ПРОХОДЧЕСКИЙ ЩИТОВОЙ АГРЕГАТ (ГЕОХОД)
TUNNELLING HEADER UNIT (GEOVEHICLE)

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к проходческим щитовым комплексам и агрегатам. Может быть использовано для проведения горных выработок, тоннелей, коллекторов и гидротехнических сооружений.
Известен проходческий щитовой агрегат, содержащий три цилиндрические секции, соединенные последовательно (а.с. СССР N1229354, кл. E21D 9/06, 1984 г.). Секции соединены между собой домкратами, а в передней части агрегата расположен исполнительный орган. Головная секция снабжена винтовой лопастью, а для предотвращения поворота остальных секций они снабжены выдвижными стабилизаторами. Для крепления выработки агрегат снабжен крепеукладчиком. Общим признаком известного и предлагаемого проходческих щитовых агрегатов является принцип работы, заключающийся в том, что разрушение массива происходит при винтовом движении головной секции, в которую встроен исполнительный орган. Недостатками известного агрегата является: стыковка секций осуществляется по пенальному принципу и силы трения скольжения, возникающие в таком узле, ухудшают энергетические характеристики; сложность гидравлической системы привода вращения; запутывание рукавов высокого давления, подводящих рабочую жидкость к гидроцилиндрам; возможен перекос секций относительно друг друга, что влечет за собой ухудшение условий работы гидроцилиндров; цикличность работы гидроцилиндров и непроизводительная потеря времени на задвигание штоков во время холостого хода; цапфы крепления гидроцилиндров к секциям испытывают большие нагрузки при вращении секции, что может привести к их поломке. Кроме того, агрегат является весьма металлоемким.
Частично указанные недостатки устранены в конструкции проходческого щитового агрегата, принятого в качестве аналога (а.с. СССР N 1647144, кл. E21D 9/06, 1991). Агрегат содержит секционную цилиндрическую оболочку из кинематически связанных головной и хвостовой секций с винтовой лопастью (движителем) на внешней поверхности головной секции и с продольными опорными элементами на внешней поверхности хвостовой секции.
Проходческий щитовой агрегат (геоход) состоит из цилиндрической оболочки, составленной из кольцевых секций. Первая из них, считая со стороны забоя, снабжена по наружной поверхности винтовой лопастью, а вторая имеет на наружной поверхности опорные элементы, выполненные в виде пластин, ориентированных вдоль продольной оси агрегата. Секции сопряжены между собой с возможностью относительного вращения, а в осевом направлении между секциями имеется жесткая кинематическая связь, составленная из двух рядов роликов, установленных с возможностью вращения вокруг собственных осей. Ролики взаимодействуют с боковыми поверхностями шпангоутов, снабженных венцами из цевок, венцы отличаются один от другого количеством цевок. В зацеплении с венцами находятся блоки сателлитных шестерен, которые установлены по периметру кольца с возможностью вращения вокруг их продольных осей. Кольцо со стороны выработанного пространства снабжено венцом из цевок, в зацеплении с которым находится выходная шестерня двигателя, неподвижно установленного на внутренней поверхности секции. Со стороны забоя кольцо жестко связано с погрузочным ротором посредством радиально расположенных планок. Ротор установлен с возможностью вращения относительно обеих секций на втулках, которые жестко закреплены на секциях соответственно. На внутренней поверхности ротора, по его периметру, закреплены погрузочные лопатки. Внутри ротора расположен шнек с захватывающим его транспортирующим лотком, причем шнек со стороны забоя жестко соединен с ротором, а транспортирующий лоток своим фланцем закреплен на торце втулки. Торец секции со стороны забоя оснащен исполнительным органом.
Недостатками известного проходческого агрегата являются: небольшая нагрузочная способность цевочной передачи, при помощи которой передается вращение на головную секцию; значительная нагрузка на ролики при движении может привести к большим изгибающим нагрузкам на ось роликов, что может привести к перекосу их осей и заклиниванию.
Задачей изобретения является повышение надежности работы агрегата, повышение нагрузочной способности привода агрегата, повышение эффективности проходки за счет совмещения во времени процессов разрушения забоя, транспортирования отделенной горной массы от забоя, а также расширение области применения агрегата.
Предложен проходческий щитовой агрегат (геоход), содержащий головную секцию с винтовой лопастью (движителем) на наружной поверхности, исполнительный орган и механизм выгрузки отбитой массы в виде шнекового породоуборочного органа, хвостовую секцию с продольными опорными элементами, ориентированными вдоль продольной оси агрегата, секции агрегата, соединенные между собой с возможностью поворота головной секции относительно ее продольной оси, и механизм вращения головной секции. Механизм вращения состоит из приводного полого вала, на котором расположены два генератора волн, выполненные с эксцентриситетом относительно оси приводного вала, зубчатого венца, выполненного на внутренней поверхности головной секции, сепаратора, соединенного с концевой секцией, и промежуточных тел качения - шариков. Число зубьев зубчатого венца на единицу больше числа промежуточных тел качения. Секции в осевом направлении имеют жесткую кинематическую связь, состоящую из двух соприкасающихся кольцевых выступов, один выступ расположен на сепараторе, второй выступ расположен на внутренней поверхности головной секции, приводной вал установлен на опорах качения, причем одна опора установлена в головной секции, а другая - в концевой секции, приводной вал со стороны выработанного пространства имеет приводную шестерню, приводная шестерня выполнена с возможностью вращения от двигателей через шестерню двигателя, двигатели неподвижно установлены на внутренней поверхности концевой секции.
Новым в конструкции агрегата является механизм вращения головной секции, в котором применен принцип волновой передачи с промежуточными телами качения. Механизм вращения приводится в движение двигателями, установленными на оболочке концевой секции. Механизм вращения установлен на опорах качения, причем одна опора установлена в головной секции, другая - в концевой секции.
Использование в приводе принципа планетарной передачи с промежуточными телами качения позволит получить больший крутящий момент по сравнению с цевочной передачей, а также высокие передаточные отношения. Замена роликов позволит повысить жесткость соединения головной и концевой секции, что обеспечит более устойчивое движение головной секции в заданном направлении. В конструкции механизма вращения с высокой скоростью вращается только вал с эксцентриковыми генераторами, который имеет сравнительно небольшую массу, эксцентриситет смещения осей генераторов противоположен относительно оси приводного вала, поэтому общий момент инерции масс генераторов уравновешивается, что позволяет осуществлять быстрый запуск и торможение привода, а также динамичное реверсирование вращения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен общий вид проходческого щитового агрегата, на фиг.2 - разрез по А-А, на фиг.3 - разрез по Б-Б, на фиг.4 - разрез по В-В, на фиг.5 - разрез по Г-Г.
Проходческий щитовой агрегат (геоход) содержит последовательно установленные головную 1 и хвостовую 2 цилиндрические секции. На внешней поверхности головной секции закреплена винтовая лопасть (движитель) 3, а на хвостовой секции закреплены продольные опорные элементы 4. Секции соединены между собой с возможностью поворота головной секции 1 вокруг своей продольной оси. Механизм вращения головной секции состоит из приводного полого вала 5, на котором расположены два генератора волн 6 и 7, выполненные с эксцентриситетом е относительно оси приводного вала, зубчатого венца 8 (фиг.3), выполненного на внутренней поверхности головной секции 1, сепаратора 9, соединенного с концевой секцией 2, и промежуточных тел качения - шариков 10 (фиг.4). Число зубьев зубчатого венца на единицу больше числа промежуточных тел. Секции 1 и 2 в осевом направлении имеют жесткую кинематическую связь, состоящую из двух соприкасающихся кольцевых выступов 11 и 12, выступ 11 расположен на сепараторе, выступ 12 расположен на внутренней поверхности головной секции 1. Выступ 12 при вращении головной секции вместе с ней двигается вперед, соприкасается с выступом 11, вместе с выступом 11 двигается сепаратор 9 и концевая секция 2. Приводной вал 5 установлен на опорах качения 13, причем одна опора установлена в головной секции 1, а другая - в концевой секции 2. Вал 5 со стороны выработанного пространства имеет приводную шестерню 14. Приводная шестерня 14 вращается от двигателей 15 через шестерню двигателя 16. Двигатели установлены на внутренней поверхности секции 2. Породоуборочный орган щитового проходческого агрегата (геохода) состоит из ротора 17, на внутренней поверхности которого, по его периметру, расположены погрузочные лопатки 21 (фиг.2), а также шнекового транспортера 18, диафрагмы 24. Шнековый транспортер 18 охватывается транспортирующим лотком 22. Транспортирующий лоток 22 закреплен во втулке 20. Диафрагма 24 соединена транспортирующим лотком 22. Ротор 17 соединен с полым валом 5, от которого получает вращение. Ротор 17 имеет возможность вращения относительно секций проходческого агрегата (геохода). Торец секции 1 со стороны забоя оснащен исполнительным органом 23 ножевого типа.
Агрегат работает следующим образом. Вращение от двигателя 15 через шестерню двигателя 16 передается на приводной вал 5, затем на два генератора волн 6 и 7. Оси генераторов волн 6 и 7 в процессе вращения совершают орбитальные движения по окружности радиусом е и перемещают промежуточные тела качения 10 (фиг.4), расположенные в пазах сепаратора 9, в строго радиальном направлении. Промежуточные тела качения 10, взаимодействуя с внутренней профильной поверхностью зубчатого венца 8, ось которого - точка 0, и направляющими сепаратора, разворачивают их относительно друг друга, вращая головную секцию 1 агрегата. При этом выходным звеном данной передачи является зубчатый венец 8 (фиг.3), который располагается на внутренней поверхности головной секции, а неподвижный сепаратор 9 соединен с неподвижной концевой секцией 2. В силу того что число зубьев венца на единицу больше числа промежуточных тел качения, должно происходить относительное вращение секций 1 и 2, но поскольку секция 2 зафиксирована от поворота опорными элементами 4, взаимодействующими с массивом пород, начинает вращаться секция 1. При этом винтовая лопасть 3 секции 1, находящаяся в винтовом канале, сформированном исполнительным органом 23 в массиве, начинает взаимодействовать с массивом и сообщает секции 1 поступательное движение в осевом направлении - происходит подача исполнительного органа 23 на забой и разрушение забоя. Кроме того, секция 1 увлекает за собой секцию 2 за счет взаимодействия выступов 11 и 12. Для предотвращения просыпания горной массы в кольцевой зазор секции соединяются встык с минимальным зазором. Удаление от забоя отбитой горной массы осуществляется породоуборочным органом. На роторе 17 установлены погрузочные лопатки 21 (фиг.2), ротор 17 приводится во вращательное движение от приводного вала 5. Отбитая горная масса захватывается погрузочными лопатками 21 и попадает в приемное окно транспортирующего лотка 22, по которому перемещается с помощью шнекового породоуборочного органа 18, вращающегося вместе с ротором 17.
Задача повышения надежности и нагрузочной способности решается за счет введения волновой передачи, позиции 8, 9, 10 на фигурах 3, 4. Задача повышения эффективности решается за счет совмещения во времени процессов разрушения забоя, транспортирования отделенной горной массы и перемещения агрегата на забой. Задача расширения области применения решается за счет возможного применения проходческого щитового агрегата при прокладке трубопроводов, сооружении коллекторов.