PL247811B1 - Nóż styczno-obrotowy do urabiania skał - Google Patents

Abstract

Nóż styczno-obrotowy do urabiania skał charakteryzuje się tym, że na powierzchni części roboczej (1a) trzonka (1) noża posiada co najmniej dwa spiralne rowki (3) rozmieszczone równomiernie po obwodzie i zorientowane jednakowo pod kątem β w zakresie od 20°÷50° względem osi części roboczej (1a) oraz posiada otwory zasilające (4) łączące rowki z centralnym kanałem wodnym (5).

Description

Przedmiotem wynalazku jest nóż styczno-obrotowy do urabiania skał mający zastosowanie w maszynach do urabiania skał w procesach górniczych, budowie tuneli i innych obiektów architektonicznych technikami bezwykopowymi.

W trakcie pracy noży styczno-obrotowych do skrawania skał, zwłaszcza o dużej twardości, niezbędne jest wykonywanie obrotów noży wokół ich osi oraz chłodzenie ostrzy silnie nagrzewających się w wyniku dużego tarcia o urabianą caliznę skalną.

W znanych rozwiązaniach obrót noży uzyskiwany jest w wyniku osadzania ich w uchwytach nożowych organów roboczych górniczych maszyn urabiających pod znacznym kątem skręcenia bocznego. Jest to sposób mało efektywny, zawodny, a ponadto związany ze zwiększonym zużyciem energii i przyspieszonym niszczeniem eksploatacyjnym noży. Stosowane sposoby zraszania strefy skrawania wymagają użycia znacznych ilości wody. Woda ta musi być dostarczana często na duże odległości, a w przypadku wyrobisk podziemnych musi być następnie wypompowywana na powierzchnię. Wiąże się to z zużyciem dużych ilości dodatkowej energii, co silnie obniża ogólną efektywność pracy maszyn urabiających. Użyta w procesie zraszania woda często rozpuszcza w sobie sole zawarte w urabianych skałach, co powoduje duże ekologiczne skażenie wód powierzchniowych. Stąd niezwykle ważne jest ograniczenie zużycia wody do zraszania przy skutecznej realizacji chłodzenia noży urabiających.

Zagadnienie zapewniania obrotów noży podczas urabiania skał oraz ich znaczenie ze względu na zużycie noży omawiane jest m.in. w pracach: Wingquist C.F. et al.: Conical-bit rotation as a function of selected cutting parameters, Bureau of Mines Report of Investigations, Washington, 1985, Kotwica K.: Nowe rozwiązania narzędzi urabiających oraz uchwytów noży dla organów kombajnów chodnikowych , Napędy i Sterowanie nr 4/2015, s. 122-127, czy Bołoz Ł.: Conical Picks for Undeground Mining, New Trends in Production Engineering - Vol. 3, Iss. 1,2020, p. 221-230. Z prac tych wynika, iż pomimo że zakłada się samoistny obrót noży styczno-obrotowych w trakcie realizacji procesu skrawania skał, co ma zapewnić ich równomierne zużycie (tzw. efekt „samoostrzenia”), to w warunkach rzeczywistych tylko część z nich to założenie spełnia. Złożoność warunków realizacji procesu skrawania skał, cechy konstrukcyjne noży i uchwytów nożowych, sposób osadzenia noży w uchwytach nożowych, czy sposób ustawienia uchwytów nożowych na pobocznicy organów roboczych maszyn urabiających mogą skutecznie utrudniać obracanie się noży, prowadząc do przyspieszonego, asymetrycznego zużycia ścierno-erozyjnego noży.

W powszechnie stosowanych rozwiązaniach trzonki noży osadzone są ślizgowo w gniazdach uchwytów nożowych. Rozwiązanie takie jest proste konstrukcyjnie, lecz nie zapewnia w trakcie eksploatacji warunków dla swobodnego obracania się noży, zwłaszcza gdy przestrzeń pomiędzy trzonkiem noża i gniazdem uchwytu nożowego wypełniona jest zanieczyszczeniami pochodzenia skalnego oraz produktami korozji. Podobnie, zbyt duże luzy w gnieździe uchwytu nożowego prowadzą do blokowania się trzonków noży w wyniku ich zukosowania względem osi gniazda, w którym są one osadzone. Również i w takim przypadku obracanie się noży w wyniku działania nań reakcji od urabiania jest mocno utrudnione, lub niemożliwe.

W celu ułatwienia obracania się noży stosowane mogą być różne metody obniżenia oporów ruchu trzonka noża w gnieździe uchwytu nożowego.

Jedną z metod ułatwienia obracania się noży w uchwytach nożowych oraz poprawy odporności trzonków noży na zużycie ścierne jest zastosowanie tulei pośredniej osadzonej ślizgowo w uchwycie nożowym i zabezpieczonej przed wypadnięciem. W tulei tej osadzony jest również ślizgowo nóż urabiający. Rozwiązanie takie znane jest przykładowo z opisu patentowego WO2005005779, WO2010014327, US2011241407, CN102124186, czy AU2016246137.

Z polskiego opisu patentowego PL178171 znane jest rozwiązanie, w którym obniżenie oporów ruchu obrotowego trzonków noży w gniazdach uchwytów nożowych uzyskano w wyniku zastosowania łożyskowania tocznego.

W innym, znanym z chińskiego opisu patentowego CN207568604, rozwiązaniu zastosowano dwa łożyska stożkowe do osadzenia trzonka noża w uchwycie nożowym. Taki sposób osadzenia noży ma sprzyjać ich samoczynnemu obracaniu się w uchwytach nożowych dzięki wydatnemu obniżeniu oporów ruchu.

Niedogodnością powyższych rozwiązań jest skomplikowana konstrukcja, podatność na działanie zanieczyszczeń pyłowych i brak odporności na obciążenia o charakterze udarowym, jakie występują podczas urabiania skał zwłaszcza trudno urabialnych.

Ponadto z polskiego opisu patentowego PL209806 znany jest uchwyt nożowy wyposażony w tuleję łożyskującą walcowy trzonek noża. Gniazdo w uchwycie nożowym posiada wnękę zasilającą, a tuleja - zespół otworów i rowków, którymi na powierzchnię trzonka noża doprowadzane jest ciekłe medium pod ciśnieniem przez instalację wewnętrzną organu roboczego maszyny urabiającej. Medium to, zwłaszcza emulsja olejowo-wodna, smaruje powierzchnię współpracy noża z uchwytem nożowym, oraz przepłukuje i usuwa z nich przez szczeliny zanieczyszczenia. Niedogodnością rozwiązania jest zastosowanie, jako środka smarnego zmniejszającego opory tarcia noża w uchwycie nożowym cieczy na bazie oleju mineralnego, która wydostając się na zewnątrz uchwytów nożowych zanieczy szcza środowisko. Komplikuje to ponadto konstrukcję głowicy/organu urabiającego, gdyż wymaga wykonania kanałów doprowadzających ciecz smarującą do tulei łożyskujących w każdym uchwycie nożowym. Rozwiązanie to nie ma przy tym na celu wspomagania zjawiska obracania się noży, a jedynie obniżenie oporów ruchu noża.

W innym polskim opisie patentowym PL209241 trzonek noża ma część chwytową stanowiącą czop łożyskowy. Na części roboczej noża wykonane są wzdłużne rowki krzywoliniowe oddzielone między sobą kierownicami, których powierzchnia natarcia odchylona jest w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu noża. Przepływ urobku oddziałuje na powierzchnię natarcia kierownic, wspomagając ruch obrotowy noża, inicjowany siłą składową kątowego usytuowania uchwytu nożowego. Gniazdo w uchwycie nożowym posiada wykonane na powierzchni ślizgowej śrubowe rowki wypełnione smarem dla zmniejszenia tarcia. Niedogodnością tego rozwiązania jest konieczność stosowania noży o specjalnie ukształtowanych trzonkach z wykonanymi na ich powierzchni rowkami i kierownicami. Ponadto zastosowanie smarowania trzonków noży smarem jest skomplikowane ze względów eksploatacyjnych.

Podobnie z amerykańskiego opisu patentowego US9476299 znane są noże do urabiania skał wyposażone w spiralne rowki rozmieszczone na obwodzie części roboczej trzonków noży.

Powyższe rozwiązania mają na celu wywołanie ruchu obrotowego noży w sposób mechaniczny, w wyniku odziaływania urobku na część roboczą trzonków noży.

Znane sposoby realizacji obrotów noży styczno-obrotowych cechują się małą skuteczności, niezawodnością i niejednokrotnie skomplikowaną konstrukcją noży i/lub uchwytów nożowych, niezbędną do ich realizacji technicznej.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest zapewnienie obrotów noży wokół ich osi bez konieczności stosowania skręcenia bocznego uchwytów nożowych, efektywnego chłodzenia noży oraz skutecznego zraszania strefy urabiania, zwłaszcza w przypadku zastosowania noży o ostrzu pierścieniowym.

Cel ten zrealizowano opracowując rozwiązanie konstrukcyjne noży styczno-obrotowych do urabiania skał, w którym do ich obracania wykorzystano efekt reakcji hydrodynamicznej i odrzutu, jaki powstaje w wyniku wytryskiwania wody realizującej chłodzenie ostrzy typu pierścieniowego z dużą efektywnością przy zdecydowanie zmniejszonym zużyciu wody.

Nóż styczno-obrotowy do urabiania skał wyposażony w rowki oraz centralny kanał wodny charakteryzuje się tym, że na powierzchni części roboczej trzonka noża posiada co najmniej dwa spiralne rowki rozmieszczone równomiernie po obwodzie i zorientowane jednakowo pod kątem β w zakresie od 20°+50° względem osi części roboczej oraz posiada otwory zasilające łączące rowki z centralnym kanałem wodnym, przy czym trzonek noża posiada wymienny pierścień oporowy połączony spoiną, wykonany z materiału o mniejszej odporności na zużycie ścierne w stosunku do materiału uchwytu nożowego.

Korzystnie nóż styczno-obrotowy według wynalazku ma pierścień oporowy, który połączony jest z trzonkiem noża zgrzeiną.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia wzdłużny przekrój noża w stanie nieobciążonym, Fig. 2 przedstawia przekrój w płaszczyźnie A-A, Fig. 3 przedstawia widok w kierunku „K” po zdjęciu oprawy i ostrza pierścieniowego, zaś Fig. 4 przedstawia przekrój w płaszczyźnie B-B ukazujący połączenie rowka spiralnego z otworem zasilającym w wodę.

Trzonek 1 noża w swej roboczej części 1a (Fig. 1) posiada co najmniej dwa rowki 3 usytuowanych spiralnie względem osi obrotu noża (Fig. 3). Rowki 3 rozmieszczone są równomiernie po obwodzie i zorientowane jednakowo pod kątem β względem osi części roboczej 1a noża. W przykładzie wykonania zastosowano trzy spiralne rowki 3 o przekroju półokrągłym rozmieszczone na obwodzie części roboczej 1a noża co kąt α = 120° (Fig. 2). Rowki 3 spiralne połączone są otworami zasilającymi 4 z centralnym kanałem wodnym 5 wykonanym w osi trzonka 1 noża (Fig. 1). Centralny kanał wodny 5 zamknięty jest na swoim wlocie zaworem zwrotnym 6. Trzonek 1 noża osadzony jest z niewielkim luzem w gnieździe 17 uchwytu nożowego 7 i ustalony wzdłużnie za pomocą pierścienia rozprężnego 8. Pierścień rozprężny 8 umożliwia swobodny obrót trzonka 1 noża wokół jego osi i wzdłużny przesuw w ramach luzu konstrukcyjnego L. Gniazdo 17 w uchwycie nożowym 7, w którym osadzony jest trzonek 1 noża, zamknięte jest uszczelnionym korkiem 9, do którego przyłączona jest instalacja wody 10 podawanej pod ciśnieniem p. Spiralne rowki 3 tworzą z wewnętrzną powierzchnią ostrza pierścieniowego 2 kanały przepływowe, którymi podczas skrawania calizny skalnej przepływa woda zraszająca strefę skrawania. Ostrze pierścieniowe 2 mocowane jest nakręcaną oprawą 15 zabezpieczoną przed luzowaniem się niewielkimi spoinami lub zgrzeinami sczepnymi 16. Taką samą spoiną ustalony jest pierścień oporowy 14.

W korku 9 ustalony jest centralnie trzpień regulacyjny 12 kształtujący strumień wody zasilającej centralny kanał wodny 5 z przestrzeni wodnej 11. Opcjonalnie w przestrzeni wodnej 11 umieszczona może być powrotna sprężyna naciskowa 13 (patrz prawa część przekroju na Fig. 1).

Układ realizujący obroty noża i zraszanie strefy urabiania pracuje w następujący sposób. Przed kontaktem noża z calizną skalną jest on wysunięty na zewnątrz uchwytu nożowego 7 o wielkość luzu L, a zawór zwrotny 6 zamyka przepływ wody przez centralny kanał wodny 5. Niewielką szczeliną między trzonkiem noża a uchwytem nożowym 7 wypływa ograniczony strumień wody spłukujący zanieczyszczenia pyłowe. Gdy następuje pierwszy kontakt ostrza noża z urabianą calizną ma miejsce szybki ruch noża w głąb uchwytu nożowego 7 w ramach luzu L. Wywołuje to silny impuls ciśnienia wody w przestrzeni wodnej 11, a woda centralnym kanałem wodnym 5, otworami zasilającymi 4 i rowkami 3 wytryskuje na zewnątrz usuwając ewentualne zanieczyszczenia pyłowe z wylotów rowków 3. Przepływająca impulsowo rowkami 3 woda wywołuje reakcję hydrodynamiczną na część roboczą 1a trzonka 1 noża skutkującą obrotem noża wokół osi o niewielki kąt. Obrotowi noża sprzyja to, że na tym etapie obciążenie noża od urabiania calizny skalnej jest jeszcze niewielkie, a powierzchnie ślizgowe trzonka 1 noża smarowane są stale wodą. Obrót odbywa się w warunkach smarowanego tarcia ruchowego przy znacznie zmniejszonych oporach ruchu. Gdy wyczerpany zostanie luz L i pierścień oporowy 14 oprze się o uchwyt nożowy 7 opory ruchu obrotowego noża silnie wzrastają, tak że obrót noża zostaje zahamowany. Oprócz reakcji hydrodynamicznej wody przypływającej w rowkach 3 dodatkowo działa w kierunku obrotu noża obwodowa składowa siły odrzutu powstająca w wyniku wypływu wody z wyjść rowków spiralnych 3. Niewielkie obroty noża realizowane w pojedynczym cyklu pracy noża sukcesywnie sumują się z każdym kolejnym cyklem skrawania. Dzięki temu do pracy skrawania skały wchodzi stale zmieniający się fragment ostrza pierścieniowego 2. Obrotom noża wokół osi sprzyja to, że reakcja hydrodynamiczna i składowa obwodowa siły odrzutu strumieni wody działają na dość dużym ramieniu wywołując zwiększony moment obrotowy realizujący obroty noża wokół osi.

Po oparciu się pierścienia oporowego 14 na powierzchni czołowej uchwytu nożowego 7 następuje uniesienie kulki zaworu zwrotnego 6 przez trzpień regulujący 12. Powoduje to stały przepływ wody całym torem wodnym dzięki zasilaniu przestrzeni wodnej 11 wodą pod ciśnieniem p z instalacji zasilającej 10. Ma wówczas miejsce główna faza zraszania strefy skrawania przy intensywnym chłodzeniu wodą ostrza pierścieniowego 2, gdyż strumienie wody wydostające się z rowków 3 mają na znacznej powierzchni bezpośredni kontakt z wewnętrzną powierzchnią ostrza 2. Gdy cykl skrawania się kończy i nóż wychodzi z kontaktu z calizną skalną, znika jego obciążenie. Wówczas ciśnienie wody p wysuwa nóż na zewnątrz na pozycję wyjściową, zaś zraszanie zostaje odcięte. Przy stosowaniu obniżonego ciśnienia p wody zasilającej opcjonalnie może być wykorzystane działanie powrotnej sprężyny naciskowej 13 o odpowiedniej charakterystyce.

Konstrukcja noża styczno-obrotowego według wynalazku zapewnia uzyskanie bardzo wysokiej efektywności zraszania przy ograniczonym zużyciu wody z jednoczesną realizacją niezawodnego sposobu obracania noży wokół osi. Zastosowanie pierścienia oporowego 14 połączonego z trzonkiem noża umożliwia uzyskanie dużej powierzchni oporowej noża, co jest istotne z uwagi na jego wytrzymałość. Pozwala też na wykonanie zwiększonego promienia przejściowego R (fig. i), co wydatnie ogranicza wpływ karbu i zwiększa trwałość zmęczeniową trzonków noży w trudnych warunkach skrawania skał o dużej twardości.

Mocowanie ostrza pierścieniowego 2 za pomocą nakręcanej oprawy 15 umożliwia dogodną regenerację noży po wystąpieniu skrajnego zużycia ostrzy. W tym celu należy usunąć np. przez toczenie spoinę 16 i odkręcić oprawę 15. Wówczas ostrze można wymienić na nowe z zachowaniem wszystkich pozostałych elementów noża. Ewentualnej wymianie może podlegać również oprawa 15, jeśli jej zużycie jest nadmierne. Pełną operację regeneracji noży można wykonać w typowych warunkach warsztatowych użytkowników maszyn urabiających skały. Pozwala to na duże efekty ekonomiczne i techniczne, gdyż wymiana ostrzy na nowe zdecydowanie zmniejsza energochłonność urabiania skał i koszty materiałowe.

Najkorzystniejsze cechy geometryczne konstrukcji noży według wynalazku należy dobrać w oparciu o wyniki prób. Zaleca się jednak następujące parametry geometryczne:

- kąt spiralnego usytuowania rowków 3 β powinien mieścić się w granicach 20+50°,

- średnica centralnego kanału wodnego 5 nie powinna być większa niż 0,20+0,25 średnicy trzonka noża,

- średnicę otworów zasilających 4 należy tak dobrać, aby ich łączna powierzchnia przekroju była zbliżona do pola przekroju kanału centralnego 5,

- głębokość rowków 3, korzystnie o przekroju półokrągłym, powinna być taka, aby ich przekrój poprzeczny był zbliżony do poła przekroju otworów zasilających 4. Minimalizuje to opory przepływu wody.

Szczególną uwagę należy zwrócić na ukształtowanie strefy połączenia rowków 3 z otworami zasilającymi 4. Rowki 3 należy wykonać tak, aby ich zakończenia były możliwie łagodne, a otwory zasilające 4 były odsunięte od zakończenia rowków (Fig. 3), a zwłaszcza (Fig. 4). Ma to na celu minimalizację wpływu karbów geometrycznych pozwalającą uzyskać dużą trwałość zmęczeniową trzonków noży. Bardzo efektywne zraszanie strefy skrawania noży przy minimalizacji zużycia wody to szczególnie korzystne walory ekologiczne rozwiązania. Skuteczny sposób realizacji obrotów noży pozwala na rezygnację z ustawiania noży na głowicach/organach urabiających kombajnów górniczych pod kątem skręcenia bocznego. Umożliwia to zmniejszenie zużycia energii przy skrawaniu skał oraz zwiększenie trwałości eksploatacyjnej noży. Możliwość regeneracji noży przez użytkowników pozwala na osiągnięcie dużych efektów technicznych i ekonomicznych przy stosowaniu rozwiązania noży styczno-obrotowych według wynalazku.

Zastosowanie łatwo wymiennego pierścienia oporowego 14 umożliwia wykonywanie go z materiału o umiarkowanej odporności na zużycie ścierne. Dzięki temu zachowana może być zwiększona trwałość uchwytów nożowych na stałe przyspawanych do pobocznicy głowic/organów roboczych maszyn urabiających. Ma to szczególne znaczenie przy urabianiu skał o dużej twardości i intensywnym oddziaływaniu ścierno-erozyjnym.

Claims (2)

1. Nóż styczno-obrotowy do urabiania skał wyposażony w rowki oraz centralny kanał wodny znamienny tym, że na powierzchni części roboczej (1a) trzonka (1) noża posiada co najmniej dwa spiralne rowki (3) rozmieszczone równomiernie po obwodzie i zorientowane jednakowo pod kątem β w zakresie od 20°+50° względem osi części roboczej (1a) oraz posiada otwory zasilające (4) łączące rowki (3) z centralnym kanałem wodnym (5), przy czym trzonek (1) noża posiada wymienny pierścień oporowy (14) połączony spoiną (16), wykonany z materiału o mniejszej odporności na zużycie ścierne w stosunku do materiału uchwytu nożowego (7).

2. Nóż styczno-obrotowy według zastrz. 1 znamienny tym, że pierścień oporowy (14) połączony jest z trzonkiem (1) noża zgrzeiną (16).