверхности 171 вверх к задней опорной поверхности 156, в месте, где на резец 110 действует противодействующая сила R2''. Задняя опорная поверхность расположена на задней поверхности 156. Передний и задний зазоры 163 и 164 и скошенная поверхность 171 позволяют изготовить хвостовик 122 с жесткими допусками только относительно отверстия 114.
В приведенном выше описании рассмотрены конкретные примеры выполнения узлов с различными аспектами или особенностями настоящего изобретения. Предпочтительно, различные особенности изобретения используются совместно, так, как это было описано для двух рассмотренных вариантов его осуществления. Однако эти особенности могут использоваться и по отдельности, обеспечивая тем не менее определенные преимущества настоящего изобретения. Например, могут использоваться резцы с отклоненным назад хвостовиком, и это будет обеспечивать соответствующие преимущества, независимо от того, будут ли они применяться совместно с другими особенностями, такими как наклоненные вбок опорные поверхности, конструкция с изгибом, покрытие поверхности твердосплавным материалом, и т.д. Это относится к каждой из раскрытых особенностей изобретения. Кроме того, особенности одного варианта осуществления изобретения могут применяться совместно с особенностями другого варианта. Приведенные примеры и сочетание описанных особенностей не носят ограничительного характера, т.е. они не обязательно должны использоваться совместно.