Введение к работе
Актуальность работы. Проходческие комбайны избирательного действия со стреловидным исполнительным органом являются наиболее прогрессивным техническим средством проведения подготовительных выработок по породам средней крепости и абразивности. Эффективность их применения существенно зависит от характеристик используемого породоразрушающего инструмента. Так, при несоответствии геометрических, конструктивных и прочностных характеристик резцов физико-механическим параметрам горных пород наблюдается существенное снижение технико-экономических показателей работы комбайна.
В связи с установившейся в последнее время тенденцией расширения области применения комбайнов избирательного действия на более крепкие породы возрастает и значимость выбора резцов с рациональными параметрами.
Сегодня большинство проходческих комбайнов избирательного действия в России и за рубежом оснащаются тангенциальными поворотными резцами. Широкое применение в отечественной практике они получили в середине 1970-х гг. с началом серийного выпуска резцов РКС-1. Научные исследования закономерностей процесса взаимодействия такого типа породоразрушающего инструмента с разрушаемой породой и разработка методик расчета его нагруженности и износостойкости широко проводились в ИГД им. А.А. Скочинского учеными Л.Б. Глатманом, Е.З. Позиным, Ю.Н. Коняшиным, В.М. Курбатовым, А.Н. Мельниковым, З.Ш. Кекелидзе, В.З. Нацвлишвили, К.Г. Чавчанидзе, Я.Л. Ципиным и др.
Впоследствии конструкция поворотного резца была существенно изменена, и в настоящее время ведущие зарубежные и отечественные фирмы по производству горнорежущего инструмента («Sandvik», «Kennametal», «Betek», «Element Six», «Горный инструмент» и др.) выпускают широкую номенклатуру резцов такого типа. Такое многообразие исполнений, а также отсутствие соответствующих научно обоснованных методик затрудняет выбор рациональных конструкций резцов для конкретных условий применения проходческих комбайнов. Вместе с тем рекомендации фирм-изготовителей инструмента не обладают должной информацией для принятия эффективного решения.
В этой связи становится актуальным проведение исследований,
направленных на установление зависимостей между основными конструктивными параметрами поворотного резца и показателями эффективности его применения, а также научное обоснование методики, позволяющей выявить и объективно оценить рациональные параметры конструкций резцов из большого числа их возможных вариантов.
Цель работы. Научное обоснование рациональных геометрических параметров тангенциальных поворотных резцов в зависимости от физико-механических свойств горных пород на основе уточненных закономерностей формирования нагрузок на резец и его изнашивания, что обеспечит повышение эффективности работы проходческих комбайнов и расширение области их применения.
Идея работы. Выбор конкретного исполнения тангенциального поворотного резца применительно к заданным физико-механическим свойствам разрушаемой породы следует производить на основании метода технико-экономической оценки, позволяющего выявить наиболее рациональный вариант исходя из долговечности инструмента, а также с учетом затрат на его эксплуатацию и изготовление.
Задачи исследований:
-
Разработать математическую модель процесса выхода поворотного резца из строя в зависимости от физико-механических свойств породы и компьютерные программы для проведения вычислительных экспериментов.
-
С использованием разработанной математической модели установить влияние основных геометрических параметров инструмента, а также физико-механических свойств горных пород на долговечность резца и характер выхода его из строя.
-
Сопоставить полученные расчетные данные с результатами промышленных испытаний тангенциальных поворотных резцов.
-
Обосновать методику выбора рациональных исполнений поворотных резцов в зависимости от физико-механических свойств разрушаемой породы.
-
Обосновать более эффективную конструкцию поворотного резца.
Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использовался комплексный метод исследований, включающий научный анализ и обобщение опыта проектирования и эксплуатации поворотных резцов проходческих комбайнов, математическое моделирование с использованием теории прочности, методов расчета действующих на инструмент усилий и интенсивности его изнашивания. При разработке методики выбора рациональных исполнений резца использованы методы оптимизации.
Научная новизна:
-
Выявлена закономерность формирования напряжений в опасных сечениях твердосплавной вставки и головки державки с учетом изнашивания и вращения инструмента, на основании чего разработаны методы расчета прочности и циклической долговечности поворотного резца.
-
Предложен и обоснован метод расчета поворотного резца на усталостную прочность, основанный на утверждении о накоплении в материалах составных частей резца усталостных микроповреждений, интенсивность появления которых соразмерна действующим в сечениях напряжениям.
-
Разработана математическая модель процесса выхода поворотного резца из строя, позволяющая определить вид отказа, ожидаемый уровень наработки на отказ и удельный расход инструмента.
-
Выявлены зависимости пройденного пути резания от основных параметров поворотного резца и физико-механических свойств породы, позволившие определить характер выхода инструмента из строя и предложить соответствующие меры по повышению его долговечности.
-
Предложен способ технико-экономической оценки поворотных резцов, дающий возможность для заданных условий эксплуатации выявлять наиболее рациональный вариант исполнения резца.
Защищаемые научные положения:
1. Долговечность и вид отказа поворотных резцов следует определять с использованием разработанной математической модели, учитывающей снижение прочностных характеристик конструкции в результате действия циклических нагрузок и абразивного изнашивания составных частей резца, а также изменение напряжений, действующих в поперечных сечениях инструмента в процессе его эксплуатации.
2. Выход тангенциальных поворотных резцов из строя не связан с накоплением в материалах его составных частей усталостных микроповреждений, а обусловлен в зависимости от крепости и абразивности разрушаемой породы достижением предельного уровня изнашивания головки державки или поломкой оголенной твердосплавной вставки.
3. Рациональность конструктивных параметров тангенциального поворотного резца для заданных условий эксплуатации следует оценивать по комплексному показателю эффективности, представляющим собой объем выработки, приведенный к затратам на изготовление и эксплуатацию инструмента.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается согласованностью с результатами промышленных испытаний опытных партий тангенциальных поворотных резцов, использованием известных положений теорий разрушения горных пород резцовым инструментом и сопротивления материалов, апробированных математических методов, а также корректностью построения расчетных моделей.
Практическая значимость работы:
1. Разработана программа для ЭВМ в пакетах PTC Mathcad, MS Excel, предназначенная для определения долговечности и удельного расхода тангенциальных поворотных резцов, позволяющая установить вид отказа инструмента.
2. Разработаны и научно обоснованы рекомендации по совершенствованию конструкции поворотного резца в зависимости от характера выхода его из строя, направленные на повышение долговечности инструмента.
3. Разработана программа для ЭВМ в пакете PTC Mathcad, предназначенная для определения рационального исполнения тангенциального поворотного резца применительно к заданным условиям эксплуатации проходческого комбайна.
4. Разработана конструкция составного поворотного резца (патент РФ №2448247), позволяющая повысить эффективность применения инструмента за счет снижения его стоимости, приведенной к объемам выработки.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на XV и XVI международной научно-технической конференции «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов и конструкций» (Санкт-Петербург, 2009, 2011 гг.); 8-ой международной научно-практической конференции: «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2010 г.); 3-й международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (Тула, 2010 г.); научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2009 - 2010 гг.).
Личный вклад автора состоит в формулировании и обосновании научных положений, разработке математической модели долговечности поворотного резца и основанной на ней методики выбора рациональных исполнений инструмента, проведении вычислительных экспериментов с использованием разработанных компьютерных программ, обработке их результатов, а также в разработке более экономичной конструкции составного поворотного резца (патент РФ №2448247).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен один патент на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы из 107 наименований. Общий объем содержательной части составляет 147 страниц машинописного текста, содержит 9 таблиц, 39 рисунков и 2 приложения.
