Устройство для направленного разрушения монолитных объектов

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для отбойки горной породы от массива, проходки дорог и туннелей в гористой местности, добычи кристаллического сырья, разборки старых фундаментов и сооружений. Устройство включает силовой цилиндр с поршнем, шток с распорным клиновым концом, пропущенный с возможностью продольного перемещения сквозь силовой цилиндр, цангу с лепестками, на свободных концах которых установлены закалывающие клинья, надетую на шток и связанную с силовым цилиндром. Шток связан с тяговым механизмом и жестко соединен с поршнем, а его распорный конец выполнен в виде усеченного конуса, расширяющегося к свободному концу штока. Повышается эффективность устройства за счет возможности раздвижения поверхностей формируемой трещины до величины, обеспечивающей отделение горной породы с повышенной вязкостью от массива, а также за счет упрощения конструкции, позволяющей разрушать горную породу через шпуры с меньшим (по сравнению с прототипом) диаметром. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для отбойки горной породы от массива, проходки дорог и туннелей в гористой местности, добычи кристаллического сырья, разборки старых фундаментов и сооружений.

Известно устройство для направленного разрушения монолитных объектов по патенту РФ №2007569, кл. Е21С 37/00, опубл. в БИ №3, 1994 г., включающее силовой цилиндр с поршнем, шток с распорным клиновым концом, пропущенный с возможностью продольного перемещения сквозь силовой цилиндр и поршень и имеющий не менее одного бурта для упора в него поршня, инденторы с поперечными относительно продольной оси силового цилиндра лезвиями и лепестки инденторов, упруго связанные с силовым цилиндром и установленные с охватом распорного клинового конца штока, механизм нанесения ударов по торцу штока, противоположному распорному клиновому концу. Устройство снабжено направляющей, одним концом соединенной с силовым цилиндром и имеющей на этом конце продольные канавки, а на другом - сквозные прорези с боковыми гнездами, и инденторами с продольными относительно продольной оси силового цилиндра лезвиями. Лепестки инденторов размещены в сквозных прорезях и выполнены с буртиками, размещенными в боковых гнездах, а упругие связи одними концами размещены в продольных канавках и жестко соединены с направляющей, а другими размещены в сквозных прорезях и прижаты к лепесткам инденторов.

Это устройство имеет сложную конструкцию. Разрушение объекта на отдельные части продольными лезвиями возможно только при условии, когда объект имеет малые размеры и уже отделен от породного массива (например, негабарит). Для отделения горной породы от массива требуется, чтобы формируемая трещина по всему периметру выходила на свободную поверхность. Такие требования продольными лезвиями не обеспечиваются. Поэтому устройство обладает относительно низкой эффективностью.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для направленного разрушения монолитных объектов по авт. св. СССР №1488476, кл. Е21С 37/02, опубл. в БИ №23, 1989 г. Оно включает силовой цилиндр с поршнем, шток с распорным клиновым концом, пропущенный с возможностью продольного перемещения сквозь силовой цилиндр и поршень и имеющий по крайней мере один бурт для упора в него поршня, распорные цанги, охватывающие распорный клиновой конец штока и связанные с силовым цилиндром, механизм нанесения ударов по торцу штока, оппозитному распорному клиновому концу. Механизм нанесения удара по торцу штока выполнен в виде цилиндрического корпуса с поршнем-бойком и узлом создания импульсного перепада давлений по обе стороны поршня-бойка. Цилиндрический корпус жестко связан с поршнем силового цилиндра.

Это устройство может применяться при условии, когда объект разрушается распорными элементами на отдельные части (формируемая трещина выходит на свободную поверхность по всему периметру). Такие условия возникают только в случае, если разрушаемый объект является хрупким и формируемая трещина расположена в непосредственной близости от свободной поверхности. Поэтому его применение для отделения горной породы, обладающей повышенной вязкостью (слюдосодержащие породы, серосодержащие руды, мерзлый грунт), от массива малоэффективно.

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности устройства за счет возможности раздвижения поверхностей формируемой трещины до величины, обеспечивающей отделение горной породы с повышенной вязкостью от массива, а также за счет упрощения конструкции, позволяющей разрушать горную породу через шпуры с меньшим (по сравнению с прототипом) диаметром.

Задача решается тем, что в устройстве для направленного разрушения монолитных объектов, включающем силовой цилиндр с поршнем, шток с распорным клиновым концом, пропущенный с возможностью продольного перемещения сквозь силовой цилиндр, цангу с лепестками, на свободных концах которых установлены закалывающие клинья, надетую на шток и связанную с силовым цилиндром, согласно техническому решению шток связан с тяговым механизмом и жестко соединен с поршнем, а его распорный клиновой конец выполнен в виде усеченного конуса, расширяющегося к свободному концу штока.

Связь штока с тяговым механизмом, его жесткое соединение с поршнем и выполнение его конца в виде усеченного конуса, расширяющегося к свободному концу штока, позволяет внедрять в горную породу закалывающие клинья и раздвигать поверхности формируемой трещины посредством тягового механизма. Это дает возможность раздвигать поверхности трещины практически до любой величины, необходимой для выхода ее на свободную поверхность по всему периметру. При этом закалывающие клинья используют для образования только начальной трещины и затем для надежного сцепления устройства с горной породой. Поэтому их размеры могут быть минимальными. За счет этого при прочих равных условиях вводимую в шпур часть устройства можно выполнить с меньшим диаметром (снижать объем буровых работ за счет использования шпуров меньшего диаметра). Закалывающие клинья внедряют в горную породу в статическом режиме. Придавать им прочность, выдерживающую динамические нагрузки (армировать твердосплавными вставками), нет необходимости. Это в сочетании с малыми их размерами упрощает их конструкцию и всего устройства в целом. Таким образом, благодаря возможности отделения от массива твердых горных пород практически с любыми механическими свойствами, включая и те, которые обладают повышенной вязкостью, а также упрощения конструкции закалывающих клиньев, позволяющей разрушать горную породу через шпуры с меньшим (по сравнению с прототипом) диаметром, повышается эффективность устройства.

Целесообразно шток связать с тяговым механизмом при помощи механизма ограничения тягового усилия, установленного между ними. Это позволяет использовать в качестве тягового механизма оборудование с тяговым усилием, ограниченным условиями техники безопасности, например подъемный кран, экскаватор.

Целесообразно механизм ограничения тягового усилия выполнить в виде полого цилиндра, в одном основании которого выполнить центральное отверстие, через которое пропустить тягу с кольцевым выступом на конце, размещенным в полости цилиндра. При этом между другим основанием цилиндра и кольцевым выступом тяги установить концевой выключатель электропитания тягового механизма, а на тягу между ее кольцевым выступом и основанием цилиндра с центральным отверстием надеть пружину.

Это обеспечивает отключение тягового механизма от электропитания в случае, если усилие на тяге окажется выше допустимого значения, которое регулируется усилием сжатия пружины. Поэтому возможно применение оборудования, тяговое усилие которого ограничивается требованиями техники безопасности.

Целесообразно при этом пружину выполнить в виде набора тарельчатых пружин, надетых на тягу таким образом, чтобы каждая последующая тарельчатая пружина была перевернута относительно предыдущей.

Это позволяет изменением жесткости и количества элементов пружины регулировать порог ограничения тягового усилия в большом диапазоне.

Целесообразно также устройство снабдить ограничителем его вхождения в шпур. Это существенно упрощает фиксацию устройства в шпуре для образования начальной трещины на заданном расстоянии от свободной поверхности.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежом, на котором показано устройство для направленного разрушения монолитных объектов, продольный разрез.

Устройство (см. чертеж) для направленного разрушения монолитных объектов (далее устройство) включает силовой цилиндр 1 (далее цилиндр 1) с поршнем 2. Сквозь цилиндр 1 с возможностью продольного перемещения пропущен шток 3 с распорным клиновым концом в виде усеченного конуса 4, расширяющегося к свободному концу штока 3 (далее конус 4). На шток 3 надета цанга 5 с лепестками 6, на свободных концах которых установлены закалывающие клинья 7 (далее клинья 7). Цанга 5 связана с цилиндром 1 и образует с ним единое целое. Шток 3 с помощью резьбовых соединений (на чертеже не обозначены) жестко соединен с поршнем 2 и механизмом 8 ограничения тягового усилия (далее механизм 8). Цилиндр 1 снабжен крышкой 9 (необходима для сборки устройства), с которой связан резьбовым соединением (на чертеже не обозначено). На боковой поверхности цилиндра 1 установлены штуцеры 10 и 11 для подачи в него рабочей жидкости. Механизм 8 состоит из полого цилиндра 12 (далее цилиндр 12), в одном основании 13 которого выполнено центральное отверстие (на чертеже не обозначено), через которое пропущена тяга 14 с кольцевым выступом 15 (далее выступ 15) на конце, размещенным в полости цилиндра 12. Основание 13 выполнено в виде крышки (необходима для сборки устройства), связанной с цилиндром 12 резьбовым соединением (на чертеже не обозначено). Между другим основанием цилиндра 12 и кольцевым выступом 15 установлен концевой выключатель 16 электропитания тягового механизма (далее выключатель 16). Выключатель 16 установлен в углублении основания цилиндра 12 (на чертеже не обозначено) для исключения возможности его раздавливания тягой 14. На тягу 14 между ее выступом 15 и основанием 13 цилиндра 12 надета пружина 17, выполненная в виде набора тарельчатых пружин, надетых на тягу 14 таким образом, что каждая последующая тарельчатая пружина перевернута относительно предыдущей. Тяга 14 соединена с тяговым механизмом 18. Устройство снабжено ограничителем его вхождения в шпур 19, выполненным, например, в виде хомута 20, установленного на цанге 5 с помощью болтов 21. Устройство подано в шпур 19, в стенках которого образована начальная трещина 22. Пунктирной линией 23 показана траектория развития и выхода начальной трещины 22 на свободную поверхность.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство со стороны клиньев 7 подают в шпур 19 до упора хомута 20 в свободную поверхность. Через штуцер 11 в нижнюю секцию цилиндра 1 подают рабочую жидкость под давлением. С помощью тягового механизма 18 через механизм 8 прикладывают усилие к штоку 3 в направлении от забоя шпура 19. Под действием этого усилия и давления в нижней секции цилиндра 1 конус 4 раздвигает и внедряет в стенки шпура 19 клинья 7. В результате поперек шпура 19 (в плоскости расположения клиньев 7) образуется начальная трещина 22, которая затем под действием усилия тягового механизма 18 развивается по траектории 23 и выходит на свободную поверхность с отделением горной породы от массива. Затем устройство используют в качестве захвата, с помощью которого отделенный от массива кусок горной породы транспортируют в нужное место. Для освобождения устройства от зацепления с куском горной породы сбрасывают давление в нижней секции цилиндра 1, а в его верхнюю секцию нагнетают рабочую жидкость через штуцер 10. При этом цилиндр 1 вместе с цангой 5 перемещаются относительно поршня 2 (штока 3) в направлении от конуса 4. В результате клинья 7 отходят от конуса 4 и благодаря упругости лепестков 6 цанги 5 возвращаются в исходное положение, освобождая устройство от зацепления с куском горной породой. После этого устройство свободно извлекают из шпура 19.

Идея создания устройства заключается в использовании широко применяемых на горных предприятиях технических средств, способных создавать тяговое усилие, обеспечивающее отделение горной породы от породного массива в статическом режиме. Статический режим разрушения применяют для горных пород с повышенной вязкостью из-за высокого затухания в них ударных импульсов, а также во избежание повреждения драгоценных кристаллов (в случае, если они имеются в горной породе) от динамического воздействия. При этом следует отметить, что предлагаемое устройство обеспечивает возможность формирования трещины 22 на любом расстоянии от забоя шпура 19. Клинья 7 используют для сцепления устройства со стенками шпура 19 и концентрации напряжений по линии их контакта с горной породой. Они не предназначены для отделения (без тягового механизма) горной породы от породного массива. Поэтому их размеры существенно меньше, чем у прототипа. Это позволяет максимально приблизить диаметр штока 3 к диаметру шпура 19, что обеспечивает упрочнение штока 3 (повышение надежности устройства) либо уменьшение диаметра шпура 19 (снижение трудоемкости разрушения). Следует отметить, что предлагаемое устройство не содержит ударного механизма и его привода (воздушного компрессора или гидравлической системы высокого давления). Это существенно упрощает реализацию устройства на действующих предприятиях, на которых организация производства сравнительно сложных изделий (ударных машин) представляет известные трудности.

В качестве тягового механизма 18 можно использовать кран, лебедку, стрелу экскаватора, трактор и т.д. К отдельным типам этого оборудования предъявляются требования по ограничению усилия на исполнительном органе. Поэтому в устройстве предусмотрен механизм 8, ограничивающий тяговое усилие. Благодаря механизму 8 удается без риска превышения допустимого значения тягового усилия повысить эффективность разрушения монолитного объекта за счет использования предельных возможностей тягового механизма 18.

Работа механизма 8 основана на принципе отключения питания тягового механизма 18 с помощью выключателя 16, который срабатывает при условии, если усилие на тяге 14 окажется выше допустимого значения. Выключатель 16 помещен в углублении и зажат между основанием цилиндра 12 и выступом 15 тяги 14. Выступ 15 отходит от основания цилиндра 12, если усилие на тяге 14 превышает усилие сжатия пружины 17, надетой на тягу 14 и размещенной между выступом 15 и основанием 13. Когда выступ 15 отходит от основания цилиндра 12 на расстояние, превышающее порог срабатывания выключателя 16, отключается питание тягового механизма 18. Для возобновления работы устройства клинья 7 освобождают от сцепления со стенками шпура 19 (как описано выше), от чего нагрузка на тягу 14 падает и выключатель 16 возвращается в исходное состояние. Затем устройство устанавливают в шпуре 19 таким образом, чтобы трещина 22 возникла ближе к свободной поверхности, от чего на ее формирование требуется меньшее усилие тягового механизма 18.

Усилие, при котором срабатывает выключатель 16, определяется усилием сжатия пружины 17. В свою очередь, усилие сжатия пружины 17 можно регулировать упругими свойствами самой пружины 17 и расстоянием между выступом 15 и основанием 13 цилиндра 12. В предлагаемом устройстве пружину 17 выполняют из набора тарельчатых пружин, которые могут отличаться друг от друга по жесткости. Это в сочетании с количеством тарельчатых пружин и возможностью изменения расстояния между выступом 15 и основанием 13 посредством вкручивания последнего в цилиндр 12 на определенное число витков обеспечивает большой диапазон изменения усилия сжатия пружины 17, следовательно, и большой диапазон регулирования усилия, при котором срабатывает выключатель 16.

Расстояние от места внедрения клиньев 7 в стенки шпура 19 до свободной поверхности обуславливает объем отделяемой от массива горной породы и усилие, которым должен обладать тяговый механизм 18. Очевидно, что существует такое значение этого расстояния, при котором достигается максимальный объем отделяемой горной породы без превышения предельного усилия тягового механизма 18. Для установки этого расстояния (определяется конкретными условиями ведения горных работ) и возможности его регулирования устройство снабжено ограничителем его вхождения в шпур, выполненным, например, в виде хомута 20 и установленным на цанге 5. Хомут 20 перемещают по цанге 5 и болтами 21 фиксируют в заданном месте.

Устройство имеет простую конструкцию, надежно в работе, может быть изготовлено в механических мастерских практически любых горных предприятий.

1. Устройство для направленного разрушения монолитных объектов, включающее силовой цилиндр с поршнем, шток с распорным клиновым концом, пропущенный с возможностью продольного перемещения сквозь силовой цилиндр, цангу с лепестками, на свободных концах которых установлены закалывающие клинья, надетую на шток и связанную с силовым цилиндром, отличающееся тем, что шток связан с тяговым механизмом и жестко соединен с поршнем, а его распорный клиновой конец выполнен в виде усеченного конуса, расширяющегося к свободному концу штока.

2 Устройство по п.1, отличающееся тем, что шток связан с тяговым механизмом при помощи механизма ограничения тягового усилия, установленного между ними.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что механизм ограничения тягового усилия выполнен в виде полого цилиндра, в одном основании которого выполнено центральное отверстие, через которое пропущена тяга с кольцевым выступом на конце, размещенным в полости цилиндра, при этом между другим основанием цилиндра и кольцевым выступом тяги установлен концевой выключатель электропитания тягового механизма, а на тягу между ее кольцевым выступом и основанием цилиндра с центральным отверстием надета пружина.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что пружина выполнена в виде набора тарельчатых пружин, надетых на тягу таким образом, что каждая последующая тарельчатая пружина перевернута относительно предыдущей.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено ограничителем его вхождения в шпур.