устройство для разработки прочных горных пород

Формула изобретения

Устройство для разработки прочных горных пород, включающее базовую машину, раму базовой машины, шарнирно связанную с рамой роторного рабочего органа с транспортером, и заднюю опору рамы рабочего органа, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным гидравлическим насосом с автономным силовым приводом и активным механическим рыхлителем, зубья которого установлены на расстоянии друг от друга по всей ширине выемочного слоя роторного рабочего органа и снабжены частоударными молотами с гидравлической системой возбуждения бойка, а рыхлитель выполнен с возможностью перемещения зубьев в вертикальной плоскости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к землеройным машинам, и может быть использовано при открытой разработке месторождений полезных ископаемые с прочными вмещающими породами, в частности многолетнемерзлых россыпных месторождений, а также при выполнении других работ, связанных с послойной разработкой горных пород.

Известны ножевые выемочно-транспортирующие устройства для разработки горных пород, например бульдозеры, имеющие широкое распространение на разработке многолетнемерзлых россыпных месторождений. (Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ. М., Недра. 1985 г., с.423-429).

Недостатком данного устройства является низкая интенсивность понижения горных работ и невысокий коэффициент полезной загрузки бульдозера как выемочного оборудования вследствие специфики структуры многолетнемерзлых пород и цикличности рабочих процессов.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для разработки горных пород, включающее базовую машину, раму базовой машины, шарнирно связанную с рамой роторного рабочего органа с транспортером, и заднюю опору рамы рабочего органа, (Экскаваторы непрерывного действия. З.Е.Гарбузов, В.М.Донской, Н.В.Карев, Л.E.Подборский М: Высш. школа, 1980 г., с.146).

Основным недостатком известного устройства является то, что при разработке прочных горных пород устройство не осуществляет в едином технологическом цикле совместно с процессами выемки и перемещения породы разупрочнения выемочного слоя породы.

Также недостатком является ограниченная область применения известного устройства и низкая интенсивность понижения горных работ при разработке месторождений с многолетнемерзлыми рыхлыми горными породами.

Решаемая задача:

- разупрочнение выемочного слоя прочных пород совместно в едином цикле с процессами выемки и перемещения горных пород;

- расширение области применения устройства;

- увеличение интенсивности понижения горных работ.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для разработки прочных горных пород снабжено дополнительным гидравлическим насосом с автономным приводом и активным механическим рыхлителем, зубья которого установлены на расстоянии друг от друга по всей ширине выемочного слоя роторного рабочего органа устройства и снабжены частоударными молотами с гидравлической системой возбуждения бойка, а рыхлитель выполнен с возможностью перемещения зубьев в вертикальной плоскости.

Из источников информации, ставших общедоступными, не выявлены технические решения с наличием размещенных на устройстве для разработки горных пород дополнительного гидравлического насоса с автономным приводом и активного механического рыхлителя, зубья которого установлены на определенном расстоянии друг от друга по всей ширине выемочного слоя роторного рабочего органа устройства и снабжены частоударными молотами с гидравлической системой возбуждения бойка, а рыхлитель выполнен с возможностью перемещения зубьев в вертикальной плоскости.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками заявляемого устройства для разработки прочных горных пород, и признать заявляемое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

Заявляемое изобретение соответствует критерию "промышленная применимость", так как оно может быть использовано в горной промышленности при разработке прочных горных пород, в том числе многолетнемерзлых рыхлых отложений.

На фиг.1 изображено устройство, вид сбоку; на фиг.2 - вид сверху.

Устройство для разработки прочных горных пород состоит из базовой машины 1, рамы 2 базовой машины, гидроцилиндров 3 рамы базовой машины, рамы 4 рабочего органа с двойным шарниром 5, задней опоры 6 рабочего органа, роторного колеса 7 с ковшами 8 и приводом 9 ротора, транспортера 10 с приводом 11 транспортера, дополнительного гидравлического насоса 12 с автономным силовым приводом 13, имеющим вал 14 и редуктор 15, активного механического рыхлителя 16 с зубьями 17 и частоударными молотами 18, шлангов 19 частоударных молотов, гидроцилиндров 20 активного механического рыхлителя.

Машина работает следующим образом.

Перед началом движения базовой машины 1 рама 4 рабочего органа с помощью гидроцилиндров 3 опускает роторное колесо 7 с ковшами 8 до соприкосновения с поверхностью породного массива, одновременно активный механический рыхлитель 16 с помощью гидроцилиндров 20 также опускается на поверхность породного массива по всей ширине выемочного слоя роторного колеса 7. Вал 14 автономного привода 13 через редуктор 15 передает крутящий момент дополнительному гидравлическому насосу 12.

С началом движения базовой машины 1 гидравлический энергоноситель от дополнительного гидравлического насоса 12 приводит в движение бойки частоударных молотов 18 зубьев 17 активного механического рыхлителя 16, привод 9 производит вращение роторного колеса 7, а привод 11 приводит в движение транспортер 10. С помощью гидроцилиндров 20 активного механического рыхлителя, тяговых усилий базовой машины 1 и динамических воздействий частоударных молотов 18 зубья 17 активного механического рыхлителя 16 заглубляются в породный массив на необходимую глубину.

При движении базовой машины 1 под воздействием ударных динамических нагрузок и частично статических нагрузок активного механического рыхлителя 16 породный массив разрушается.

Одновременно вращающееся роторное колесо 7 своими ковшами 8 срезает разрушенный выемочный слой породного массива, поднимает породу и опрокидывает ее на транспортер 10, который погружает породу на магистральный конвейерный транспорт, или автомобильный транспорт, или другой технологический транспорт.

Приводы 9 и 11 получают энергию от электрического генератора, или гидравлического насоса базовой машины 1, или от дополнительного гидравлического насоса 12. Гидроцилиндры 20 активного механического рыхлителя 16 могут получать энергию от гидросистемы базовой машины 1.

Известное устройство может эффективно разрабатывать оттаявший слой многолетнемерзлых рыхлых отложений.

Специфика структуры многолетнемерзлых рыхлых отложений обуславливает высокую прочность массива в мерзлом состоянии. Их выемка требует предварительного разупрочнения. В летний период с помощью тепла солнечной радиации оттаивают верхний слой породы отрабатываемого месторождения, снимают этот слой известным устройством, снова оттаивают и так далее. Скорость понижения горных работ в этом случае равна скорости оттаивания мерзлых пород и составляет в среднем 10 см в сутки, что и определяет низкую интенсивность понижения горных работ.

Известное устройство не может быть применимо на разработке месторождений с прочными вмещающими породами, а также на разработке россыпных месторождений в холодный период года, что ограничивает область применения этой машины.

Предлагаемое устройство для разработки прочных горных пород позволяет производить непрерывные послойную выемку и погрузку прочных пород с одновременным разупрочнением выемочного слоя путем механического статико-динамического рыхления, что многократно увеличивает интенсивность понижения горных работ.

Практика показывает, что скорость понижения горных работ при разработке многолетнемерзлых россыпных месторождений по естественной оттайке с использованием известных землеройных машин не превышает 8 метров за короткий теплый период года, даже в самых благоприятных условиях.

Предлагаемое устройство за тот же период времени может произвести понижение горных работ на глубокозалегающих многолетнемерзлых россыпях открытой раздельной добычи на всю мощность вскрышных пород, например, до 24 метров.

Предлагаемое устройство с разрушением горных пород активным механическим рыхлителем дает возможность значительно расширить область применения устройства.

Предлагаемое устройство можно применять не только для разработки многолетнемерзлых рыхлых отложений, сцементированных льдом, но и для разработки прочных пород: каменных и бурых углей, известняков, доломитов, гипса и т.д., поскольку разупрочнение породы происходит за счет механического воздействия рыхлителя, а не путем оттаивания мерзлых рыхлых отложений воздействием солнечной радиации.

Многочисленными исследованиями установленно, что из всех способов разрушения горных пород ударный способ является наименее энергоемким. Его реализация в исполнительных органах горных машин расширяет область применения этих машин при вскрышных и добычных работах.

В отечественной и зарубежной практике создаются активные механические рыхлители, у которых динамические нагрузки являются основными при разрушении горных пород, а тяговые усилия базового трактора играют вспомогательную роль.

В отличие от рыхлителей статического действия, где усилия, развиваемые на рабочем органе, ограничиваются тяговыми возможностями базовой машины, в рабочих органах рыхлителей активного действия могу быть реализованы усилия в десятки тонна-сил независимо от тяговых характеристик базовой машины. Поэтому рыхлители динамического действия могут быть созданы на базе мобильных тракторов относительно небольшой мощности и веса.

При статико-динамическом рыхлении с применением активного рыхлителя необходимые тяговые усилия базовой машины при рыхлении пород зависят от энергии единичного удара, глубины рыхления и прочности этих пород.

По данным Сибирского отделения Института горного дела АН СССР с ростом энергии удара величина объема разрушения за удар грунта возрастает, а необходимое тяговое усилие снижается. По условиям эксперимента ИГД при энергии удара 2,2-2,45 кДж оптимальное тяговое усилие составляло 4,0-6.0 тс (Разработка мерзлых грунтов рыхлителями ударного действия. А.И.Федулов, Г.Л.Полонский, А.Б.Карнаухов Изд. Наука. Сибирское отделение. Новосибирск, 1977 г., с.44-45).

Эксперименты, проведенные институтом ВНИИЗеммаш, показали, что приложение к рабочему органу (активному рыхлителю) дополнительного тягового усилия 7-8 тс повышает эффективность разрушения мерзлого грунта на 40-50% по сравнению с чисто ударным воздействием. При дальнейшем увеличении тягового усилия эффективность приложения ударной нагрузки возрастает менее интенсивно (Машины для разработки мерзлых грунтов. Под ред. В.Д.Телушкина. М., Машиностроение. 1973 г., с.130).

Таким образом, для устойчивой эффективной работы активного механического рыхлителя, например, с 3-мя зубьями, снабженными частоударными молотами с энергией удара 9 кДж, оптимальное тяговое усилие на крюке базовой машины должно составлять примерно 24 тс.

Предлагаемое устройство одновременно с рыхлением породы предусматривает выемку породы и погрузку ее в технологический транспорт. Такое техническое решение требует преодолевать базовой машиной сопротивление породы не только рыхлению, но и сопротивление разрыхленной породы копанию роторным рабочим органом. Расчеты, проведенные институтом золота и редких металлов (ВНИИ - 1), показали, что для роторного рабочего органа с шириной выемочного слоя 3,0 м и толщиной срезаемой стружки 0,3 м усилие сопротивления копанию ковшами ротора составляет 5,0 тс (Исследование, разработка и внедрение агрегатов для послойной поточной технологии вскрышных работ в условиях Северо-Востока СССР: Отчет о НИР ВНИИ - 1; рук. О.Е.Степанов. - Шифр темы КП-6Г.3 (1-81-203), Инв. №1762 УДК 622.271.7:621. 878.7:621.869.4:621 гос. регистрация №80054876. - Магадан, 1985 г., с.29).

Необходимые суммарные тяговые усилия базовой машины на крюке для копания предварительно разрыхленной породы с одновременным рыхлением породы активным рыхлителем, например, с 3-мя зубьями составят около 29,0 тс.

Современные мощные бульдозерно-рыхлительные агрегаты класса тяги 35 тс способны развивать тяговые усилия на крюке до 60 тс и выше. Используя рыхлители активного действия с частоударными молотами и числом одновременно работающих зубьев, например, 3-х и более, мощные бульдозерно-рыхлительные агрегаты, как базовая машина, способны по тяговым усилиям производить одновременно в едином технологическом цикле рыхление породы и выемку разрыхленной породы с одновременным перемещением ее в технологический транспорт. При этом запас тяговых усилий на крюке у мощных бульдозерно-рыхлительных агрегатов таков, что, в зависимости от энергии единичного удара частоударного молота, прочности пород и глубины рыхления, можно увеличивать до оптимальных по энергоемкости значений необходимую статическую пригрузку для прижатия зуба рыхлителя к породе.

По данным ВНИИСтройдормаша использование максимального числа зубьев с минимальным шагом обуславливает рыхление породы с наименьшей крупностью кусков, снижает удельную энергоемкость разрушения породы и снижает динамические нагрузки трактора (Захарчук Б.У. и др. Бульдозеры и рыхлители. - Машиностроение. 1987. 240 с).

Использование в качестве привода для гидравлического насоса, например, газотурбинного двигателя позволяет установить на предлагаемом устройстве легкий компактный автономный источник гидравлического энергоносителя для частоударных молотов активного рыхлителя. Масса газотурбинного двигателя, например ГТД-350, при длине около 1,0 м составляет всего 137,2 кг. Мощность на свободном валу двигателя, при номинальном режиме работы, составляет 320 л.с. При работе этого газотурбинного двигателя уровень вибрации, передаваемой на конструкции рамы рабочего органа, значительно ниже, чем у поршневых двигателей той же мощности. Газотурбинный двигатель обладает лучшей технологичностью в обслуживании, а нормальный запуск двигателя без подогрева обеспечивается при температуре наружного воздуха до -40°С, в то время как для дизельного поршневого двигателя не ниже +5°С. Кроме того, высокотемпературный газовоздушный поток газотурбинного двигателя в весенне-осенние периоды может быть использован для предотвращения намерзания породы на транспортерную ленту конвейера и ковши рабочего органа.

Расчеты показывают, что для обеспечения устойчивой одновременной работы 3-х зубьев активного рыхлителя с частоударными молотами Н9Х необходимая мощность привода на валу гидравлического насоса составит не более 200 л.с.

Техническая характеристика частоударного молота Н9Х: энергия удара 9 кДж, частота ударов 500 в минуту, расход рабочей жидкости 160 л/мин, давление рабочей жидкости 14 МПа (Машины ударного действия для разрушения горных пород. Д.П.Лобанов. В.Б.Горовиц, Е.Г.Фонберштейн и др. М: Недра, 1983. с.27).

Мощность на валу газотурбинного двигателя, например ГТД-360, позволяет передать необходимый крутящий момент на гидравлический насос с производительностью не менее 630 л/мин и давлением рабочей жидкости не менее 14 МПа.

Использование предлагаемого устройства позволяет:

- значительно увеличить интенсивность понижения горных работ, что дает возможность добывать полезное ископаемое на глубокозалегающих многолетнемерзлых россыпных месторождениях открытой раздельной добычи (мощность торфов до 24 м) уже в первом году эксплуатации россыпи, в то время как при отработке россыпи известным устройством полезное ископаемое получают через три-четыре года по причине низкой скорости понижения горных работ;

- расширить область применения прогрессивной поточной технологии разработки месторождений с непрерывными совмещенными процессами подготовки пород к выемке, выемки, погрузки пород на конвейерный транспорт и перемещения пород в отвал.