Режущий узел
Изобретение относится к режущему узлу горных или землеройных работ. Технический результат – защита держателя инструмента режущим элементом от значительного износа во время эксплуатации, что увеличивает срок службы режущего элемента. Режущий узел машины для выемки горных пород содержит: основной блок, одно или более подвижных опорных плеч, отходящих от основного блока, шпиндель, прикрепленный с возможностью вращения к указанному или каждому подвижному опорному плечу, дисковую фрезу, закрепленную относительно шпинделя так, что вращение шпинделя вызывает соответствующее вращение дисковой фрезы. Причем дисковая фреза содержит тело фрезы, множество режущих элементов и соответствующее количество держателей инструмента, а именно, один для каждого режущего элемента, при этом режущие элементы и держатели инструмента расположены вокруг окружной поверхности тела фрезы. Каждый режущий элемент размещен в гнезде держателя инструмента, при этом гнездо ориентировано так, что режущий элемент направлен в заданном направлении вращения или к нему. При этом режущий элемент является цилиндрическим и имеет плоскую режущую поверхность, указанный или каждый режущий элемент является поликристаллической алмазной вставкой (PDC), размер в боковом направлении каждого режущего элемента больше размера в боковом направлении держателя инструмента. 10 з.п. ф-лы, 11 ил.
Область техники
Изобретение относится к горным и землеройным машинам. В частности, оно относится к режущему узлу машины для выемки горных пород.
Предшествующий уровень техники
Многочисленные типы горных пород, встречающиеся по всему миру в виде крупных месторождений, широко известны как пласты. Для выемки пластов из земли в наземных карьерах используются различные типы горного оборудования. Добыча этих пластов выполняется с использованием специального оборудования, обычно перетаскиваемого с места их расположения с помощью больших и очень мощных транспортных средств. Пласты горной породы могут иметь вес до 40 тонн (40000 кг). Обработка, например полирование, может выполняться на месте или, как вариант, пласты могут транспортироваться с места выемки для выполнения резки на куски соответствующих размеров для бытового и промышленного применения.
То же самое оборудование, используемое в наземных условиях, не всегда можно использовать непосредственно в ограниченном пространстве подземной выработки.
Задача изобретения заключается в создании компактного универсального режущего узла для облегчения разработки и выемки блоков геометрической и негеометрической формы конкретных горных пород и узла, который можно использовать для ведения наземных или подземных работ.
Раскрытие изобретения
Согласно изобретению режущий узел машины для выемки горных пород содержит: основной блок, одно или более подвижных опорных плеч, отходящих от основного блока, шпиндель, прикрепленный с возможностью вращения к указанному или каждому подвижному опорному плечу, дисковую фрезу, закрепленную относительно шпинделя так, что вращение шпинделя вызывает соответствующее вращение дисковой фрезы, причем дисковая фреза содержит тело фрезы, множество режущих элементов и соответствующее количество держателей инструмента, а именно, один для каждого режущего элемента, при этом режущие элементы и держатели инструмента расположены вокруг окружной поверхности тела фрезы, каждый режущий элемент размещен в гнезде держателя инструмента, гнездо ориентировано так, что режущий элемент направлен в заданном направлении вращения или к указанному направлению вращения.
Согласно некоторым вариантам осуществления держатели инструмента отходят радиально наружу от тела фрезы.
Предпочтительно, передний угол режущего элемента относительно держателя инструмента составляет 10 – 30 градусов. По усмотрению, передний угол составляет приблизительно 25 градусов.
Держатель инструмента может быть постоянно соединен с телом фрезы, например, посредством пайки твердым припоем. Как вариант, держатель инструмента может быть соединен с телом фрезы с возможностью отсоединения. Согласно варианту осуществления держатель инструмента соединен с телом фрезы с возможностью отсоединения посредством установочного штифта.
Каждый режущий элемент может быть постоянно закреплен в гнезде посредством пайки твердым припоем. Согласно варианту осуществления режущий элемент может быть установлен в гнездо с возможностью вращения.
По усмотрению держатель инструмента, в общем, имеет форму усеченного конуса, если смотреть в осевом направлении, и имеет более короткую переднюю сторону по сравнению с задней стороной, причем гнездо расположено на передней стороне.
По усмотрению режущий элемент является цилиндрическим и имеет плоскую режущую поверхность. Указанный или каждый режущий элемент может быть поликристаллической алмазной вставкой (PDC).
Согласно некоторым вариантам осуществления размер в боковом направлении каждого режущего элемента больше размера в боковом направлении держателя инструмента. Согласно таким вариантам осуществления режущий элемент по усмотрению выступает в боковом направлении за держатель инструмента, по меньшей мере, на 1 мм с каждой стороны.
Каждый держатель инструмента может сужаться в боковом направлении внутрь от режущего элемента к телу фрезы.
Краткое описание чертежей
Далее приведено подробное описание изобретения только в качестве примера со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 схематично показана подземная выработка, содержащая режущий узел согласно первому варианту осуществления, являющийся частью системы горной разработки длинными забоями, причем режущий узел показан в горизонтальной ориентации, вид сверху;
на фиг. 2 – система горной разработки длинными забоями на фиг. 1, вид сбоку;
на фиг. 3 – подземная выработка, содержащая режущий узел согласно второму варианту осуществления, являющийся частью системы горной разработки длинными забоями, причем режущий узел показан в вертикальной ориентации, вид сверху;
на фиг. 4 – система горной разработки длинными забоями на фиг. 3, вид сбоку;
на фиг. 5 – дисковая фреза согласно первому варианту осуществления, вид спереди;
на фиг. 6 – режущий элемент для использования с дисковой фрезой на фиг. 5, вид спереди;
на фиг. 7 – режущий элемент на фиг. 6, вид сбоку;
на фиг. 8 – дисковая фреза согласно второму варианту осуществления, вид в перспективе спереди;
на фиг. 9 – множество режущих элементов для использования с дисковой фрезой на фиг. 8, вид сбоку;
на фиг. 10a – первый отдельный режущий элемент на фиг. 9, вид сбоку;
на фиг. 10b – второй отдельный режущий элемент на фиг. 9, вид сбоку.
На чертежах сходные части указаны сходными ссылочными обозначениями.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 и 2 показан обозначенный, в общем, ссылочным обозначением «10», режущий узел для разработки слоями естественных подземных горных пород 2.
Режущий узел образует часть системы 1 горной разработки длинными забоями, широко используемой в подземных выработках. Режущий узел является заменяющим для известной врубовой машины, которая работает по рабочему горизонту 4 шахты между группой регулируемых секций 6 крепи. Когда врубовая машина продвигается в направлении выработки, секции 6 крепи располагаются так, чтобы поддерживать кровлю 8 выработки непосредственно сзади врубовой машины. Сзади секций 6 крепи кровля 8 выработки обрушается относительно регулируемым образом. Загребающая лапа собирает горную массу на стороне резки и переносит ее на транспортирующую систему для последующего удаления из выработки.
В первом варианте выполнения, показанном на фиг. 1 и 2, режущий узел 10 содержит основной блок 12, пару расположенных на расстоянии друг от друга опорных плеч 14, отходящих от основного блока 12, шпиндель 16, проходящий и установленный с возможностью вращения между парой подвижных опорных плеч 14, и множество дисковых фрез 18, зафиксированных относительно шпинделя 16.
Во втором варианте выполнения, показанном на фиг. 3 и 4, от основного узла 12 отходит одно опорное плечо 14. Шпиндель 16 поддерживается в центре единственным опорным плечом 14, и множество дисковых фрез 18, распределенных с каждой стороны единственного опорного плеча 14, установлены на шпинделе 16.
В другом варианте выполнения, который не показан, используется только одна дисковая фреза 18.
Предпочтительно, указанная или каждая дисковая фреза 18 установлена по центру (т.е. имеет центральное расположение) относительно шпинделя 16. Однако это не является существенным, и указанная или каждая дисковая фреза 18, как вариант, может быть установлена со смещением от центра относительно шпинделя 16. По усмотрению может быть использована комбинация из указанных двух расположений. Например, когда множество дисковых фрез 18 расположены последовательно, т.е. параллельно друг другу вдоль шпинделя 16, чередующиеся дисковые фрезы 18 могут быть расположены по центру относительно шпинделя 16. Центр каждой из остальных дисковых фрез 18 может быть радиально смещен от точки, в которой дисковая фреза 18 установлена относительно шпинделя 16. Могут быть применены другие комбинации.
Основной блок 12 действует в качестве системы транспортирования дисковой фрезы 18. Основной блок 12 является подвижным и продвигает в рабочее положение или отводит назад в нерабочее положение дисковую фрезу 18 в непосредственной близости от горной породы 2, подлежащей резке. Скорость, с которой движется основной блок 12 рядом с горной породой 2, является одной из нескольких переменных, определяющих скорость подачи режущего узла 10 в горной породе 2. Основной блок 12 (во взаимодействии с секциями 6 крепи) также может перемещаться в боковом направлении слева направо и наоборот вдоль длинного забоя горной породы 2, подлежащей разработке.
Каждое опорное плечо 14 выполнено с возможностью перемещения в первую и вторую ориентацию резки. В первой ориентации резки, наиболее наглядно показанной на фиг. 1 и 2, шпиндель 16 расположен горизонтально. В результате резы в горной породе 2, выполняемые дисковой фрезой 18, соответственно являются вертикальными. Во второй ориентации резки, наиболее наглядно показанной на фиг. 3 и 4, шпиндель 16 расположен вертикально. В результате резы в горной породе 2, выполняемые дисковой фрезой 18, соответственно являются горизонтальными. Первая и вторая ориентации резки могут быть возможны с любым из вышеописанных вариантов выполнения, первым или вторым.
По усмотрению опорное плечо (опорные плечи) 14 также может быть подвижным, так чтобы шпиндель 16 мог находиться в рабочем состоянии в любой ориентации резки между вышеуказанными вертикальной и горизонтальной, хотя это не является существенным. Как вариант, опорное плечо (опорные плечи) 14 могут быть выполнены так, чтобы они могли перемещаться между первой и второй ориентациями резки только в полностью рабочем состоянии (т.е. дисковая фреза (дисковые фрезы) должна вращаться для облегчения резки или измельчения горной породы) в первой и второй ориентациях резки.
Каждое опорное плечо 14 может перемещаться между первым рабочим положением и вторым рабочим положением, причем по усмотрению каждая из первой и второй ориентаций резки требуется в зависимости от глубины реза. Это показано двойной стрелкой A на фиг. 2. Например, в первом рабочем положении шпиндель 16 опускается так, чтобы он находился вблизи рабочего горизонта 4, и во втором рабочем положении шпиндель A поднимается так, чтобы он находился вблизи кровли 8 выработки.
По усмотрению каждое опорное плечо 14 может иметь первую часть плеча, соединенную со второй частью плеча шарнирным соединением (или, как вариант, универсальным шарниром), причем каждая первая и вторая части плеча могут перемещаться независимо относительно друг друга. Эта конструкция увеличивает число степеней свободы, с которыми может функционировать режущий узел 10, и, как преимущество, улучшает его маневренность.
Шпиндель 16 приводится в действие двигателем для вращения с конкретной частотой вращения. Мощность двигателя составляет 20 – 50 кВт на дисковую фрезу 18 в зависимости от типа выбранной дисковой фрезы 18 и требуемого усилия резания.
Как наиболее наглядно показано на фиг. 5, согласно одному варианту осуществления, дисковая фреза 18 имеет круглое тело 20 и множество режущих элементов 22, расположенных по периферии вокруг круглого тела 20. Вращение шпинделя 16 обусловливает соответствующее вращение дисковой фрезы 18. Однако дисковая фреза 18 необязательно должна быть круглой и может быть только в общем круглой, например, в зависимости от размера фреза восьмиугольной формы могла бы приблизительно соответствовать в общем круглой дисковой фрезе. Соответственно, дисковая фреза 18 может быть шестиугольной, восьмиугольной, десятиугольной и т.д. или фактически может иметь любое количество сторон, проходящих в окружном направлении.
Указанная или каждая дисковая фреза 18 также может содержать один или более датчиков. Эти датчики могут быть заделаны или встроены в тело 20 фрезы. Датчик может быть любым из следующих датчиков: температурным датчиком, датчиком давления, датчиком рентгеновского излучения, датчиком гамма-излучения, датчиком ускорений, датчиком, выполненным с возможностью мониторинга химизма условий резки, или датчиком для идентификации горных пород или материалов для выемки. Согласно такому варианту осуществления датчики могут быть соединены с системой сбора данных и потенциально также могут быть соединены с пакетом анализа данных в режиме онлайн или на удалении от места выполнения операции разработки/выемки.
Согласно предпочтительному варианту осуществления на шпинделе 16 расположено множество дисковых фрез 18. Могут иметься шесть или более дисковых фрез 18. Дисковые фрезы 18 предпочтительно расположены с равным интервалом по длине шпинделя 16 между парой расположенных на расстоянии друг от друга опорных плеч 14 или с каждой стороны опорного плеча 14 в зависимости от варианта выполнения.
Расстояние между дисковыми фрезами 18 выбирается в зависимости от требуемой глубины реза и механических свойств, например, предела прочности на разрыв (UTS) горных пород 2, подлежащих резке, для оптимизации удельной энергии резания, которая обусловливает требуемый расход мощности. Задача состоит в том, чтобы обеспечить условия, при которых резаный материал будет обрушаться по действием собственного веса. Например, для глубины реза 0,4 м в кимберлите идеальное расстояние между соседними дисковыми фрезами составляет приблизительно 0,3 м. Однако оно может быть увеличено или уменьшено в зависимости от усилия, необходимого для обрушения. Предпочтительно, расстояние может регулироваться на месте с помощью автоматического процесса или ручного процесса. Расстояние можно регулировать дистанционно, например, с наземного пункта управления. Для прикладывания такого усилия обрушения, способствующего обрушению горной породы, можно использовать инструмент клинообразной формы.
Дисковые фрезы 18 распложены на расстоянии друг от друга с зазором предпочтительно 0,01–2 м, более предпочтительно 0,01–0,5 м. Еще более предпочтительно, дисковые фрезы 18 расположены с зазором 10–40 см.
Круглое тело 20 дисковой фрезы 20 выполнено из стали и имеет диаметр приблизительно 1000 мм и толщину (измеряемую в осевом направлении и в последующем описании также рассматриваемую как размер в боковом направлении) приблизительно 11 мм. Фактически, такой диаметр обеспечивает глубину реза вплоть до 400 мм. Круглое тело 20 имеет диаметр 23 отверстия под шпиндель, составляющий 60–100 мм, причем размеры и форма этого отверстия позволяют размещать в нем шпиндель 16.
Диаметр (или эффективный диаметр в случае некруглых дисковых фрез) и толщину дисковой фрезы 18 выбирают соответствующим образом в зависимости от назначения режущего узла. Например, в случае прокладки кабелей требуется дисковая фреза 18 меньшего диаметра. Угловые шлифовальные машины с роботизированной рукой потребовали бы еще меньшего диаметра дисковой фрезы. Для проходки туннеля потребовалась бы дисковая фреза 18 значительно большего диаметра с соответствующей адаптацией.
Согласно этому варианту осуществления дисковая фреза 18 также содержит множество держателей 24 инструмента для размещения соответствующего количества режущих элементов 22. Согласно другому варианту осуществления дисковая фреза содержит один или более держателей инструмента.
Предпочтительно, хотя это и является существенным, каждый держатель 24 инструмента имеет гнездо для размещения одного режущего элемента 22. Предпочтительно, каждый держатель 24 инструмента выполнен из стали, но как вариант может содержать какой-либо металл (металлы) или карбиды или керамику на основе материалов с твердостью выше 70 HV (твердость по Виккерсу). Каждый держатель 24 инструмента может быть соединен с телом 20 фрезы на постоянной основе (например, с помощью пайки твердым припоем или сварки), как в варианте выполнения, показанном на фиг. 5, 6 и 7, или он может быть соединен с телом 20 фрезы с возможностью отсоединения посредством фиксирующего механизма, как в варианте выполнения, показанном на фиг. 8, 9 и 10a и 10b. Может быть использовано сочетание пайки твердым припоем, сварки и/или механических соединений. Как вариант, держатель (держатели) 24 инструмента может быть образован как одно целое с телом 20 дисковой фрезы 18, например, посредством ковки, порошковой металлургии и т.д.
Фиксирующий механизм может содержать установочный штифт, который используется для прикрепления держателя 24 инструмента к телу 20 фрезы. Как вариант, можно использовать зажимание, горячую запрессовку и т.д.
Согласно варианту осуществления каждый режущий элемент 22 жестко или неподвижно поддерживается одним из держателей 24 инструмента. Каждый держатель 24 инструмента предпочтительно расположен на равном угловом расстоянии вокруг окружной поверхности тела 20 фрезы. Каждый режущий элемент 22 может быть закреплен на месте в или на держателе 24 инструмента с помощью пайки твердым припоем. Как вариант, указанный или каждый держатель 24 инструмента может быть выполнен с возможностью размещения с вращением режущего элемента 22. Согласно такому варианту осуществления режущий элемент 22 и держатель 24 инструмента могут быть выполнены так, чтобы режущий элемент 22 мог свободно вращаться в держателе 24 инструмента, например, со свободной посадкой, или, как вариант, мог вращаться в держателе 24 инструмента только когда режущий элемент 22 входит в контакт с горной породой, подлежащей разработке/выемке, например, с помощью переходной посадки.
Каждый из режущих элементов 22 содержит твердый износостойкий материал с твердостью 130 HV и выше. Режущий элемент 22 предпочтительно содержит сверхтвердый материал, выбранный из группы, состоящей из кубического нитрида бора, алмаза, алмазоподобного материала или их комбинаций, но вместо этого может содержать твердый материал, например, карбид вольфрама. Режущий элемент 22 может содержать подложку из цементированного карбида, к которой присоединен сверхтвердый материал.
Согласно варианту осуществления режущие элементы 22 являются поликристаллическими алмазными вставками (PDC), широко используемыми в области бурения нефтяных и газовых скважин. Такие PDC часто являются цилиндрическими и обычно содержат алмазный слой, соединенный спеканием со стальной или карбидной подложкой.
PDC имеет диаметр 6–30 мм, предпочтительно, 8–25 мм. Например, PDC может иметь диаметр 13 мм, или 16 мм, или 19 мм. Предпочтительно, PDC имеет диаметр 16 мм. В дисковой фрезе можно использовать комбинацию диаметров.
Каждая PDC может иметь скосы, двойные скосы или множество скосов.
Каждая PDC может содержать полированную режущую поверхность или может быть, по меньшей мере, частично отполирована.
Как вариант, в отличие от традиционной PDC режущий элемент 22 может быть 3-D фрезой. Ударный конец режущего элемента 22 может быть коническим, пирамидальным, баллистическим, долотообразным или полусферическим. Ударный конец может быть усеченным с плоской вершиной или неусеченным. Ударный конец может быть осесимметричным или асимметричным. В сочетании с аспектом этого изобретения может использоваться любая форма режущего элемента 22. Примеры таких фасонных фрез приведены в документах WO2014/049162 и WO2013/092346.
В первом варианте выполнения держателя 24 инструмента, как показано на фиг. 5, 6 и 7, каждый держатель 24 инструмента, в общем, имеет форму усеченного конуса, если смотреть в осевом направлении (см. фиг. 6). Каждый держатель 24 инструмента имеет переднюю сторону 26 и заднюю сторону 28, причем каждый режущий элемент 22 расположен в гнезде 30 на передней стороне 26 держателя 24 инструмента. Каждое гнездо 30 расположено под углом, так что режущий элемент 22 обращен по касательной (или, в общем, направлен к) в заданном направлении вращения. Это, в частности, пригодно для PDC, которые имеют плоскую основную режущую поверхность 32. Благодаря гнезду режущая кромка 33 режущего элемента 22 может быть ориентирована в диапазоне углов относительно тела 20 фрезы, что отличается от традиционного подхода, когда имеющиеся режущие элементы 22 направлены исключительно наружу в радиальном или осевом направлении в сторону поверхности горной породы. Это обеспечивает большую гибкость для получения требуемого угла резки без необходимости модификации конструктивного исполнения ударного конца режущего элемента.
Кроме того, наличие гнезда для размещения отдельного режущего элемента 22 означает, что как преимущество, избыточный запас PDC может быть использован и полезен в новом применении, тем самым, уменьшая оборотные средства компании.
По усмотрению главный передний угол режущего элемента составляет 25 – 30 градусов. По усмотрению главный передний угол составляет 25 градусов. По усмотрению главный передний угол может быть положительным или отрицательным.
Передняя сторона 26 держателя 24 инструмента, в общем, короче задней стороны 28, что обеспечивает значительную заднюю конструкционную опору для режущего элемента 22 во время использования. Держатель 24 инструмента, в частности, задняя сторона держателя 24 инструмента в направлении вращения поглощает значительную долю ударной нагрузки во время эксплуатации и уменьшает риск «выскакивания» режущего элемента 22 из тела 20 фрезы и его утери.
Предпочтительно, гнездо полностью поддерживает заднюю поверхность (т.е. поверхность, которая, в общем, является противоположной по отношению к режущей поверхности 32) режущего элемента 22.
На виде сбоку (см. фиг. 7) каждый держатель 24 инструмента имеет переменное боковое сечение. Каждый держатель 24 инструмента сужается в боковом направлении внутрь от головки 34 держателя 24 инструмента рядом с режущим элементом 22 к основанию 36 рядом с круглым телом 20.
Размер в боковом направлении (наиболее наглядно показано на фиг. 7) каждого режущего инструмента 22 больше, чем размер в боковом направлении держателя 24 инструмента. Эта выступающая часть защищает держатель 24 инструмента от значительного износа во время эксплуатации. Предпочтительно. толщина (т.е. размер в боковом направлении) держателя 24 инструмента составляет приблизительно 14 мм. Согласно этому варианту осуществления режущий элемент 22 выступает за держатель 24 инструмента приблизительно на 1 мм с каждой стороны. Это обеспечивает, что именно режущий элемент 22, а не держатель 24 инструмента или тело 20 фрезы подвергается основному износу во время использования. Выступ препятствует трению держателя 24 инструмента о горные породы 2. В случае трения может быть использовано твердое покрытие или многослойное покрытие.
Во втором варианте выполнения держателя 24 инструмента, как показано на фиг. 8 и 9, следующие один за другим держатели 24 инструмента смещены в боковом направлении относительно тела 20 фрезы. Как показано на фиг. 10a и 10b, каждый держатель 24 инструмента имеет небольшой излом в одну сторону. Другими словами, дальняя часть 24a держателя 24 инструмента смещена в боковом направлении относительно тела 20 фрезы и ближней части 24b держателя 24 инструмента. Дальняя и ближняя части 24a, 24b являются продолговатыми в боковом направлении. Дальняя и ближняя части 24a, 24b держателя 24 инструмента сходятся на пересечении, обозначенном, в общем, как ссылочное обозначение «38». Направление бокового смещения является или первым направлением, проходящим по оси от одной стороны тела 20 фрезы, или вторым противоположным направлением, проходящим от другой стороны тела 20 фрезы. На фиг. 10a держатель 24 инструмента имеет излом вправо, и на фиг. 10b держатель 24 инструмента имеет излом влево. Пересечение 38 может быть резким изменением направления, например, резким изгибом, или продолжительным изменением направления, например, дугой. Пересечение 38 может содержать среднюю часть, соединяющую дальнюю часть 24a с ближней частью 24b.
Как вариант, ближняя часть 24b может быть смещена в боковом направлении относительно тела 20 фрезы, в то время как дальняя часть 24a может быть выровнена с телом 20 фрезы. Однако, поскольку, режущий элемент 22 расположен на дальней части 24a держателя 24 инструмента, первая упомянутая конструкция является предпочтительной.
Направление бокового смещения следующих один за другим держателей 24 инструмента чередуется вдоль окружной поверхности 40 тела 20 фрезы. Преимущество такой конструкции состоит в том, что она увеличивает эффективную площадь резки режущих элементов 22 во время вращения круглого тела 20 независимо от размера режущего элемента 22. Также облегчается быстрая и легкая замена отдельного держателя 24 инструмента во время технического обслуживания и ремонта без необходимости удаления всего тела 20 фрезы. Кроме того, указанная конструкция способствует уменьшению эрозии тела 20 фрезы (иногда называемой «размывом тела»), обусловленной течением резаной горной породы за режущим узлом 10.
Режущий узел 10 может дополнительно содержать материал для повышения твердости поверхности (не показан). Материал для повышения твердости поверхности может содержать карбид с низкой температурой плавления (LMC), характеризующийся железной основой. Примеры материалов описаны в патентных документах US8968834, US8846207 и US8753755, хотя вместо них могут использоваться другие износостойкие материалы. Задачей материала для повышения твердости поверхности является ограничение «размыва» тела 20 фрезы. Материал для повышения твердости поверхности может находиться при вращении за держателем 24 инструмента рядом с задней стороной 28. Если держатели 24 инструмента расположены на расстоянии друг от друга, материал для повышения твердости поверхности может быть расположен в теле 20 фрезы или на нем между следующими друг за другом держателями 24 инструмента. Кроме того или как вариант, материал для повышения твердости поверхности может иметься на задней стороне 28. Кроме того или как вариант, материал для повышения твердости поверхности может иметься на передней стороне 26. Материал для повышения твердости поверхности может иметься на передней стороне 26, задней стороне 28 и окружной поверхности 40. Место расположения материала для повышения твердости поверхности на теле 20 фрезы и/или держателе 24 инструмента зависит от конкретных условий и выбирается в зависимости от природы горных пород, разрабатываемых в этом месте.
Во время эксплуатации дисковая фреза 18 входит в контакт с горными породами 2, и вращение шпинделя 16 и, следовательно, его дисковой фрезы (дисковых фрез) обусловливает разрезание горных пород 2 слоями. Режущий узел 10 разрезает горную породу 2 слоями, например, образуя чистые перпендикулярные резы приблизительно 16 мм, в зависимости от размера выбранных режущих элементов 22. Резаная горная порода обрушается или под действием собственного веса или с помощью вспомогательного расклинивающего усилия, например, посредством клинообразного инструмента.
Несмотря на то, что выше были описаны несколько применений режущего узла, его особо эффективным применением является проходка тоннеля. Для образования нового подземного тоннеля обычно используется тоннелепроходческая машина (TBM). TBM хорошо известным образом образует тоннель цилиндрической формы. Если тоннель предназначен для движения автотранспорта или пешеходов, и существует возможность получения тоннеля круглого сечения, нижняя часть тоннеля должна содержать новое горизонтальное полотно. Фактически, диаметр тоннеля имеет очень большую величину. Излишний материал горной породы подлежит выемке для создания фактически необходимого используемого пространства в пределах верхней части тоннеля, что увеличивает расходы на проходку тоннеля не только из-за того, что TBM бо̀льших габаритов требует большего расхода режущих концов режущих элементов, чем TBM меньших габаритов, но также потому, что операция проходки тоннеля требует значительно больше времени. Кроме того, для строительства нового полотна требуется дополнительный материал. Благодаря описанному режущему узлу может быть построен тоннель меньшего сечения с получением требуемой формы верхнего тоннеля. Режущий узел следует за TBM меньших габаритов для формирования нижней половины тоннеля и получения полотна, перпендикулярного стенкам, удаляя значительно меньше материала, чем TBM бо̀льших габаритов.
Несмотря на то, что изобретение было детально пояснено и описано со ссылкой на варианты осуществления, специалистам в этой области следует принять во внимание, что может быть выполнен ряд изменений формы и конструкции без отклонения от объема изобретения, как определено в формуле изобретения.
Например, во втором варианте выполнения режущего узла, несмотря на то, что было описано только одно опорное плечо 14, могут иметься два расположенных на расстоянии друг от друга опорных плеча 14 или большее их количество.
Например, два описанных здесь варианта выполнения включают в себя множество дисковых фрез 18, смонтированных на шпинделе 16. Это не является обязательным, и может быть использована одна дисковая фреза 18.
Например, вместо использования комбинации объединенных попарно режущих элементов 22 и держателей 24 инструмента режущие элементы могут быть встроены непосредственно в тело дисковой фрезы 18 на ее периферийном крае, тем самым исключая необходимость использования промежуточного держателя 24 инструмента.
Например, указанный или каждый режущий элемент может содержать кристаллический алмаз вместо поликристаллического алмазного материала.
Например, режущий элемент 22 может содержать алмаз или металл с нанесенной абразивной крошкой или может быть выполнен на основе керамики.
Несмотря на то, что режущий узел 10 был описан как оборудование, полезное для работы под землей, он равным образом может использоваться при наземных работах, например, в открытом карьере.
Кроме того, указанный узел в малогабаритном исполнении может использоваться для рытья микротраншей в проезжей части и мостовых, например, для прокладки оптоволоконных кабелей малого диаметра. В этом случае режущий узел 10 врезается в асфальт и бетон, а не в горную породу. Согласно такому варианту осуществления диаметр тела 20 фрезы составляет порядка 300 мм, причем толщина тела фрезы в боковом направлении составляет до 20 мм, и режущие элементы имеют соответствующие размеры. Изобретение позволяет выполнять рез на глубину приблизительно 50 – 100 мм.
Далее приведено краткое пояснение определенных используемых терминов и понятий.
В контексте описания материал поликристаллической алмазной вставки (PDC) содержит множество алмазных зерен, значительное число которых непосредственно взаимно связаны друг с другом, и в которых содержание алмаза составляет приблизительно 80 объемных процентов материала. Промежутки между алмазными зернами могут быть, по существу, пустыми или они могут быть, по меньшей мере, частично заполнены сыпучим наполнителем или они могут быть, по существу, пустыми. Сыпучий наполнитель может содержать способствующий спеканию материал.
Поликристаллический кубический нитрид бора (PCBN) содержит зерна кубического нитрида бора (cBN), диспергированные внутри матрицы, содержащей металл, полуметалл и/или керамический материал. Например, PCBN может содержать, по меньшей мере, 30 объемных процентов зерен cBN, диспергированных в материале связующей матрицы, включающем в себя Ti-содержащий состав, например, карбонитрид титана, и/или Al-содержащий состав, например, нитрид алюминия, и/или составы, содержащие металл, такой как Co и/или W. Некоторые модификации (или «сорта») PCBN могут содержать, по меньшей мере, 80 объемных процентов или даже, по меньшей мере, 85 объемных процентов зерен cBN.
1. Режущий узел машины для выемки горных пород, содержащий:
основной блок,
одно или более подвижных опорных плеч, отходящих от основного блока,
шпиндель, прикрепленный с возможностью вращения к указанному или каждому подвижному опорному плечу,
дисковую фрезу, закрепленную относительно шпинделя так, что вращение шпинделя вызывает соответствующее вращение дисковой фрезы,
причем дисковая фреза содержит тело фрезы, множество режущих элементов и соответствующее количество держателей инструмента, а именно, один для каждого режущего элемента, при этом режущие элементы и держатели инструмента расположены вокруг окружной поверхности тела фрезы,
каждый режущий элемент размещен в гнезде держателя инструмента,
гнездо ориентировано так, что режущий элемент направлен в заданном направлении вращения или к нему;
при этом режущий элемент является цилиндрическим и имеет плоскую режущую поверхность, указанный или каждый режущий элемент является поликристаллической алмазной вставкой (PDC), размер в боковом направлении каждого режущего элемента больше размера в боковом направлении держателя инструмента.
2. Режущий узел по п. 1, в котором держатели инструмента отходят радиально наружу от тела фрезы.
3. Режущий узел по п. 1 или 2, в котором передний угол режущего элемента относительно держателя инструмента составляет 10–30 градусов.
4. Режущий узел по п. 3, в котором передний угол составляет 25 градусов.
5. Режущий узел по любому из пп. 1–4, в котором держатель инструмента постоянно соединен с телом фрезы, например, посредством пайки твердым припоем.
6. Режущий узел по любому из пп. 1–4, в котором держатель инструмента соединен с телом фрезы с возможностью отсоединения.
7. Режущий узел по п. 6, в котором держатель инструмента соединен с телом фрезы с возможностью отсоединения посредством установочного штифта.
8. Режущий узел по любому из пп. 1–7, в котором каждый режущий элемент постоянно закреплен в гнезде, например, посредством пайки твердым припоем.
9. Режущий узел по любому из пп. 1–8, в котором держатель инструмента, в общем, имеет форму усеченного конуса, если смотреть в осевом направлении, и имеет более короткую переднюю сторону по сравнению с задней стороной, причем гнездо расположено на передней стороне.
10. Режущий узел по любому из пп. 1–9, в котором режущий элемент выступает в боковом направлении за держатель инструмента, по меньшей мере, на 1 мм с каждой стороны.
11. Режущий узел по любому из пп. 1–10, в котором каждый держатель инструмента сужается в боковом направлении внутрь от режущего элемента к телу фрезы.
