Гайко Г.И. История горной техники

Подождите немного. Документ загружается.

машины, в которых канат на-

вивался на вал ворота под дей-

ствием ручной силы рабочих

(рис. 2.1, а). Середина каната при-

креплялась к валу (А), что обес-

печивало одновременный подъем

наполненной бадьи и спуск по-

рожней. Кроме рукояток (В, С) на

валу устанавливали маховое ко-

лесо (Е), которое «подменяло»

одного рабочего – вращать вал

становилось намного легче.

Подъемная машина, как правило,

находилась в шатре (здании), пре-

дохраняющем ствол от затопле-

ния дождевыми водами.

На крупных рудниках ис-

пользовали систему механизмов

шахтного подъема с конной тя-

гой (рис. 2.1, б). Такой машиной

можно было поднимать бадьи

из шахтного ствола глубиной до

70 м. Машина имела два вала:

вертикальный, с которым в по-

мещении под землей было со-

единено гребенчатое колесо (А),

и горизонтальный вал (В) с це-

вочной шестерней (С). На гори-

зонтальном валу размещались

тормозной диск (D) и канатный

барабан (Е). Посредством дву-

плечного рычага (G) и тормоз-

ной колодки (Н) осуществля-

лось (при необходимости) сдер-

живание скорости подъема или

полная остановка машины для

разгрузки бадей. Наряду с су-

хими грузами можно было под-

нимать в кожаных мешках воду,

а также спускать в шахтный

ствол бревна, подвешивая их к

канату.

Рис. 2.1 Механизмы шахтного подъема:

а – с ручным приводом; б – с конной тягой

Другой тип подъемной машины с конной тягой (т.н. манежным при-

водом) автор наблюдал в старинной соляной шахте в Величке (Польша),

представляющей исторический музей горного дела. Эта машина (рис.

2.2) приводилась в движение четырьмя парами лошадей и могла под-

нять почти две тонны соли с нижних уровней шахты [13]. Подъемный

канат навивался на барабан при движении лошадей, причем концы ка-

ната были переброшены через шкивы (блоки), смонтированные на сво-

еобразном четырехстоечном копре, что обеспечивало спуск-подъем

бадей. Такая машина имела целый ряд технических признаков совре-

менного шахтного подъема.

Г. Агрикола среди главных причин оставления рудников называет

большой приток воды, вредный воздух, который не удается улучшить и

разрушения крепи. В своей книге он приводит конструкции машин и

механизмов, позволяющие противостоять этим факторам.

Одной из наибольших проблем, с которыми приходилось сталкивать-

ся горнякам, был приток шахтных (а иногда и атмосферных) вод в вы-

работки. Описанные выше подъемные машины могли быть использо-

ваны для подъема воды лишь при малых водопритоках. Поэтому в ка-

честве водоотливных машин чаще использовали другие конструкции.

Характерными примерами могут служить водоотливные машины,

приведенные на рис. 2.3. Первая (рис. 2.3, а) снабжена ходовым колесом

(А) с внутренними ступеньками, которое закреплено на валу (В). На валу

забиты трижды изогнутые скобы (G), на которых висят звенья двойной

Рис. 2.2 Подъемная машина с манежным приводом

(соляная шахта «Величка», Польша)

цепи (D). К местам соединения звеньев прикреплены ремнями ковши (Е)

из листового железа или меди. Вторую машину (рис. 3, б), имевшую боль-

шие преимущества по сравнению с первой, устанавливали в том случае,

когда была возможность подвести к руднику ручей. Сила воды приводи-

ла в движение колесо с лопастями, что эффективно заменяло топчак (хо-

довое колесо с «ножным» приводом). Это позволило использовать ков-

ши большой вместимости. В остальном эти машины подобны.

Наряду с водоотливными машинами применяли насосы, поднимав-

шие воду поршнями с помощью перепадов давления воздуха. В каче-

стве приводов таких машин использовали мускульную силу или вод-

ный поток. Конструктивное решение насоса (рис. 2.4) состоит в следу-

ющем. Над водосборником (зумпфом) в шахтном стволе устанавлива-

ли венец шахтной крепи и в нем неподвижно при помощи железных скоб

укрепляли в вертикальном положении трубы (С), достигавшие дна во-

досборника. Нижний конец каждой трубы в целях предотвращения ее

засорения вставляли в корзину (D) из ивовых прутьев. Внутри труб раз-

мещались штоки, снабженные стержнями в форме веретена. Верхняя че-

тырехугольная часть поршневых штоков находилась на поверхности и

имела возможность взаимодействовать посредством специальных паль-

цев и кулачков с валом (В), который приводился в движение колесом

(А). Откачиваемая вода через сточное отверстие сливалась в желоб и

отводилась от ствола. Такой насос позволял откачивать воду с глуби-

ны до 30 м.

Кроме насосов использовали нории – подъемные машины, представ-

ляющие собой бесконечную цепь с укрепленными на ней черпаками. На

Рис. 2.3 Водоотливные машины: а – с « топчаком»; б – с водным приводом

рис. 2.5 представлена такая машина,

в которой вода зачерпывалась зак-

репленными на цепи шарами (G).

Большое число видов водоот-

ливных машин, сложность и мате-

риалоемкость их конструкций сви-

детельствует об остроте проблемы

притока шахтных вод, которую

лишь частично могла решить рас-

смотренная техника.

Не менее важной задачей по

обеспечению жизнедеятельности

шахты является вентиляция горных

выработок. «Нужны машины, кото-

рые дали бы возможность рудоко-

пам дышать легко и продолжать

работу» [12]. Первые приспособле-

ния такого рода (рис. 2.6, а) пред-

ставляли собой деревянные щиты

(D), установленные над стволом на

поперечных балках (С) и направля-

ющие естественные воздушные по-

токи (F) в ствол. Сверху крестооб-

разно расположенные щиты пере-

крывались круглой крышей (G),

чтобы потоки ветра не отклонялись

вверх. Такие сооружения полностью

зависили от силы ветра, были ма-

лоэффективны и препятствовали ве-

дению подъемных работ. Последнее

противоречие изначально выдвига-

ло условие разделить функции вен-

тиляции и подъема грузов по раз-

ным стволам.

Второй тип устройств для про-

ветривания (рис.2.6, б) обеспечивал

более высокую эффективность вен-

тиляции за счет применения веер-

ных крыльев.

Крылья вставляли в вал ворота

(С), который часто помещали в де-

ревянный короб (А), что повышало

Рис. 2.4 Насос для откачивания

шахтных вод

Рис. 2.5 Водоотливная нория

Рис. 2.6 Устройства для проветривания

горных вырабтоток:

а – воздухонаправляющие щиты;

б – крыльчатки;

в – барабанный вентилятор;

г – вентилирующий мех

воздухоотдачу. Короб устанавливали или на земле (А), или поднимали

на бревнах в виде ветряной мельницы (F). В последнем случае вместо

рукоятки вал снабжали четырьмя наружными крыльями (G), что позво-

ляло использовать силу ветра для вращения вала с рабочими крыльями

и нагнетания воздуха в ствол. Эта машина не нуждалась в обслужива-

нии, однако в случае отсутствия ветра она не функционировала, что

приводило к прекращению горных работ.

Наибольшее распространение получила конструкция в виде полого

барабана (А) в котором вставлен вал с крыльями (рис. 2.6, в). В бараба-

не имеются два воздушных отверстия (С), из которых верхнее вбирало

воздух, а нижнее выпускало его в канал (Е), ведущий в шахтный ствол.

Один конец вала снабжался рукояткой, а другой – четырьмя стержнями

с массивными головками (Н), облегчающими вращение вала.

Иногда для нагнетания воздуха использовали кожаные меха (рис.

2.6, г), подобно решениям для металлоплавильных печей. Примечатель-

но, что в этом случае специальной переборкой отделяли в стволе (или

штольне) канал для свежего воздуха, который нагнетался до нижней пло-

щадки ствола (или к забою штольни). Такая схема представляла прооб-

раз работы современных вентиляторов местного проветривания.

Вентиляция горных выработок, наряду с обеспечением рудокопов

воздухом, в значительной степени влияла и на безопасность шахт. Как

известно, выделение в горные выработки метана (особенно на уголь-

ных и соляных шахтах) при его концентрации в атмосфере 8-11% обра-

зует взрывчатую смесь. Многочисленные случаи взрывов приводили к

гибели сотен рабочих. Для борьбы с опасным явлением горняки-газо-

жеги факелами сжигали в верхних частях выработок скопления метана,

предупреждая тем самым возникновение его взрывоопасной концент-

рации. Перед входом в выработку газожег надевал на себя обильно смо-

ченный водой, вывернутый наизнанку овчинный тулуп, меховые рука-

вицы, закрывавшую лицо шапку. Несмотря на меры предосторожности

избежать ожегов удавалось далеко не всегда. Часто метан не сгорал, а

взрывался... Сравнивая работу газожегов с муками грешников в аду,

польский скульптор Мечислав Клузка создал в шахте «Величка» соля-

ные скульптуры горняков, выжигающих метан в соляных лавах. Свою

композицию он назвал «Кающиеся души» [13].

Значительную опасность для работы горняков представляли выва-

лы и обрушения пород в выработках. Для предотвращения этих явле-

ний в описуемый период использовали деревянную крепь. Г. Агрикола

в работе [12] приводит характерные конструкции крепи ствола и штоль-

ни. Крепь ствола (рис. 2.7, а) представляла собой деревянный каркас из

прочных вандрутов (С) и поперечных кругляков (А, D), выполняющих

соответственно роль колонн и балок. Для повышения жесткости конст-

рукции устанавливали расстре-

лы (В). Обшивку (затяжку)

ствола и отдельной лестничной

части осуществляли досками.

Для защиты от возможного

просыпания породы при подъе-

ме бадей, устраивали в месте

погрузки навес, перекрываю-

щий все сечение ствола, за ис-

ключением лестничного отделе-

ния.

Рамная деревянная крепь

штолен (рис. 2.7, б) состояла из

двух вертикальных стоек (А),

верхняка (В), лежня (С) и затяж-

ки (Е). Стойки выполняли в

виде брусьев, концы которых

заглубляли в почву выработки.

Длина стоек принималась та-

кой, чтобы верхние заострен-

ные в виде четырехугольников

концы, почти касались кровли

штольни. На стойки наклады-

вался верхняк, причем концы

стоек вводились в выемки, сде-

ланные в верхняке.Расположен-

ному на почве лежню придава-

ли квадратное сечение и встав-

ляли его концы в выемки, сде-

ланные в стойках. Затяжки вы-

полняли из толстой доски. Г.

Агрикола на основе опыта

крепления выработок рекомен-

довал принимать межрамное

расстояние, равное половине

сажени (1,05 м). В случае разру-

шения крепи он советовал не

возобновлять работы, исключая жилы, очень богатые металлом. Пока-

зательно, что основные конструктивные признаки рассмотренных рам-

ных крепей сохранились до настоящего времени.

Особый интерес представляют старинные конструкции деревянной

крепи камер большого сечения. На протяжении столетий вызывает вос-

Рис. 2.7 Деревянная крепь:

а – ствола; б – штольни

хищение у инженеров крепь в ка-

мерах велицкой соляной шахты

(рис. 2.8). Возведение конструкций

такой сложности свидетельствует о

высоком строительном искусстве

польских горняков.

Наряду с подземными работами

механизируют обработку полезных

ископаемых на поверхности шахт.

Для дробления руд применяли ма-

шины (рис. 2. 9, а), в которых дере-

вянные песты с железными головка-

ми (наконечниками) приводились в

поступательное движение с помо-

щью водяного колеса. Раздроблен-

ное полезное ископаемое разделя-

лось на фракции путем просеивания

в решетчатых ситах, причем надре-

шетчатый продукт вновь подвергали толчению. Дробильная машина, а

также приспособления для просеивания и последующей промывки по-

лезного ископаемого размещали вблизи главного ствола, формируя т.н.

рудный двор. Современный поверхностный комплекс шахты (рис. 2.9,

б) выглядит очень далеким от рудного двора средневековья, однако здесь

выполняются теже технологические операции (правда в несоизмеримо

больших объемах и на ином техническом уровне).

Рис. 2.8 Деревянные конструкции

шахтной крепи в камерах ш. «Величка»

Рис. 2.9 «Поверхностный комплекс» немецкой шахты

начала XVI в. (а) и конца ХХ в. (б)

Значительный вклад в развитие средне-

вековых машин и механизмов внес гениаль-

ный художник и инженер эпохи Возрожде-

ния Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.). Он

разработал наиболее полную классифика-

цию элементов машин (рис. 2.10), значитель-

но усовершенствовав многие из них [14]. Ле-

онардо да Винчи обратил внимание, что су-

ществует очень мало машин, в которых не

было бы вращающихся частей – различных

колес, рычагов, барабанов. Между сопри-

касающимися поверхностями вращающих-

ся деталей (колес, валов, осей) и их опора-

ми возникает трение, препятствующее сво-

бодному вращению деталей и вызывающее

их быстрый износ. На эту проблему много-

кратно обращал внимание при описании горных машин и Г. Агрикола

[12]. Техническое решение проблемы, выдвинутое Леонардо да Винчи,

намного опередило его время. Великий итальянский механик предло-

жил заменить сухое трение т.н. жидкостным трением качения и разра-

ботал устройства для осуществления такой замены – шариковый (рис.

2.11а) и роликовый подшипники качения. Ни одна современная маши-

на не обходится без этой детали, причем горные машины держат пер-

венство по уникальности применяемых подшипников (рис. 2.11, б).

Предвидя перспективное будущее открытой разработки месторож-

дений, Леонардо да Винчи разрабатывает схему экскаватора-драглай-

на (рис. 2.12) для ведения масштабных земляных работ. Используя в

качечтве прототипа водоподъемное колесо, он впервые выдвинул идею

копающего колеса – прообраза роторного экскаватора. Он также пред-

лагает конструкцию бура для разведки недр, исследует прочность арок

(рис. 2.13), причем, приведенные им схемы нагружения, способы испы-

таний, конструктивные элементы вызывают интерес даже у современ-

ных проектировщиков рамных крепей.

Примечательно, что развитие теории механики в XVI-XVII ве-

ках позволило обосновать расчетные методы проектирования строи-

тельных конструкций, каковыми являются и шахтные крепи. Так, Гали-

лео Галилей (1564-1642 гг.) первым рассмотрел работу балки на изгиб,

априори приняв распределение напряжений одного знака по всей высо-

те сечения. Эдм Мариотт (1620-1684 гг.) исправил его ошибку, указав,

что при изгибе имеют место напряжения двух знаков – растяжения и

сжатия, а также исследовал предельные нагрузки на конструкцию, к чему

вернулись исследователи лишь в начале ХХ в. (метод предельных со-

Леонардо да Винчи

Рис. 2.10 Элементы машин по Леонардо: 1 – винтовая передача; 2 – клин; 3 – заклепки; 4

– опоры и опорные подшипники; 5 – шпильки и оси; 6 – муфты; 7 – тросы, ремни, цепи; 8

– фрикционные колесные передачи; 9 – шестерни; 10 – маховик на лебедке; 11 – тяги и

рычаги; 12 – храповик; 13 – храповый механизм; 14 – тормозные устройства; 15 – сцепле-

ния шестерен; 16 – полые стержни и их соединения; 17 – цилиндры насоса и поршня; 18 –

вентили и клапаны; 19 – пружины; 20 – шатуны и тяги; 21 – эксцентрики; 22 – блоки