Результаты оценки конструкций рабочих органов специальных машин и исследований по разрушению различных материалов дисковыми резцами

В настоящей монографии рассматривается возможность расширения области применения механического способа разрушения прочных снежноледяных образований путем модернизации существующих и создания новых рабочих органов к уже имеющимся на эксплуатационных предприятиях дорожным машинам без увеличения их мощности. Это может быть осуществлено за счет установки режущего инструмента в виде дисковых резцов. Возможные формы дисковых резцов представлены на рис. 3.1.

Дисковый резец типа А представляет собой вращающийся на оси диск с непрерывным односторонним клиновым ободом, перекатывающийся при работе по поверхности забоя и внедряющийся в нее под воздействием усилия подачи.

Дисковый резец типа Б имеет симметричный двухсторонний клиновой обод и разрушает массив забоя, будучи ориентированным под прямым углом к его поверхности.

Типы дискового инструмента

Рис. 3.1. Типы дискового инструмента: а - тип А (тангенциальная шарошка); б - тип Б (лобовая шарошка)

По сравнению с таким инструментом, как зуб, преимущества дискового инструмента заключаются в том, что он дает возможность уменьшить путь трения в десятки раз, так как каждая точка режущей кромки при перекатывании диска по забою погружается в массив разрушаемого материала по циклоиде только на величину глубины резания.

Точки, расположенные ближе к оси вращения диска, погружаются в разрушаемый массив по укороченным циклоидам, и их путь трения уменьшается. В результате этого уменьшаются динамические нагрузки на навесное оборудование и на всю базовую машину в целом, снижается энергоемкость процесса, повышается долговечность инструмента.

Как упоминалось ранее, дисковый режущий инструмент успешно применяется в проходческих комбайнах при разработке горных пород, а также в рабочих органах буровых, землеройных машин и на бульдозерных рыхлительных агрегатах при разработке мерзлых и немерзлых прочных грунтов.

Разрушение горных пород дисковым режущим инструментом

Широкомасштабные исследования процессов взаимодействия дискового режущего инструмента с горными породами при их разработке проходческими комбайнами проводились в Институте горного дела им. А. А. Скочинского (ИГД) Л. И. Бароном, Л. Б. Глатманом, С. Л. Загорским и др. [12-15].

В работах лаборатории разрушения горных пород ИГД им. А. А. Скочинского применительно к дисковым резцам использовался термин «дисковая шарошка». Типы дисковых резцов А и Б, изображенные на рис. 3.1, именовались соответственно тангенциальной и лобовой дисковыми шарошками. Особенность лобовой дисковой шарошки состоит в том, что она может быть размещена только под прямым углом к поверхности разрабатываемого забоя и перемещается вдоль и в глубь него с образованием в последнем борозды.

В отличие от лобовой, дисковая тангенциальная шарошка располагается под острым углом к поверхности забоя, работает в уступе и производит скол породы крупными фракциями в сторону обнаженных поверхностей (рис. 3.2). Диск шарошки имеет форму усеченного конуса с углом между его большим основанием и образующей (углом заострения) 5. Для уменьшения трения диск наклонен к уступу под углом а, который называют «задним углом».

На силовые и энергетические показатели процесса разрушения горных пород влияют геометрические параметры дисковой шарошки: диаметр, угол заострения, радиус закругления режущей кромки и угол наклона оси вращения диска. В работах [14, 15] приводятся результаты исследования влияния диаметра лобовых дисковых шарошек на величину горизонтальной и вертикальной составляющих усилия резания, приведенных к оси вращения шарошки. Опыты проводились на песчанике, диаметр шарошек был равен 68, 104, 150 и 199 мм, угол заострения - 40- 50°. Было установлено, что на величину горизонтальной составляющей размер диаметра оказывает очень слабое влияние. Иная картина наблюдается для вертикальной составляющей: с изменением диаметра шарошек от 68 до 199 мм ее величина возросла на 75 %.

Схема работы тангенциальной шарошки

Рис. 3.2. Схема работы тангенциальной шарошки

Основные результаты исследования влияния диаметра тангенциальной дисковой шарошки на силовые показатели приведены в работе [14]. Методикой испытаний предусматривалась работа с тремя шарошками: диаметром 150, 215 и 300 мм на песчаниках крепости выше средней. Результаты исследования показали, что средние значения горизонтальной составляющей для большего диаметра меньше, чем для остальных, однако максимальные значения были выше с увеличением диаметра. Средние значения вертикальной составляющей усилия резания оставались практически на одном уровне для всех диаметров, а максимальные возрастали с увеличением диаметра. Это явление объясняется сколом породы более крупных размеров при работе шарошки большого диаметра. В этом случае для отрыва такого куска требуется большее максимальное усилие, при этом крупные сколы происходят реже и большая часть времени затрачивается на мелкие сколы. Рациональные значения диаметра рекомендуются в пределах 200-260 мм. Шарошки с диаметром более 260 мм неудобны в эксплуатации: они громоздки и требуют больших габаритов опор, устанавливаемых на исполнительном органе.

Исследования влияния угла заострения тангенциальной шарошки на составляющие усилия резания были проведены на песчано-цементном блоке [14]. Исследовались шарошки диаметром 240 мм с углом заострения 30, 38,

45, 55°. В результате исследования выявлено, что все составляющие усилий резания с увеличением угла заострения равномерно возрастают в среднем в 1,3—1,4 раза. Угол заострения тангенциальных шарошек следует принимать в пределах 45-60°. При разрушении пород ниже средней крепости возможна эффективная работа шарошек с углом заострения менее 45°. Для лобовых дисковых шарошек при разработке пород средней крепости рекомендуется [15] выбирать угол заострения 40-60°, при разработке крепких пород - 75°.

Выбору радиуса закругления режущей кромки придается большое значение, поскольку возрастание его с 1,5 до 4,5 мм резко увеличивает вертикальную составляющую усилия резания почти в 2 раза. На горизонтальную и боковую составляющие усилия резания его влияние меньше. Силовые показатели разрушения пород будут тем лучше, чем меньше радиус закругления режущей кромки диска, но с учетом необходимости применения термообработки минимальный радиус закругления рекомендуется принимать равным 1,5-2 мм [13-15].

Исследование влияния угла наклона (заднего угла) тангенциальной дисковой шарошки проводилось на песчаниках средней крепости [14]. Угол наклона изменялся от 5 до 20° с шагом 5°. Зависимости силовых показателей от угла наклона обозначили зону оптимума в диапазоне 12-17°. Обусловлено это тем, что с увеличением угла наклона уменьшается площадка контакта торцовой поверхности шарошки с забоем, но увеличивается площадь контакта конической поверхности инструмента с породой. При равных значениях площади сечения стружки минимальная удельная энергоемкость процесса разрушения достигается при угле наклона 8-17°. На исполнительных рабочих органах проходческих комбайнов этот угол составляет 8-12°. Энергоемкость процесса разрушения тангенциальными шарошками на 20-30 % ниже, чем лобовыми.

Высота уступа Н и шаг подачи t (рис. 3.2) являются основными параметрами режима разрушения и оказывают существенное влияние на силовые показатели и удельную энергоемкость процесса. Произведение этих параметров (Ht) представляет собой площадь сечения стружки S. Для выявления оптимальных значений Ht при определении удельных затрат энергии были проведены эксперименты на донецком песчанике средней крепости [15]. В опытах использовали тангенциальную дисковую шарошку диаметром 215 мм, угол заострения - 45°, материал - сталь 20Х2Н4А с наплавкой релитом по торцовой поверхности и последующей термообработкой, радиус закругления режущей кромки составлял 1,5 мм. Угол наклона шарошки - 10°, скорость перекатывания - 1,5-2 м/с. Значение высоты уступа изменялось от 4 до 100 мм, шаг подачи - от 1,9 до 14 мм. Наиболее эффективными по усилиям резания оказались значения Н= 50-100 мм и t = 5-12 мм.

Средние значения горизонтальной (Р2), вертикальной у) и боковой (Рх) составляющих усилия резания вычислялись по формулам [14]

где Рк - контактная прочность породы.

Максимальные значения усилий резания:

Величина скорости перекатывания шарошки (скорость движения оси шарошки) от 0,05 до 1 м/с при разрушении песчаника с коэффициентом крепости /=6,1 практически не влияет на горизонтальную (Pz) и вертикальную у) составляющие усилия резания.

При разрушении песчаника средней и выше средней крепости тангенциальной шарошкой со скоростью 2-3 м/с влияния скорости на величину силовых параметров и энергоемкость процесса не выявлено.

Следует отметить, что при исследовании процесса разрушения различных хрупких пород (гранита, перидотита, песчаника) лобовыми шарошками, изготовленными из сталей различных марок, С. Л. Загорским [15] была обнаружена самозатачиваемость обода шарошек, что способствует повышению износостойкости и эффективности работы инструмента, сокращению затрат на обслуживание оборудования. Лобовая шарошка диаметром 104 мм была установлена на суппорте продольнострогального станка.

Разрушение крепкого перидотита осуществлялось на глубину 4 мм, шаг между резцами - 10 мм, скорость передвижения - 0,25 м/с. С помощью тензометрического ролика экспериментально зафиксировано распределение давления по длине обода шарошки. Полученная эпюра давления позволила заключить, что максимальное давление шарошка оказывает на породу по линии, проходящей через ось вращения диска перпендикулярно к поверхности забоя.

Примером использования дискового режущего инструмента при разработке горных пород может служить исполнительный орган проходческого комбайна ТОР-6 (рис. 3.3).

Схема разрушения забоя исполнительным органом проходческого комбайна ТОР-6, оснащенного дисковыми резцами

Рис. 3.3. Схема разрушения забоя исполнительным органом проходческого комбайна ТОР-6, оснащенного дисковыми резцами:

RHi и RKi - расстояния от шарошки, установленной в секторе IV исполнительного органа, до оси его вращения соответственно в начале и конце раскатки породного уступа

Исследованиями, проводившимися в ИГД им. А. А. Скочинского, доказана эффективность и перспективность использования дискового режущего инструмента в рабочих органах проходческих комбайнов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >