РЕЖУЩИЙ МЕХАНИЗМ ВИБРАЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ ТВЕРДОЙ ПОРОДЫ С ФУНКЦИЕЙ НАПРАВЛЕННОЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ АБРАЗИВНО-СТРУЙНОЙ ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ НАДРЕЗКИ
VIBRATION-TYPE CUTTING MECHANISM FOR HARD ROCK WITH DIRECTED HIGH-SPEED ABRASIVE-WATERJET ADVANCE NOTCHING FUNCTION

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к режущему механизму вибрационного типа для твердой породы с функцией направленной высокоскоростной абразивно-струйной опережающей надрезки, пригодного для прокладки в твердой породе дорог и туннелей.
Описание известного уровня техники
[0002] Энергетика является базовой отраслью национальной экономики и техникоемкой отраслью. Характерные особенности современной технологии в энергетике кратко описываются как «безопасная, эффективная и низкоуглеродная», и они являются главным направлением для захвата командных высот в технологиях энергетики будущего. Национальная энергетическая технология «Двадцатипятилетний план» предполагает усиление возможностей свободных инноваций, использует неограниченные технологии для преодоления ограничений, связанных с ограниченностью выработки энергии и ограниченностью ресурсов, за счет сосредоточения на усовершенствовании безопасной и эффективной разработки энергетических ресурсов, содействуя преобразованию способов производства и использования энергии и планирования принятия технологии изыскания источников энергии и горных работ как одной из четырех ключевых областей развития, что в явном виде требует развития надежных, эффективных, экономичных и безопасных для окружающей среды технологий и оборудования для горных работ в сложных геологических условиях, таких как, например, разработка горного проходческого комбайна, пригодного для породы с прочностью на сжатие 100 МПа, и эффективной скважинной двигательной и породоразрушающей системы. При условии широкого применения машин для выемки породы в таких практических проектах, как горные работы, прокладка туннелей, бурение нефтяных и газовых скважин, это выдвигает более высокие требования и бросает новые вызовы технологии разрушения твердой породы. Механическое разрушение породы имеет преимущества в виде разрушения больших блоков, высокой производительности и т.п.; и оно широко используется в технологии горных работ, строительстве, добыче ресурсов и других областях. Однако при строительстве, связанном с выемкой толщи твердой породы, усиливается износ инструмента и снижается надежность, а также производительность существующего оборудования. Достижение эффективного разрушения твердой породы стало насущной проблемой и задачей, требующей решения. Необходимо срочно изучить новый способ разрушения породы для достижения эффективного разрушения твердой породы, что является чрезвычайно важным для эффективной проходки шахт, прокладки туннелей и разработки энергетических ресурсов в Китае.
[0003] В прошлом механического разрушения твердой породы достигали, главным образом, путем увеличения механической мощности привода, а способность механического резца к разрушению породы не изменялась. Одно лишь увеличение мощности вызывает усиление износа породоразрушающего механизма и увеличение количества пыли в ходе работы, что делает затруднительным эффективное повышение эффективности механического разрушения породы и увеличивает угрозы безопасности.
Краткое описание изобретения
[0004] Цель изобретения: для преодоления недостатков в известном уровне техники настоящее изобретение предусматривает режущий механизм вибрационного типа для твердой породы с функцией направленной высокоскоростной абразивно-струйной опережающей надрезки. Для значительного уменьшения сопротивления толщи породы вначале на траектории резания дисковой фрезы с использованием абразивной струи высокого давления образуется поверхность с трещиной. Дисковая фреза врезается в поверхность с трещиной в толще породы. Для значительного повышения эффективности и способности к механическому разрушению породы, дисковая фреза вибрирует и режет раздробленную толщу породы при содействии вибродвигателя. Данный механизм способен решить проблемы серьезного износа оборудования, низкой эффективности разрушения породы, большого количества пыли и т.п. в случае толщи твердой породы в процессе строительства дорог или туннелей, за счет чего достигается безопасная, эффективная и дешевая прокладка дорог в толще твердой породы.
Техническое решение
[0005] Для достижения вышеуказанной цели в настоящем изобретении применяются следующие технические решения:
[0006] режущий механизм вибрационного типа для твердой породы с функцией направленной высокоскоростной абразивно-струйной опережающей надрезки содержит дисковую фрезу, главный вал фрезы и клапанную пластину.
[0007] Наружная сторона клапанной пластины снабжена впускным отверстием для абразивной струи, внутренняя сторона клапанной пластины снабжена проточным каналом в форме дуговой канавки, и впускное отверстие для абразивной струи и проточный канал в форме дуговой канавки соединены проточным каналом I. Внутренняя сторона клапанной пластины и обе стороны проточного канала в форме дуговой канавки снабжены канавкой вращательно подвижного кольцевого уплотнения, в канавке вращательно подвижного кольцевого уплотнения установлено уплотнительное кольцо, и с помощью этого уплотнительного кольца достигается герметичное соединение между клапанной пластиной и главным валом фрезы.
[0008] В главном вале фрезы равномерно расположена группа проточных каналов II, и в ходе вращения главного вала фрезы один или несколько проточных каналов всегда сохраняют соединение с проточным каналом в форме дуговой канавки.
[0009] Дисковая фреза содержит корпус фрезы и группу сплавных режущих головок. В корпусе фрезы расположена группа проточных каналов III. Проточные каналы III или ответвления проточных каналов III проходят в положение кромки корпуса фрезы. В соответствующем положении выполнены вырезы для вставки сопл для абразивной струи. Сплавные режущие головки установлены между соседними соплами для абразивной струи. Для обеспечения возможности соединения между проточными каналами III и проточными каналами II корпус фрезы закреплен на переднем торце главного вала фрезы с помощью крепежного болта I.
[0010] Предпочтительно, проточный канал в форме дуговой канавки имеет угол дуги 60–180 °.
[0011] Предпочтительно, в положении стыка между корпусом фрезы и главным валом фрезы предусмотрена канавка I неподвижного кольцевого уплотнения, и в канавке I неподвижного кольцевого уплотнения расположено резиновое уплотнительное кольцо.
[0012] Предпочтительно, уплотнительное кольцо, установленное в канавке подвижного кольцевого уплотнения, представляет собой уплотнительное кольцо из политетрафторэтилена.
[0013] Предпочтительно, количество проточных каналов II равно 2–4.
[0014] Предпочтительно, в состав дополнительно включены крышка торца подшипника, корпус главного вала, осевой электродвигатель с постоянными магнитами и вибродвигатель. Главный вал фрезы соединен с возможностью вращения с корпусом главного вала посредством радиального подшипника I, опорного подшипника и радиального подшипника II. Клапанная пластина и крышка торца подшипника закреплены на переднем и заднем торцах корпуса главного вала с помощью крепежного болта II и крепежного болта III соответственно. Радиальный подшипник I, опорный подшипник и радиальный подшипник II изолированы в герметичном пространстве, образованном главным валом фрезы и корпусом главного вала, с помощью клапанной пластины и крышки торца подшипника. Главный вал фрезы закреплен радиально во взаимодействии со ступенчатой конструкцией главного вала фрезы, ступенчатой конструкцией корпуса главного вала и кольцевой подкладкой. Осевой электродвигатель с постоянными магнитами и вибродвигатель закреплены на корпусе главного вала с помощью крепежного болта IV и крепежного болта V соответственно. Выходной вал осевого электродвигателя с постоянными магнитами и задний торец главного вала фрезы соединены шлицевым соединением.
[0015] Предпочтительно, в состав дополнительно включен несущий корпус. Корпус главного вала закреплен на несущем корпусе с помощью крепежного болта VI.
[0016] В ходе работы режущего механизма осевой электродвигатель с постоянными магнитами приводится в действие для придания определенной скорости вращения и крутящего момента валу с внутренними шлицами, и при этом внутренние шлицы осевого электродвигателя с постоянными магнитами соединены с внешними шлицами на заднем торце главного вала фрезы для придания определенной скорости вращения и крутящего момента главному валу фрезы. Главный вал фрезы установлен в корпусе главного вала с помощью радиального подшипника I, радиального подшипника II, опорного подшипника и кольцевой подкладки, и, таким образом, главный вал фрезы может одновременно передавать крутящий момент и осевое усилие. Главный вал фрезы жестко соединен с дисковой фрезой с помощью крепежного болта I, и, таким образом, дисковая фреза приобретает определенную скорость вращения и крутящий момент. Вибродвигатель закреплен на корпусе главного вала с помощью крепежного болта V, и режущий механизм в ходе работы вибрирует, вызывая вибрацию дисковой фрезы. В корпус дисковой фрезы равномерно в радиальном направлении вставлены сопла для абразивной струи и сплавные режущие головки, и, таким образом, дисковая фреза выполняет функции как механического, так и водоструйного разрушения породы. Клапанная пластина закреплена на переднем торце корпуса главного вала с помощью крепежного болта II, и впускное отверстие для абразивной струи клапанной пластины, проточный канал I, проточный канал в форме дуговой канавки, проточные каналы II, проточные каналы III и сопла для абразивной струи соединены последовательно. При соединении определенного проточного канала II с проточным каналом в форме дуговой канавки проточный канал III и сопло для абразивной струи, соединенные с проточным каналом II, находятся в рабочем состоянии с образованием высокоскоростной абразивной струи, а остальные, не присоединенные сопла для абразивной струи находятся в нерабочем состоянии. Разные проточные каналы II не соединены друг с другом и последовательно, один за другим соединяются с проточным каналом в форме дуговой канавки в ходе вращения главного вала фрезы. Высокоскоростная абразивная струя может быть образована только в направлении контакта между дисковой фрезой и породой, что значительно снижает расход воды и абразива абразивной струей высокого давления. При соединении режущего механизма с абразивной струей высокого давления запускаются осевой электродвигатель с постоянными магнитами и вибродвигатель, и вращающаяся направленная абразивная струя и сплавные режущие головки действуют совместно для выполнения вибрационного резания и разрушения твердой породы.
Преимущественный эффект
[0017] При работе режущего механизма вибрационного типа для твердой породы с функцией направленной высокоскоростной абразивно-струйной опережающей надрезки, предусматриваемого настоящим изобретением, вращающаяся направленная абразивная струя осуществляет предварительную надрезку зоны контакта между дисковой фрезой и породой, а затем вращательно вибрирующая дисковая фреза вытесняет и расширяет толщу породы вдоль предварительного надреза. Эффективное вибрационное резание и разрушение породы может быть выполнено с использованием свойства низкого предела прочности при растяжении толщи твердой породы, что, таким образом, значительно снижает трудность разрушения породы дисковой фрезой и повышает эффективность разрушения толщи твердой породы. Данные механизм и способ разрушения породы могут не только снижать трудность разрушения толщи твердой породы и повышать эффективность разрушения толщи твердой породы, но также позволять избегать излишнего износа дисковой фрезы, что имеет большую важность для достижения эффективной прокладки дорог и туннелей в твердой породе.
Краткое описание графических материалов
[0018] На фиг. 1 представлен схематический конструктивный вид согласно настоящему изобретению.
[0019] . На фиг. 2 представлен схематический конструктивный вид в поперечном сечении главного вала фрезы.
[0020] На фиг. 3 представлен схематический конструктивный вид в поперечном сечении клапанной пластины.
[0021] На фиг. 4 представлен схематический конструктивный вид сечения по линии А-А на фиг. 3.
[0022] На фиг. 5 представлен схематический конструктивный вид в поперечном сечении дисковой фрезы.
[0023] На фиг. 6 представлен схематический конструктивный вид сечения по линии В-В на фиг. 5.
[0024] На фигурах: 1 – дисковая фреза; 2 – крепежный болт I; 3– главный вал фрезы; 4 – крепежный болт II; 5 – клапанная пластина; 6 – корпус главного вала; 7 – радиальный подшипник I; 8 – кольцевая подкладка; 9 – опорный подшипник; 10 – радиальный подшипник II; 11 – крышка торца подшипника; 12 – крепежный болт III; 13 – радиальный электродвигатель с постоянными магнитами; 14 – крепежный болт IV; 15 – вибродвигатель; 16 – несущий корпус; 17 – крепежный болт V; 18 – крепежный болт VI; 19 – смазочное масло; 20 – высокоскоростная абразивная струя; 1-1 – корпус фрезы; 1-2 – сопло для абразивной струи; 1-3 – вырез; 1-4 – сплавная режущая головка; 1-5 – цилиндрический выступ; 1-6 – канавка I неподвижного кольцевого уплотнения; 1-7 – утопленное сквозное отверстие; 1-8 – проточный канал III; 3-1 – проточный канал II; 3-2 – цилиндрическая канавка; 3-3 – отверстие с внутренней резьбой; 3-4 – внешние шлицы; 5-1 – впускное отверстие для абразивной струи; 5-2 – проточный канал I; 5-3 – канавка вращательно подвижного кольцевого уплотнения; 5-4 – канавка II неподвижного кольцевого уплотнения; 5-5 – внутреннее отверстие; 5-6 – проточный канал в форме дуговой канавки; 5-7 – ступенчатое сквозное отверстие; и 13-1 –вал с внутренними шлицами.
Подробное описание изобретения
[0025] Настоящее изобретение будет дополнительно описано ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы.
[0026] Как показано на фиг. 1, режущий механизм вибрационного типа для твердой породы с функцией направленной высокоскоростной абразивно-струйной опережающей надрезки содержит дисковую фрезу 1, главный вал 3 фрезы, клапанную пластину 5, крышку 11 торца подшипника, корпус 6 главного вала, несущий корпус 16, осевой электродвигатель 13 с постоянными магнитами и вибродвигатель 15. Корпус 6 главного вала служит в качестве связки для других компонентов режущего механизма. Осевой электродвигатель 13 с постоянными магнитами, корпус и вибродвигатель 15 закреплены на корпусе 6 главного вала с помощью, соответственно, крепежного болта IV 14 и крепежного болта V 17. В ходе работы осевого электродвигателя 13 с постоянными магнитами вал 13-1 с внутренними шлицами выдает некоторую скорость вращения и крутящий момент. В ходе работы вибродвигателя 15 возбуждающее усилие выдается на корпус 6 главного вала.
[0027] Наружные кольца радиального подшипника I 7 и радиального подшипника II 10 взаимодействуют с внутренним отверстием корпуса 6 главного вала. Опорное кольцо опорного подшипника 9 взаимодействует с торцевой поверхностью корпуса 6 главного вала. Главный вал 3 фрезы установлен радиально в корпусе 6 главного вала посредством внутренних колец радиального подшипника I 7 и радиального подшипника II 10. Главный вал 3 фрезы установлен в осевом направлении внутри корпуса 6 главного вала с помощью уплотнительного кольца вала опорного подшипника 9 и кольцевой подкладки 8 так, что главный вал 3 фрезы одновременно подвергается действию крутящего момента и осевого усилия. Клапанная пластина 5 и крышка 11 торца подшипника закреплены на переднем и заднем торцах корпуса 6 главного вала с помощью, соответственно, крепежного болта II 4 (передняя боковая поверхность клапанной пластины 5 снабжена ступенчатым сквозным отверстием 5-7 для установки крепежного болта II 4) и крепежного болта III 12. Они объединены для изоляции смазочного масла 19 в корпусе 6 главного вала с целью достижения смазывающей защиты радиального подшипника I 7, радиального подшипника II 10 и опорного подшипника 9.
[0028] Вал 13-1 с внутренними шлицами осевого электродвигателя 13 с постоянными магнитами взаимодействует с внешними шлицами 3-4 на заднем торце главного вала 3 фрезы. Дисковая фреза 1 закреплена на переднем торце главного вала 3 фрезы с помощью крепежного болта I 2. В ходе работы осевого электродвигателя 13 с постоянными магнитами выдаваемое вращательное движение и крутящий момент последовательно передаются на главный вал 3 фрезы и дисковую фрезу 1. Внешняя система абразивной струи высокого давления посредством впускного отверстия 5-1 для абразивной струи, проточного канала I 5-2 и проточного канала 5-6 в форме дуговой канавки клапанной пластины 5, проточного канала II 3-1 главного вала 3 фрезы, проточного канала III 1-8 дисковой фрезы 1 и сопла 1-2 для абразивной струи образует высокоскоростную абразивную струю 20. В ходе одновременной работы осевого электродвигателя 13 с постоянными магнитами, вибродвигателя 15 и внешней системы абразивной струи высокого давления высокоскоростная абразивная струя 20 может действовать совместно с дисковой фрезой 1 для разрушения породы.
[0029] На фиг. 2–4 показаны главный вал 3 фрезы и клапанная пластина 5. Главный вал 3 фрезы выполнен с независимыми прямоугольными проточными каналами II 3-1. Клапанная пластина 5 выполнена со впускным отверстием 5-1 для абразивной струи, проточным каналом I 5-2, множеством канавок 5-3 вращательно подвижных кольцевых уплотнений и канавкой II 5-4 неподвижного кольцевого уплотнения. Внутреннее отверстие 5-5 клапанной пластины 5 выполнено с проточным каналом 5-6 в форме дуговой канавки, и с проточным каналом 5-6 в форме дуговой канавки соединяется проточный канал I 5-2. Предпочтительно, проточный канал 5-6 в форме дуговой канавки имеет угол дуги 60–180 °. В ходе работы прямоугольные проточные каналы II 3-1 главного вала 3 фрезы находятся в соединении с зазором с проточным каналом 5-6 в форме дуговой канавки. Абразивная струя между ними вмещена во множестве канавок 5-3 вращательно подвижных кольцевых уплотнений и изолирована уплотнительным кольцом из политетрафторэтилена. Главный вал 3 фрезы вводит абразивную струю при каждом обороте независимых прямоугольных проточных каналов II 3-1 соответственно.
[0030] На фиг. 5 и фиг. 6 показана дисковая фреза 1. В корпус 1-1 дисковой фрезы 1 равномерно в радиальном направлении вставлено множество сопл 1-2 для абразивной струи. В тех положениях, где вставлены сопла 1-2 для абразивной струи, соответственно, выполнены вырезы 1-3. В корпус 1-1 фрезы обособленно радиально вставлено множество сплавных режущих головок 1-4. Корпус 1-1 фрезы снабжен цилиндрическим выступом 1-5, который взаимодействует с цилиндрической канавкой 3-2 главного вала 3 фрезы. На торцевой поверхности цилиндрического выступа 1-5 выполнена канавка 1-6 неподвижного кольцевого уплотнения. Корпус 1-1 фрезы снабжен утопленным сквозным отверстием 1-7 в осевом направлении для крепежного болта I 2. Внутри корпуса 1-1 фрезы выполнен проточный канал III 1-8, соединенный, соответственно, с проточным каналом II 3-1 главного вала 3 фрезы. Они изолированы резиновым уплотнительным кольцом, установленным в канавке I 1-6 неподвижного кольцевого уплотнения. Абразивная струя, периодически вводимая в проточный канал III 1-8 из проточного канала II 3-1 главного вала 3 фрезы, с помощью сопл 1-2 для абразивной струи образует направленную высокоскоростную абразивную струю 20.
[0031] Как показано на фиг. 1–6, в ходе работы режущего механизма внешняя система абразивной струи высокого давления при содействии клапанной пластины 5, главного вала 3 фрезы и дисковой фрезы 1 образует направленную высокоскоростную абразивную струю 20 и вырезает округлую дуговую поверхность с трещиной на траектории резания породы дисковой фрезой 1. В то же время, в условиях совместного привода от осевого электродвигателя 13 с постоянными магнитами и вибродвигателя 15 вставленные сплавные режущие головки 1-4 дисковой фрезы 1 врезаются в поверхность с трещиной, образованную путем резания высокоскоростной абразивной струей 20, вращательно-вибрационным образом, таким образом, вытесняя породу из поверхности с трещиной для разрушения толщи породы.
[0032] Принцип работы режущего механизма вибрационного типа для твердой породы с функцией направленной абразивно-струйной опережающей надрезки согласно настоящему изобретению является следующим: в ходе работы режущего механизма система энергопитания очистного забоя подает электроэнергию в осевой электродвигатель 13 с постоянными магнитами и вибродвигатель 15, осевой электродвигатель 13 с постоянными магнитами создает вращательное движение и крутящий момент, который затем выдается с помощью вала 13-1 с внутренними шлицами, вал 13-1 с внутренними шлицами взаимодействует с внешними шлицами 3-4 на заднем торце главного вала 3 фрезы для передачи вращательного движения и крутящего момента главному валу 3 фрезы, и передний торец главного вала 3 фрезы крепится с помощью крепежного болта I 2 к дисковой фрезе 1, придавая ей определенную скорость вращения и крутящий момент, и, таким образом, дисковая фреза 1 может разрушать породу путем вращательного резания. Поскольку на корпусе 6 главного вала с помощью крепежного болта V закреплен вибродвигатель 15, при подаче энергии вибродвигатель 15 выдает возбуждающее усилие, которое затем последовательно передается посредством корпуса 6 главного вала, радиального подшипника I 7, радиального подшипника II 10, опорного подшипника 9 и главного вала 3 фрезы дисковой фрезе 1 так, что дисковая фреза 1 может резать породу вращательно-вибрационным образом. После запуска внешней системы абразивной струи высокого давления посредством впускного отверстия 5-1 для абразивной струи, проточного канала I 5-2, проточного канала 5-6 в форме дуговой канавки клапанной пластины 5, проточного канала II 3-1 главного вала 3 фрезы, проточного канала III 1-8 дисковой фрезы 1 и сопла 1-2 для абразивной струи из абразивной струи высокого давления образуется высокоскоростная абразивная. Поскольку проточный канал 5-6 в форме дуговой канавки предпочтительно имеет угол дуги 60–180°, прямоугольный проточный канал II 3-1 главного вала 3 фрезы, вращающегося в ходе работы, находится с проточным каналом 5-6 в форме дуговой канавки в соединении с зазором. Для образования направленной высокоскоростной абразивной струи 20 непрерывно соединяются только проточный канал 5-6 в форме дуговой канавки, прямоугольный проточный канал II 3-1 главного вала 3 фрезы, проточный канал III 1-8 дисковой фрезы 1 и сопло 1-2 для абразивной струи. По задумке направленная высокоскоростная абразивная струя 20, образуемая в любой момент времени, расположена на траектории контакта между дисковой фрезой 1 и толщей породы. В ходе одновременной работы осевого электродвигателя 13 с постоянными магнитами, вибродвигателя 15 и внешней системы абразивной струи высокого давления образуемая направленная высокоскоростная абразивная струя 20 опережающим образом вырезает дуговую трещину на траектории контакта между дисковой фрезой 1 и толщей породы. Затем в дуговую трещину вращательно-вибрационным образом вклинивается дисковая фреза 1. При полном использовании свойства легкого растрескивания толщи твердой породы значительно увеличивается способность и эффективность разрушения породы дисковой фрезой 1.
[0033] Выше описан только предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, и следует отметить, что специалисты средней квалификации в данной области техники также могут внести некоторые усовершенствования и модификации без выхода за пределы принципов настоящего изобретения, которые следует считать объемом правовой охраны настоящего изобретения.