Роликовая направляющая для шахтных подъемных сосудов

Полезная модель относится к горному машиностроению, в частности к конструктивным элементам подъемных сосудов, работающих в вертикальных шахтных стволах.
В работе [Братченко Б.Ф. Стационарные установки шахт. - М.: Недра, 1977. - С. 400-401.] указывается, что единственным целесообразным типом конструкций направляющих устройств сосудов для скоростных подъемов шахтных стволов является трехроликовый блок, ролики которого примыкают к трем граням проводника прямоугольного сечения. Там же отмечается следующее. Основное требование к роликовым направляющим состоит в обеспечении плавного, безударного движения сосуда. Это может быть достигнуто правильным назначением параметров конструкции подвески, которые определяют жесткостные их характеристики, рабочий ход, предварительное поджатие и т.д.
В конструкциях первых роликовых направляющих, таких как роликовые направляющие типа НКК, вся нагрузка приходилась на амортизатор, выполненный в виде резинового цилиндрического демпфера. Таким образом, амортизатор служил не только для гашения колебаний при движении роликовой направляющей по проводнику шахтного сосуда, но и для восприятия ударной нагрузки.
По мере развития данной области техники конструкция трехблоковых роликовых направляющих приняла следующий вид [Алексеев А.Ю. Применение двухроликовой направляющей при работе клетевого и скипового подъемов шахт при использовании рельсовых проводников //Разработка рудных месторождений. Научно-технический сборник. - Кривой Рог, 2010. - Вып. 93. - С. 78-81.]. Основной сборочной единицей является роликовая опора, включающая в себя следующие основные части: ролик, пружинный амортизатор, рычаг, подшипниковая опора. Причем в подобных конструкциях функцию гашения колебаний выполняет пружинный амортизатор, а нагрузка приходится на подшипниковую опору.
Прототипом является роликовая направляющая, состоящая из трех - левой, правой и лобовой - роликовых опор, каждая из которых включает связанные между собой ролик, рычаг, подшипниковую опору с опорной пластиной и амортизатор, включающий цилиндрическую винтовую пружину и устройство регулировки жесткости винтовой пружины, состоящее из направляющей оси и, по меньше мере, одной регулировочной шайбы [Описание полезной модели к патенту Республики Беларусь №9541 от 14.02.2014, МПК B66B7/04, опубл. 30.10.2013]. В описанной конструкции ролик состоит из корпуса с размещенными в нем двумя подшипниками качения, установленными на оси ролика, массивной шины, неподвижно насаженной на корпус, и крышки, закрепленной на корпусе с возможностью ограничения осевого положения массивной шины. Подшипниковая опора состоит из корпуса с опорной пластиной и крышкой и неподвижно размещенного в корпусе подшипника скольжения, установленного с возможностью свободного вращения в нем оси подшипниковой опоры. Амортизатор состоит из размещенных в трубчатом корпусе цилиндрической винтовой пружины, установленной с упором на нижнюю обойму со стороны опорной пластины и верхнюю обойму со стороны рычага, буферного элемента, расположенного внутри пружины с упором на нижнюю обойму, и устройства регулировки жесткости пружины, расположенного в верхней обойме. Предложенные особенности конструкции амортизатора, в частности расположение устройства регулировки жесткости пружины непосредственно в верхней обойме амортизатора, обуславливает Г-образную форму рычага. Причем амортизатор соединен с рычагом шарнирно верхним концом стержня устройства регулировки жесткости пружины через болтовое крепление к двум проушинам вдоль оси, параллельной плоскости опорной пластины.
К недостаткам подобного технического решения относятся расположение шарнирного соединения амортизатора и рычага на уровне оси вращения ролика вследствие Г-образной формы рычага и фиксированные размеры устройства регулировки жесткости пружины, в частности стержня, вследствие его расположения непосредственно в верхней обойме амортизатора, расположенного в трубчатом корпусе, то есть длина стержня фиксирована с учетом постоянства расстояния между рычагом и амортизатором.
Первый из указанных недостатков обуславливает недостаточную надежность изделия, так как при движении по направляющей шахтного ствола роликовая опора качается относительно оси вращения (качания) подшипниковой опоры. Расположение шарнирного соединения рычага и амортизатора на удалении от оси качания подшипниковой опоры примерно на величину расстояния между осями качания подшипниковой опоры и ролика приводит к значительным изгибающим деформациям пружины. Для предотвращения таких деформаций амортизатор, содержащий пружину, расположен в трубчатом корпусе, предотвращающем изгибание пружины больше нормативных значений. Однако тогда пружина в процессе эксплуатации испытывает регулярные ударные нагрузки в случае резких колебаний роликовой опоры либо истирается в ситуациях длительного отклонения ролика на предельные и близкие к ним величины качания роликовой опоры.
Второй недостаток обуславливает низкую ремонтопригодность изделия, так как фиксированные размеры устройства регулировки жесткости пружины накладывают сравнительно высокие требования к качеству изготовления изделия, часто труднодостижимые в условиях горного производства. То есть в случае ошибки при изготовлении, например, стержня для конструкции устройства регулировки жесткости пружины истца, такая заготовка списывается в брак. А роликовая направляющая подлежит замене полностью и направлению на ремонт в более благоприятных заводских условиях.
Кроме того, при работе подшипника скольжения, установленного в подшипниковой опоре, в данных условиях основная нагрузка и основной износ (в особенности при запуске узла, повышенных нагрузках, то есть при вытеснении смазки из зоны контакта), приходятся на небольшой участок площади контакта вала и подшипника скольжения, где в скором времени образуется выемка, провоцируя дальнейший ускоренный износ узла, требующий замены элементов. Более того, при реальной эксплуатации значительную часть времени роликовая опора может быть неподвижной и вытеснение смазки под действием веса механизма на вал может быть существенным. При этом в зоне контакта может происходить диффузионная сварка материалов и задиры, а при периодическом качании смазка еще больше вытесняется и может происходить заклинивание подшипника. Для обеспечения работы подшипника скольжения его втулка на валу устанавливается с гарантируемым нерегулируемым радиальным зазором. Учитывая, что поперечная база подшипника ограничена в габаритах, наличие даже небольшого зазора при имеющемся отношении базы подшипника к длине рычага может приводить к значительным поперечным колебаниям последнего и значительным динамическим нагрузкам при качении опоры по направляющим проводникам. В процессе эксплуатации, по мере увеличения радиального зазора за счет износа в подшипнике скольжения динамические нагрузки на опору могут еще более возрастать, что может вызвать аварийное разрушение последней. Таким образом, использование подшипников скольжения в конструкции подшипниковой опоры также снижает надежность изделия.
Задачей для предлагаемого технического решения является уменьшение величины отклонения пружины при качании опоры и обеспечение возможности использования устройства регулировки жесткости пружины с изменяемыми (вариативными) параметрами в рамках одной конструкции изделия. Достигаемый технический результат заключается в повышении надежности и ремонтопригодности изделия.
Поставленная задача решается за счет того, что рычаг имеет плечо (13), расположенное со стороны амортизатора (8) между уровнями, проходящими параллельно опорной пластине (7) через ось качания подшипниковой опоры (6) и середину расстояния между осью качания подшипниковой опоры (6) и осью вращения ролика (4), и выполненное со сквозным отверстием (14) в перпендикулярном к плоскости опорной пластины (7) направлении, через которое проходит направляющая ось (11) устройства (10) регулировки жесткости пружины (9), нижним концом соединенная с амортизатором (8) шарнирно, причем шарнирное соединение расположено ниже плеча (13) рычага (5), а регулировочная шайба (12) располагается на направляющей оси выше плеча (13) рычага (5).
Кроме этого:
подшипниковая опора (6) состоит из корпуса (14) с опорной пластиной (7) и крышкой (15) и двух роликовых конических подшипников (16), установленных «врастяжку»;
амортизатор (8) размещен в цилиндрическом корпусе (17);
направляющая ось (11) устройства (10) регулировки жесткости пружины (9) выполнена в виде болта с модифицированной фаской, например, путем ее обточки, а регулировочная шайба (12) выполнена в виде гайки.
Полезная модель иллюстрируется девятью фигурами:
на фиг. 1 изображен общий вид роликовой направляющей для шахтных подъемных сосудов (вид сбоку);
на фиг. 2 изображен общий вид роликовой направляющей для шахтных подъемных сосудов (вид сверху) с проводником;
на фиг. 3 изображена роликовая опора в исходном «естественном» положении;
на фиг. 4 изображена роликовая опора в исходном «рабочем» положении;
на фиг. 5 изображена роликовая опора с отклонением от исходного положения на предельно допустимую величину;
на фиг. 6 изображена повернутая роликовая опора в разрезе;
на фиг. 7 изображена роликовая опора с амортизатором, размещенном в цилиндрическом корпусе;
на фиг. 8 изображена роликовая опора с удлиненной направляющей осью (11);
на фиг. 9 изображена роликовая опора с укороченной направляющей осью (11).
На фиг. 1 показаны левая (1), правая (2) и лобовая (3) роликоопоры, каждая из которых включает связанные между собой ролик (4), рычаг (5), подшипниковую опору (6) с опорной пластиной (7) и амортизатор (8), включающий цилиндрическую винтовую пружину (9) и устройство (10) регулировки жесткости винтовой пружины (9), состоящее из направляющей оси (11) и, по меньше мере, одной регулировочной шайбы (12).
На фиг. 2 показаны левая 1, правая 2 и лобовая 3 роликоопоры с плотно прижатыми к проводнику (18) роликами (4).
На фиг. 3 изображена роликовая опора, отличительной особенностью которой является рычаг (5) с плечом (13), расположенным со стороны амортизатора (8) и выполненным со сквозным отверстием (14) в перпендикулярном к плоскости опорной пластины (7) направлении. При этом через сквозное отверстие (14) проходит направляющая ось (11) устройства (10) регулировки жесткости пружины (9), нижним концом соединенная с амортизатором (8) шарнирно. Причем шарнирное соединение расположено ниже плеча (13) рычага (5), а регулировочная шайба (12) располагается на направляющей оси выше плеча (13) рычага (5). В рассматриваемом случае регулировочная шайба (12) находится в нерабочем состоянии, то есть неплотно прилегает к плечу (13). Тогда пружина не напряжена, и возможна ситуация при, которой ось шарнира расположена не в одном уровне, параллельном опорной пластине (7), с осью качания подшипниковой опоры (6), как показано на фиг. 2.
На фиг. 4 показана роликовая опора, у которой при помощи регулировочной шайбы (12), подогнанной вплотную с необходимым поджатием к плечу (13) рычага (5), ось шарнирного соединения направляющей оси (11) с амортизатором (8) смещена в один уровень с осью качания подшипниковой опоры (6). Кроме того, на фиг. 3 видно, что имеет плечо (13) расположено между уровнями, проходящими параллельно опорной пластине (7) через ось качания подшипниковой опоры (6) и середину расстояния между осью качания подшипниковой опоры (6) и осью вращения ролика (4). Очевидно, что именно описанная конструкция роликовой опоры позволяет, причем достаточно просто, смещать ось шарнирного соединения направляющей оси (11) с амортизатором (8) в один уровень с осью качания подшипниковой опоры (6).
На фиг. 5 показана та же роликовая опора, что и на фиг. 2 и фиг. 3, но в положении максимально допустимого отклонения в результате возможного качания роликовой опоры в процессе работы согласно требованиям Правил техники безопасности не должны превышать, как правило, 23-24 мм в зависимости от страны использования. При этом видно, что, несмотря на существенную деформацию сжатия пружины (9), ее отклонение от собственной оси, то есть деформация изгиба, незначительное. Таким образом, пружина (9) работает в благоприятном режиме, что способствует повышению ее ресурса и, как следствие, надежности всего изделия.
На фиг. 6 показана подшипниковая опора (6) в разрезе. Она состоит из корпуса (14) с опорной пластиной (7) и крышкой (15) и двух роликовых конических подшипников (16), установленных «врастяжку». Такая конструкция по сравнению с подшипником скольжения позволяет при тех же габаритах значительно увеличить базу опоры. Кроме того, применение роликовых конических подшипников в отличие от подшипника скольжения  позволяет регулировать как  радиальный, так и осевой  зазор в подшипниковой опоре, что значительно повышает эксплуатационную надежность узла.
На фиг. 7 показана роликовая опора с амортизатором (8), размещенном в цилиндрическом корпусе (17). Цилиндрический корпус (17) в данной конструкции, в отличие от прототипа, не обязательно является ограничителем смещений пружины (9), вызванных качанием роликовой опоры. Он позволяет защитить пружину (9) от внешнего воздействия, например, агрессивной внешней среды, вызывающей ускоренную коррозию металлических изделий, такой как на калийных рудниках.
На фиг. 8 показана роликовая опора с удлиненной направляющей осью (11), а на фиг. 9 показана роликовая опора с укороченной направляющей осью (11). Фиг. 8 и фиг. 9 демонстрируют возможность вариативности длины направляющей оси (11) в конструкции устройства (10) регулировки жесткости пружины (9). В случае выхода из строя этой детали выбор из направляющих осей (11) одного диаметра, но разной длины, очевидно, больше чем выбор и одного диаметра, и одной длины. При этом изготовление направляющих осей (11), пригодных для использования в устройстве регулировки жесткости пружины нашей конструкции не требует больших трудозатрат и квалификации. Нужна лишь небольшая обточка фаски направляющей оси (11) со стороны шарнирного соединения направляющей оси (11) и амортизатора (8). А так как не требуется точность по длине направляюще оси (11), то допускаются ошибки в изготовлении. Их можно устранить дополнительной обточкой фаски. В то же время в случае ошибки при изготовлении направляющей оси (11) для конструкции устройства (10) регулировки жесткости пружины (9) прототипа, такая заготовка списывается в брак. При этом целесообразно в качестве исходной заготовки направляющей оси (11) использовать стандартное изделие, такое как болт. Тогда в качестве регулировочной шайбы (12) целесообразно использовать соответствующее стандартное изделие - гайку.
Проиллюстрируем принцип работы роликовой направляющей следующим примером.
Пара роликовых направляющих установлена на подъемный сосуд (например, скип или клеть). Роликовые опоры (1), (2) и (3) устанавливают перпендикулярно к плоскости проводника так, чтобы обеспечивался плотный контакт между роликами (4) и проводником (18). Прижатие роликов (4) к проводнику (18) обеспечивается пружиной (9) в амортизаторе (8) при помощи устройства (10) регулировки жесткости пружины (9). Предпочтительным вариантом регулировки жесткости пружины (9) является состояние, при котором при помощи регулировочной шайбы (12), подогнанной вплотную с необходимым поджатием к плечу (13) рычага (5), ось шарнирного соединения направляющей оси (11) с амортизатором (8) смещена в один уровень с осью качания подшипниковой опоры (6).
В процессе вертикального перемещения в стволе шахты по проводнику (18) ролики (4), соединенные с верхним концом рычага (5),  вращаются вокруг оси собственного вращения. Нижним концом рычаг (5) соединен с подшипниковой опорой (6). Рычаг (5) имеет плечо (13), расположенное со стороны амортизатора (8) между уровнями, проходящими параллельно опорной пластине (7) через ось качания подшипниковой опоры (6) и середину расстояния между осью качания подшипниковой опоры (6) и осью вращения ролика (4). Для связи с амортизатором (8) в плече (13) рычага (5) перпендикулярно к плоскости опорной пластины (7) выполнено сквозное отверстие (14). Через отверстие (14) проходит направляющая ось (11) устройства (10) регулировки жесткости пружины (9), нижним концом соединенная с амортизатором (8) шарнирно. При этом шарнирное соединение расположено ниже плеча (13) рычага (5), а регулировочная шайба (12) располагается на направляющей оси (11) выше плеча (13) рычага (5).
Ролики (4) в составе роликовых опор (1), (2) и (3) обеспечивают прямолинейное движение подъемного сосуда по стволу.
Амортизатор (8) предназначен для гашения колебаний, возникающих при движении подъемного сосуда по стволу, а также поглощает удары, возникающие на стыках проводников (18). Основным элементом амортизатора (8), гасящим колебания и поглощающим удары, являются цилиндрическая винтовая пружина (9). Регулировка пружины (9) производится посредством регулировочной шайбы (12). Наличие пружины (9) в амортизаторе (8) позволяет значительно уменьшить воздействие толчков на подъемный сосуд и армировку ствола, а также обеспечить плавное движение подъемных сосудов.
Нагрузку от действия сил, возникающих при движении сосуда по стволу, воспринимают подшипниковые опоры (6), представляющие собой корпус (14) с опорной пластиной (7) и крышкой (15) и размещенных в корпусе (14) двух роликовых конических подшипников (16), установленных «врастяжку». При этом между подшипниками (16) и осью качания опоры нет зазоров. Крышка (15) выполнена съемной для обеспечения возможности обслуживания подшипников (16).
Рычаг (5) предназначен для передачи колебаний и ударов, возникающих при движении подъемного сосуда по стволу, от ролика (4) на соответствующий амортизатор (8). При этом конструкция рычага (5), имеющего плечо (13), расположенное со стороны амортизатора (8) между уровнями, проходящими параллельно опорной пластине (7) через ось качания подшипниковой опоры (6) и середину расстояния между осью качания подшипниковой опоры (6) и осью вращения ролика (4), обеспечивает благоприятный режим работы соответствующей роликовой опоры (1), (2) и (3). Это достигается за счет того, что кинематически исключены существенные изгибающие деформации пружины (9). При качании роликовых опор (1), (2) и (3) пружины (9) работают в основном на сжатие.
В случае использования роликовой направляющей в условиях с агрессивной внешней средой, вызывающей ускоренную коррозию изделия, амортизатор (8) размещается в цилиндрическом корпусе (17).
В случае поломки устройства (10) регулировки  жесткости пружины (9), в том числе по причине коррозии, оно может быть в экстренном порядке заменено на направляющую ось (11) того же диаметра практически любой длины и регулировочную шайбу (12) соответствующего диаметра практически любой толщины. Причем в качестве направляющей оси (11) можно использовать стандартный болт подходящего диаметра с обточенной фаской, а в качестве регулировочной шайбы (12) соответствующую ему стандартную гайку.
Применение представленной роликовой направляющей для шахтных подъемных сосудов позволило повысить надежность и ремонтопригодность изделия.