автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему: Повышение эффективности применения поворотных резцов проходческих комбайнов выбором рациональных геометрических параметров инструмента
Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности применения поворотных резцов проходческих комбайнов выбором рациональных геометрических параметров инструмента"
На правах рукописи
ТАЛЕРОВ Михаил Павлович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОВОРОТНЫХ РЕЗЦОВ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ ВЫБОРОМ РАЦИОНАЛЬНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИНСТРУМЕНТА
Специальность 05.05.06 - Горные машины
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».
доктор технических наук, старший научный сотрудник
доктор технических наук, профессор, Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института), профессор кафедры технологии и комплексов горного, строительного и металлургического производств
кандидат технических наук, доцент, Воркутинский горный институт (филиал) Национального минерально-сырьевого университета «Горный», доцент кафедры горной электромеханики
Ведущая организация - Уральский государственный горный университет.
Защита состоится 9 октября 2012 г. в 16 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.7212.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».
Автореферат разослан 7 сентября 2012 г.
Болобов Виктор Иванович
Хазанович Григорий Шнеерович
Задков Денис Александрович
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук, профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ . 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. A.A. 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.
1. Разработать математическую модель процесса выхода поворотного резца из строя в зависимости от физико-механических свойств породы и компьютерные программы для проведения вычислительных экспериментов.
2. 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.
3. Сопоставить полученные расчетные данные с результатами промышленных испытаний тангенциальных поворотных резцов.
4. Обосновать методику выбора рациональных исполнений поворотных резцов в зависимости от физико-механических свойств разрушаемой породы.
5. Обосновать более эффективную конструкцию поворотного
Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использовался комплексный метод исследований, включающий научный анализ и обобщение опыта проектирования и эксплуатации по-
воротных 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.
1. 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.
2. 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.
3. Разработана математическая модель процесса выхода поворотного резца из строя, позволяющая определить вид отказа, ожидаемый уровень наработки на отказ и удельный расход инструмента.
4. 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.
5. 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 РТС Mathcad, MS Excel, предназначенная для определения долговечности и удельного расхода тангенциальных поворотных резцов, позволяющая установить вид
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 РТС 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 Ми-нобрнауки 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.
Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность выбранной темы.
В первой главе проанализированы условия применения тангенциальных поворотных резцов (ТПР) и рассмотрены свойства породы, влияющие на эффективность применения режущего инструмента. Исследованы применяемые конструкции ТПР и методы проектирования их режущей части. Сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе приводится теоретическое обоснование возможных причин выхода поворотных резцов из строя. Описывается разработка математической модели долговечности ТПР, которая учитывает одновременное изнашивание инструмента и воздействие на него циклических нагрузок. Уточняются расчетные формулы для определения ин-тенсивностей изнашивания составных частей резца и исходных нагрузок На инструмент.
Третья глава посвящена анализу полученных результатов вы-
числительного эксперимента, проводимого с целью определения характера выхода поворотных резцов из строя, а также установления влияния основных геометрических параметров инструмента и физико-механических свойств горной породы на долговечность инструмента. Проводится сравнение полученных расчетных данных с результатами промышленных испытаний ТПР.
В четвертой главе представлено описание разработанного метода технико-экономической оценки ТПР, обеспечивающего выбор рациональных вариантов исполнений с позиций долговечности инструмента и затрат на его изготовление и эксплуатацию. Выявлены области рационального применения ТПР с тем или иным значением диаметра твердосплавной вставки в зависимости от прочности разрушаемой породы. Обосновано конструктивное решение составного поворотного резца, позволяющее повысить эффективность применения инструмента путем снижения его удельной стоимости.
В заключении приводятся основные выводы и рекомендации.
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
Математическая модель долговечности ТПР представляет собой аналитическое описание процесса выхода инструмента из строя, учитывающее следующие установленные в результате теоретического исследования возможные случаи отказа:
1. Достижение предельной величины износа режущей части резца, что соответствует тому моменту времени, когда в результате изнашивания головки державки резца полностью оголится твердосплавная вставка и произойдет ее выпадение (вымывание) (рис. 1, а). Отказ инструмента происходит постепенно, вследствие чего максимально полно расходуется ресурс, заложенный в конструкцию резца.
2. Поломка наиболее слабого элемента резца в результате действия пиковой нагрузки, превышающей прочностные показатели материа-
ла (рис. 1, б). Такие отказы обычно являются следствием допущенных
ошибок при проектировании инструмента либо эксплуатации резцов в
более тяжелых условиях, для которых они не предназначены. а) б) в)
Л - величина износа, 2 - действующая нагрузка, Ьр - пройденный путь резания 3. Поломки режущей части резца в результате изнашивания, а также действия переменных нагрузок и накопления в материале усталостных повреждений (рис. 1, в). По этой схеме формирования отказа начальный уровень прочности наиболее слабого элемента резца превосходит возможные пиковые нагрузки. Однако по мере накопления усталостных повреждений и изнашивания через определенный промежуток времени прочностные характеристики резца станут соизмеримы с действующими нагрузками. Тогда поломочный отказ инструмента может произойти при любом крупном сколе породы.
Тот или иной механизм выхода резца из строя заведомо не очевиден и зависит от геометрических и конструктивных параметров ТТ1Р, а также физико-механических свойств разрушаемой породы и параметров режима резания, которые являются исходными данными для определения долговечности. Поэтому, чтобы получить ответ на поставленный вопрос, необходимо рассмотреть каждый возможный вариант выхода резца из строя и рассчитать для него соответствующее значение предельного пути резания, минимальное из которых и будет определять долговечность.
В основу математической модели положены известные методы определения интенсивностей изнашивания составных частей резца и исходных нагрузок на инструмент1 с внесением в них ряда уточнений.
При расчете на статическую прочность режущей части (твердосплавной вставки и головки державки) ТИР проверяется способность
1 Леванковский И. А. Научные основы создания высокоэффективных инструментов для разрушения горных пород и породосодержащих композитов: автореф. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук / Моск. гос. откр. ун-т. - М., 2000. - С. 7-14.
конструкции выдерживать возникающие при работе «выбросы» нагрузок. Резец поворотного типа, закрепленный в резцедержателе, может быть представлен в виде стержня переменного сечения, один юнец которого защемлен, а на другом в месте контакта с породой действуют сосредоточенные составляющие усилия: усилие резания Р2тах и подачи Рутах (рис. 2). Спроецировав эти усилия в новую систему координат, в шторой одна из осей совпадает с продольной осью симметрии резца, а другая ей перпендикулярна, становится очевидно, что инструмент находится в сложном напряженном состоянии, т. к. подвергается одновременному
воздействию сжимающих и изгибающих нагрузок (рис. 3).
Риг, 2. Схема нгирузок действующих Рис. 3. Эпюры продольной N. и поперечна ТПР ной сил ^ и изгибающего момента Л/2
Под действием изгибающей нагрузки в поперечных сечениях резца возникают тангенциальные напряжения т^, изменяющиеся по высоте сечения по закону квадратической параболы, достигая максимума в его центре, и нормальные напряжения <тиг,, которые максимальны, но противоположны по знаку, в крайних волокнах (рис. 4). Результатом действия сжимающей нагрузки являются нормальные напряжения <ты, которые распределяются равномерно в поперечных сечениях резца.
Как показывает опыт эксплуатации, поломки ТПР вероятнее всего происходят в месте закрепления твердосплавной вставки в головке державки (сечение 1-1 на рис. 2, 3) и в месте
Рис. 4. Эпюры распределения напряжений в поперечном сечении резца
сопряжения головки и хвостовика державки (сечение 2-2 на рис. 2, 3). Поэтому данные сечения рассмотрены в качестве наиболее опасных. Для опасных точек (1, 2 и 3) этих сечений сформулированы следующие условия прочности:
для точки 1: атп, < [ар\; 2: |<гтах2|<[<х,,]; 3: <тзи <[ар\, (1)
шлх СОз6> + Рутах-51П<
' БШ — Ру тах • С05
Изнашивание головки державки резца приводит к постепенному увеличению вылета вставки, в результате чего изменяется местоположение опасного сечения 1-1. Кроме того, увеличиваются значения действующих в этом сечении напряжений. Величина вылета имеет некоторое предельно допустимое значение 1'пред, при достижении которого условие статической прочности выполняться не будет. В случае если это значение меньше начальной длины вставки, т. е. / '„^«<4, поломка инструмента может произойти до достижения предельной величины его износа.
где 1'прс<)1,1 'пра)2 - величины предельного обнажения для опасных точек 1,2:
Основной сложностью расчета на усталость является изменение во времени действующих в сечениях резца напряжений. Так, в результате изнашивания резца происходит уменьшение диаметра головки державки и последующее оголение твердосплавной вставки. Это приводит к тому, что в ряде сечений вставки напряжения увеличиваются, а в ряде -уменьшаются. Кроме того, поворот резца вокруг своей продольной оси влияет на распределение напряжений по самому сечению вставки. Поэтому заранее не ясно, в каком сечении усталостные повреждения проявят себя раньше, и произойдет поломка.
Процесс изнашивания головки державки (рис. 5) можно разделить на два этапа: вначале изнашивается бурт на всю ширину, затем происходит постепенное изнашивание державки по высоте. При этом угол конусности изношенной части державки равен двойному углу установки (атаки) резца в резцедержателе (у -20).
ГИи j. 1 ipuHwvW ги>паш*11»ил*1л ■ \jjIWUIUI
а) головка державки с тношенным буртом на всю его ширину (Ц =ЬаА), б) головка державки с установившейся формой конуса износа (£, > 1ай)
В результате решения ряда геометрических задач были получены следующие формулы для вычисления значения диаметра головки державки D', в произвольном сечении, находящемся на расстоянии /,• от вершины неизношенной вставки, в зависимости от пройденного пути резания L/.
1) Если Lj<Lod, а /, < AL-cos0 + /,to:
D', = D+ 2 • tgiy/2) ■ (/,. - /) - 2 • (А, • cos в -1, + /)• (tg0 - tg(y/2)\ (6) где Al - длина фаски износа головки державки2; Lo r, - длина пути резания до окончания изнашивания бурта головки державки .
2 Леванковский И. А. Расчет износостойкости поворотных резцов при работе проходческих комбайнов // Разрушение горных пород и композиционных материалов поворотными резцами: Сб. научныхшудов.-М: АГН. 1998.-Вып. 1.-С. 115.
2)Если >4а,а <¿,1бурт.С05в+1 + ад то:
Длина износа головки державки по высоте: д _ /- А/ А. ■> ч .
- интенсивность изнашивания по высоте головки державки; <4/.%™ - длина образующей изношенной конической части головки державки, соответствующей износу бурта на всю его ширину:
3) Если а /. > Д£-со5<9 + / или ^>Ьад, а
/,. > Д ^ • сов в + / + Дд + ^ , то: /у, = ¿) + 2 ■ %(у/2)-