Научные основы создания высокоэффективных инструментов для разрушения горных пород и породосодержащих композитов

Вашему вниманию предлагается диссертационная работа, посвященная исследованию, созданию и освоению серийного производства поворотных резцов и дисковых шарошек. Выбор именно этих двух видов инструмента не случаен, а продиктован следующими соображениями. Как известно, поворотные резцы и дисковые шарошки по своей конструкции существенно различны. Неодинакова и область их применения. Так, поворотными резцами в настоящее время оснащены практически все проходческие комбайны со стреловидным исполнительным органом, применяемые в угольной промышленности при проведении горных выработок смешанным забоем с присечкой пород прочностью до 120−140 МПа и показателем абразивности до 30 мг или при проходке по породам с пределом прочности до 100 МПа и показателем абразивности до 2025 мг. Ими же оснащаются машины для послойного фрезерования на открытых работах, машины для ремонта дорожных покрытий и очистные комбайны при разрушении пластов сложного строения. Дисковые шарошки применяются на комбайнах с роторным исполнительным органом при проходке тоннелей, строительстве метрополитенов и бурении скважин большого диаметра в тех условиях, когда применение режущего инструмента экономически не эффективно, а именно: при разрушении пород с повышенной прочностью (до 200 МПа) и абразивностью (до 40.50 мг). Иными словами, один из инструментов охватывает нижний диапазон возможного применения механического способа разрушения, а второй — верхний.

Несмотря на существенные отличия в конструкции и области применения инструментов, основой процесса разрушения поворотными резцами и дисковыми шарошками является метод вдавливания в разрушаемую среду и, как следствие, сопротивляемость разрушению наиболее точно оценивается одними и теми же показателями физико-технических свойств пород. Примерно одинаковые формы борозд, образуемые в забое. На эффективность процесса разрушения и износостойкость поворотных резцов и дисковых шарошек, в основном, оказывают влияние одни и те же факторы: прочность и абразивность разрушаемой среды, материал, геометрия инструмента, параметры режима разрушения.

В бывшем СССР исследованием и созданием режущего инструмента занимались научно-исследовательские и учебные институты (ИГД им. А. А. Скочинского, МГИ, НПИ, КузПИ и др.), конструкторские организации (Гипроуглемаш, ЦНИИподземмаш и др.) и заводы-изготовители (Краснолучский, Копейский, Горловский).

Значительный вклад в горную науку в части исследования процессов механического разрушения угля и горных пород режущими инструментами внесли Барон Л. И., Берон А. И., Бреннер В. А., Глатман Л. Б., Загорский С. Л., Кантович Л. И., Картавый Н. Г., Козлов Ю. Н., Коршунов А. Н., Крапивин М. Г., Крутилин В. И., Лаптев А. Г., Линник Ю. Н., Мультанов С. И., Нестеров В. И, Позин Е. З., Протодьяконов М. М., Свешников И. А., Солод В. И., Сысоев Н. И., Цыпин Я. Л. и др.

В результате исследований этих ученых и организаций были разработаны основные положения’теории разрушения угля и горных пород неповоротными (радиальными и тангенциальными) резцами, созданы инженерные методы расчета параметров и нагруженности таких резцов применительно к работе очистных и проходческих комбайнов.

Первый поворотный резец РКС-1 был создан в 1975 г. Копейским машзаводом совместно с ИГД им. А. А. Скочинского и ЦНИИПодземмашем и предназначался для оснащения проходческих комбайнов ПК-3 и ГПК, составляющих основу парка проходческих комбайнов в угольной промышленности РФ. В последующие годы были созданы резцы РКС-2 и РКС-3. Резцы типа РКС оснащены, соответственно, твердосплавными вставками 9- 12 и 16 мм. Державки диаметром 25, 32 и 38 мм имели круглую форму с конусной вершиной. Применение резцов типа РКС-1, взамен применявшихся ранее И-90 и И-79МБ, позволило сократить удельный расход инструмента в 2−3 раза.

Первые исследования процесса разрушения пород такими резцами проводились почти одновременно с началом их промышленного производства, в основном, в ИГД им. А. А. Скочинского, а затем и в Новочеркасском политехническом институте.

Эти исследования были направлены на решение следующих основных задач:

— определение рациональных углов атаки и разворота резца относительно вектора скорости;

— определение влияния параметров режима резания (толщины стружки и шага резания) на силовые характеристики процесса;

— установление влияния геометрии твердосплавной вставки и головки державки на усилия резания и подачи;

— разработка метода расчета усилий, действующих на поворотные резцы;

— установление форм износа и метода расчета износостойкости.

Установлены закономерности изменения усилий резания и подачи от шага резания и толщины стружки. Были получены значения поправочных коэффициентов, учитывающие влияние угла резания (угла приострения вставки) и диаметра вставки (от 9 до 16 мм), трех форм вставок (конической, биконической, пирамидальной) и двух форм вершин головок державок (конической и биконической).

На основе этих исследованйй были выведены формулы для определения усилий резания Р2 и подачи Ру, вошедшие в состав ОСТа 12.44.197−81.

Р2=рк[1,5-Кф-Кф-К (1-Ка (0,25+0,018−1-к)+0,1Е], Н.

Ру=рк[1,5КфКфКй-Ка (0,25+0,0184*0+0,Щх (0,15+0,0005бРк)^, Я п ' где, рк — контактная прочность породы к, МПа.

Кф, — КфКаК, а — коэффициенты, учитывающие, соответственно, влияние форм головки твердосплавной вставки, вершины головки державки, диаметра вставки, угла резания (угла при вершине твердосплавной вставки);

I — шаг резания, ммк — толщины стружки, мм- - проекция площадки затупления резца по задней грани на плоскость резания мм2.

По мере накопления опыта применения поворотных резцов типа РКС стало очевидным, что в ряде случаев результаты расчетов существенно отличаются от экспериментальных данных.

Анализ показал, что в первую очередь формулы не учитывают хрупко-пластические свойства породы, параметры режима резания, отличающиеся от оптимальных. Неправомерна оценка степени затупления резца размером проекции площадки затупления на плоскость резания, т.к. она технически не может быть измерена. Более того, вообще из формул не следует о какой площадке износа идет речь — головки вставки или головки державки. Следует также отметить, что приведенные выше формулы вообще не учитывают величину радиуса скругления вершины вставки.

Как отмечалось выше, в начале 80-х годов за рубежом, а позднее у нас в стране появились новые конструкции поворотных резцов с державками ступенчатой формы и с упором в торец резцедержателя, оснащенные твердосплавными вставками значительно больших диаметров и головками новых форм.

Таким образом, возникла насущная проблема разработки математической модели формирования усилий, действующих на поворотные резцы не только существующих, но и на создаваемых, перспективных конструкций.

При проведении исследований процесса взаимодействия поворотных резцов типа РКС с разрушаемой средой изучались также закономерности их изнашивания, и были разработаны два разных метода расчета износостойкости. Не останавливаясь на них подробно, так как они изложены в соответствующем разделе диссертации, отметим лишь, что «оба они правомерны только для резцов с одинаковым диаметром головок державки. Применение их для резцов нового типа со ступенчатыми державками не представляется возможным, основная причина — неудачный выбор критериев износа, принятый исследователями. Длина и высота фаски износа головки державки не позволяют определить величину оголения твердосплавной вставки, в том числе и ее предельное значение.

Эти методы правомерны только для одной формы износа, характерной для разрушения пород ниже средней прочности и с невысокой абразивностью. Следовательно, не может быть речи об усовершенствовании упомянутых методов расчета. Требовался новый метод, основанный на других критериях износа и правомерный для всех форм износа резцов при нормальных условиях их эксплуатации.

Особо следует подчеркнуть, что до последнего времени не было систематизации, идентификации и кодирования резцов и режущих блоков, нет достаточно обоснованных технических требований, предъявляемых к ним и нет предложений по выбору рациональных геометрических параметров инструмента. Отсутствуют также рекомендации по выбору рациональных конструкций поворотных резцов для разрушения горных пород и породосодержащих композитов с разными физико-техническими свойствами применительно к комбайнам и машинам с разной энерговооруженностью, что создает определенные трудности для потребителей.

Одним из наиболее эффективных инструментов для разрушения горных пород с высокой прочностью и абразивностью являются дисковые шарошки. Но они также успешно применяются при проходке выработок с пересечением пластов пород, характеризующихся существенно разной прочностью и абразивностью. Известны даже попытки их применения на очистных комбайнах.

Исследованием и созданием проходческих комбайнов, оснащенных дисковыми шарошками, занимались ИГД им. А. А. Скочинского, ЦНИИподземмаш, Донгипроуглемаш, Ясиноватский машзавод, НПИ, КузПИ, МГИ и другие организации и предприятия.

Исследованию процесса разрушения пород дисковыми шарошками посвящены труды Барона Л. И., Деркача К. Ф., Дейниченко В. А., Загорского С. Л., Иверовского E.H., Карюка Г. Г., Козлова Ю. Н., Крапивина М. Г., Кутеко B.C., Лаптева А. Г., Левина A.M., Михайлова В. Г., Мельникова Н. И., Полуянского С. А., Фишмана И. Л., Храпова Ю. Г. и многих других отечественных и зарубежных ученых. Диапазон их исследований был достаточно широк, хотя ряд ученых посвящали свои труды изучению одного и того же вопроса. У некоторых результаты совпадали, у других были существенные расхождения. Более детально на тех и других, наиболее интересных в аспекте данной работы, мы остановимся в соответствующих разделах диссертации.

Очерчивая в разделах данной диссертационной работы круг вопросов, посвященных лобовым дисковым шарошкам, мы сосредоточили свое внимание как на спорных моментах, так и на требующих дополнительного изучения, а их немало. Например, не определен наиболее предпочтительный (по точности и области возможного применения) критерий оценки сопротивляемости пород разрушению дисковыми шарошками, нет достаточно достоверных данных о распределении давления породы по ободу диска, без которых практически невозможно разработать достаточно представительный метод расчета износостойкости инструмента. Недостаточно изучены вопросы влияния геометрии шарошек и их износа на силовые показатели процесса разрушения. Да и сами закономерности изнашивания изучались без учета влияния параметров режима разрушения.

Особенно следует подчеркнуть недостаточную степень изученности динамической нагруженности дисковых шарошек. Перечень подобных «белых пятен» можно было бы продолжить, но, как будет показано ниже, наиболее значимые из них, оказывающие влияние на основные закономерности процесса разрушения пород лобовыми дисковыми шарошками, мы постарались устранить, проведя соответствующие экспериментальные исследования.

Анализ всех упомянутых исследований приведен в соответствующих разделах диссертации.

Оценивая результаты современного состояния науки в области разрушения горных пород и породосодержащих композитов, появление новых классов машин и инструментов и областей их применения, следует отметить насущную необходимость дальнейшего развития методов расчета нагруженности и износостойкости горных инструментов-поворотных резцов (как наиболее широко применимых) и дисковых шарошек (как перспективных) различного эксплуатационного назначения применительно к созданию специализированного производства таких изделий в России.

Исходя из изложенного, основной целью работы является: 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. Для её достижения были намечены и решены следующие задачи:

1. Исследовать влияние основных факторов и условий на нагруженность поворотных резцов современных и перспективных конструкций.

2. Установить основные закономерности изнашивания поворотных резцов и характерные формы износа.

3. Разработать математические модели формирования усилий, действующих на поворотные резцы, интенсивности изнашивания и удельного расхода инструмента.

4. Исследовать нагруженность лобовых дисковых шарошек и основные закономерности их изнашивания.

5. Разработать математические модели формирования усилий, действующих на лобовые дисковые шарошки, интенсивности изнашивания и удельного расхода инструмента.

6. Разработать методы создания и совершенствования разрушающего инструмента различного технологического назначения на основе разработки общих структурных моделей режущих блоков и принципов их построения.

7. Разработать принципы организации и создания современного многономенклатурного производства резцов, режущих блоков и серий инструментов, конкурентоспособных на мировом уровне.

8. Разработать алгоритм расчета систем «машина-забой», обеспечивающих потребителям выбор наиболее эффективных конструкций резцов для разных условий эксплуатации.

В работе основное внимание уделено вопросам исследования и создания нового поколения поворотных резцов и дисковых шарошек для разрушения-горных пород при работе проходческих комбайнов.

Это обусловлено рядом причин. Во-первых, во многих случаях это весьма прочная и наиболее абразивная из всех разрушаемых сред в аспекте рассматриваемого вопроса, во-вторых, процесс разрушения углей неповоротными (радиальными и тангенциальными) резцами изучен достаточно полно и для повышения эффективности их применения необходимо совершенствование технологии * и создание соответствующей производственной базы для изготовления. В-третьих, есть большой зарубежный опыт создания и производства дорожных резцов.

В процессе выполнения работы мы исходили из того, что создание эффективных средств разрушения охватывает комплекс работ, включающий:

— исследования по установлению основных закономерностей процесса разрушения, определение рациональных параметров инструмента, режимов разрушения и условий применения, математических моделей формирования усилий, действующих на инструмент, его износостойкости и удельного расхода;

— опытно-конструкторские работы по созданию и совершенствованию инструмента, включая разработку нормативной документации;

— разработку технологии и выбор или, в случае необходимости, создание оборудования для освоения производства;

— систематизацию, идентификацию и кодирование инструмента. Следует отметить, что при изучении основных закономерностей взаимодействия поворотных резцов и дисковых шарошек с горными породами и породосодержащими композитами использовалась единая методология исследований. Её особенностями являются: оценка сопротивляемости разрушению пород широко опробированными методами определения горно-технологических показателей: контактной прочности, сопротивляемости статическому откалыванию, пределу прочности при одноосном сжатии, показателям хрупко-пластических свойствсовместное изучение сопротивляемости породы и закономерностей её разрушенияпоследовательная качественная и количественная оценка влияющих факторов и условий.

В качестве основного метода исследований принят экспериментально-статистический, предусматривающий обработку экспериментальных данных методами математической статистики.

Экспериментальные исследования проводились как в лабораторных условиях на специально оборудованных стендах на базе продольно-строгального и бандажно-расточного станков, оснащенных тензоизмерительной аппаратурой, так и в производственных условиях на отечественных проходческих и очистных комбайнах, машинах для послойного фрезерования на открытых горных работах и при ремонте дорожных покрытий.

Проверка разработок новых конструкций поворотных резцов была осуществлена за рубежом на комбайнах фирм «Eickhoff», «Westfalia Becorit» и др, а также в центральном научно-исследовательском центре ДМТ (Германия).

Всего в процессе исследований было выполнено более 8 тысяч опытов по разрушению горных пород и породосодержащих композитов.

Решению задач данной работы посвящены исследования автора, выполнявшиеся в течение 20 лет, вначале в ИГД им. A.A. Скочинского (1979;1989 г. г.) и в МГП, ООО «ПИГМА» (1990;1999.

Г. Г.).

Диссертационная работа состоит из 9 разделов, в которых автор стремился осветить основные стороны рассматриваемых вопросов и обобщить не только свои исследования, но и данные отечественных и зарубежных работ.

Автор глубоко признателен докторам технических наук Глатману Л. Б., Мультанову С. И., Позину Е. З., кандидатам технических наук Балдину A.B., Загорскому C. JL, Гитману Я. Б., Кибардиной Г. Б., Серовой H. JL, Трубицыну Е. Д., инж. Хохлову A.JI. за сотрудничество и товарищескую помощь в процессе выполнения работы.

Основные выводы по работе.

1. Для повышения точности расчета нагрузок, действующих на поворотные резцы при разрушении пород и породосодержащих композитных материалов, необходимо по сравнению с ОСТ 12.44.197−81 дополнительно учитывать показатели хрупко-пластических свойств пород и их трещиноватость, параметры режима резания, отличные от их оптимального соотношения, и уточненные значения коэффициентов, определяющих влияние элементов геометрии инструмента на усилия резания и подачи.

Изменение усилий, действующих на поворотные резцы в процессе их изнашивания при прочих равных условиях, следует определять в зависимости от увеличения угла при вершине твердосплавной вставки по данным, приведенным в работе.

2. В результате исследований и обобщения данных, полученных другими исследователями, установлены закономерности влияния всех основных факторов на силовые показатели при резании горных пород. Разработана математическая модель формирования усилий резания и подачи, действующих на поворотные резцы практически любых типоразмеров как существующих, так и проектируемых конструкций.

3. При эксплуатации инструмента образуются три основных вида износа режущей части, обусловленные разной интенсивностью изнашивания головок державок и твердосплавных вставок, зависящей от абразивных и прочностных свойств разрушаемой среды, соотношения шага резания и толщины стружки, скорости резания, материала инструмента и условий внешней среды (наличие средств естественного охлаждения). В качестве критериев износа рекомендуется высота износа головки державки Ад вдоль образующей цилиндрической вставки по ее продольной оси и высота износа твердосплавной вставки по её продольной оси Лв. Соотношение этих критериев характеризует формы износа: при первой — Д/Д.)<0,05, при второй — 0,05<4/Д><0,95 и при третьей -4/4⁰, 95.

4. В результате установленных закономерностей влияния физико-технических свойств разрушаемых пород, параметров режима резания, геометрии и материала инструмента и устойчивого момента на валу двигателя на процесс изнашивания разработана математическая модель интенсивности изнашивания поворотных резцов и их удельного расхода при докритической скорости резания.

5. При проектировании режущих коронок и барабанов выбор их параметров и частоты вращения должен производиться с учетом исключения возможности превышения критической скорости резания, обуславливающей резкое повышение интенсивности изнашивания поворотных резцов. Определение величины критической скорости резания следует производить по предложенной в диссертации расчетной зависимости, учитывающей абразивные и прочностные свойства разрушаемой среды и соотношение времени контакта резца с породой и вне его за один оборот коронки.

6. Формирование усилий, действующих на лобовые дисковые шарошки, определяются сопротивляемостью породы статическому откалыванию, соотношением шага разрушения и толщины стружки, углом при вершине обода, диаметром шарошки (на усилие подачи) и радиусом закругления обода. Впервые установлено, что распределение давления по ободу шарошки имеет параболический характер. Максимальное давление испытывает его набегающая часть. Разработана математическая модель формирования нагрузок, действующих на лобовые дисковые шарошки.

7. Интенсивность изнашивания лобовых дисковых шарошек прямо пропорциональна абразивности горных пород, усилию перекатывания и обратно пропорциональна диаметру шарошки. С увеличением величины подачи и уменьшением твердости материала обода интенсивность изнашивания возрастает. В результате установления закономерностей влияния этих факторов разработана математическая модель интенсивности изнашивания и удельного расхода лобовых дисковых шарошек.

8. Выбор конструкции и параметров горных резцов для конкретных условий их применения, обеспечивающих, в конечном счете, минимально возможные удельную энергоемкость процесса разрушения и удельный расход инструмента, следует производить, исходя как из физико-технических характеристик породного массива (прочностных, абразивных и хрупко-пластических свойств, наличия, размеров и процентного содержания твердых включений), так и из технических параметров проходческого комбайна (мощности привода исполнительного органа, размеров режущих коронок и частоты их вращения, типа резцедержателя), в соответствии с разработанным алгоритмом системы «комбайн-забой». Разработаны рекомендации по предпочтительным характеристикам свойств пород и мощности привода исполнительного органа для применения твердосплавных вставок разных форм и размеров как основного элемента поворотного резца.

9. Определение усилий, действующих на поворотные резцы, и удельной энергоемкости процесса разрушения породосодержащих композитных материалов машинами для послойного фрезерования следует производить в соответствии с разработанным алгоритмом и компьютерными программами, на основе которых рассчитывается производительность машин при разных параметрах режима резания. Разработаны рекомендации по выбору форм и параметров твердосплавных вставок для разных условий применения машин послойного фрезерования.

10. Конструирование инструмента следует производить в соответствии с определенными в работе технологическими требованиями и разработанными системами структуризации и идентификации резцов, резцедержателей и режущих блоков, обеспечивающими сравнительную оценку конструкций, определение путей их совершенствования и идентификацию потребительских качеств готовой продукции.

11. Обобщены методы расчета режущих блоков и резцов на прочность и создано компьютерное обеспечение проведения таких расчетов на стадии проектирования. Разработаны и внедрены стандарты предприятия, регламентирующие способы и методики заводских испытаний готовой продукции, создана система обеспечения стабильности качества выпускаемой продукции при массовом производстве. Это позволило создать впервые в России современное специализированное многономенклатурное серийное производство резцов и режущих блоков производительностью 4,04,5 млн. изделий в год, которые по качеству и эксплуатационным характеристикам не уступают лучшим образцам ведущих зарубежных фирм. Выпускаемая продукция поставляется в основные угольные бассейны РФ и экспортируется более чем в 50 стран мира.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основании выполненных исследований изложены научно обоснованные технические и технологические решения по созданию и освоению производства инструментов для разрушения горных пород и породосодержащих композитов, обеспечивающих снижение энергоемкости, повышение износостойкости, взрывобезопасности и производительности комбайнов, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в угольной и других отраслях промышленности. ,.