УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗКИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И ЕГО БЕСКОНЕЧНЫЙ РАБОЧИЙ ОРГАН
DEVICE FOR CUTTING HARD MATERIALS AND ITS DURABLE WORKING ELEMENT

Область техники
Изобретение относится к области добычи и обработки различных твердых материалов резанием при помощи гибкого бесконечного рабочего органа, например камнедобычи и камнеобработки.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время для добычи и обработки различных каменных материалов резанием широко используются станки с гибким бесконечным рабочим органом.
Известна установка для канатной распиловки камня, содержащая вертикальные направляющие, соединенные в верхней части балкой, на которых размещены суппорты с приводом перемещения, установленные на суппортах шкивы, один из которых соединен с электродвигателем, охватываемые бесконечным режущим органом в виде каната (авторское свидетельство SU 1065218 А, кл. B28D 1/08; 07.01.1984 г.; бюл. №1).
Во всех известных установках для осуществления технологического процесса резания необходимо создавать определенной величины контактное давление между гибким бесконечным рабочим органом и обрабатываемым материалом. Нормальное контактное давление создается при помощи натяжения гибкого бесконечного рабочего органа, который предварительно затягивается на приводных шкивах для передачи ему движения соответствующей мощности. Величина усилия предварительного натяжения соизмерима с рабочим усилием. Напряжения, возникающие от изгиба гибкого бесконечного рабочего органа на приводных шкивах, пропорциональны отношению диаметра поперечного сечения несущей части рабочего органа к диаметрам приводных шкивов. Уменьшение величин изгибных напряжений при помощи увеличения диаметров приводных шкивов приводит к тому, что увеличивается межосевое расстояние передачи и для осуществления технологического процесса приходится увеличивать предварительное натяжение гибкого бесконечного рабочего органа.
Учитывая, что процесс резки осуществляется при скоростях 30÷40 м/сек, алмазные перлины, установленные периодически на несущей части гибкого бесконечного рабочего органа, претерпевают большие ударные нагрузки при входе в зону резания, что отрицательно влияет на прочность гибкого бесконечного рабочего органа.
Неэффективное использование прочностных ресурсов гибкого бесконечного рабочего органа приводит к увеличению диаметра несущей части гибкого бесконечного рабочего органа, а сравнительно длинная зона резания затрудняет удаление продуктов процесса резания и создает условия для интенсивного износа рабочего органа.
Ограничены технологические возможности при осуществлении реза в больших массивах или деталях строительных конструкций, подход к краевым элементам которых затруднен. Приходится заранее перфорировать технологические отверстия в зоне резки, через которые проводят ветвь гибкого бесконечного рабочего органа и после закрепления его концов переходят к процессу резания. Вспомогательные операции приводят к снижению производительности процесса резания.
Часть приведенных недостатков устранена в предложенной нами конструкции устройства с гибким бесконечным рабочим органом (заявка №2006118034; 25.05.2006; опубликовано бюл. №35). Однако, как показали проведенные нами испытания, предложенная конструкция устройства с гибким бесконечным рабочим органом не может нормально функционировать с выпускающимися промышленностью гибкими бесконечными рабочими органами.
Известные конструкции гибкого бесконечного рабочего органа (US Patent "Cable variety stone cutting saw; №2679839; 01.06.1954") не обеспечивают необходимую гладкость траектории движения режущих втулок в зоне образования висячей открытой петли, что приводит к возникновению ударных нагрузок в зоне резания. При больших скоростях возникающие ударные нагрузки являются причиной появления беспорядочных колебаний висячей открытой петли гибкого бесконечного рабочего органа, что препятствует нормальному процессу резания. Контакт бесконечного рабочего органа с приводным роликом в зоне прижатия ременной передачи носит дискретный характер и является причиной его неравномерного движения. В зонах огибания гибкого бесконечного рабочего органа на направляющих роликах возникают большие изгибные деформации, которые являются причиной отсутствия непрерывного контакта гибкого бесконечного рабочего органа с роликами и уменьшения жесткости системы резания.
Следовательно, необходима конструкция гибкого бесконечного рабочего органа, способная функционировать с предлагаемой конструкцией устройства резания твердых материалов.
Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача создания устройства для резки при помощи гибкого бесконечного рабочего органа различных твердых материалов с таким конструкторским выполнением, которое позволило бы устранить указанные выше недостатки.
Эта задача решена созданием устройства резки твердых материалов, включающего, по меньшей мере, один гибкий бесконечный рабочий орган (его конструкция рассматривается ниже), оснащенный режущими втулками, корпус, на котором установлены механизм подачи на резание и направляющий приводной механизм. Механизм подачи на резание состоит, по меньшей мере, из одной пары роликов, снабженных периферийными кольцевыми пазами, в которых подвижно установлены ветви ремней ременных передач, а один из роликов оснащен приводом линейной подачи. Направляющий приводной механизм состоит из ременной передачи с затяжным механизмом, снабженным регулируемой тягой и, по меньшей мере, одной пары снабженных периферийными кольцевыми пазами роликов, один из которых является ведущим и кинематически связан с приводом устройства. Устройство отличается тем, что ветви гибкого бесконечного рабочего органа подвижно установлены в периферийные кольцевые пазы роликов механизма подачи на резание и, огибая ролики механизма подачи на резание, проходят через периферийные кольцевые пазы роликов направляюще приводного механизма таким образом, что за ними образуют открытую петлю, которая способна линейно перемещаться при перемещении подвижного ролика механизма подачи на резание, а ветви ремней ременных передач механизма подачи на резание и направляюще приводного механизма в зонах контакта гибкого бесконечного рабочего органа с периферийными кольцевыми пазами роликов обеспечивают прижатие гибкого бесконечного рабочего органа к контактным поверхностям периферийных кольцевых пазов роликов.
Основной принцип работы предложенного устройства заключается в том, что для натяжения гибкого бесконечного рабочего органа служат центробежные инерционный силы, возникающие в открытой петле при движении гибкого бесконечного рабочего органа по криволинейной траектории. В открытой петле гибкого бесконечного рабочего органа действуют инерционные центробежные силы, величина которых зависит от скорости движения гибкого бесконечного рабочего органа и его линейной массы (масса гибкого рабочего органа, деленная на его длину). В гибком бесконечном рабочем органе под действием центробежных сил возникают растягивающие усилия, придающие ему достаточной упругой жесткости для осуществления процесса резания. Учитывая, что резание твердых пород производят при больших скоростях при помощи предложенного устройства можно получить натяжение гибкого рабочего органа, вполне достаточное для осуществления процесса резания. Например, для часто применяемых в практике гибких рабочих органов, оснащенных алмазсодержащими перлинами диаметром 11-12 мм, при скорости резания 60 м/сек, сила натяжения бесконечного рабочего органа в зоне резания равно более 2500 Н. При этом, в отличие от существующих устройств, увеличение подачи на глубину резания приводит к уменьшению силы натяжения гибкого бесконечного рабочего органа. Следовательно, исключается разрыв несущего стального каната бесконечного рабочего органа в процессе резания.
Направляюще приводной механизм установлен в корпусе устройства для резки твердых материалов и служит для передачи движения и поддержания направления движения ветвей гибкого бесконечного рабочего органа. Направляюще приводной механизм состоит из снабженных кольцевыми пазами пары роликов, один из которых является приводным, и ременной передачи. Приводной ролик кинематически связан с приводом устройства резки твердых материалов. Ременная передача направляюще приводного механизма установлена в плоскости вращения роликов приводного механизма с противоположной стороны открытой петли гибкого бесконечного рабочего органа и в зонах контакта гибкого бесконечного рабочего органа с периферийными кольцевыми пазами роликов направляюще приводного механизма обеспечивает прижатие гибкого бесконечного рабочего органа к контактным поверхностям периферийных кольцевых пазов роликов. Предлагаемая конструкция позволяет передавать гибкому рабочему органу движение необходимой мощности при сравнительно небольшой величине его натяжения и отпадает необходимость создания предварительного натяжения гибкого бесконечного рабочего органа. Для обеспечения долговечности ремня и обеспечения высоких скоростей движения гибкого бесконечного рабочего органа удобно пользоваться плоскоременной передачей. Конструктивные элементы ременной передачи необходимо рассчитывать из условия обеспечения их прочности при создании необходимого контактного давления на гибкий бесконечный рабочий орган при помощи ремня. Величина контактного давления определяется из условия обеспечения контакта гибкого бесконечного рабочего органа с кольцевым пазом приводного ролика при максимальной скорости вращения приводного ролика. Диаметр ведущего ролика определяется из условия прочности гибкого рабочего органа при действии на него необходимого для резания натяжения и изгиба по радиусу ведущего ролика. Использование устройства передачи движения предложенной нами конструкции позволяет обеспечить минимальный диаметр ведущего ролика и независимо от величины скорости гибкого бесконечного рабочего органа обеспечить передачу необходимой для процесса резания приводной мощности. Для обеспечения необходимой долговечности ременной передачи и, исходя из удобства конструкторской компоновки устройства, следует диаметр ведомого ролика принимать равным диаметру ведущего ролика.
При помощи механизма подачи на резание открытая петля гибкого бесконечного рабочего органа получает линейное перемещение по направлению ветвей рабочего органа, образующих открытую петлю, что обеспечивает необходимую глубину резания. Механизм подачи на резание состоит из одной пары роликов, оснащенных периферийными кольцевыми пазами, и ременных передач, установленных в плоскости вращения каждого ролика. Один из роликов механизма подачи на резание оснащен приводом и снабжен направляющими, что позволяет плавно менять расстояние между роликами механизма подачи на резание. Когда включается привод линейного перемещения ролика механизма подачи на резание, автоматически снижается величина усилия натяжения ремня ременной передачи (например, включается привод затяжного механизма ременной передачи приводного механизма) направляюще приводного механизма и инерционные центробежные силы, действующие в открытой петле гибкого бесконечного рабочего органа, сообщают перемещение открытой петле гибкого бесконечного рабочего органа. После достижения соответствующей глубины резания затягивается ремень ременной передачи направляюще приводного механизма, и устройство резки твердых материалов продолжает технологический процесс резания. Ременные передачи механизма подачи на резание установлены в плоскости вращения роликов механизма подачи на резание со стороны огибания роликов гибким бесконечным рабочим органом. Они в зонах контакта гибкого бесконечного рабочего органа с периферийными кольцевыми пазами роликов обеспечивают прижатие гибкого бесконечного рабочего органа к контактным поверхностям периферийных кольцевых пазов роликов и при уменьшении расстояния между роликами позволяют освобожденному отрезку рабочего органа под действием инерционных сил перемещаться к открытой петле.
Сравнительно небольшое натяжение каната и отсутствие возможности его роста в процессе резания, а также осуществление процесса реза дискообразным (форма открытой петли гибкого бесконечного рабочего органа) рабочим инструментом позволяет существенно увеличить долговечность гибкого рабочего органа, упростить технологический процесс резания и уменьшить энергоемкость технологического процесса.
Устройство для резки твердых материалов можно использовать также для выполнения резки по известным методам. При этом отключаются затяжные механизмы ременных передач механизма подачи на резание, а открытая петля гибкого бесконечного рабочего органа обхватывает объект резания.
Для обеспечения необходимого контактного давления на гибкий бесконечный рабочий орган затяжные механизмы ременных передач направляюще приводного механизма и механизма подачи на резание снабжают приводом. Затяжные механизмы позволяют регулировать контактное давление со стороны ремней и обеспечить необходимое контактное давление на гибкий бесконечный рабочий орган в зависимости от выполняемой технологической операции.
Можно ведомый ролик направляюще приводного механизма снабжать возможностью линейного перемещения, что позволит регулировать расстояние между приводным и ведомым роликом и, тем самим, регулировать кривизну открытой петли гибкого бесконечного рабочего органа, что позволит обеспечить необходимую интенсивность инерционных центробежных сил в зоне резания.
Можно периферийные кольцевые пазы роликов направляюще приводного механизма и механизма подачи на резание снабжать слоем фрикционного покрытия (например, пластик EPDM 80). Это позволит существенно повысить коэффициент трения между гибким бесконечным рабочим органом и роликами направляюще приводного механизма и, тем самым, не только увеличить приводную мощность, но и увеличить долговечность гибкого бесконечного рабочего органа, и уменьшить истирание алмазных зерен.
Можно устройство оснастить несколькими гибкими бесконечными рабочими органами, что позволит осуществить одновременный рез в нескольких параллельных плоскостях. При этом общее количество комплектов направляюще приводных механизмов и механизмов подачи на резание равно количеству используемых гибких бесконечных рабочих органов. Для упрощения установки толщин разрезаемых плит удобно комплекты установить смещенными в шахматном порядке. При этом, в отличие от существующих станков, в которых используются сложные механизмы натяжения, предлагаемая конструкция обеспечивает практически равномерное натяжение гибкого бесконечного рабочего органа.
Можно устройство оснастить системой подачи воды в зону резания. Это позволит увеличить долговечность гибкого бесконечного рабочего органа.
Для передвижения устройства для резки твердых материалов как во время технологического процесса резания, так и при транспортировке можно его оснастить механизмом передвижения. Установив под корпусом устройства для резки твердых материалов три колесные пары (по длине устройства) таким образом, чтобы обеспечить возможность качения установки относительно средних пар колес, можно не только облегчить его передвижение, но и обеспечить уклон открытой петли гибкого бесконечного рабочего органа относительно поверхности резания и, тем самим, облегчить процесс резания. При этом необходимо средние колесные пары установить у центра тяжести устройства для резки твердых материалов.
Основным звеном, осуществляющим непосредственно процесс резания, является гибкий бесконечный рабочий орган. Учитывая, что известные гибкие бесконечные рабочие органы не обеспечивают работоспособность предложенного устройства резки твердых материалов, нами разработана новая конструкция рабочего органа.
Гибкий бесконечный рабочий орган для резки твердых материалов, включающий стальной трос, на котором, по меньшей мере, через одну режущую втулку закреплены промежуточные втулки и замок для соединения концов стального троса, отличается тем, что между режущими втулками, промежуточными втулками и замком на стальной трос установлено, по меньшей мере, по одной пружинной шайбе, а промежуточные втулки и замок закреплены на стальном тросе таким образом, что обеспечивают непрерывный контакт пружинных шайб с торцевыми поверхностями промежуточных втулок, режущих втулок и замка при деформации гибкого бесконечного рабочего органа в зоне открытой петли.
Стальной трос является несущим элементом гибкого бесконечного рабочего органа, на котором установлены режущие и промежуточные втулки. Концы стального троса устанавливаются в замковую втулку (замок) и прессуются. Диаметр замка не должен превышать диаметр внутренних втулок, установленных в режущих втулках. Для обеспечения достаточной прочности соединения при прессовании необходимо обеспечить изостатическое сжатие втулки, что достигается ограничением ее осевой деформации при прессовании. Можно совместно с прессованием произвести пайку. Сначала производится прессование и потом только пайка. При этом для восстановления структурного состояния концов стального троса замковый узел необходимо подвергать температурному отпуску.
Режущие втулки (перлины) являются составными. Они состоят из двух соосных втулок. Внутренняя втулка, которая непосредственно контактирует со стальным тросом, изготавливается из мягкой стали, что позволяет исключить повреждение поверхности стального троса в процессе резки. Внешний режущий слой режущих втулок изготавливается методом термической прессовки алмазсодержащей металлической шихты на внутреннюю втулку или гальваническим насаждением алмазного порошка на поверхность внутренней втулки. Длина режущих втулок определяется из следующего условия: разность радиусов описанной и вписанной окружностей, проведенных по внешнему контуру режущих втулок в открытой петле гибкого бесконечного рабочего органа, не превосходит величину высоты средних выступов алмазных зерен режущих втулок. Это позволяет избежать появления ударных нагрузок при входе режущих втулок в зону резания. Для избежания возникновения ударных нагрузок в процессе резания необходимо также ограничивать расстояние между режущими втулками. Это расстояние не должно превышать длину режущих втулок.
Для плавного изменения нагрузки на режущие втулки при входе в зону резания, а также установления необходимого зазора как между режущими втулками, так и между режущими и промежуточными втулками, а также замком (для удаления отходов процесса резания), с обоих концов режущих втулок устанавливаются пружинные шайбы, которые обеспечивают необходимую жесткость деформации гибкого бесконечного рабочего органа при минимальной толщине пружинной шайбы. Для обеспечения работоспособности гибкого бесконечного рабочего органа при его повороте относительно своей геометрической оси необходимо использовать осесимметричные пружинные шайбы (например, тарельчатые, или зубчатые, или волнистые с четным количеством волн) или центрально-симметричные (например, волновые шайбы с нечетным числом волн). Если устанавливаются пружинные шайбы друг за другом (для обеспечения необходимой гибкости рабочего органа), то следует между ними устанавливать плоскую шайбу для обеспечения осесимметричности деформации гибкого бесконечного рабочего органа. Количество и жесткость устанавливаемых пружинных шайб определяется из условия необходимой гибкости гибкого бесконечного рабочего органа. Внешний диаметр пружинных шайб не должен превосходить диаметр внутренних втулок, установленных в режущих втулках.
Для ограничения осевого перемещения режущих втулок по длине стального троса гибкого бесконечного рабочего органа предусмотрены промежуточные втулки, которые изготавливаются из мягких, но прочных материалов (например, латунь или мягкая сталь), и закрепляются на стальном тросе, по меньшей мере, через каждую режущую втулку. Количество режущих втулок, через которые закрепляются промежуточные втулки, вместе с жесткостью используемых пружинных шайб определяют статическую жесткость гибкого бесконечного рабочего органа. Практически промежуточные втулки удобно установить через 1-4 режущих втулок. Диаметр промежуточных втулок не должен превышать диаметр внутренних втулок, установленных в режущих втулках. Для обеспечения постоянства статической гибкости по длине гибкого бесконечного рабочего органа необходимо обеспечить предварительное сжатие пружинных шайб в процессе сборки гибкого бесконечного рабочего органа. Величина предварительного сжатия пружинных шайб определяется из условия обеспечения полного контакта пружинных шайб с торцевыми поверхностями промежуточных и режущих втулок при изгибной деформации гибкого бесконечного рабочего органа в зоне образования открытой петли.
Для увеличения гибкости гибкого бесконечного рабочего органа между режущими втулками устанавливаются две и более пружинные шайбы. При этом для обеспечения осесимметричности передаваемых усилий, возникающих в процессе резания, между пружинными шайбами устанавливаются прямые шайбы.
Можно перед сборкой бесконечного рабочего органа на поверхность стального троса под давлением нанести слой пластика (например, десмопан), что позволит исключить смятие и контактный износ проволок стального троса. Для обеспечения прочности гибкого бесконечного органа перед закреплением концов стального троса необходимо его подзамковые поверхности очищать от пластика.
Удобно использовать зубчатые пружинные шайбы с внешними зубьями, внешний диаметр которых равняется внешнему диаметру режущих втулок. При этом в начальной стадии работы, когда еще концы режущих втулок не изношены (округлены) и ударная нагрузка, действующая на режущие втулки при входе в зону резания, большая, гибкость зубчатых пружинных шайб бывает высокой. Со временем изнашиваются как концы режущих втулок, так и зубья зубчатых пружинных шайб, что увеличивает их жесткость.
При резке материалов не высокой прочности режущие втулки можно изготовить из твердого сплава. Учитывая, что твердые сплавы обладают высоким удельным весом, натяжение гибкого бесконечного рабочего органа можно будет обеспечить при сравнительно низких скоростях резания.
Для лучшего понимания предлагаемого изобретения приведены схематичные изображения предлагаемого устройства и гибкого бесконечного рабочего органа.
Фиг.1 схематично изображает конструкцию устройства для резки твердых материалов с гибким бесконечным рабочим органом согласно изобретению;
Фиг.2 схематично изображает гибкий бесконечный рабочий орган предлагаемого устройства для резки твердых материалов;
Фиг.3 изображает в увеличенном масштабе отрезок гибкого бесконечного рабочего органа, приведенного на Фиг.2;
Фиг.4 схематично изображает отрезок гибкого бесконечного рабочего органа с установленными по две пружинными шайбами.
Предлагаемое устройство для резания твердых материалов с гибким бесконечным рабочим органом (фиг.1) состоит из корпуса (2), на котором установлены направляюще приводной механизм с приводом (12) и механизм подачи на резание. Направляюще приводной механизм состоит из одной пары снабженных периферийными кольцевыми пазами роликов (3, 4) и ременной передачи (5). Один из роликов является ведущим (3) и кинематически связан с приводом устройства (12). Для обеспечения прижатия гибкого бесконечного рабочего органа (1) к периферийным кольцевым пазам роликов (3, 4) направляюще приводного механизма ременная передача (5) снабжена регулируемым затяжным механизмом (6).
Механизм подачи на резание состоит из ролика (7), установленного на неподвижной оси, и подвижного ролика (9), который снабжен механизмом линейной подачи (11). На обоих роликах установлены ременные передачи (8) и (10), которые прижимают ветви гибкого бесконечного рабочего органа (1) к периферийным пазам роликов (7 и 9) механизма подачи.
На Фиг.2 показано схематичное изображение гибкого бесконечного рабочего органа, предназначенного для работы в предлагаемом устройстве по резке твердых материалов согласно формуле изобретения. На стальном тросе (18) (Фиг.3) через одну установленную режущую втулку (13) закреплены промежуточные втулки (14). Концы стального троса (18) соединены при помощи замка (16). Между промежуточными втулками (14), режущими втулками (13) и замком установлены прижатые ими пружинные шайбы (15).
На Фиг.4 приведен в увеличенном масштабе отрезок гибкого бесконечного рабочего органа, в котором между закрепленными промежуточными втулками (14) установлены по четыре режущие втулки (13). Между режущими втулками (13) установлены по две пружинные шайбы (15), разъединенные прямой шайбой (17).
Устройство работает следующим образом.
Включается главный привод устройства. При помощи приводного механизма гибкому бесконечному рабочему органу сообщается рабочее движение. После достижения контакта бесконечного рабочего органа с обрабатываемым материалом начинается процесс резки.
Настоящее изобретение может быть использовано при добыче и обработке различных каменных материалов.