Устройство для разрушения камня

 

Использование: в горнодобывающей промышленности, для добычи и последующей разделки блоков камня. Устройство содержит исполнительный орган, соединенный с генератором механических усилий. Генератор механических усилий выполнен в виде нагревателя и прутков клинообразного сечения из материала с памятью формы в монокристаллической структуре и стержней из конструкционной стали. Прутки и стержни размещены между двух цилиндров. Исполнительный орган устройства состоит из двух клиньев, направленных навстречу друг другу, двух опор, сопрягающихся с конусными поверхностями клиньев, и передаточного механизма в виде штока, хомута и упора. При нагреве прутков происходит их удлинение и перемещение клина, соединенного с генератором механических усилий. При раздвижении опор осуществляется отделение блока. 5 з. п. ф-лы, 6 ил.

Устройство относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано для добычи блоков камня и для разделки имеющихся блоков.

Известны устройства для разрушения камня, где в качестве генератора механических усилий используется гидроцилиндр, а в качестве рабочего органа распорный клин, который устанавливается в отверстиях (А.С. 1624147, кл. Е 21 С 37/02, А.С. 1717816, кл. Е 21 С 37/04 и др.).

Недостатками этих устройств являются сложность и дороговизна этого оборудования, а также довольно низкая его надежность из-за наличия шлангов, эластичных камер и других узлов, работающих под большой нагрузкой.

Гораздо дешевле и надежнее устройства, использующие индивидуальный механический привод и два распорных клина, направленных навстречу друг другу [1] Устройство состоит из привода и клинового механизма, который представляет собой шток, выполненный заодно с прямым клином.

Тяга, переходящая в корпус, проходит внутри штока и прямого клина. Прямой и обратный клинья расположены между парой щек, удерживаемых пружинным кольцом.

Это устройство обладает следующими недостатками: конструкция довольно сложная; недостаточно велико разрывное усилие (эффективность); при групповом применении необходимо дополнительное устройство для синхронизации наращивания усилия (сложная технология при использовании).

Цель изобретения упрощение конструкции, повышение эффективности и упрощение технологии использования.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее привод механического усилия, клиновой механизм в виде двух конусов, пару щек, прилегающих к противоположным поверхностям конусов, приспособление для присоединения щек, обеспечивающее изменение расстояния между ними, шток, связанный с приводом и установленный с возможностью взаимодействия с одним из конусов, ориентированным меньшим основанием навстречу другому конусу, введен жестко связанный со штоком хомут, в котором расположен клиновой механизм, а привод механического усилия выполнен в виде генератора на основе материала с памятью формы с механизмом его нагревания, при этом генератор установлен концентрично штоку между основанием одного из конусов и упором, выполненным на одном из концов штока.

Для повышения быстродействия и снижения трудоемкости эксплуатации генератор механического усилия в вышеуказанном устройстве выполнен как минимум из одного внешнего, двух внутренних цилиндров, двух фланцев, неподвижно соединенных с внутренними цилиндрами соответственно; между фланцами расположены прутки из сплава Cu-Al-Ni, имеющие сечение в виде трапеции, pасположенной основанием к наружному цилиндру, хотя бы один пруток выполнен из конструкционного материала (например, сталь или латунь) и жестко закреплен на внешнем цилиндре.

С этой же целью корпус генератора усилий может быть выполнен как минимум из двух внешних цилиндров, одного внутреннего и двух фланцев, соединенных неподвижно с двумя внешними цилиндрами соответственно.

С этой же целью в корпус генератора усилия вводят третий фланец, неподвижно соединенный с внутренним или внешним цилиндром в его середине, причем прутки из материала с памятью формы расположены между третьим фланцем и первым фланцем, а также между третьим фланцем и вторым.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, разрез; на фиг.2 генератор, разрез; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 6 то же, варианты.

В устройстве для разрушения камня (фиг.1) хомут 1 выполнен заодно со штоком 2, имеющим на противоположном конце резьбу с навинченной гайкой 3, выполняющей роль упора; внутри хомута 1 расположены вставные конусы 4 и 5, ориентированные узкими сторонами 6 и 7 навстречу друг другу; к коническим поверхностям вставных конусов 4 и 5 прилегают две щеки 8, стянутые приспособлением, состоящим из двух пружин 9 и штока 10, имеющего две противолежащие опорные поверхности 11, причем пружины 9 установлены между опорной поверхностью 11 и соответствующими щеками 8 в сжатом состоянии. Генератор 12 механического усилия расположен между гайкой 3 и опорным выступом 13 вставного конуса 5.Между штоком 2 и генератором 12 механических усилий проложена асбестовая прокладка 14, сверху расположено съемное нагревательное устройство 15.

На фиг.2 показан продольный разрез генератора 12 усилий, где между внешней трубой 16 и внутренними трубами 17 расположены стержни 18, выполненные из сплава Cu-Al-Ni и имеющие в сечении форму призмы (клинообразные), ориентированные широким основанием в сторону внешнего цилиндра, причем два стержня жестко закреплены на внешнем цилиндре 16 с помощью винтов (на фиг.2 не показаны) и выполнены из стали. Фланцы 19 приварены к торцу внутренних труб 17 соответственно. Длина стержней 18 из сплава Cu-Al-Ni выбрана таким образом, что в сжатом состоянии равна длине наружной трубы 16, и стержни плотно прилегают друг к другу.

На фиг. 3 изображен поперечный разрез генератора 12 усилий (фиг.2), где между внешней 16 и внутренней 17 трубами расположены клинообразные стержни 18, ориентированные основанием к внешней трубе 16, диаметрально расположенные стержни 20 выполнены из конструкционного материала (сталь) и закреплены на наружном цилиндре с помощью винтов (на фиг.4 не показаны).

На фиг. 4 показан продольный разрез второго варианта генератора 12 усилий, где между двумя внешними 16 и внутренними 17 трубами установлены клинообразные стержни 18 (материал, крепление и размеры такие же, как на фиг. 3). Фланцы 19 приварены к торцам внешних труб 16.

На фиг.5 показан продольный разрез третьего варианта генератора 12 усилий, где между внешней 16 и внутренними 17,21 трубами установлены клинообразные стержни 18 (материал и крепление как на фиг.3), к наружной трубе 16 неподвижно прикреплен фланец 22, к внутренним трубам 17 приварены фланцы 19. Длина клинообразных стержней 18 в сжатом состоянии вместе с толщиной фланца 22 равна длине внешней трубы 16.

На фиг. 6 изображен продольный разрез четвертого варианта генератора 12 усилий, где между внутренней 17 и двумя внешними 16 трубами установлены стержни 18, фланец 22 приварен к внутренней трубе 17, фланцы 19 приварены к торцам внешних труб 16. Длина стержней 18 выбрана аналогично третьему варианту.

Для всех вариантов генераторов механических усилий соотношение размеров цилиндров и клинообразных стержней из материала с памятью формы определяется следующей формулой: D_1внутр. D_{2внешний} 2 х (1,1-1,25) Н, где D_1внур. внутренний диаметр внешних цилиндров; D_{2внешний} внешний диаметр внутренних цилиндров; Н высота клина в сечении стержней.

Устройство работает следующим образом.

При включении нагревательного устройства 15 генератор 12 механического усилия прогревается и стержни 18 начинают удлиняться в осевом направлении за счет фазового превращения материала с памятью формы. Это движение передается вставному конусу 5 через опорный выступ 13. Расстояние между вставным конусом 4 и вставным конусом 5 уменьшается, и прилегающие к ним щеки 8 раздвигаются, передавая усилие к объекту до его разрушения (разрушаемый объект на фиг.1 не показан). Пружины 9, сжимаясь между опорными поверхностями 11 штока 10, не препятствуют перемещению щек 8, а в исходном состоянии обеспечивают поджатие щек 8 к конусам 4 и 5. Генератор усилий, изображенный на фиг.2, работает следующим образом.

Стержни при нагревании удлиняются и раздвигают фланцы 19 вместе с внутренними трубами 17. Внешняя труба 16 не позволяет стержням 18 располагаться в радиальном направлении и несет силовые функции. Стержни 20, изображенные на фиг.4, не позволяют стержням 18 принимать форму винтовой линии. Клиновая форма стержней 18 предохраняет их от смещения внутрь. Внутренние трубы 17 выполняют двойную роль: с одной стороны, эти цилиндры выполняют роль технологического приспособления при установке (набивке) стержней 18 между внешними и внутренними трубами, с другой внутренние трубы 17 служат для крепления фланцев 19 в конструкции. В то же время сами трубы 17 удерживаются в конструкции за счет трения со стержнями 18 из-за неровностей формы последних. Экспериментально определено, что такая неровность в прутках из монокристалла Cu-Al-Ni при их выращивании составляет 10-25% от толщины прутка. При уменьшении зазора между внешней и внутренней трубами менее 10% затрудняется взвод стержней 18, а при увеличении свыше 25% наблюдается выпадание из конструкции внутренних труб вместе с фланцами.

Вариант конструкции генератора усилий, изображенного на фиг.4, работает аналогично предыдущему, только при раздвижении фланцев 19 образуется одна щель, но ввиду того, что стержни 18 касаются этой щели только своей средней частью, устойчивость конструкции не теряется. Вариант конструкции генератора усилий, изображенного на фиг.6, отличается от первого варианта (фиг.2) тем, что при раздвижении фланцев 19 щели между ними и внешним цилиндром распределяются равномерно, что ведет к повышению устойчивости. Конструкция этого варианта несколько сложнее. Вариант конструкции генератора механических усилий, изображенного на фиг.6, работает аналогично предыдущим вариантам, и отличается от варианта, изображенного на фиг.5 тем, что щели при раздвижении фланцев 19 образуются в середине конструкции между третьим фланцем 22 и внешними трубами 16.

Упомянутые выше конструкции генераторов механических усилий позволяют набирать рабочее тело из множества прутков, что в свою очередь позволяет выполнять их в виде монокристалла Cu-Al-Ni, так как качественный монокристалл сплава Cu-Al-Ni можно вырастить только довольно ограниченного сечения, а последующая термообработка возможна только при диаметре монокристалла не более 8 мин.

Эффективность предлагаемого устройства по отношению к прототипу: в части упрощения конструкции определяется исключением корпуса. Его функцию в предлагаемом устройстве выполняет шток. В прототипе корпус был самой громоздкой и дорогостоящей после механического привода частью устройства, так как вынужден охватывать привод и выдерживать (передавать) механические нагрузки на шток. А то, что привод на основе материалов с памятью формы дешевле механического или гидравлического привода, очевидно; тяга (у прототипа) проходит внутри штока и может занимать не более половины его диаметра, в противном случае не остается места для клиньев (т.е. сечение тяги не должно превышать 0,25% от сечения штока). В предлагаемом устройстве сечение хомута может занимать боле 50% от сечения штока.

Следовательно, исходя из условий прочности, предлагаемое устройство может реализовать передаваемое усилие более чем в 2 раза по отношению к прототипу; в части упрощения технологии группового использования устройств необходима синхронизация нарастания разрывного усилия, которая может быть достигнута одновременным включением нагревателей для всех устройств.

Разработан действующий макет устройства для разрушения камня, который успешно прошел испытания в карьерах.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ КАМНЯ, содержащее привод механического усилия, клиновой механизм в виде двух конусов, пару щек, прилегающих к противоположным поверхностям конусов, приспособление для соединения щек, обеспечивающее изменение расстояния между ними, шток, связанный с приводом и установленный с возможностью взаимодействия с одним из конусов, ориентированным меньшим основанием навстречу другому конусу, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности, упрощения конструкции и упрощения технологии использования, введен жестко связанный со штоком хомут, в котором расположен клиновой механизм, а привод механического усилия выполнен в виде генератора на основе материала с памятью формы с механизмом его нагревания, при этом генератор установлен концентрично штоку между основанием одного из конусов и упором, выполненным на одном из концов штока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор включает как минимум внутренний и внешний цилиндры, как минимум 2 фланца, между которыми расположены прутки из сплава Cu-Al-Ni, имеющие сечение в виде трапеции, которая ориентирована основанием к внешнему цилиндру, и хотя бы один пруток из стали, закрепленный на внешнем цилиндре.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что генератор механического усилия выполнен как минимум из двух внешних цилиндров, одного внутреннего и двух фланцев, причем фланцы соединены неподвижно с внешними цилиндрами соответственно.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в генератор механического усилия введен третий фланец, неподвижно соединенный с внешним цилиндром в его середине, а прутки расположены между третьими фланцем и остальными.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что генератор механического усилия выполнен из одного внешнего, двух внутренних цилиндров и двух фланцев, неподвижно соединенных с внутренними цилиндрами соответственно.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в генератор механического усилия введен третий фланец, неподвижно соединенный с внутренним цилиндром в его середине, а прутки расположены между третьим фланцем и остальными.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6