Авторы:
Бойко Н.Г., Бойко Е.Н., Федоров О.В., Мельников В.А.
Аннотация:
Рассмотрен вопрос формирования сил на гранях режущего инструмента с вращающейся режущей частью применительно к исполнительным органам очистных комбайнов.
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами:
Добыча угля подземным способом из пологих пластов в настоящее время ведется, в основном, с использованием очистных комбайнов. Наиболее широкое применение получили очистные комбайны со шнековыми исполнительными органами из-за ряда их преимуществ. Известно, что режущий инструмент, которым оснащаются исполнительные органы комбайнов, работает в сложных условиях. Серийно изготавливаемый режущий инструмент - резцы типа ЗР4-80, РКС-2 и РГ-501 - требуют практически ежесменной замены, что занимает примерно 25% времени от продолжительности смены [1]. Кроме того, серийно выпускаемые резцы оказались недостаточно прочными для возросшей мощности двигателей комбайнов и подвержены частым поломкам. Оставшиеся в резцедержателях хвостовики резцов весьма трудно извлечь. Поэтому на замену режущего инструмента тратится время, значительно большее установленной нормы, что ведет к увеличению времени простоев комбайна, обусловленных техническими причинами, и к снижению его технической производительности. Также следует отметить, что разрушение угольного массива исполнительными органами современных узкозахватных комбайнов сопровождается высокими удельными энергозатратами, переизмельчением угля и большим пылевыделением [2]. Поэтому в настоящее время актуален вопрос создания такого режущего инструмента, который производил бы разрушение угольного пласта при малых удельных энергозатратах и имел бы высокую износостойкость, а следовательно и малый расход.
Анализ исследований и публикаций:
Режущий инструмент, которым оснащаются исполнительные органы очистных и проходческих комбайнов, по характеру взаимодействия с массивом разделяют на два типа. К первому из них относятся резцы. Таким режущим инструментом оснащаются, как правило, исполнительные органы очистных комбайнов, а также исполнительные органы проходческих комбайнов при проведении выработок по относительно мягким породам. Резцы бывают радиальные (например, резец типа ЗР4-80), размещаемые в резцедержателях перпендикулярно к вектору скорости резания , и тангенциальные (например, РКС-2), устанавливаемые под некоторым углом к этому вектору . Особенностью резцов является то, что при перемещении их относительно пласта или массива породы возникают силы трения скольжения, которые и обуславливают значительный износ режущего инструмента [3, 4]. Ко второму типу режущего инструмента относятся шарошки (дисковые, штыревые и др.) [5], которыми оснащаются, как правило, исполнительные органы проходческих комбайнов при проведении выработок по крепким и весьма крепким породам - известнякам, песчаникам и др. Отличительной особенностью шарошек является то, что относительно массива породы они перемещаются путем перекатывания, а разрушение породы производят смятием [6]. Расход шарошечного инструмента всегда меньше расхода резцов [7]. Следует отметить также, что режущий инструмент не используют в одних из важных с точки зрения механического разрушения свойств горных пород, - сопротивление разрушению породы (и угля) путем растяжения (сдвига). В 10-15 раз ниже сопротивления разрушению путем сжатия. Поэтому режущий инструмент должен сочетать в себе преимущества резцового и шарошечного режущего инструмента и создавать в разрушаемом массиве угля или породы растягивающее или хотя бы комбинированное напряженное состояние, в котором преобладали бы напряжения сдвига и растяжения. Такой режущий инструмент будет износостойкий и обеспечит разрушение угля или породы при малых удельных энергозатратах.
Постановка задачи:
Для создания режущего инструмента, который сочетал бы в себе преимущества указанных его типов, т.е. производил разрушение пласта при малых удельных энергозатратах и имел бы высокую износостойкость и прочность, необходимо установить особенности и характер усилий, формирующихся на гранях режущего инструмента.
Изложение материала и результаты:
Выполнены специальные тензометрические исследования процесса разрушения углецементного массива (блока) и формирования усилий на гранях инструмента с вращающейся режущей частью свидетельствуют о неравномерном характере сил, формирующихся на его гранях, рис. 1. [Рисунок 1 - Фрагмент осциллограммы усилий на гранях режущего инструмента с вращающейся режущей частью при разрушении углецементного блока пропущен] Рассмотрим процесс разрушения массива указанным режущим инструментом. При установке инструмента таким образом, что ось вращения его режущей части перпендикулярна (рис. 2а), инструмент будет обкатываться вокруг своей оси с частотой: , где - диаметр режущего инструмента; и разрушать массив путем смятия, как шарошечный инструмент. Если же инструмент установить таким образом, что ось его вращения совпадает с (рис. 2б), инструмент превращается в обычный резец и при перемещении его с той же скоростью частота вращения равна нулю. Разрушение массива производится путем раздавливания уступа высотой равной толщине среза, т.е. проявляются все признаки резца. Такая схема установки используется только при теоретическом анализе. [Рисунок 2 - Схемы установки режущего инструмента с вращающейся режущей кромкой пропущен] При установке инструмента таким образом, что ось его вращения располагается под углом к вектору скорости резания (рис. 2в) и перемещение инструмента с той скоростью частота вращения: . Разрушение массива производится комбинированным способом - частично смятием, частично отрывом. Так как инструмент выполняется в виде свободно вращающегося на оси диска с непрерывным клиновидным лезвием, а его конусная поверхность, при определенных параметрах, создает в массиве комбинированное напряженное состояние, то данный способ разрушения может быть достигнут и при первой схеме установки инструмента. Для рассматриваемой установки режущего инструмента разрушения пласта. [Рисунок 3 - Схема усилий, формирующихся на режущем инструменте с вращающейся режущей частью при разрушении пласта пропущен] шение пласта производится путем откалывания от него отдельностей, которые будем называть сколами [2]. На рис. 3 представлена схема усилий, действующих на инструмент с вращающейся режущей частью при разрушении пласта. На режущую часть действует реакция массива, определенная по параболической кривой [5]. Равнодействующая распределенных сил расположена под углом к оси и может быть разложена на три составляющие: - усилие перекатывания, - усилие подачи и - боковое усилие. Усилия, формирующиеся на гранях режущего инструмента при разрушении массива, крайне неравномерны (рис. 1). Их величина и характер обуславливаются сопротивляемостью пласта резанию, толщиной и шириной среза, длиной скола массива и другими факторами [2]. Пренебрегая малыми сколами, мгновенные значения усилий, формирующихся на вращающемся режущем инструменте при разрушении пласта, представим в виде кусочно-линейной функции пути, пройденного инструментом, рис. 4, [2]: Из приведенных выражений следует, что формирующиеся на режущем инструменте с вращающейся режущей частью усилия при разрушении пласта представляют собой суммы произведений случайных величин.
Выводы и направление дальнейших исследований:
Таким образом, на основании выполненных исследований получено, что формирующиеся на режущем инструменте с вращающейся режущей гранью усилия являются случайными многомерными величинами, случайный характер которых обусловлен характером тех же факторов, что и для радиальных резцов. Кроме того, разрушение массива рассматриваемым режущим инструментом имеет ярко выраженный характер процесса скалывания.
Список источников:
1.Бойко Н.Г., Бойко Е.Н. Повышение нагрузки на лаву и улучшение сортового состава угля без дополнительных затрат. - Монография, Донецк, РВД ДонНТУ, 2003. – 80 с.
2.Исполнительные органы очистных комбайнов для тонких пологих пластов/ Н.Г. Бойко, А.В. Болтян, В.Г. Шевцов, Н.А. Марков. Под ред. Н.Г. Бойко. – Донецк, «Донеччина». 1996. – 223 с.
3.Горные машины и оборудование/ П.А. Горбатов, Г.В. Петрушин, М.М. Лысенко; Под общ. ред. П.А. Горбатова. – Т1. – Донецк: РВА ДонНТУ, 2003. – 295 с.
4.Горные машины и оборудование/ В.Г. Яицкий, Л.А. Спектор, А.Г. Кучерявый. Под общ. ред. В.Г. Яицких. – М.: Недра, 1984. – 400 с.
5.Крашенин М.Г., Раков И.Я., Сысоев Н.И. Горные инструменты. – М.: Недра, 1990. – 256 с.
6.Барон Л.И., Глатман Л.Б., Загорский С.Л. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. Разрушение шарошками. – М.: Наука, 1969. – 152 с.
7.Коршунов А.Н., Дергунов Д. М. Сравнительные испытания дисковой шарошки и радиального резца в лабораторных условиях// Вопросы механизации горных работ. – Кемерово: КузНИУИ, 1972. – Вып. 46. – с. 3-7.