устройство для гидромеханического разрушения горных пород

Формула изобретения

Устройство для гидромеханического разрушения горных пород, включающее режущий инструмент и струеформирующие сопла для подачи струй воды на разрушаемый массив в направлении резания, отличающееся тем, что сопла жестко закреплены по бокам резца и направлены в сторону точек пересечения главной режущей кромки с боковыми режущими кромками резца, причем продольные оси сопел удалены от указанных точек на расстояния, равные половине диаметра сопел.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам гидромеханического разрушения горных пород и может быть использовано в исполнительных органах горных машин.

Эффективность совместного воздействия на горный массив струй воды и механического режущего инструмента зависит от их взаимной ориентации в процессе разрушения.

Известны устройства для гидромеханического разрушения горных пород (Храмешкин С. И. Исследование закономерностей и выбор параметров схем гидромеханического резания угля. //Автореф. дисс. канд. техн. наук / ИГД им. А. А. Скочинского, - М., 1977. - 12 с.; Гольдин Ю.А. и Фролов B.C. Выбор рациональных параметров гидромеханического способа разрушения горных пород.: Науч. тр. /ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 1982, вып. 207.//Разрушение углей и горных пород и их физико-механические свойства. - С. 55-62), включающие режущий инструмент (резец) и струеформирующее сопло для подачи воды. В этих устройствах струеформирующее сопло расположено так, что струя воды высокого давления нарезает опережающую щель в массиве или перед резцом (струя воды и резец располагаются в одной линии резания), или в плоскости боковой поверхности скола, или сбоку от резца в направлении изображенной части массива. При использовании таких устройств снижаются нагрузки на режущий инструмент, повышается выход крупного класса продукта разрушения и значительно снижается запыленность рудничной атмосферы.

Недостатком этих устройств является то, что для нарезки щели струей воды требуются большие затраты энергии, связанные с высокими скоростями резания механических исполнительных органов (до 5 м/с), что приводит к необходимости применения сверхвысоких давлений, следовательно, к высокой энергоемкости процесса разрушения в целом.

Известно устройство для бесщелевого гидромеханического разрушения горных пород (Хеннеке Ю. Резание крепких горных пород резцами и струями воды высокого давления. : Глюкауф, 1977, N 14, - С. 33-35), включающее режущий инструмент и одно или два струеформирующих сопла, расположенных таким образом, что истекающие из сопел струи воды воздействуют на горный массив непосредственно перед резцом, в зоне его контакта, где со стороны резца на массив действуют максимальные давления. При этом струи воды не нарезают опережающие щели, а влияют на разрушение массива за счет проникновения воды в возникающие перед резцом волосные трещины и с помощью гидравлического клина отделяют частицы материала от массива. Отмечается, что оптимальными местами воздействия струй воды являются зоны перед внешними углами резца, в которых возникают максимальные напряжения с соответствующим интенсивным трещинообразованием. При этом значительно снижаются нагрузки на режущий инструмент и повышается его стойкость, а энергозатраты струй значительно меньше, чем в устройствах, когда струя воды должна образовывать в массив опережающую щель или дополнительную плоскость обнажения.

Недостатком устройства является то, что струи воды, воздействующие на массив в зоне контакта с резцом, направлены встречно к градиенту напряжения растяжения, возникающего в материале при воздействии на него резца. Это приводит к дополнительному всестороннему сжатию предрезцового объема материала, следовательно, к увеличению энергоемкости разрушения.

Известно устройство (Патент ФРГ N 3543016, опубл. 1987), обеспечивающее оперативную замену режущего инструмента и сопел посредством штекерного соединения и включающее комплект одновременно работающих резцов, закрепленных в одной держалке, и сопла для подачи высоконапорной воды. Сопла установлены так, что истекающие из них струи воды могут воздействовать на разрушаемый массив перед резцом и с его тыльной стороны. Однако в патенте не указано конкретное направление струй.

Недостатком устройства является то, что как и в предыдущем случае струи, истекающие перед резцом, направлены встречно к градиенту растяжения, возникающего в материале при воздействии на него резца, а струи, истекающие с тыльной стороны, воздействуют на уплотнение объемно-сжатое ядро материала, образующееся при взаимодействии резца с горной породой. Это приводит к необходимости применения сверхвысоких давлений, следовательно, к высокой энергоемкости разрушения.

Известны устройства для гидромеханического разрушения горных пород (Патент США N 4254995, действует с 1981 г., заявка N 2420643, Франция, опубл. 1979). Они включают режущий инструмент и несколько сопел для подачи воды под высоким давлением, расположенных в теле резца по его ширине в непосредственной близости к режущей кромке. Оси сопел наклонены под острым углом к поверхности резания забоя с таким расчетом, что эти оси пересекают продолжение поверхности резания впереди режущей кромки резца, а струи воздействуют на массив в направлении резания. Отмечается, что использование таких устройств увеличивает срок службы режущего инструмента, расширяет область его применения на крепкие и абразивные породы и повышает производительность без увеличения потребляемой энергии. В этих устройствах высоконапорные струи воды под высоким давлением подаются через резец напротив нижней части вруба, образующегося при внедрении резца в массив, в область уплотненного ядра. Благодаря тому, что вода подается под высоким давлением, она проникает в трещины раздробленного материала и выполняет роль гидравлического клина, а также удаляет продукты разрушения из ядра, что значительно снижает трение между режущим инструментом и разрушаемым массивом. Эти устройства приняты за прототип.

Недостатком указанных устройств является то, что струи воды воздействуют на уплотненное объемно-сжатое ядро мелко диспергированного материала, возникающее в области контакта передней поверхности резца с разрушаемым материалом. Поэтому энергетические параметры струй должны быть очень высокими, чтобы они могли преодолеть сопротивление со стороны уплотненного ядра мелко раздробленного материала, в котором возникает высокое давление. Это приводит к высокой энергоемкости процесса гидромеханического разрушения.

Целью настоящего изобретения является снижение энергоемкости процесса гидромеханического разрушения горного массива.

Цель достигается тем, что сопла установлены по бокам резца и направлены в сторону точек пересечения главной режущей кромки с боковыми режущими кромками резца, при этом продольные оси сопел удалены от указанных точек на расстоянии равные половине диаметра сопла.

Такая ориентация сопел позволяет существенно уменьшить энергетические параметры струй воды, истекающих из этих сопел. Поскольку они воздействуют на разрушаемый массив вне зоны уплотненного объемно-сжатого ядра диспергированного материала, а в зоне действия максимальных растягивающих напряжений, возникающих в материале на его контуре с уплотненным ядром и обеспечивающих разрушение массива. Чтобы истекающие из сопел струи воды воздействовали на разрушаемый массив нужно как можно ближе приблизить их к точкам пересечения главной режущей кромки с боковыми режущими кромками резца, при этом струи не должны разрушаться об резец. Для этого оси сопел удалены от указанных точек на расстояния равные половине диаметра сопла, только в этом случае струи воды создают напряженную область вне ядра и обеспечивают концентрацию напряжений растяжения в материале около уплотненного резцом этого ядра разрушения. Годографы напряжений растяжения от воздействия на массив струй и резца совпадают по направлению, а проникновение воды в микротрещины массива дополнительно с помощью эффекта гидравлического клина облегчает разрушение массива режущим инструментом. Предлагаемая в изобретении взаимная ориентация струеформирующих сопел и режущего инструмента позволяет уменьшить энергию водяных струй, а следовательно и снизить энергоемкость процесса гидромеханического разрушения горных пород, или при том же потреблении энергии увеличить производительность горнодобывающих машин.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 - сечение по А-А фиг. 1; на фиг. 3 - сечение по Б-Б фиг. 1; на фиг. 4 - вид сбоку; на фиг. 5 - повернутое сечение А-А фиг. 4.

Устройство для гидромеханического разрушения горных пород включает резец 1, с тыльной стороны которого установлены два сопла 2, жестко связанные с резцом 1 (на фиг. 1 эта связь условно не показана).

Устройство работает следующим образом. По мере движения резца 1 и вместе с ним и сопел 2 (из которых истекают струи 3) в направлении указанном на фиг. 1 стрелкой, нарастает усилие резания и возникают высокие контактные напряжения, при достижении которыми предельного значения происходит дробление разрушаемого материала на весьма мелкие фракции. В зоне контакта передней грани резца с разрушаемым горным массивом 4 формируется объемно-сжатое ядро 5 мелко раздробленного материала. Продвижение резца сопровождается непрерывным нарастанием нагрузки на резец и увеличением размеров ядра 5. Это ядро выполняет роль клина при воздействии на массив. В результате давления, передаваемого поверхностью ядра в пограничной с ядром зоне, в материале возникают напряжения растяжения. Отрыв от массива крупного элемента произойдет тогда, когда в пограничной с ядром зоне материала, вблизи контакта с резцом (точки 6), растягивающие напряжения достигнут критического значения, при котором зарождаются магистральные трещины разрушения. Поскольку именно в эти места 6, где возникают наибольшие напряжения, воздействуют струи воды, являющиеся в этом случае концентраторами напряжений и создающие дополнительные растягивающие напряжения. Разрушение материала произойдет при меньших усилиях в резце. После отрыва крупного элемента цикл разрушения повторяется.

На фиг. 4 показан вариант предлагаемого устройства для гидромеханического разрушения горных пород, в котором струеформирующие сопла расположены в резце. Это устройство представляет собой резец 1 с размещенными в его боковых поверхностях соплами 2, подвод воды к которым осуществляется по каналам 3, выполненным в теле резца. При этом истекающие из сопел 2 струи воды воздействуют на разрушаемый массив с тыльных боковых сторон резца вблизи точек пересечения главной режущей кромки с боковыми режущими кромками резца.

Использование изобретения позволит снизить энергоемкость гидромеханического разрушения горных пород, следовательно, повысить производительность горных машин без увеличения потребления энергии.