Тунелепрохідницька машина

Изобретение относится к области горнопроходческой техники, в частности к тоннелепроходческим машинам, и может использоваться при сооружении тоннелей, преимущественно в крепких породах. Известна тоннелепроходческaя машина, включающая передний щит с установленным в нем роторным исполнительным органом, задний щит, гидроцилиндры подачи, соединяющие передний и задний щит, и механизм транспортирования разрушенной исполнительным органом породы, выполненный в виде ленточного конвейера. В заднем щите установлены щитовые гидроцилиндры и распорный механизм, выполненный в виде двух распорных башмаков, нижние части каждого из которых шарнирно соединены с корпусом заднего щита, а верхние соединены между собой гидроцилиндрами распора. Распорные башмаки расположены в окнах, выполненных по бокам корпуса заднего щита [1]. Описанная конструкция позволяет проходить выработки в крепких устойчивых породах. Однако эффективность распора при использовании описанного технического решения недостаточна, так как распорные башмаки при распоре поворачиваются вокруг шарниров, соединяющих распорные башмаки с корпусом заднего щита. В результате этого усилие распора неравномерно распределяется по рабочей поверхности распорных башмаков, при изменении диаметра выработки (например, в результате работы копир-шарошек при проходке криволинейных участков тоннеля) или смещении заднего щита тоннелепроходческой машины относительно оси выработки рабочие поверхности распорных башмаков прилегают к породе только частично, что резко ограничивает величину распорного усилия, особенно при сооружении выработок в слабоустойчивых, склонных к вывалам породах. Кроме этого, в распоре машины в выработке участвуют только распорные башмаки, рабочие поверхности которых ограничены, в результате чего распорное усилие также ограничивается, поскольку удельные давления на рабочих поверхностях распорных башмаков не должны превышать максимально допустимых для данной конкретной породы (а из-за неравномерного распределения нагрузки допустимые напряжения снижаются в 1,5-2 раза), в противном случае возможны вывалы породы из стенок выработки. Наиболее близкой по совокупности признаков и назначению является тоннелепро-ходческая машина, включающая передний щит с установленным в нем исполнительным органом, соединенный с передним щитом гидроцилиндрами подачи задний щит, щитовые цилиндры, установленные в заднем щите, и механизм транспортирования разрушенной исполнительным органом породы, выполненный в виде ленточного конвейера. В заднем щите установлен распорный механизм, выполненный в виде двух распорных башмаков, соединенных с основными и дополнительными гидроцилиндрами, при этом башмаки установлены с возможностью перемещения в окнах, выполненных в заднем щите симметрично относительно оси заднего щита Верхние части башмаков связаны между собой основными распорными гидроцилиндрами, штоки которых шарнирно соединены с одним башмаком, а корпуса с другим. Нижние части распорных башмаков аналогичным образом связаны между собой дополнительными гидроцилиндрами [2]. Благодаря тому, что и верхние, и нижние части распорных башмаков соединены между собой гидроцилиндрами и не связаны непосредственно с корпусом заднего щита, как в предыдущем техническом решении, распорные башмаки имеют возможность самоустанавливаться при распоре, и независимо от положения тоннелепроходческой машины и колебаний диаметра выработки усилия распора равномерно распределяются по рабочим поверхностям распорных башмаков, что позволяет повысить эффективность распора. Однако эффективность распора при использовании описанного технического решения недостаточна, особенно в слабоустойчивых породах, так как распор обеспечивается только за счет прижатия к стенкам выработки распорных башмаков, рабочие поверхности которых ограничены. Поверхность корпуса заднего щита не используется для создания распора при работе тоннелепроходческой машины. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования тоннелрпроходческой машины, в которой в результате изменения конструкции распорного механизма обеспечивается повышение эффективности распора машины в выработке, и за счет этого увеличивается производительность тоннелепроходческой машины, в том числе при сооружении выработок в слабоустойчивых, склонных к вывалам породах. Поставленная задача решается тем, что в тоннелепроходческой машине, включающей передний щит с установленнь м в нем исполнительным органом, соединенный с передними щитом гидроцилиндрами подачи задний щит, щитовые гидроцилиндры, установленные в заднем щите, механизм транспортирования разрушенной исполнительным органом породы и распорный механизм, выполненный в виде двух ба шмаков, соединенных с основными и дополнительными гидроцилиндрами распора, причем башмаки установлены с возможностью перемещения в окнах, выполненных в заднем щите и верхние части башмаков связаны между собой основными гидроцилиндрами распора, штоки которых шарнирно соединены с одним башмаком, а корпуса с другим, согласно изобретению, нижняя часть каждого из распорных башмаков шарнирно соединена со штоками дополнительных гидроцилиндров распора, корпуса которых соединены с нижней частью заднего щита, при этом дополнительные гидроцилиндры распора установлены наклонно к вертикальной плоскости симметрии заднего щита, а окна в заднем щите выполнены со смещением вверх относительно оси заднего щита. В частном случае выполнения тоннелеп-роходческой машины между задним щитом и корпусом каждого из дополнительных гидроцилиндров распора установлены упругие элементы, выполненные в виде накладок из упругого материала, закрепленных на заднем щите. Ниже показаны причинно-следственные связи между существенными признаками заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом. - Шарнирное соединение нижней части каждого из распорных башмаков со штоками дополнительных гидроцилиндров позволяет распорным башмакам в процессе распора самоустанавливаться, прижимаясь всей поверхностью равномерно к стенкам выработки, независимо от положения заднего щита и от степени подработки стенок выработки, в результате чего уменьшается удельное давление на породу и повышается эффективность распора. - Шарнирное соединение корпусов дополнительных гидроцилиндров с нижней частью заднего щита и установка дополнительных гидроцилиндров наклонно к вертикальной плоскости симметрии заднего щита обеспечивает прижатие нижней части щита к стенке выработки в процессе распора, в результате чего увеличивается суммарное усилие распора при одновременном снижении удельного давления на породу и повышается эффективность распора, особенно в слабоустойчивых, склонных к вывалам породах, - Смещение окон в заднем щите вверх относительно оси заднего щита обеспечивает перпендикулярность направления равнодействующи х усилий, действующи х на распорные башмаки от основных и дополнительных гидроцилиндров распора, к рабочим поверхностям распорных башмаков, в результате чего усилия распределяются равномерно по всей рабочей поверхности распорных башмаков, удельные давления на породу уменьшаются и повышается эффективность распора. - В частном случае выполнения тоннелепроходческой машины установка упругих элементов, выполненных в виде упругих накладок, закрепленных на заднем щите, между задним щитом и корпусом каждого из дополнительных гидроцилиндров обеспечивает равномерное выдвижение распорных башмаков в процессе распора независимо от крепости пород и положения заднего щита в выработке, в результате чего также повышается эффективность распора. Предлагаемая тоннелепроходческая машина иллюстрируется чертежами: на фиг.1 показан продольный разрез тоннелепроходческой машины; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.З - схематическое изображение процесса распора заднего щита в выработке. Тоннелепроходческая машина включает передний щит 1 с установленным в нем роторным исполнительным органом 2, и задний щит 3. Передний щит 1 соединен с задним щитом 3 гидроцилиндрами подачи 4. В заднем щите 3 установлены щитовые гидроцилиндры 5. В заднем щите 3 также выполнены окна 6 и 7 и установлен распорный механизм. Распорный механизм выполнен в виде распорных башмаков 8 и 9. установленных с возможностью перемещения в окнах б и 7. Верхние части распорных башмаков 8 и 9 соединены между собой гидроцилиндрами 10, корпуса 11 которых посредством шарниров 12 соединены с распорным башмаком 8, а штоки 13 - посредством шарниров 14 с распорным башмаком 9. Нижние части распорных башмаков 8, 9 соединены с нижней частью заднего щита 3 дополнительными гидроцилиндрами 15 и 16, При этом штоки 17 и 18 дополнительных гидроцилиндров 15 и 16 шарнирами 19 и 20 соединены с нижними частями соответственно распорных башмаков 8 и 9, а корпуса 21 и 22 - шарнирами 23 и 24 с нижней частью заднего щита 3. Шарниры 23 и 24 соединения корпусов 21 и 22 гидроцилиндров 15 и 16 с нижней частью заднего щита 3 смещены по отношению к шарнирам 19 и 20 к центру заднего щита 3 таким образом, что гидроцилиндры 15 и 16 расположены наклонно, под углом а к вертикальной плоскости симметрии 25 заднего щита. Величина угла а составляет 10°+40° Окна 6 и 7 в заднем щите 3 смещены вверх относительно оси 26 заднего щита 3. Между корпусами 21 и 22 гидроцилиндров 15 и 16 и задним щитом 3 установлены упругие элементы 27, выполненные в виде накладок из упругого материала (например, из полиуретана), закрепленных на заднем щите 3. Задний щит 3 имеет также хвостовую оболочку 28, под защитой которой при необходимости производится монтаж обделки тоннеля. В тоннелепроходческой машине установлен также механизм транспортирования разрушенной исполнительным органом породы, выполненный в виде ленточного конвейера 29. В зависимости от горногеологических условий и особенностей конструкции тоннелепроходческой машины в качестве механизма транспортирования разрушенной исполнительным органом породы могут также использоваться скребковый конвейер, шнек и т.п. При необходимости увеличения усилия распора в тоннелепроходческой машине могут быть установлены по несколько гидроцилиндров распора 10 и дополнительных гидроцилиндров 15 и 16 (на рисунках изображено по три гидроцилиндра 10,15 и 16). Количество гидроцилиндров 10, 15 и 16 и их размеры определяются исходя из конструктивных соображений. Предлагаемая тоннелепроходческая машина работает следующим образом. В исходном положении гидроцилиндры подачи 4 втянуты, задний щит 3 подтянут к переднему щиту 1. Штоки 13 гидроцилиндров 10 и штоки 17 и 18 дополнительных гидроцилиндров 15 и 16 также втянуты и распорные башмаки 8 и 9 вдвинуты в окна 6 и 7 и не выступают за наружный контур заднего щита 3. Для обеспечения возможности разработки забоя роторным исполнительным органом 2 задний щит 3 должен быть зафиксирован относительно стенок выработки. Для этого включаются на выдвижение гидроцилиндры 10,15 и 16. В результате выдвижения штоков 13,17 и 18 гидроцилиндров 10, 15 и 16 распорные башмаки 8 и 9 перемещаются в окнах 6 и 7, выдвигаясь из заднего щита 3. Так как корпуса 21 и 22 гидроцилиндров 15 и 16*соединемы с задним щитом 3 шарнирами 23 и 24 и опираются на упругие элементы 27, закрепленные на заднем щите 3, то отклонения осей гидроцилиндров 15 и 16 от исходного положения незначительны. Выдвигаясь, распорные башмаки 8 и 9 прижимаются к стенкам выработки. При этом нижняя часть заднего щита 3 за счет воздействия усилия дополнительных гидроцилиндров 15 и 16 также прижимается к стенке выработки, в результате чего общее усилие распора заднего щита 3 в стенки выработки значительно увеличивается и эффективность распора повышается, особенно в слабоустойчивых породах. Поскольку распорные башмаки 8,9 прижимаются к стенкам выработки гидроцилиндрами 10, 15 и 16, соединенными с распорными башмаками шарнирно, то башмаки 8, 9 в процессе распора самоустанавливаются, прижимаясь всей поверхностью равномерно к стенкам выработки независимо от того, какое положение в выработке занимает задний щит 3, и от того, производилась или нет подработка стенок выработки. При этом, поскольку дополнительные гидроцилиндры 15, 16 установлены наклонно, а распорные башмаки 8, 9 установлены в окнах 6, 7, расположенных в заднем щите 3 со смещением вверх относительно оси 26. то равнодействующие усилий, действующи х от гидроцилиндров 10, 15 на распорный башмак 8 и от гидроцилиндров 10,16 -на распорный башмак 9, направлены перпендикулярно рабочей поверхности распорных башмаков 8, 9. Все это приводит к тому, что усилия распределяются равномерно по всей поверхности распорных башмаков 8, 9, удельные давления на породу уменьшаются, в то время как за счет воздействия на каждый из башмаков - 8 и 9 - двух гидроцилиндров (соответственно 10и 15,10 и 16)усилие прижатия распорных башмаков 8 и 9 к породе увеличивается, что обеспечивает повышение эффективности распора. После того, как произведено прижатие распорных башмаков 8, 9 к стенкам выработки и задний щит 3 зафиксирован в выработке, включается вращение роторного исполнительного органа 2 и ленточный конвейер 29, и передний щит 1 с исполнительным органом 2 гидроцилиндрами подачи 4 подается вперед. Роторный исполнительный орган 2 При вращении и одновременной подаче разрушает породу. Разрушенная порода грузится роторным исполнительным органом 2 на ленточный конвейер 29 и транспортируется им за пределы тоннелепроходческой машины, где перегружается для дальнейшей транспортировки на магистральный конвейер или в вагонетки (на рисунках не показаны). Так как усилие распора заднего щита 3 увеличено в результате того, что каждый распорный башмак8, 9 прижимается к стенке выработки двумя гидроцилиндрами - 10 и 15,10 и 16 соответственно, и нижняя часть корпуса заднего щита 3 дополнительными гидроцилиндрами 15, 16 также прижата к стенке выработки, то усилие подачи переднего щита 1 с исполнительным органом 2 может быть увеличено, что позволяет более эффективно разрушать крепкие породы. При этом, поскольку давление на породу распределяется равномерно по поверхности распорных башмаков 8, 9 и нижней части заднего щита 3, а общая поверхность распора значительно увеличена благодаря тому, что в распоре дополнительно принимает участие нижняя часть заднего корпуса щита 3, то повышенное усилие подачи может быть реализовано и при сооружении выработок в слабоустойчивых породах, удельные давления на которые при распоре ограничены. Все это позволяет повысить производительность тоннелепроходческой машины. После того, как передний щит 1 с роторным исполнительным органом 2 перемещается вперед на величину заходки, определяемую ходом гидроцилиндров подачи 4, подача прекращается, передний щит 1 раскрепляется в выработке стабилизаторами (на рисунках не показаны), распорные башмаки 8 и 9 гидроцилиндрами 10, 15 и 16 втягиваются внутрь заднего щита 3, а задний щит 3 гидроцилиндрами подачи 4 подтягивается к переднему щиту 1. Тоннелепроходческая машина готова к следующему циклу работы. При проходке участков геологических нарушений с неустойчивой породой, исключающей возможность распора в стенки выработки, для перемещения заднего щита 3 и восприятия реактивных усилий, возникающих при разрушении породы роторным исполнительным органом 2, используются щитовые гидроцилиндры 5, установленные в заднем щите 3. В этом случае щитовые гидроцилиндры 5 упираются в кольцевую железобетонную или чугунн ую обделку, монтируемую под защитой хвостовой оболочки 28 заднего щита 3 блокоукладчиком (на рисунках не показан). Штоки гидроцилиндров 10, 15 и 16 при этом втянуты, распорные башмаки не выступают за пределы заднего щита. А поскольку верхняя часть заднего щита выполнена сплошной, то просыпи породы внутрь заднего щита практически отсутствуют.·