Повышение прочности тангенциальных поворотных резцов горных очистных комбайнов
На правах рукописи
Крестовоздвиженский Павел Дмитриевич ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ ПОВОРОТНЫХ РЕЗЦОВ ГОРНЫХ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово – 2011 2
Работа выполнена на кафедре теории механизмов и машин и основ конст руирования Государственного образовательного учреждения высшего профес сионального образования «Сибирский государственный индустриальный уни верситет», г. Новокузнецк.
Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Дворников Леонид Трофимович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Герике Борис Людвигович кандидат технических наук, доцент Леконцев Юрий Михайлович
Ведущая организация: «Научно-исследовательский испытательный центр КузНИУИ» (ЗАО «НИИЦ КузНИУИ»)
Защита состоится «31» марта 2011 года в 1500 часов на заседании диссер тационного совета Д 212.102.01 при Государственном образовательном учреж дении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Факс (3842) 36-16-87, e-mail: [email protected].
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного обра зовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбас ский государственный технический университет».
Автореферат разослан «» февраля 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.102.01 А.Г. Захарова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы Индустриальным способом добычи угля в мировой практике является механический способ с применением высокопроизводительных шнековых очи стных комбайнов, вооруженных тангенциальными поворотными резцами.
Несмотря на достаточно большую номенклатуру используемых в горном деле типов очистных комбайнов – не менее трех десятков конструкций, выпус каемых заводами различных государств, принципиально они отличаются не значительно. Основная часть установленной на комбайнах мощности приводов передается на разрушение углей через инструмент. В силу того, что одновре менное непосредственное воздействие на забой от шнеков осуществляется че рез ограниченное количество резцов, последние оказываются высоконагружен ными.
В связи с этим задача повышения прочности и износостойкости резцов, очистных шнековых комбайнов оказывается не просто актуальной, а одной из важнейших для угледобывающей отрасли. Исследования и рекомендации, на правленные на совершенствование резцов угольных комбайнов, являются вос требованными и могут способствовать целям повышения их производительно сти и уменьшения энергопотребления. Многое в обозначенном направлении уже достигнуто, однако возникающие новые задачи требуют изучения накоп ленных результатов по исследованию тангенциальных поворотных резцов и отыскания путей их дальнейшего совершенствования.
Благодаря использованию современных методов моделирования взаи модействия резцов с угольным массивом становится возможным решать задачи по обоснованию оптимальных геометрических форм и материалов как непо средственно режущих элементов, так и корпусов резцов в целом, прочности ко торых посвящается настоящее исследование.
Цель работы состоит в разработке рекомендаций по созданию высоко прочного рабочего инструмента очистных комбайнов на основании изучения процессов его взаимодействия с разрушаемой средой.
Идея работы состоит в повышении прочности конструкций тангенци альных поворотных резцов, в частности, за счет исключения концентраторов напряжений в теле твердосплавных вставок.
Задачи исследований:
- определить основные параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) в твердосплавной вставке и головной части резца в соответст вии с основными закономерностями процесса взаимодействия тангенциального поворотного резца с разрушаемым массивом;
- обосновать критерии гарантированной прочности твердосплавной вставки и головной части резца и на их основе исследовать напряженно деформированное состояние тангенциальных поворотных резцов с привлечени ем метода конечных элементов;
- на основе математического моделирования и физического экспери мента разработать рекомендации по совершенствованию конструкций танген циальных поворотных резцов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Применение безлезвийных твердосплавных вставок, в тангенциальных по воротных резцах, выполненных в виде эллипсоидов вращения, позволяет устранять в них концентраторы напряжений и обеспечивать деформации, не превосходящие упругих, что гарантирует их прочность.
2. Применение метода конечных элементов к исследованию напряженно деформированного состояния тангенциального поворотного резца, позволя ет на стадии проектирования исключать концентрации напряжений в опас ных сечениях резцов.
3. Применение резцов новой конструкции (со вставкой в форме эллипсоида вращения), позволяет воздействовать на забой значительно большим усили ем, обеспечивающим уменьшение энергоемкости процесса разрушения уг ля.
Научная новизна работы:
1. Установлены параметры напряженного состояния резцов с учетом их ре альных форм и размеров на основании классических задач и методов теории упругости.
2. Обосновано применение в качестве твердосплавных вставок тангенциаль ных поворотных резцов тел вращения, в виде двухосного эллипсоида как гладкой поверхности 2-го порядка, не содержащей концентраторов напря жений.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций под тверждается результатами теоретических исследований, основанных на фунда ментальных положениях механики деформированного твердого тела, теории упругости, строительной механики;
корректностью сделанных допущений при построении расчетных моделей;
представительным объемом эксперименталь ных данных, полученных в промышленных условиях;
использованием совре менного компьютерного оборудования и программного обеспечения.
Методы исследований включают: анализ литературных источников, посвященных использованию тангенциальных поворотных резцов;
аналитиче ское, численное и имитационное моделирование напряженного состояния тан генциального поворотного резца и угольного массива на основе методов строи тельной механики, теории упругости, сопротивления материалов;
научное обобщение теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результа ты позволяют рассчитывать рациональные параметры тангенциальных пово ротных резцов при их конструировании в соответствии с горно-техническими и горно-геологическими условия использования.
Личный вклад автора заключается: в установлении влияния формы корпуса резца на напряженно-деформированное состояние тангенциальных по воротных резцов;
в определении влияния формы твердосплавной вставки на разрушение массива;
в проведении испытаний тангенциальных поворотных резцов на шахтах Кузбасса, разработке конструкции тангенциального поворот ного резца, обладающего повышенным ресурсом. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит формализация поставленных задач, обобщение и анализ результатов.
Реализация выводов и рекомендаций. Результаты исследований на пряженно-деформированного состояния тангенциальных поворотных резцов представлены в «Рекомендациях к конструированию и изготовлению резцов», принятых к практическому использованию на предприятии ООО «Горный ин струмент» г. Новокузнецк и использованы при разработке новых конструкций резцов защищенных патентам РФ.
Апробация работы. Основное содержание работы
и отдельные ее по ложения докладывались и получили одобрение на международных научно практических конференциях «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (Новокузнецк, 2001, 2005, 2007, 2008), «Наука. Промышленность. Оборона» (Новосибирск, 2007), «Уголь России и Майнинг» (Новокузнецк, 2008, 2009), «Неделя горняка» (Москва, 2008), «Современные техника и технологии» (Томск, 2009), «Актуальные проблемы механики и горного машиноведения, развития науки и интеграции ВУЗов» (Ош, Киргизия, 2009), «Природные и ин теллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2010» (Кемерово, 2010).
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 2 научных статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ;
11 публикаций в материалах Международных и Всероссийских кон ференций;
1 изобретение и 2 полезных модели.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста и включает в себя введение, пять глав, заключение и список литературы из 164 наименований, содержит 75 рисунков и 32 таблицы.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, за служенному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Двор никову Леониду Трофимовичу за чуткое руководство и помощь в осмыслении результатов при проведении исследований и написании диссертации.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении сформулирована актуальность темы, определены цель и задачи диссертационной работы, отмечена научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.
В главе 1 «Анализ известных исследований процессов разрушения углей тангенциальными поворотными резцами» приведен анализ накоплен ных результатов исследований, направленных на изучение процесса взаимо действия резцов горных очистных комбайнов с угольным массивом при его разрушении шнековыми исполнительными органами.
Значительный научный и практический вклад в этом направлении, в ча стности в области обоснования оптимальных условий разрушения углей резца ми, внесли А.И. Берон, Л.И. Барон, Е.З. Позин, В.З. Меламед, В.И. Солод, А.Н. Коршунов, В.Н. Гетопанов, М.И. Слободкин, А.С. Казанский, Г.И. Ягод кин и другие. Анализ показал, что большинство известных работ были посвя щены разрушению углей так называемыми радиальными резцами.
Промышленное применение тангенциальных поворотных резцов (ТПР) в очистных комбайнах началось не ранее 1970 года.
Первые конструкции ТПР были заявлены в 1962 (А.Snipe) и (С.Krekeler) годах. К настоящему времени известны десятки конструкций таких резцов различной геометрии обусловленной условиями их применения, в част ности прочностью разрушаемых углей.
Необходимость создания тангенциальных поворотных резцов возникла в связи с потребностью увеличения производительности комбайнов и уменьше ния нагрузок на их рабочие органы.
Можно отметить, что в развернутой монографии А.И. Берона, Б.М. Лей бова, Е.З. Позина «Резание угля», опубликованной в 1962 году, ни о шнеках, ни о ТПР речи не шло, откуда следует, что до 1962 года каких-либо исследований по рассматриваемой в настоящей работе проблеме не проводилось.
На современном этапе угледобычи использованию шнековых исполни тельных органов и тангенциальных поворотных резцов альтернативы не про сматривается. Не менее 95% действующих очистных забоев оснащены именно шнековыми комбайнами, при этом условия нагружения ТПР постоянно услож няются, вследствие явно просматривающейся тенденции увеличения установ ленной мощности двигателей узлов резания комбайнов. В частности, мощность двигателей узлов резания очистных комбайнов, созданных в 1956–1995гг. не превышала 200 кВт, в 1995-2000гг. – она была доведена до 300 кВт, в 2000–2005гг. – варьировалась в интервале 400 – 600 кВт, а в комбайнах созда ваемых в последнее время (2005-2010гг.), она достигает 700 - 1000 кВт.
На некоторых последних (2010г.) модификациях очистных комбайнов использован привод мощностью до 1250 кВт.
Очевидно, что при росте мощности узлов резания существенно возрас тают нагрузки на резцы комбайнов и задачи повышения прочности и поиска рациональных конструкций тангенциальных поворотных резцов становятся принципиально важными.
В главе 2 «Исследование напряженно-деформированного состояния тангенциальных поворотных резцов» подробно рассматривается геометрия и кинематика воздействия поворотных резцов на разрушаемую среду, их силовое нагружение и напряженно-деформированное состояние.
В результате поступательного движения комбайна вдоль забоя со скоро стью Vп и вращения шнекового исполнительного органа со скоростью w = dj dt резцы комбайна движутся по кривым (рисунок 1), описываемым системой уравнений (1) x = aj - r sin j, (1) y = - r cos j.
При этом срезаемая стружка угля изменяется по толщине от нуля до максимального значения (hmax), угол воздействия на забой относительно естест венной слойности угля меняется, что приводит к существенному изменению нагрузок на резец во времени.
Рисунок 1 - Схема движения резца в пространстве забоя: 1 – траектория движения резцов при Vп = 0;
2,3 – траектории движения вершин резцов;
4 – угольный массив;
h – толщина стружки;
Vп – скорость подачи;
Vрез–скорость резания;
Vр – результирующая скорость;
w - угловая скорость;
a – ордината точки с наибольшей толщиной стружки;
r – радиус шнека Величина hmax определяется выражением V hmax = п, (2) 60mn где m – количество резцов в линии резания, n = 9.5w - частота вращения шне ка, мин-1.
При существующих параметрах очистных комбайнов толщина стружки при резании изменяется в интервале h = 0.03 - 0.06 м.
Непосредственно одновременно на забой воздействуют не более поло вины резцов, установленных на шнеке, то есть вся мощность двигателей реза ния передается на разрушение угля через вполне конкретное число резцов - от 20 до 30, что позволяет судить о реальных нагрузках, испытываемых резцами.
На рисунке 2 показана схема сил, действующих на резец. Основными со ставляющими являются сила сопротивления резанию Z, сила сопротивления подаче резца Y и боковое усилие.
Известно, что угли Кузнецкого угольного бассейна в зависимости от со противляемости резанию делятся на три категории (А = 110;
220;
330 кН/м), от куда следует, что максимальные значения сил S = Ahmax, действующих на ре зец при резании углей, находятся в диапазоне значений от 2 до 15 кН.
Результаты испытаний резцов, проведенных на угледобывающих пред приятиях Кузбасса, Хакассии, Ростовской области, позволили сформулировать причины выхода резцов из строя, связанных с недостаточной прочностью тех или иных их элементов.
Рисунок 2 - Схема взаимодействия ТПР с забоем: 1 – разрушаемая среда, 2 – ТПР, Z - сопротивление резанию, Y - сопротивление подаче резца, S – результирующая сила Основными причинами выхода из строя резцов являются:
скол корпуса ТПР в зоне закрепления твердосплавной вставки;
продольный или поперечный скол рабочей части твердосплавной вставки;
односторонний износ корпуса резца;
излом корпуса ТПР в области перехода головной части в хвостовую;
равномерный износ корпуса резца.
Все причины поломок резцов свидетельствуют о их перегруженности и недостаточной прочности отдельных элементов.
Естественно, основной была поставлена задача об изучении напряженно деформированного состояния тела резца с привлечением подходов с позиций теории упругости.
В первом приближении, то есть без учета конструктивных элементов (пе реходов, выточек), тангенциальный поворотный резец может быть представлен в виде конуса (рисунок 3), с углом при вершине a, нагруженного результи рующей силой S, приложенной к его вершине.
В основу исследования были положены известные задачи теории упруго сти, поставленные и решенные Дж. Митчеллом. Речь в них шла о распределе нии напряжений в бесконечном конусе с углом конусности a, нагруженном сжимающей и изгибающей силами, приложенными к вершине конуса.
Решение, найденное Митчеллом, было сведено к получению коэффици ентов, определяющих напряженное состояние в общем виде.
Рисунок 3 - Модель нагружения бесконечного конуса поперечной силой:
N – изгибающая сила, P – сжимающая сила, S – результирующая сил, a - угол конусности, b - угол, определяющий положение рассматриваемой точки по отношении к действующей силе, R – радиальная составляющая тензора напряжений, B – окружная составляющая, A – нормальная составляющая, r – радиус сферы, описывающей расстояние от вершины до рассматриваемой точки В деформациях это решение имеет вид F sin a cos b ur =, 4pG r l + 3G F sin b ub = -, (3) 2(l + 2G ) 4pG r l + 3G F cos a cos b ua =, 2(l + 2G ) 4pG r где ur, ub, ua - радиальное, окружное и нормальное смещения;
G и l - коэффи циенты Лямэ.
Применительно к поворотным резцам в наиболее опасном сечении (b = 0) компоненты напряжений выражаются зависимостью sin a Rr = -1,2 10 -4 S, r sin a Aa = Bb = 17,37 2 S, r (4) Ab = Br = 0, cos a Ar = -17,37 S.
r Частное решение задачи Митчелла, применительно к тангенциальным поворотным резцам, позволило найти взаимосвязь предельной по упругости силы S от угла конусности a (рисунок 4).
Рисунок 4 - График зависимости предельной силы S от угла конусности a Из полученной зависимости следует, что в интервале значений угла a от 15 до 30 градусов (угол между образующей конуса и осью конуса) величина предельного значения силы сопротивления может быть описана уравнением S = k (a - a 0 ), (5) где k = tg g - коэффициент пропорциональности, a0 – минимальный угол ко нусности (15 градусов), a - угол конусности рассчитываемого резца.
При превышении величины предельного значения силы S, определенной по (5), в конструкции резца могут возникать необратимые деформации, приво дящие к его разрушению, так при угле a = 25° действующая на резец сила S не должна превышать значения 3,5 – 4кН. Данные результаты подтверждаются структурой поломок корпуса тангенциальных поворотных резцов при проведе нии испытаний на угледобывающих предприятиях.
Решая задачу о гарантированной прочности ТПР от действующих на него нагрузок со стороны массива, необходимо одновременно обеспечить условия наименее энергоемкого разрушения забоя. Одним из решений, в этом направ лении рассматривается идея устранения на резцах участков с концентрацией напряжений, приводящих к их локальным разрушениям. Целесообразно воз действующие на забой инденторы выполнять в виде гладких поверхностей. Эта идея ранее была использована при создании бурового инструмента ударного действия (J. Kelli, 1965).
В настоящем исследовании изучен процесс взаимодействия индентора в виде жесткого штампа с разрушаемой средой с точки зрения контактной задачи теории упругости, которая применительно к упругим телам, ограниченным по верхностями второго порядка, была решена Г. Герцем.
Применяемые в настоящее время в серийных конструкциях поворотных резцов твердосплавные вставки выполняются заостренными (лезвийными), то есть с концентратором напряжений в их вершине. Использование в качестве твердосплавных вставок безлезвийных инденторов, выполненных в частности, в форме полуэллипсоида вращения (рисунок 5б) с по садочной ступенью в виде усеченного конуса и отноше нием полуосей рабочей сту пени эллипсоида 1,8-2,2, су щественно меняет картину распределения напряжений Рисунок 5 - Схема воздействия на массив под индентором. Такой ин инденторами: P – действующая нагрузка, дентор, не имея собственно лезвия, обеспечивает квази- 1 – разрушаемая среда, 2 – инденторы конус (а) и полуэллипсоид (б) постоянную удельную на грузку на среду. «Острота» такого индентора является величиной обратной скорости изменения контактной площадки по мере внедрения индентора.
Удельное давление p(r) под индентором зависит от геометрии индентора и определяется зависимостью 4 EС p (r ) = - a2 - r 2.
( ) (6) p 1 -n В формуле (6) обозначены: E – модуль упругости, n - коэффициент Пуас сона среды, С – коэффициент продольного растяжения поверхности, а – радиус площадки контакта, r - полярный радиус рассматриваемой точки.
К настоящему времени в соответствии с формулой (6) разработаны ком пьютерные программы, в частности Куклиным С.А., дающие возможность на ходить поля контактных напряжений и деформаций в среде при различных формах инденторов.
Сравнение инденторов – конуса и полуэллипсоида по напряжениям, воз никающим в среде при их воздействии на разрушаемую среду (Е=5000МПа, n=0.3), приведено на рисунке 6.
Рисунок 6 - Распределение давления под инденторами (а-конус, б-полуэллипсоид) Закономерности распределения давлений показывают, что давление под индентором-эллипсоидом близко к равномерному и существенно, в разы мень ше максимального давления под индентором-конусом, откуда следует, что при «остром» инденторе в нагружаемой среде происходят локальные разрушения малых объемов и добиться возникновения высоких напряжений в больших объ емах среды невозможно.
Иная ситуация возникает при воздействии на среду «тупым» индентором.
В этом случае напряжения накапливаются без локальных разрушений среды и лишь при достижении ими предельных значений происходят разрушения зна чительно больших объемов массива крупным сколом и с меньшими затратами энергии. На рисунке 7 показаны зависимости нарастания усилий, прикладывае мых к инденторам в форме «конуса» и «эллипсоида» по мере их внедрения в массив, из которых следует, что более затратным по усилиям является процесс внедрения «эллипсоида», однако энергоемкость разрушения массива при этом может уменьшаться в разы за счет откалывания крупных фрагментов.
Исходя из приведенных соображений автором настоящего исследования, был предложен к применению в практике добычи угля шнековыми очистными комбайнами новый тангенциальный поворотный резец с твердосплавной встав кой в виде двухосного эллипсоида (Пат. №2212535).
Таким образом, основываясь на использовании известных классических задач теории упругости (Дж. Митчела и Г. Герца), удалось сформулировать и реализовать новые подходы к конструированию тангенциальных поворотных резцов.
Рисунок 7 - График зависимости усилия внедрения F от глубины внедрения h инденторов в форме «конуса» (1) и эллипсоида (2) В главе 3 «Исследование напряжений в корпусах тангенциальных поворотных резцов методом конечных элементов» проводится изучение на пряженно - деформированного состояния головных частей и твердосплавных вставок тангенциальных поворотных резцов различных форм с применением метода конечных элементов.
Прежде всего, сравнению были подвергнуты головные части ТПР, отли чающиеся видом образующей их боковой поверхности: линейной, вогнутой и выпуклой (рисунок 8).
Рисунок 8 - ТПР с различной формой образующей головных частей:
линейной, вогнутой, выпуклой и напряжениями, действующими на главных площадках В качестве конечного элемента использовался элемент SOLID95, широко используемый при моделировании статического нагружения консольных балок различной конфигурации.
Расчетные модели соответствовали по геометрии реальным конструкци ям головных частей резцов - одного из основных производителей резцов в Куз бассе - ООО «Горный инструмент», изготовленных из легированной стали 35ХГСА с физическими характеристиками Е=2.15*105 МПа, n = 0.3. К вершине резца прикладывалась изгибающая сила в 4 кН. Торцевая поверхность головной части закреплялась неподвижно.
Результаты расчета представлены напряжениями, действующими на главных площадках (S1, S2, S3), а также нормальными напряжениями (Sx, Sy, Sz) и эквивалентными напряжениями.
Как и следовало ожидать, наиболее прочным является резец с выпуклой поверхностью головной части, однако эксперимент показал, что отличие в уровне напряжений, с некоторым приближением, можно считать незначитель ным и вполне допустимо использование в практике резцов с вогнутой обра зующей, особенно при резании углей с малым сопротивлением резанию.
Особое внимание в работе было уделено исследованию напряженно деформированного состояния твердосплавных вставок ТПР, как элементов, не посредственно воздействующих на забой.
Рисунок 9 - Напряженное состояние цилиндрической, грибковой и в виде эллипсоида вращения вставок (S1) Напряженное состояние твердосплавных вставок ТПР представлено на рисунке 9. Физические параметры расчетных моделей, соответствовали вольф рамокобальтовому сплаву ВК10КС.
На том же рисунке 9 показаны уровни касательных напряжений на глав ных площадках сечений (S1, S2, S3).
Приведенные данные свидетельствуют о том, что значения напряжений в теле твердосплавных вставок цилиндрической и «грибковой» форм от действия изгибающей силы отличаются мало, в то время как напряжения, возникающие в теле вставки-эллипсоида, имеют существенно меньшие значения.
Таким образом, результаты исследования НДС твердосплавных вставок различных форм позволяют утверждать, что с точки зрения прочности конст рукций вставок очевидные преимущества имеют вставки в форме тел вращения второго порядка, в частности эллипсоида вращения (ввиду меньшего значения гауссовой кривизны).
В главе 4 «Разработка рекомендаций по совершенствованию танген циальных поворотных резцов» представлен ряд решений для создания более прочных и менее металлоемких конструкций тангенциальных поворотных рез цов.
Результаты исследований, приведенных в главе 2, позволили разработать новую конструкцию тангенциального поворотного резца, приведенную на ри сунке 10, тело индентора в нем выполняется в виде вытянутого полуэллипсоида вращения с отношением полуосей 1.8-2.2.
Рисунок 10 - Тангенциальный поворотный резец с твердосплавной вставкой, режущая часть которой выполнена в форме эллипсоида вращения: a - угол конусности посадочной части вставки, D1 – диаметр опорной части ТПР, q - угол установки ТПР, H0 – конструктивный вылет, D2 – диаметр хвостовой части ТПР, 1 – головная часть ТПР, 2 – твердосплавная вставка, 3 – хвостовая часть, 4 – стопор, 5 – разрушаемая среда, хх – линия резания При этом посадочная часть вставки выполняется в виде усеченного кону са с углом конусности в диапазоне значений от 0 до 3 градусов, что обеспечи вает упругое самоторможение вставки в корпусе.
В связи с тем, что рабочая поверхность вставки выполняется гладкой, то есть не содержит конических точек, она подвержена разрушению в меньшей степени.
Изучение особенностей применяемых в практике конструкций ТПР раз личных производителей, показало, что, при сохранении конструктивного выле та, головные части резцов, обладающие индивидуальными конфигурациями и размерами, отличаются друг от друга незначительно.
Переменный поперечный размер резцов может быть рассчитан исходя из закона изменения сечений его головных частей, обеспечивающего равнопроч ность конструкций при поперечном изгибе и записываемого в виде 32 F x dx = 3, (7) p s x где х – переменный конструктивный вылет, F – изгибающая сила, sx - предель ный нормальные напряжения материала резца.
Основываясь на зависимости (7) вполне возможно решить задачу об унификации размерного ряда разрушающего инструмента очистных комбайнов.
На рисунке 11 приве дена конструкция унифи цированного тангенциаль ного поворотного резца, сущность которого заклю чается в том, что отноше ние длины головной части к длине хвостовой части Рисунок 11 – Унифицированный тангенциальный выбирается в интервале поворотный резец (Пат. №44744) значений l Г l = 0,8…1,2, а Х радиус поперечного сечения головной части увеличивается от твердосплавной вставки к хвостовику с квазилинейной интенсивностью.
Анализ причин выхода резцов из строя при работе по углю с твердыми включениями показал, что основным видом поломки является скол твердо сплавной вставки. Было предложено использовать в качестве материала режу щей вставки – инструментальную сталь Х12МФ (Пат.№54628), что позволило бы избежать как сколов режущей вставки, так и достигнуть пропорционального износа по конструктивному вылету головной части резца.
В главе 5 «Результаты шахтных испытаний новых видов тангенци альных поворотных резцов» приводятся данные наблюдений за тангенциаль ными поворотными резцами на шахтах Кузбасса. Испытания резцов проводи лись с целью определения удельного расхода резцов, а также проведения срав нительного анализа работоспособности и причин выхода из строя резцов с раз личными материалами и геометрией твердосплавной вставки и корпуса.
В период подготовки диссертации (2004-2010 гг.) было проведено более тридцати испытаний резцов на шахтах Кузнецкого угольного бассейна, Ростов ской области и Республики Хакассия, в настоящем исследовании результаты испытаний приведены частично.
В 2004 году на ш. Комсомолец г. Лениск-Кузнецкий в лаве №1726 пласта Бреевский были проведены несколько серий испытаний тангенциальных пово ротных резцов. Основной целью испытаний явилась потребность в снижении удельного расхода резцов при работе по углю. Условия проведения испыта ний: очистной комбайн К500Ю, схема отработки – односторонняя;
пласт Бре евский, состоит из угольных пачек крепостью f = 1.5, с породными прослойка ми алевролита мелкозернистого, крепостью f = 2-3.
За период проведения испытаний было добыто 26.6 и 18.6 тысяч тонн уг ля соответственно для резцов РШ 32-70/16SK (ТПР с «грибковым» твердым сплавом) и РШ 32-70/16 (ТПР с цилиндрическим твердым сплавом), а удельный расход резцов составил 0.52 и 0.91 шт./тыс.тонн.
Таким образом, опираясь на результаты проведенных испытаний (под твержденные аналогичными итогами на ряде других шахт) можно сделать вы вод о том, что применение ТПР армированного «грибковым» твердым сплавом при работе по углю, является целесообразным в сравнении с цилиндрическими твердосплавными вставками.
Анализ причин выхода ТПР из строя, позволил сформировать требова ния к «нетвердосплавным» (из инструментальной стали) вставкам, основным требованием является обеспечение соизмеримой интенсивности износа режу щей вставки с износом корпуса резца вокруг области закрепления вставки.
Опытные конструкции ТПР со вставкой из инструментальной стали (в количестве 6 шт.) были опробованы в вышеперечисленных условиях. Результа ты испытания показали, что применяемые конструкции работоспособны, в ходе испытаний фиксировалось уменьшение конструктивного вылета резцов, при сохранении требуемого «заострения», масса отбитого угля составила 8000 тонн.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ На основании выполненных аналитических и экспериментальных иссле дований с целью отыскания путей увеличения прочности тангенциальных по воротных резцов очистных комбайнов, можно сделать следующие выводы:
1. Использование классической задачи теории упругости - задачи Митчелла о напряженно-деформированном состоянии бесконечного конуса, позволило найти закономерность между углом конусности и усилием, прикладывае мым к вершине конуса, обеспечивающим его упругое состояние.
2. На основании изучения взаимодействия твердосплавных вставок тангенци альных поворотных резцов с обрабатываемой средой, используя решение контактной задачи Герца, найдены новые «безлезвийные» формы поверхно сти вставок, в частности в виде эллипсоида вращения.
3. Обоснование возможности широкого использования применительно к тан генциальным поворотным резцам численных методов, в частности метода конечных элементов, позволяет проводить исследование напряженно деформированного состояние резцов с учетом их реальных форм и опреде лять наиболее нагруженные элементы.
4. Проектирование тел тангенциальных поворотных резцов в виде равнопроч ной по изгибу балки с учетом их конструктивных особенностей обеспечива ет повышение ресурса работы резцов.
5. Предложены новые конструкции тангенциальных поворотных резцов, за щищенные патентами РФ (№2212535, 44744, 54628), которые могут найти широкое применение в практике угледобычи очистными комбайнами.
6. Проведены промышленные сравнительные испытания тангенциальных по воротных резцов на угледобывающих предприятиях Кузнецкого угольного бассейна, на шахтах: Октябрьская, им. С.М. Кирова, Абашевская, Юбилей ная, Новая и многих других.
7. Научные и практические результаты, приведенные в настоящем исследова нии, могут явиться серьезным основанием для создания единых методов проектирования тангенциальных поворотных резцов.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах:
1. Крестовоздвиженский П.Д. Некоторые результаты наблюдений за работой очистных комбайнов на шахтах Кузбасса [Текст] / П.Д. Крестовоздвижен ский // Горный информационно-аналитический бюллетень. – МГГУ. – Моск ва,2009. – Вып.6. – С. 121-124.
2. Крестовоздвиженский П.Д. Об одном из направлений совершенствования конструкции резцов горных очистных комбайнов [Текст] / П.Д. Крестовоз движенский //: Вестник КузГТУ. – Кемерово, 2009. – Вып.3 – С. 11-13.
3. Крестовоздвиженский П.Д. К вопросу о совершенствовании поворотных рез цов проходческих комбайнов [Текст] / Л.Т. Дворников, П.Д. Крестовоздви женский // Труды региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Под общ. ред. С.М. Кулакова;
СибГИУ.- Новокузнецк, 2001.– Вып.5. - Ч.II. Технические науки. – С. 289-290.
4. Крестовоздвиженский П.Д. Нагружение поворотного резца горного комбайна и исследование его напряженно-деформированного состояния [Текст] / Л.Т.
Дворников, П.Д. Крестовоздвиженский // Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Под общ. ред. С.М.
Кулакова;
СибГИУ.- Новокузнецк, 2005.- Вып.9.- Ч.II. Технические науки. – С. 287-292.
5. Дворников Л.Т., Тангенциальный поворотный резец [Текст] / Л.Т. Дворни ков, С.И. Прокушенко, П.Д. Крестовоздвиженский // Материалы региональ ного конкурса. Инновации и изобретения года / Кузбасская торгово промышленная палата.- Кемерово, 2005.- С. 27-28.
6. Крестовоздвиженский П.Д. Определение максимального усилия на одном резце комбайна SL-300 [Текст] / П.Д. Крестовоздвиженский // Труды VIII Всероссийской научно-технической конференции: Наука. Промышленность.
Оборона.- НГТУ.- Новосибирск, 2007. – С. 322-324.
7. Крестовоздвиженский П.Д. Определение оптимального типоразмера танген циального поворотного резца при разрушении угля очистным комбайном [Текст] / Л.Т. Дворников, П.Д. Крестовоздвиженский // Труды Всероссий ской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых/ Под общ. ред. С.М. Кулакова;
СибГИУ. - Новокузнецк, 2007. – Вып. 11. Ч.3.Технические науки. – С. 259-261.
8. Крестовоздвиженский П.Д. К вопросу о траектории движения тангенциаль ного поворотного резца очистного комбайна [Текст] / Л.Т. Дворников, П.Д.
Крестовоздвиженский // Труды Всероссийской научной конференции сту дентов, аспирантов и молодых ученых. – СибГИУ.- Новокузнецк, 2008. Вып.12. – С. 121-125.
9. Крестовоздвиженский П.Д. К вопросу о закреплении тангенциальных пово ротных резцов горных комбайнов [Текст] / П.Д. Крестовоздвиженский // Труды XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» / ТГУ. Томск, 2009.- Т.1.- С. 315-316.
10. Крестовоздвиженский П.Д. К вопросу о возможности посадки с натягом ре жущих вставок тангенциальных поворотных резцов горных комбайнов [Текст] / П.Д. Крестовоздвиженский // Сб. статей Международной научно практической конференции «Уголь России и Майнинг 2009»;
СибГИУ. - Но вокузнецк, 2009.- С. 86-88.
11. Крестовоздвиженский П.Д. Анализ напряженно-деформированного состоя ния механических крепежных устройств тангенциальных поворотных резцов горных комбайнов [Текст] / П.Д. Крестовоздвиженский // Наукоемкие техно логии разработки и использования минеральных ресурсов: сб. науч. статей / Под общ. ред. В.Н. Фрянова. – СибГИУ.- Новокузнецк, 2009. – С. 86-88.
12. Крестовоздвиженский П.Д. К вопросу об условиях применения тангенци альных поворотных резцов горных комбайнов с различной конструкцией го ловной части [Текст] / П.Д. Крестовоздвиженский, Л.Т. Дворников // Мате риалы международной научной конференции «Актуальные проблемы меха ники и горного машиноведения, развития науки и интеграции ВУЗов» Меж дународный научный журнал №1, часть 2, спецвыпуск. - Ош, 2009 – С. 94-95.
13. Крестовоздвиженский П.Д. Исследование напряженно-деформированного состояния инденторов тангенциальных поворотных резцов очистных ком байнов [Текст] / П.Д. Крестовоздвиженский // Материалы ХIII Международ ной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ре сурсы Сибири. Сибресурс 2010»/ редкол.: В.Ю. Блюменштейн (отв. редак тор), ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2010. – С. 215-217.
Патенты на изобретения и полезные модели:
1. Пат. 2212535 РФ, МПК Е21С35/18. Тангенциальный поворотный резец [Текст] / Л.Т. Дворников, С.И. Прокушенко, П.Д. Крестовоздвиженский, Н.А. Полынцев;
- № 2001134315/03;
Заявл.17.12.2001;
Опубл.20.09.2003.
2. Пат. 44744 РФ, МПК Е21С35/18. Тангенциальный поворотный резец [Текст] / Л.Т. Дворников, С.И. Прокушенко, П.Д. Крестовоздвиженский;
№ 2004123541/22;
Заявл.04.08.2004;
Опубл.27.03.2005.
3. Пат. 54628 РФ, МПК Е21С35/18. Резец добычного комбайна [Текст] / Л.Т. Дворников, С.И. Прокушенко, П.Д. Крестовоздвиженский;
№ 2006100399/22;
Заявл.10.01.2006;
Опубл.10.07.2006.
КРЕСТОВОЗДВИЖЕНСКИЙ ПАВЕЛ ДМИТРИЕВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ ПОВОРОТНЫХ РЕЗЦОВ ГОРНЫХ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ Специальность 05.05.06 – «Горные машины» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать «_» февраля 2011г.
Формат бумаги 60х84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная.
Усл.печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 1,25. Тираж 120 экз. Заказ №_.
Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42.
Издательский центр СибГИУ