Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. Механический способ разрушения имеет наибольшее распространение при ведении основных производственных процессов в угольной промышленности на подземных и открытых работах, тоннелестроении, ремонте дорог.
Разрушение горных пород и породосодержащих композитов осуществляется разнообразными инструментами, качество которых как прямо (через их стоимость), так и опосредованно (через затраты времени на их замену, снижение ресурсов исполнительного органа, элементов трансмиссии, приводов и других узлов машин) оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели работы машин и возможную область их применения.
Наиболее полно исследование горного инструмента в бывшем СССР
проводилось в угольной промышленности. Представительные
исследования, выполненные в ИГД им.А.А.Скочинского, МГИ, НПИ, ЦНИИподземмаше, Гипроуглемаше, Донгипроуглемаше и других организациях, наряду с развитием теоретических основ механического разрушения горных пород обосновали параметры, номенклатуру и область применения инструментов (резцов и шарошек) для существовавших в то время очистных и проходческих комбайнов, стругов и буросбоечных машин. Были разработаны первые конструкции поворотных резцов типа РКС, которыми, начиная с 1975 г., постепенно были оснащены все проходческие и частично очистные комбайны. К концу 80-х годов стала очевидна необходимость существенного усовершенствования их конструкции. Кроме того, после разделения СССР на самостоятельные государства обстановка существенно изменилась. Стали широко эксплуатироваться как новые отечественные очистные комбайны, так и отдельные образцы более энерговооруженных проходческих комбайнов. Появилась широкая (около 400 шт. в России) номенклатура зарубежных машин (фирма "Wirtgen" и др.) для ремонта и восстановления дорожных покрытий. На открытых горных работах в последние годы начали применяться агрегаты (KSM-2000R, SM-2600 и др.) послойной выемки угля и горных пород. Возникла необходимость создания новых высокоэффективных инструментов.
Оценка целесообразности применения того или иного инструмента обычно требует совокупного учета следующих основных критериев: прочности, износостойкости, затрат энергии на
разрушение, металлоемкости, стоимости и технологичности изготовления. В научном плане речь должна вестись об установлении основных закономерностей процесса взаимодействия инструментов с разрушаемой средой, разработке инженерных методов расчета их нагруженности и износостойкости, структуризации номенклатуры инструментов,
методологии расчета и выбора конструктивных параметров для разных условий применения машин, основ разработки серий инструментов и режущих блоков, методов обеспечения качества и способов его контроля.
Самостоятельную перспективную научную задачу представляет изыскание и исследование других видов инструментов для разрушения более прочных и абразивных горных пород, когда применение режущих инструментов неэффективно. В первую очередь можно указать на дисковые шарошки, определенный опыт применения которых уже имеется на проходческих комбайнах и машинах для бурения скважин большого диаметра,
С практической точки зрения необходима разработка принципов выбора рациональных конструкций инструментов применительно к конкретным условиям их эксплуатации. Таким образом, конечным практическим итогом работы должны явиться создание широкой гаммы высокоэффективных инструментов для разрушения горных пород и породосодержащих композитов, а также организация его производства с поставкой на внутренний рынок и на экспорт.
Цель работы. Разработка научных основ и создание новых конструкций инструментов для разрушения горных, пород и породосодержащих композитов, обеспечивающих снижение энергоемкости, повышение износостойкости, взрывобезопасности, производительности комбайнов (машин) и расширение области их применения.
Идея работы. Создание высокоэффективных инструментов на основе уточнения закономерностей процесса разрушения, разработки математических моделей формирования силовых показателей, интенсивности изнашивания и удельного расхода инструмента, разработки технологии изготовления, обеспечивающей стабильное высокое качество изделий, и систем структуризации и индентификации инструмента и алгоритма «комбайн-забой» для сравнительной оценки конструкций, определения путей их совершенствования и выбора наиболее эффективных инструментов применительно к конкретным физико-техническим свойствам разрушаемых сред и типам применяемых машин.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Совершенствование эксплуатационных качеств поворотных резцов должно осуществляться на основе разработанных в диссертации математических моделей формирования усилий, интенсивности изнашивания и удельного расхода резцов с учетом физико-технических свойств разрушаемых сред, геометрии инструмента, параметров режима резания и условий внешней среды.
-
Точность расчетов нагруженности и износостойкости дисковых шарошек существенно повышается путем использования математических моделей формирования усилий, интенсивности изнашивания и удельного расхода инструмента с учетом реального распределения давления породы по ободу шарошки.
-
Разработанные системы структуризации и идентификации являются основой для конструирования режущих блоков, состоящих из инструмента, резцедержателей и крепежных устройств, для разрушаемых сред с разными физико-техническими свойствами, включающих варианты исполнения резцов, отличающихся размерами, формой и материалом.
-
Создание и совершенствование инструментов должно осуществляться на основе совместного учета предъявляемых эксплуатационных требований, параметров и производительности применяемых машин и характеристик разрушаемости пород и породосодержащих композитов.
5. Эффективное удовлетворение рыночных потребностей в
инструментах возможно при использовании в процессе их изготовления
разработанных принципов построения массового
высокопереналаживаемого производства, включая системы обеспечения
требуемых параметров и поддержания стабильности качества
выпускаемой продукции.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается представительным объемом лабораторных, стендовых и производственных исследований и испытаний различных типов поворотных резцов и дисковых шарошек на отечественных и зарубежных предприятиях. Расхождение между расчетными и фактическими данными по нагруженности, износостойкости и расходу инструментов не превышает 20%.
Научное значение работы заключается:
в развитии теории создания инструментов для разрушения горных ;: пород и породосодержащих композитов путем использования системного подхода, связывающего параметры и конструкции создаваемых инструментов с параметрами и режимами работы машин и физико-техническими свойствами разрушаемых сред;
в установлении основных закономерностей формирования нагрузок, действующих на инструменты, и их износостойкости.
Новые научные результаты:
1. Разработаны научные основы и методология создания и
совершенствования режущих блоков для исполнительных органов
проходческих комбайнов, машин для послойного фрезерования горных
пород и пордосодержащих композитов.
-
Установлены закономерности формирования усилий, действующих на поворотные резцы и лобовые дисковые шарошки, учитывающие геометрию и материал инструмента, физико-технические свойства разрушаемых сред и параметры режима разрушения.
-
Определены критерии и формы износа поворотных резцов, степень влияния основных факторов и условий на интенсивность их изнашивания.
4. Получена расчетная зависимость для определения критической
скорости резания пород с различными прочностными и абразивными
свойствами при разных соотношениях продолжительности контакта резца
с породой и вне его.
-
Разработаны математические модели формирования усилий, интенсивности изнашивания и удельного расхода современных и вновь создаваемых конструкций поворотных резцов.
-
Разработаны математические модели формирования усилий, интенсивности изнашивания и удельного расхода дисковых шарошек для проходческих комбайнов и машин для бурения скважин большого диаметра
7. Установлены закономерности и параметры распределения давления
породы по ободу шарошек. Показано, что их максимальные значения
наблюдаются в набегающей на забой части обода, а не по вертикальной
оси, как считалось по теориям Герца и Буссинеска.
8. Установлены закономерности изнашивания лобовых дисковых
шарошек, учитывающие влияние геометрии инструмента, его траектории,
физико-технические свойства горных пород и определены рациональные
параметры режима разрушения.
Практическое значение работы заключается в разработке:
метода структуризации и идентификации изделий, позволяющего усовершенствовать систему конструирования и массового изготовления режущих инструментов различного технологического назначения;
алгоритмов расчета системы «комбайн-забой» для выбора типа резца применительно к конкретным горно-геологическим условиям и определения энергетических характеристик послойного фрезерования породосодержащих композитов;
рекомендаций по предпочтительным условиям применения твердосплавных вставок разных форм и размеров;
принципов организации массового производства поворотных резцов
различного технологического назначения и освоении
многономенклатурного производства режущих инструментов, поставляемых на внутренний рынок и экспорт; ' .
экспресс-метода для оперативного получения данных об износостойкости дисковых шарошек, изготовленных из разных материалов по разным технологиям;
технического задания на создание унифицированных шарошек для проходческих комбайнов и машин для бурения скважин большого диаметра.
Реализация работы. Результаты исследований и разработок использованы при создании и деятельности под руководством автора фирмы «ПИГМА» и совместного российско-американского предприятия «ПИГМА-Кеннаметал» по конструированию и постановке на производство более 100 патентозащищенных типов поворотных резцов, соответствующих мировому уровню качества, с выпуском до 4,0-4,5 млн. изделий в год.
Результаты исследований дисковых шарошек использованы при создании и изготовлении на опытном производстве СКТБ ФМИ им. Г.В. Карпенко для комбайнов «Союз-19у» комплекса 2КВ-ВР, экспериментального образца комплекса КРТ, буровой машины "Стрела 77" и при эксплуатации машин для бурения скважин большого диаметра L4 и L35.
Апробация работы. Материалы работы на отдельных стадиях ее выполнения с 1983 г. докладывались на научных семинарах в ИГД им.А.А.Скочинского, на научном совете Миннауки РФ "Недра России", технических совещаниях: в АО "Росуголь", производственных угольных объединениях, ГАО "Мосметрострой", со специалистами ряда зарубежных фирм: «Кеннаметал» (США), "Эйкгофф", "Бетек" (Германия), "Фёст Альпине" (Австрия), международных конференциях "Геомеханика" (Чехия) и "Геотехника" (Словакия) и др.
Горные и дорожные резцы экспонировались на Международных выставках "Ваигаа" в 1996 и 1998 гг. (Германия, Мюнхен), Intermat в 1995 и 1997 гг. (Франция, Париж), "Mining" в 1994 г. (Великобритания, Бирмингем), "Mining Equipment" в 1995 и 1997 гг. (США, Лас-Вегас), в Пекине (1994 г.), Праге (1996 г.), Варшаве (1997 г.), на ежегодной Кузнецкой ярмарке-продаже (Новокузнецк, 1994-1998 гг.), на выставках "Уголь-95" и "Уголь-98" в Донецке, на выставках "ИнтерТЭК" (Москва, 1995-1998 гг.) и ряде других.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 научных статей и получено 24 авторских свидетельства и патента.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 9 глав, заключения, изложенных на 337 страницах машинописного текста и содержит 90 рисунков, 71 таблицу, список литературы из 132 наименований.