Врубовые машины

Врубовая машина

ВРУБОВЫЕ МАШИНЫ, машины для производства вруба, применяемые почти исключительно на каменноугольных рудниках для облегчения тяжелого и малопроизводительного труда забойщика. Впервые врубовые машины появились в США, где первая привилегия на подобные машины была выдана в 1858 г.; практическое же применение врубовые машины получили только начиная с 80-х годов 19 в., а к началу 20 в. число работающих врубовых машин достигло в США уже нескольких тысяч. Темп развития применения врубовых машин в каменноугольной промышленности США характеризуется следующими данными:

Темп развития применения врубовых машин в каменноугольной промышленности США

Количество каменного угля, добытого механизированным путем, в % к общей добыче в США, выражается следующими числами:

Количество каменного угля, добытого механизированным путем, в % к общей добыче в США

В других странах развитие применения врубовых машин шло менее интенсивным темпом. В Англии в 1924 г. было в работе 4416 врубовых машин, которыми было добыто в том же году 18,7% общей добычи каменного угля. В Германии, в бассейне Рура, посредством врубовых машин разных типов было добыто каменного угля: в 1925 г. 48%, в 1926 г. - 67,4% общей годовой добычи этого района. Участие различных типов врубовых машин в механизированной добыче указано в помещенной ниже таблице.

Механизированная добыча угля в Рурском бассейне

Цифры этой таблицы показывают, что в интенсивном росте механизированной добычи в Германии принимали участие исключительно пневматические молотки, т. е. врубовые машины легкого типа. В США, наоборот, увеличение механизированной добычи обусловлено увеличением числа врубовых машин тяжелого типа.

В России врубовые машины появились в начале 20 в. До второй половины 1914 года для Донецкого бассейна было приобретено 99 врубовых машин. В послереволюционное время, одновременно с общим восстановлением каменноугольной промышленности, число врубовых машин различных конструкций в Донецком бассейне увеличилось; в 1928 г. на их долю придется около 25% общей добычи каменного угля.

Число типов врубовых машин велико, так как каждая машиностроительная фирма имеет свою основную модель и несколько ее модификаций для разных случаев практики. Врубовые машины разделяются: 1) по двигательной силе - на пневматические и электрические; 2) по мощности - на врубовые машины тяжелого и легкого типа, причем последние делятся на колонковые и ручные; 3) по принципу действия - на ударные и режущие; последние м. б. цепные, штанговые и дисковые.

Пневматические врубовые машины до последнего времени считались единственно пригодными в рудниках с выделением рудничного газа, однако новейшие типы электрических врубовых машин, снабженные закрытыми моторами, начинают получать распространение и в газовых шахтах. Дисковые врубовые машины в настоящее время выходят из употребления; цепные применяются чаще, чем штанговые; в некоторых конструкциях врубовых машин рабочий механизм, в зависимости от условий работы, можно менять с цепного на штанговый и обратно.

Цепная врубовая машина тяжелого типа завода Эйкгоф

На фиг. 1 показан внешний вид цепной врубовой машины тяжелого типа завода Эйкгоф, а на фиг. 2 - внешний вид штанговой врубовой машины того же завода.

Штанговая врубовая машина

Врубовые машины тяжелого типа (как цепные, так и штанговые) состоят из трех главных частей (фиг. 3): 1) электрического мотора Б, расположенного посередине машины, 2) рабочей головки В, приводящей в движение рабочий механизм - штангу или режущую цепь, и 3) механизма А для автоматического перемещения врубовой машины.

Врубовые машины тяжелого типа (как цепные, так и штанговые) состоят из трех главных частей

Электромоторы, обычно синхронные, трехфазного тока, с короткозамкнутым ротором для повышения пускового момента, имеют форму, вытянутую по длинной оси машины, и небольшие поперечные размеры. Нормальная мощность моторов - от 18 до 25 kW, при напряжении 220 V. Ротор лежит на роликовых подшипниках и делает от 1500 до 3000 об/мин. Все электрические части заключены в совершенно замкнутом кожухе из литой стали, выдерживающем внутреннее давление в 8 atm. Для передачи движения рабочему механизму и для уменьшения его скорости применяется сложная система шестерен, заключенных в кожухе задней части врубовой машины. Режущая часть цепной врубовой машины состоит из бесконечной цепи, идущей по направляющей раме; режущим инструментом, в тесном смысле этого слова, являются специальные ножи или зубки, прочно закрепленные между звеньями цепи.

Расположение всех элементов режущего механизма врубовой машины

На фиг. 4 показано расположение всех элементов режущего механизма врубовой машины. Режущая часть штанговой врубовой машины состоит из вращающейся штанги (фиг. 5), снабженной режущими ножами, зубками.

Режущая часть штанговой врубовой машины состоит из вращающейся штанги, снабженной режущими ножами, зубками

Механизм для перемещения врубовой машины состоит из канатной или цепной лебедки, приводимой в действие мотором врубовой машины посредством ряда зубчатых передач. Скорость перемещения врубовой машины при работе обычно 0,1—0,3 м/мин, редко более. Скорость поступательного движения при производстве вруба в зависимости от твердости зарубаемого пласта может меняться на ходу путем переключения зубчатых колес в передаточном механизме А (фиг. 3). Для предохранения механизма от поломки при случайной встрече чрезмерно больших сопротивлений, например, включений колчедана в массе угля, в передаточный механизм введена фрикционная муфта. Вес врубовой машины тяжелого типа составляет около 2—3 т. Последние модели врубовых машин снижают эту норму веса.

Штанговая врубовая машина в момент начала работы

На фиг. 6 показан внешний вид штанговой врубовой машины в момент начала работы. На фиг. 7 показано схематическое расположение цепной врубовой машины, производящей вруб в пласте.

Схематическое расположение цепной врубовой машины, производящей вруб в пласте

Из заводов, изготовляющих врубовые машины тяжелого типа, наиболее известны: в США -  Сулливан, Джефри и Гудмен; в Германии - Эйкгоф, Демаг и Кнапп-Эйкель. На рудниках Донецкого бассейна применяется главным образом, врубовые машины заводов Сулливан и Эйкгоф. Для электрической врубовой машины тяжелого типа завода Эйкгоф (марка SEKA 40) опубликованы следующие новейшие размеры: длина 3230 мм, ширина 810 мм, высота 400 мм, вес 2650 кг, мощность 38 л. с.; для пластов малой мощности высота врубовых машин понижается до 300 мм.

Расход энергии (электрической), по данным американской практики, для врубовой машины составляет 0,16 kWh на 1 т добычи. В Донецком бассейне расход энергии на 1 м2 вруба колеблется от 0,5 до 1,0 kWh. Расход зубков на 1 м2 вруба, в зависимости от твердости угля, колеблется в пределах от 0,1 до 0,25 шт. Количество оправленных зубков на 1 м2 вруба изменяется в пределах от 2 до 9 шт. Для оправки зубков в настоящее время применяются специальные машины, при которых оправка одного зубка обходится в 0,5 коп., т. е. почти в два раза дешевле, чем при ручной оправке.

Результаты работы врубовых машин тяжелого типа на антрацитных пластах средней и малой мощности (до 0,60 м), при падении от 16 до 20°, в Должанском рудоуправлении (Донецкий бассейн) за 1925/26 г. выразились следующими величинами: механизированным путем добыто 59,5% общей годовой добычи; длина вруба одной врубовой машины за смену колебалась в пределах от 56 до 10 п. м. в очистных работах и от 16 до 10 п. м. в подготовительных работах. Средний результат для длины вруба был: в очистных работах - 27,3 м и в подготовительных - 12,5 м. Месячная производительность врубовой машины была в среднем для очистных работ 1136 тонн при 781 м2 вруба и для подготовительных работ 514 тонн при 340 м2 вруба. Этим цифрам соответствует годовая производительность в очистных работах около 14000 тонн и в подготовительных работах - 6000 тонн. Расход (в коп.) материалов, отнесенный к 1 м2 зарубки: 1) смазочных и обтирочных материалов - 0,94 коп., 2) зубков - 4,95 коп., 3) частей машины - 7,89 коп., 4) прочих материалов (болты, железо и т. д.) и содержания кабелей - 8,54 коп. Выемка антрацита при применении врубовых машин и его доставка до штрека в среднем обошлись: на 1 т - 274,8 копеек и на 1 м2 - 362,9 коп., включая сюда стоимость зарубки, отбойки, доставки из лавы до штрека, крепления лав, содержания и ремонта машин, начисления на рабочую силу и т. п. расходы.

В общей классификации врубовых машин между врубовыми машинами тяжелого и легкого типа можно поставить штанговую врубовую машину облегченного типа, т. н. угольный резак, применение которого при разработке каменноугольных пластов оказывается в некоторых случаях весьма практичным. Характерное отличие угольного резака от врубовой машины тяжелого типа заключается в том, что механизм для передвижения резака не соединен в одно целое с рабочей частью механизма, а сконструирован в виде самостоятельного лебедочного устройства с собственным мотором.

Угольный резак (марка D 18 - 1926 г.) завода Вестфаля в Гельзенкирхене (Германия)

На фиг. 8 и 9 показаны общий внешний вид и детали угольного резака (марка D 18 - 1926 г.) завода Вестфаля в Гельзенкирхене (Германия); мощность его мотора 18 л. с.; глубина вруба - до 1,4 м; КПД передаточного механизма от мотора к врубовой штанге 0,90; мощность на пустотелом валу, в котором помещается штанга,  16 л. с.; мотор делает 1600 об/мин, штанга - 400 об/мин; вес резака 0,450 т.

Угольный резак (марка D 18 - 1926 г.) завода Вестфаля в Гельзенкирхене (Германия)

Специальным устройством простой конструкции штанга может перемещаться в вертикальном направлении, параллельно своей оси, на высоту до 110 мм, а также иметь вращательное движение в горизонтальной плоскости на угол до 180°. Лебедка приводится в движение мотором мощностью 2,5 л. с. с вращающимся поршнем, снабженным центробежным регулятором. Лебедка, весом около 0,25 т, или соединяется непосредственно с резаком при помощи сильного сочленения (при пологом падении пластов) или устанавливается отдельно (при крутом падении), соединяясь с ним посредством каната, перекинутого через ролик.

Угольный резак применяется одинаково успешно как при проходке штреков, так и при очистной добыче. При работе угольного резака получается относительно большее количество кускового угля, и уголь получается чище; расход взрывчатых материалов уменьшается: в Германии при росте механической добычи от 25 до 68% расход взрывчатых материалов упал с 0,057 до 0,001 кг на тонну.

Врубовые машины тяжелого типа в некоторых случаях не м. б. хорошо использованы, например, в крутых пластах, в пластах с неровной почвой, в узких забоях и в углах выработок. В этих случаях применяются врубовые машины легкого типа - ударные, реже - вращательные. Первоначально врубовые машины легкого типа строились исключительно пневматические, с давлением сжатого воздуха от 4 до 6 atm. В последнее время электрические врубовые машины, благодаря безопасности работы, а равно дешевизне установки и эксплуатации, получают большое применение, а в некоторых случаях и совершенно вытесняют пневматические врубовые машины

Колонковая электрическая врубовая машина завода Сименс-Шуккерт во время работы

На фиг. 10 показан внешний вид колонковой электрической врубовой машины завода Сименс-Шуккерт во время работы, а на фиг. 11 - разрез этой машины: мотор посредством зубчатой передачи приводит в движение коленчатый (кривошипный) вал А, который при помощи шатуна Б сообщает цилиндрическим салазкам поступательное движение.

Колонковая электрическая врубовая машина завода Сименс-Шуккерт

Ударный поршень В, в котором укрепляется врубовая штанга (бур), соединен эластично с салазками при помощи двух пружин Д1 и Д2. При быстром движении салазок, делающих около 550 качаний в минуту, пружины, вследствие живой силы поршня и штанги, попеременно сжимаются и разжимаются. Амплитуда качания бура приблизительно в два раза больше амплитуды качания салазок, вследствие чего повышается сила удара бура. После каждого удара штанга автоматически поворачивается на 15—30°. Мощность мотора около 0,7 kW при напряжении тока 125 или 200 V. Вес врубовой машины без мотора - 90 кг, мотора - 35 кг. В зависимости от твердости угля производительность достигает до 4 м2 зарубаемой площади пласта в час.

Колонковая электрическая врубовая машина «Сискол»

На фиг. 12 представлена колонковая электрическая врубовая машина «Сискол». Она имеет: 1) трехфазный асинхронный мотор А с короткозамкнутым ротором в 500 V, мощностью 2,5 kW, с числом оборотов 1400 в минуту; 2) механизм Б, передающий вращательное движение мотора рабочей штанге В; 3) раму, поддерживающую врубовую машину и состоящую из собственно рамы Г и двух стержней (а), длиной 700 мм и диаметром 50 мм; 4) колонку Д диаметром 75 мм. Посредством червяка (б) и рукоятки (Е) вся машина может поворачиваться в горизонтальной плоскости на угол в 180°. Через передвижение рамы вверх и вниз по колонке врубовая машина может быть установлена на любой высоте. Винтом (в) и рукояткой (Ж) вся машина перемещается вперед и назад по стержням (а); полный поворот рукоятки соответствует перемещению машины на 10 мм. Передаточный механизм состоит из серии цилиндрических шестерен, причем шестерня А (фиг. 13), снабженная с обеих сторон кожаными кольцами Д, исполняет работу фрикционной муфты.

Передаточный механизм состоит из серии цилиндрических шестерен

Рабочий вал врубовой машины Б, помимо вращательного движения, имеет еще и поступательное ударное с ходом в 38 мм, сообщаемое ему посредством особого механизма - винтового диска В, насаженного на вал. На конец вала навинчивается муфта Г, имеющая конусное углубление, в которое вставляется рабочая штанга; штанги меняются по мере углубления вруба, а коронки - по мере их затупления. При начале работы врубовая машина устанавливается в таком расстоянии от забоя, чтобы коронка почти касалась забоя. Пустив в ход мотор, врубовую машину перемещают вокруг колонки в горизонтальной плоскости и т. о. делают «заходку» - первый вруб. Затем, подвигая врубовую машину после каждого поворота на 20—30 мм, делают полный вруб. Врубовая машина «Сискол» может делать вруб в забое шириной 4 м; глубина вруба - от 1 до 1,5 м. Стоимость машины - около 2000 р. Результаты работы (на антрацитных пластах в Донецком бассейне) таковы: в течение 8-часовой смены, считая время установки (около часа), врубовая машины может сделать вруб в 6,0 м2, что соответствует добыче в 8,5 т; в течение всей смены при врубовой машине задолжается 2 рабочих, но для установки требуется временно еще 2 человека, или всего расходуется 2,25 упряжки, что соответствует производительности на одного рабочего 3,8 т в смену. Применение врубовой машины «Сискол» увеличивает скорость продвижения подготовительных штреков и уменьшает при этом расход взрывчатых материалов. Стоимость механической зарубки, при бесперебойной работе, включая в калькуляцию все расходы на ремонт, смазку и электрическую энергию, приблизительно на 10% ниже стоимости ручной зарубки в узких штрековых забоях.

В последнее время в Германии нашли применение ручные вращательные машины. Ручная врубовая машина (фиг. 14) состоит из мотора А, соединенного двойной зубчатой передачей с валом Б, в который вставляют бур, и выключателя В; все части заключены в плотный металлический кожух из легкого сплава, имеющий по бокам две большие удобные ручки Г и Г1.

Ручная врубовая машина

Мотор обычно трехфазного тока, с короткозамкнутым ротором, с напряжением 125 или 220 V, мощностью в 0,5 kW. Все подшипники для уменьшения трения шариковые. Число оборотов мотора - около 2800, вала - около 300 в мин. Включение мотора производится нажатием ручки Г1. Вес машины с мотором 12—14 кг. В вал вставляется легкая штанга из высокосортной стали, снабженная вставными зубцами. Штанга бывает длиной до 1,2 м при наружном диаметре около 50 мм. Работа ручной врубовой машины начинается с проведения шпура, для чего в вал вставляется спиральный бур; после этого бур заменяется врубовой штангой. Машина особенно пригодна для работы в углах, узких печах и просеках, а также при уступной системе выемки.

В СССР на Краматорском металлургическом заводе приступлено к изготовлению врубовых машин тяжелого типа (фиг. 15) с режущей цепью А.

Врубовая машина тяжелого типа

Вращение от мотора Б передается конической зубчатке В при помощи двойной червячной передачи Г, установленной на шариковых подшипниках; опорная пята под конической зубчаткой также установлена на шариковом подпятнике. Эти врубовые машины отличаются от своего прототипа - машин Сулливан типа СН8 - возможностью разборки на три самостоятельные части: режущей, ведущей части и мотора мощностью 30 л. с. Число оборотов машины 975 в мин. Врубовые машины Краматорского завода были испытаны в Донецко-Грушевском районе и по суточной производительности заняли место между двумя типами врубовых машин Сулливан: производительность врубовой машины Сулливан типа СН8 в упряжку была 19,818 п. м., врубовой машины Краматорского завода - 19,873, а последнего типа Сулливан CLE - 20,784 п. м.

В технической литературе начала текущего столетия существовало мнение, что прямой экономический результат работы врубовых машин незначителен, т. е. та выгода, которая получается от экономии на рабочей силе при употреблении врубовых машин, почти полностью поглощается расходами на амортизацию, содержание и ремонт врубовых машин. Для оправдания применения врубовых машин приводились иные аргументы, например, выход сравнительно большего количества крупных сортов угля. Первоначальная практика применения врубовой машины в Донецком бассейне также давала неудовлетворительные результаты: например, первые опыты работы с врубовой машиной, произведенные на антрацитном руднике в 1912 году, не дали выгоды сравнительно с ручным способом зарубки ни в отношении скорости подвижки забоя, ни в отношении экономии на эксплуатационных расходах, хотя сама врубовая машина работала вполне удовлетворительно. Причина такого явления заключалась в том, что врубовые машины при первых опытах применялись в обстановке, которая препятствовала получению наибольшей эффективности. Поэтому, помимо совершенства конструкций врубовых машин, необходимы условия, обеспечивающие успешную работу.

Врубовые машины тяжелого типа наиболее выгодно работают: 1) при разработке каменноугольных пластов тонких или средней мощности; 2) в пластах, имеющих ровную, достаточно устойчивую почву; 3) в пластах с крепким углем; 4) в пластах горизонтальных и полого падающих, например до 15° (в пластах с углом падения от 15 до 30° затрудняется операция маневрирования врубовой машины, что увеличивает длительность общего цикла работ и, следовательно, уменьшает общий эффект действия врубовой машины; при падении же большем 30° нужно применять врубовую машину со специальными приспособлениями или же, что более рационально, прибегать к врубовой машине легкого типа); 5) при достаточно устойчивой кровле, дающей возможность иметь длинную лаву, обеспечивающую наиболее полную загрузку врубовой машины при полной механизации отбойки и доставки.

В Германии электрические врубовые машины обычно применяют в пластах, не выделяющих рудничного газа; при наличии его переходят на пневматические машины. В США, при соблюдении ряда предосторожностей и применении моторов специальной конструкции, электрические врубовые машины с успехом работают и в газовых рудниках. В последнее время изыскания с целью получения безопасной электрической врубовой машины вызвали к жизни целый ряд конструктивных предложений. Помимо того, что все части врубовой машины заключаются в совершенно закрытый кожух из литой стали, начали применять предохранительные аппараты для включения и выключения врубовой машины; так, вместо обычных штепсельных соединений между врубовой машиной, кабельным барабаном и коробкой с предохранителями, в газовых выработках применяются штепсельные соединения с блокировкой, которые м. б. соединены или разъединены только тогда, когда контакты не находятся под напряжением. Тем не менее, лучшим способом обеспечения безопасности работ при разработке пластов, выделяющих газ, является пока применение  пневматической врубовой машины. Особенно практичными оказались получившие в последнее время широкое распространение портативные электрические компрессоры, которые, при установке их на свежей воздушной струе, можно придвинуть весьма близко к забою. Такой электропневматический агрегат почти устраняет главное неудобство, делающее применение сжатого воздуха дорогим, т. е. длинные воздухопроводы, сохраняя в то же время все преимущества пневматической врубовой машины в смысле полной безопасности работ. В пластах, дающих при врубе большое количество каменноугольной пыли, применяются специальные оросительные приборы в виде трубок с отверстиями для воды, расположенными над режущей цепью врубовой машины.

Мощность врубовых машин тяжелого типа колеблется от 30 до 40 л. с.; производительность, выраженная в м2 площади вруба, достигает 100 м2 за 8-часовую смену, что соответствует, при мощности пласта в 1 м, 125 тонн добычи. В Рурском бассейне средняя годовая производительность врубовых машин тяжелого типа в 1925 г. была 9373 т, в 1926 г. - 9151 т. В Донецком бассейне месячная производительность (в июле 1927 года) равнялась 1168 т, что эквивалентно годовой производительности приблизительно в 14000 т. Сопоставление чисел, выражающих производительность работы при ручном способе и при использовании врубовых машин, представляется весьма затруднительным, т. к. эксплуатационная техника настоящего времени при учете производительности обычно соединяет в одно целое две смежных операции - зарубку и отбойку. В практике Донецкого бассейна при ручной зарубке в пластах антрацита средняя производительность зарубщика была около 3,5 м2 в смену, что при пласте мощностью 1 м соответствует весовому эквиваленту около 4,5 т. При современной практике средняя производительность врубовой машины в пластах антрацита той же мощности может быть принята в 35 м2 зарубки, или 45 т в смену, т. е. машина дает в 10 раз больше, чем один зарубщик. На каждой машине используются два или три рабочих, поэтому зарубка врубовой машины увеличивает производительность труда в 3,5—5 раз; если же учесть еще работу крепления забоя, которое при врубовой машине делается отдельными рабочими, то указанное выше соотношение понизится на 10—15%.

Большое значение для успешности работы врубовых машин имеет система разработок. В США твердо держатся коротких забоев, применяя разновидность «камерно-столбовой системы» (Room and Pillar System). В СССР, Германии, Англии и Бельгии предпочитают работать длинными лавами; в Донецком бассейне длина лав достигает 80 м, в Рурском бассейне - 70 м. На фиг. 16 показан проект разработки сплошной выемкой с применением врубовой машины и механической доставки конвейерами.

Проект разработки сплошной выемкой с применением врубовой машины и механической доставки конвейерами

Работа длинными лавами обладает следующими недостатками: 1) прочность кровли редко позволяет вести лаву более 100 м без риска обвалов; 2) при длинных лавах почти всегда должна применяться полная закладка выработанного пространства; 3) доставка угля от забоя до штрека представляет особенные трудности при работе длинными лавами. В США в последнее время увеличивают длину забоев (с 15 до 25 м), не изменяя ширины столбов, путем особых систем разработок с диагональным расположением забоев. Эти системы - варианты основной камерно-столбовой системы, носящие специальные названия «V-система» и «Y-система», оказались весьма удобными для механизированной добычи. Например на руднике Birwind White С. М. С° в США, при разработке пласта мощностью в 1,1 м, при полной механизации всех эксплуатационных операций, были получены следующие результаты: при общей длине ломаной линии двух забоев в 47 м общая площадь вруба равнялась 85 м2, что соответствует производительности в 110 т в одну 8-часовую смену; суммарно для зарубки и отбойки использовалось два забойщика, следовательно, производительность каждого равнялась 55 т в смену, что будет приблизительно в 10 раз больше, чем при ручной работе, если считать производительность одного забойщика при разработке битуминозных (курных) углей 5—6 т в смену. Практика бельгийских рудников при применении врубовых машин на каменноугольных пластах средней крепости дает увеличение производительности рабочего у забоя в пределах от 25 до 170%; на пластах же очень мягкого угля, где производительность ручной работы очень велика, применение врубовых машин все же дало увеличение производительности на 15%.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 - 1928 г.