PL247821B1 - Układ chłodzenia noży kombajnowych styczno-obrotowych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest układ chłodzenia noży kombajnowych styczno-obrotowych zasilany wodą zraszającą, dostarczaną z otworu (5) umieszczonego centralnie w trzonku noża (1) zamkniętego zaworem zwrotnym (6) otwieranym za pomocą trzpienia sterującego (12) osadzonego w korku (9) uchwytu nożowego (7) zasilanego wodą z instalacji zasilającej (10), który charakteryzuje się tym, że posiada co najmniej dwa rowki chłodzące (3) usytuowane pomiędzy ostrzem skrawającym a jego oprawą (15) zasilane wodą z kanału obwodowego (17) dostarczaną otworami zasilającymi (4).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ chłodzenia noży kombajnowych styczno-obrotowych mający zastosowanie do skrawania skał w górnictwie, tunelownictwie, budownictwie, drogownictwie.

W trakcie skrawania skał w robotach górniczych, tunelowych i innych noże skrawające silnie nagrzewają się w wyniku bardzo dużego tarcia części roboczych noży o caliznę skalną. Duża część energii mechanicznej dostarczanej do organów roboczych maszyn urabiających zamienia się na ciepło. Wzrost temperatury noży jest szczególnie niepożądany, gdyż powoduje obniżenie własności mechanicznych ostrzy skrawających, spada odporność na zużycie ścierne materiałów oraz intensyfikowane są niszczące zjawiska zmęczeniowe. Istnieje potrzeba intensywnego chłodzenia noży za pomocą wody, która zrasza strefę urabiania dla ograniczenia zapylenia. Problemem jest uzyskanie wysokiej efektywności chłodzenia noży kombajnowych przy możliwie małym zużyciu wody.

Obecnie stosowane układy zraszania są niewystarczająco efektywne, wymagają zapotrzebowania odpowiednio uzdatnionej wody oraz znacznych nakładów energii, zwłaszcza w przypadku stosowania wysokociśnieniowych układów zraszania i chłodzenia noży skrawających.

Znane układy zraszania i chłodzenia noży stosowane w kombajnach górniczych szczegółowo opisują prace: M. Dolipski, P. Cheluszka; „Dynamika układu urabiania kombajnu chodnikowego”, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002 oraz K. Kotwica: „Zastosowanie wspomagania wodnego w procesie urabiania skał narzędziami górniczymi”, Wyd. AGH, Seria Rozprawy, Monografie, Kraków 2012. Wyróżnia się zraszanie zewnętrzne i wewnętrzne, a w tym drugim przypadku - przednie (przed nożami) i tylne (za nożami). Zraszanie tylne noży styczno-obrotowych, szeroko stosowane, realizowane jest z wykorzystaniem dysz zraszających zainstalowanych w uchwytach nożowych, do których musi zostać doprowadzona woda.

Z angielskiego opisu patentowego GB2353486, amerykańskiego opisu patentowego US20200208516, oraz WO9947791 znane są rozwiązania, w których w kombajnach górniczych strumień wody zraszającej doprowadzany jest za pomocą wysokociśnieniowego złącza obrotowego lub rozdzielacza sektorowego w celu skierowania go jedynie do dysz zraszających zlokalizowanych w danej chwili od strony urabianej calizny. Elementy te zainstalowane są wewnątrz organu urabiającego / głowicy urabiającej, w kadłubie przekładni napędowej.

Z innego europejskiego opisu patentowego EP0106834 znane jest rozwiązanie, w którym woda pod ciśnieniem doprowadzana jest do otworów wylotowych w głowicy urabiającej za pośrednictwem osiowego otworu oraz promieniowych kanałów.

Ponadto z angielskiego opisu patentowego GB2132255 znane jest rozwiązanie, w którym do organu urabiającego kombajnu ścianowego przewodem ciśnieniowym i obrotowym uszczelnieniem aktywnym dostarczana jest ciecz pod wysokim ciśnieniem. Sterowanie cieczą zapewniają specjalne zawory umieszczone wewnątrz kadłuba organu urabiającego.

Niedogodnością powyższych rozwiązań jest ich skomplikowana konstrukcja, ponadto narażone są one na destrukcyjne działanie czynników środowiskowych, a tym samym wykazują przy tym niską żywotność eksploatacyjną.

Znane są rozwiązania, w których sterowanie dopływem wody do dysz zraszających realizowane jest indywidualnie z wykorzystaniem zaworu znajdującego się wewnątrz uchwytu nożowego. Przykładem jest rozwiązanie znane z opisu patentowego ATA752278, w którym trzonek noża osadzony jest osiowo przesuwnie w uchwycie nożowym i podparty sprężyną. Dopływ wody do dyszy zraszającej jest kontrolowany przez zawór umieszczony w uchwycie nożowym. Zawór ten włączany jest w trakcie ruchu posuwistego noża w głąb uchwytu nożowego pod wpływem sił skrawania. Po zaniku oporów skrawania nóż przesuwany jest w skrajne przednie położenie za pomocą sprężyny, z jednoczesnym odcięciem dopływu wody do dyszy zraszającej przez zawór. Niedogodnością rozwiązania jest bardzo skomplikowana konstrukcja uchwytu nożowego wyposażonego w zawór sterujący oraz sprężynowy mechanizm powrotu noża do początkowego ustawienia.

W rozwiązaniu ujawnionym w europejskim opisie patentowym EP0155355 w tylnej części uchwytu nożowego umieszczona jest pompa składająca się z nieruchomego tłoczka oraz przesuwnego cylinderka wyposażonego w trzpień opierający się o kadłub głowicy urabiającej. Uchwyt nożowy zamocowany jest do kadłuba głowicy urabiającej przesuwnie. Pod działaniem sił od urabiania cofający się uchwyt nożowy wywołuje wzrost ciśnienia wody znajdującej się w cylinderku pompy, która wtłaczana jest do dyszy zraszającej pod zwiększonym ciśnieniem. Trzonek noża jest zamontowany w gnieździe uchwytu nożowego z luzem, dzięki czemu część wody może być również wypychana na zewnątrz przez szczelinę pierścieniową, tak że woda pod wysokim ciśnieniem ma działanie płuczące i smarujące. Dla zapewnienia utrzymania podwyższonego ciśnienia wody wywołanego działaniem pompy uchwyt nożowy wyposażony jest w zawory zwrotne.

Niedogodnością powyższego rozwiązania jest zastosowanie zaworów zwrotnych, zwłaszcza w dyszy zraszającej oraz skomplikowana konstrukcja (zastosowanie pompy). Wrażliwość tych elementów na zanieczyszczenie negatywnie wpływa na niezawodność ich działania.

W opisach patentowych: US4443038, GB1006819, czy JPS6092595 przedstawiono dysze zraszające umieszczone w kadłubie organu/głowicy urabiającego, w uchwytach nożowych lub w trzonkach noży o ostrzu klinowym (noży promieniowych). W rozwiązaniach tych w trzonku noża wykonany jest wzdłużny kanał doprowadzający wodę do dyszy zlokalizowanej w pobliżu ostrza noża z kanału wykonanego w uchwycie nożowym. Niedogodnością rozwiązań jest brak sterowania dopływem wody zraszającej do dyszy, co przy braku rozdzielacza sektorowego skutkuje jednoczesnym podawaniem wody do wszystkich dysz zraszających noży rozmieszczonych na całym obwodzie organu/głowicy urabiającej, co prowadzi do dużego zużycia wody.

Znane są rozwiązania z opisów patentowych: WO2017219613, CN86206244, CN106837327, czy CN103174421, które dotyczą noży styczno-obrotowych o ostrzu stożkowym, gdzie w trzonku noża przeprowadzono osiowy kanał doprowadzający wodę z uchwytu nożowego do dyszy zraszającej w ostrzu noża. Sterowanie dopływem wody realizowane jest przy wykorzystaniu ruchu posuwisto-zwrotnego trzonka noża w gnieździe uchwytu nożowego o specjalnym ukształtowaniu współpracujących ze sobą powierzchni, pod wpływem sił od urabiania. Odpowiednio ukształtowana część chwytowa trzonka noża pełni rolę suwaka sterującego zaworu odcinającego dopływ wody.

Niedogodnością powyższych rozwiązań jest konieczność umiejscowienie otworu wylotowego dyszy o odpowiednim kształcie w ostrzu noża wykonanym np. z węglików spiekanych, co komplikuje technologię wykonania tego rodzaju elementów i zwiększa jego koszty. Skomplikowane ukształtowanie powierzchni trzonka noża i gniazda w uchwycie nożowym oraz zastosowanie specjalnych uszczelnień komplikuje technologię wykonania, zwiększa koszty i utrudnia eksploatację.

Wspólną cechą znanych rozwiązań jest skomplikowana konstrukcja, gdyż składają się one z wielu współpracujących ze sobą elementów metalowych, ceramicznych oraz gumowych pełniących rolę uszczelnień. Trudne warunki pracy kombajnów górniczych, a zwłaszcza obecność pyłu kamiennego o silnie ściernych własnościach, wpływa niekorzystnie na trwałość i niezawodność rozdzielaczy sektorowych, zaworów, pomp podnoszących ciśnienie wody i innych współpracujących ze sobą elementów. Prowadzi to w szybkim tempie do spadku skuteczności zraszania noży skrawających, intensywnych przecieków mogących skutkować przedostaniem się wody do wnętrza przekładni zębatych w układzie przeniesienia napędu na organ/głowicę urabiającą i prowadzić do poważnych awarii kombajnu.

W celu zapewnienia wymaganej skuteczności działania układów zraszania stosowanych w kombajnach górniczych zasilane są one wodą o wysokim lub bardzo wysokim ciśnieniu, uzyskiwanym z wykorzystaniem pomp wysokociśnieniowych. Powoduje to duże zużycie wody oraz straty energii związane z zapewnieniem odpowiedniego jej ciśnienia.

Znane układy z automatycznym sterowaniem procesu zraszania są bardzo złożone, kosztowne i często zawodne w trudnych warunkach ich pracy, zwłaszcza w drążonych wyrobiskach korytarzowych. Skuteczność wszystkich znanych rozwiązań zraszania jest niewystarczająca, zwłaszcza w przypadku trudno urabialnych skał, pomimo zużywania dużej ilości wody. Odpowiednio uzdatniona woda musi być dostarczona z powierzchni kopalń długą drogą bezpośrednio do wyrobisk górniczych, a następnie wypompowana do zbiorników powierzchniowych. Są to układy o niskiej efektywności energetycznej, wymagają złożonej, specjalistycznej obsługi i serwisowania, co znacznie zwiększa koszty ich stosowania. W przypadku urządzeń do frezowania jezdni niezbędne jest wyposażenie maszyn frezujących w zbiorniki wody o dużej pojemności.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie ulepszonej, innowacyjnej i prostej, a zarazem skutecznej konstrukcji układu chłodzenia i zraszania noży styczno-obrotowych wyposażonego w zintegrowany system sterowania dopływem wody do dysz zraszających. Układ dedykowany jest dla noży o ostrzu pierścieniowym oraz ostrzach typu słupkowego, niezależnie od ich kształtu.

Cel ten zrealizowano opracowując rozwiązanie, które eliminuje niedogodności znanych układów zraszania stosowanych w kombajnach górniczych, zwłaszcza stosowanych do urabiania skał trudno urabialnych. Istotny wzrost efektywności chłodzenia noży i zraszania strefy urabiania przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia wody i energii uzyskano przez konstrukcję układu, który automatycznie generuje mgłę wodną tylko w bezpośredniej strefie oddziaływania ostrza noża na skałę i tylko w chwilach, gdy nóż ten jest w kontakcie z urabianą calizną, a więc gdy jest to niezbędne, cechującego się niezwykłą prostotą wykonania oraz niewielką liczbą elementów. Nie stosuje się przy tym uszczelnień gumowych, co wydatnie zwiększa trwałość i pewność eksploatacyjną rozwiązania według wynalazku.

W rozwiązaniu według wynalazku problem chłodzenia noży został rozwiązany przez takie ukształtowanie kanałów z wodą chłodzącą, aby skuteczność odbioru ciepła była możliwie największa, w szczególności w tych strefach noży styczno-obrotowych, w których ciepło jest generowane przez tarcie.

Układ chłodzenia noży kombajnowych styczno-obrotowych zasilany wodą zraszającą, dostarczaną z otworu umieszczonego centralnie w trzonku noża zamkniętego zaworem zwrotnym otwieranym za pomocą trzpienia sterującego osadzonego w korku uchwytu nożowego zasilanego wodą z instalacji zasilającej i wyposażony w rowki chłodzące c charakteryzuje się tym, że posiada co najmniej dwa rowki chłodzące wykonane w oprawie zasilane wodą z kanału obwodowego dostarczaną otworami zasilającymi, przy czym rowki chłodzące mają przekrój półokrągły.

Korzystnie układ chłodzenia noży kombajnowych według wynalazku ma rowki chłodzące wykonane spiralnie lub skośnie pod kątem β w zakresie od 20° do 50°.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został przedstawiony na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia konstrukcję układu w zastosowaniu do noża styczno-obrotowego ze stożkowym ostrzem skrawającym, Fig. 2 przedstawia przekrój noża w płaszczyźnie A-A z przykładowym rozmieszczeniem rowków chłodzących ostrze skrawające i jego oprawę, Fig. 3 przedstawia przekrój wzdłużny oprawy ostrza z wzdłużnymi rowkami chłodzącymi, a Fig. 4 przedstawia przekrój wzdłużny oprawy ostrza z przykładowym spiralnym ukształtowaniem rowków chłodzących, zaś Fig. 5 przedstawia zastosowanie układu zwiększającego efektywność chłodzenia dla noża z ostrzem pierścieniowym, Fig. 6 przedstawia przykład wykorzystania układu dla ostrzy typu słupkowego w fazie skrawania calizny skalnej CS i działanie układu chłodzenia ostrza i jego oprawy.

Woda chłodząca przepływa wykonanym w trzonku noża 1 otworem centralnym 5, z którego odprowadzana jest otworami zasilającymi 4 do kanału obwodowego 17 utworzonego między oprawą 15 a ostrzem skrawającym 2 (Fig. 1 i Fig. 5). Następnie z kanału obwodowego 17 przepływa szeregiem rowków chłodzących 3 wykonanych w oprawie 15, spełniając podstawową funkcję chłodzącą. Po schłodzeniu oprawy 15 i ostrza skrawającego 2 woda wytryskuje z wylotów rowków chłodzących 3, zraszając strefę skrawania calizny skalnej CS (Fig. 6), intensywnie chłodząc część roboczą ostrzy skrawających z węglików spiekanych. Przykładowo przepływ wody chłodzącej i zraszającej ilustruje strzałkami Fig. 6.

Do chłodzenia i zraszania woda podawana jest wyłącznie w czasie, gdy występuje kontakt ostrza skrawającego 2 z calizną skalną, co reguluje automatyczny zespół zasilania w wodę podawaną do uchwytu nożowego 7 przez instalację zasilającą 10 z wodą pod stałym, umiarkowanym ciśnieniem p. Uchwyt noży 7 zamknięty jest uszczelnionym korkiem 9, przez co między trzonkiem noża 1 a korkiem 9 utworzona jest zamknięta przestrzeń wodna 11. Do otworu centralnego 5 woda dostarczana jest przez zawór zwrotny 6 o odpowiednio dobranych parametrach. Trzonek noża 1 swobodnie może się przemieszczać w ramach luzu L ustalonego przez pierścień zabezpieczający 8.

Układ chłodzenia noża i zraszania calizny skalnej jako całość pracuje w następujący sposób. Przed kontaktem ostrza 2 noża z calizną skalną wskutek działania ciśnienia p nóż zajmuje pozycję wyjściową, jak na Fig. 1 i Fig. 5. Sprzyja temu dodatkowo siła odśrodkowa działająca na nóż podczas wirowania głowicy/organu roboczego kombajnu. W takiej pozycji niewielka porcja wody przepływa szczeliną między trzonkiem noża 1 a uchwytem nożowym 7, smarując i spłukując ewentualne zanieczyszczenia pyłowe. Gdy wystąpi pierwszy początkowy kontakt noża z calizną, nóż ze znaczną prędkością cofa się w głąb uchwytu nożowego 7 (Fig. 6), co wywołuje impulsowy wzrost ciśnienia w przestrzeni wodnej 11. Powoduje to otwarcie zaworu zwrotnego 6 i szybki przepływ wody otworem centralnym 5, otworami zasilającymi 4 do kanału obwodowego 17, skąd następuje szybki impulsowy wypływ wody rowkami chłodzącymi 3. Służy to usunięciu zanieczyszczeń pyłowych z wylotów rowków chłodzących 3. Jest to pierwsza faza chłodzenia ostrza noża i oprawy 15 oraz zraszania strefy skrawania. Gdy pierścień oporowy 14 zespolony z trzonkiem noża 1 pod działaniem oporu skrawania Q oprze się na czołowej powierzchni uchwytu nożowego 7 i rozpoczyna się faza skrawania warstwy skalnej, zawór zwrotny 6 pozostaje otwarty przez końcówkę trzpienia sterującego 12. Powoduje to przepływ wody pod ciśnieniem zasilania p przez cały układ chłodzenia i zraszania. Skutkuje to efektywnym chłodzeniem ostrza noża 2 i oprawy 15 w czasie, gdy generowana jest główna część ciepła wynikająca z intensywnego tarcia ostrza i jego oprawy o urobioną caliznę. Gdy zakończy się proces skrawania i nóż wychodzi z kontaktu z calizną skalną, następuje powrót trzonka noża 1 na pozycję wyjściową, w czym pomocne może być opcjonalne zastosowanie sprężyny naciskowej 13 (prawa strona Fig. 1 i Fig. 5).

Zawór zwrotny 6 zamyka się i ustaje przepływ wody przez układ chłodzenia i zraszania. Opisany cykl powtarza się z każdym obrotem głowicy/organu urabiającego kombajnu. Szczególnie wysoka efektywność chłodzenia noża wynika stąd, że przepływ wody chłodzącej odbywa się wieloma drogami z bezpośrednim działaniem na ostrze skrawające i jego oprawę w strefach i czasie o największej intensywności generowania ciepła. Na Fig. 2 i Fig. 3 przedstawiono przykładowe wykorzystanie czterech równomiernie rozmieszczonych rowków chłodzących 3 z wodą chłodzącą. W korzystnym przypadku uformowania rowków chłodzących 3 w postaci półokrągłej uzyskuje się zwiększoną o ponad 50% powierzchnię chłodzenia oprawy 15 w stosunku do powierzchni chłodzenia ostrza (dokładnie jest to π/2 razy). Jest to korzystne, gdyż na powierzchni oprawy generowane jest ciepło, tak w fazie skrawania, jak i przemieszczania urobku. Dodatkowe znaczące zwiększenie powierzchni chłodzenia rowków chłodzących 3 można uzyskać, wykonując je w sposób spiralny lub skośny pod kątem β, jak przykładowo ilustruje Fig. 4. Kąt β zaleca się dobierać w zakresie 20+50°. Przykładowo, gdy kąt β = 45°; powierzchnia chłodzenia rowków 3 wzrasta o ponad 40% (dokładnie ^2-razy), co silnie wzmacnia efekt chłodzenia ostrza 2 i oprawy 15. Wykonując rowki chłodzące 3 pod kątem β uzyskać można dodatkowy bardzo korzystny efekt polegający na tym, że w trakcie przemieszczania się noża w ramach luzu L pod wpływem szybkiego impulsowego przepływu wody rowkami chłodzącymi 3 występuje reakcja hydrodynamiczna powodująca obrót noża wokół jego osi o niewielki kąt. Obroty te sumując się sukcesywnie w kolejnych cyklach pracy noża służą uzyskiwaniu równomiernego zużywania się ostrzy skrawających, co ma duże znaczenie, jeśli chodzi o trwałość eksploatacyjną noży i zmniejszenie energochłonności procesu urabiania skał.

Oprawę ostrzy 15 korzystnie jest mocować za pośrednictwem drobnozwojnego gwintu rurowego, co umożliwia mocne dociśnięcia mocowanego ostrza 2 do trzonka noża 1. Dodatkowo można wykorzystać skurcz termiczny, podgrzewając przed montażem oprawę 15 i ewentualnie schładzając ostrze nożowe 2. Zabezpieczenie przed samoczynnym luzowaniem się korzystnie jest wykonać niewielką spoiną obwodową 16 lub przez twarde lutowanie, co dodatkowo służy uszczelnieniu połączenia. Obwodowy kanał 17 utworzony między oprawą 15 a innymi elementami noża służy wyrównaniu ciśnienia i równomiernemu rozprowadzeniu wody chłodzącej. Pozwala na zmniejszenie liczby otworów zasilających 4. Przekrój poprzeczny otworu centralnego 5, otworów zasilających 4 i rowków chłodzących 3 należy dobrać tak, aby uzyskać możliwie mały opór przepływu wody przy dostatecznej wydajności przepływu.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest oszczędne użytkowanie wody przy wysokiej sprawności chłodzenia. Mocowanie ostrzy skrawających poprzez odkręcane oprawy 15 umożliwia rezygnację ze stosowania zawodnego lutowania ostrzy. Opcjonalnie lutowanie może być dodatkowo stosowane, zwłaszcza w przypadku ostrzy typu słupkowego, jak na Fig. 6. Po o usunięciu spoiny obwodowej 16 np. przez toczenie możliwa jest regeneracja noża poprzez wymianę zużytego ostrza i ewentualnie oprawy na nowe. Pozostałe elementy układu cechują się bardzo dużą trwałością i używane mogą być wielokrotnie. Regeneracja noży może być realizowana w warunkach typowych warsztatów mechanicznych bezpośrednio przez użytkowników. Umożliwia to uzyskiwanie dużych efektów technicznych i ekonomicznych.

Układ wysoko efektywnościowego chłodzenia noży styczno-obrotowych połączony ze zraszaniem strefy skrawania i dodatkowo z obracaniem noży wokół osi może być stosowany niezależnie od typu ostrzy skrawających z węglików spiekanych. Skuteczne chłodzenie umożliwia zachowanie wysokich własności mechanicznych elementów noży, w tym głównie ostrzy, ponadto stwarza możliwość osiągnięcia efektów technicznych, ekonomicznych i bezpieczeństwa użytkowania.

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ chłodzenia noży kombajnowych styczno-obrotowych zasilany wodą zraszającą, dostarczaną z otworu (5) umieszczonego centralnie w trzonku noża (1) zamkniętego zaworem zwrotnym (6) otwieranym za pomocą trzpienia sterującego (12) osadzonego w korku (9) uchwytu nożowego (7) zasilanego wodą z instalacji zasilającej (10) i wyposażony w rowki chłodzące (3) znamienny tym, że posiada co najmniej dwa rowki chłodzące (3) wykonane w oprawie (15) zasilane wodą z kanału obwodowego (17) dostarczaną otworami zasilającymi (4), przy czym rowki chłodzące (3) mają przekrój półokrągły.

2. Układ chłodzenia noży kombajnowych według zastrz. 1 znamienny tym, że rowki chłodzące (3) wykonane są spiralnie lub skośnie pod kątem β w zakresie od 20° do 50°.