автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Методы повышения прочности и долговечности режущих инструментов очистных и проходческих машин

Министерство науки, высшего образования и технической политики Российской Федерации

Новочеркасский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт имени Серго Орджоникидзе

На правах рукописи СЫСОЕВ Николай Иванович

УДК (522,23.05.0 001.5

Методы повышения прочности и долговечности режущих инструментов очистных и проходческих машин

05.05.06 — «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новочеркасск 1932

Работа выполнена в Новочеркасском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им. Серго 'Орджоникидзе

Официальные оппоненты:

проф., докт. техи- наук Г. М. Водяник проф.. докт. техн. наук В. Н. Гетопанов проф., докт. техн. наук В. Г. Гуляев

Ведущая организация — Институт горного дела

в УО час. на заседании специализированного Совета

Д. 063.30.02 при Новочеркасском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте нм. Серго Орджоникидзе по адресу: 346400, г. Новочеркасск Ростовской обл., ГСП-1, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « '{О » 1992 г.

нм. А. А. Скочннского

»

ЛШ£ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, канд. техн. наук, доцент

БАРАНОВ В. С.

;• СЕЩАЯ ХАРАКТЕР ИГ/ГШ РАБОТУ

>. 1

- Хкху'аяьнссть проблемц. Регуцке инструмента являются са-ынк недолгозечдамк эяекентаин очистных и проходческих кашин следствие интевсивного износа и поломок.

Норны- расхода резцов SP4-80 лля очистних коибайков типа га-б8 и 2ГШ-68 установлены з пределах от 4,3 шг/ЮСО т для ластов I класса по расходу инструмента до 49„9 пт/IOOO т 5 класс) и соответственно 7,3 к 80,6 пт/1000 т резцов PKC-I. ля проходческих кокбайноз шрми расхода реглакекткрувтся в ависихости от типа коибаяна, абразизпосгк пород, сгепечк ярв-ечки в пределах от 20 ао 250. шт/1000 к3 резцов PKC-L и о? 30 о 60 ят/ЮОО к3 резцов РПП-2.. В связи с бтик ежегодно вотреб-яетсл около 10 клн. игук резнов, на изготовление котсрих рас-одуется более 300. тонн остродефицитного дорогостоящего вольфра-окобальгового твердого сплава.

С повшепиек энерговооруженности каш и в к применением их ля разрупенда более крепких углей к пород не только возрастает дельный расход резцов, но и изменяется структура отказов. При гои увеличивается доля полокочннх отказов, достигая 50-70 % г общего количества, что в 5-10 раз превышает норку. Для ыно-iix типов резцоз поломки происходят в острой состоянии, из-за 2го ив достигается наработка, обусловленная изиосостоЯкостьо. зклочениз полоиох могло бн сократить удельный расход ка пяас-IX 3-5 классов не кенее че» в два раза.

Резервы повышения прочности за счет применения более ка-:ствеигех материалов врахтичгсхи исчерпана. Изменение конструкциях вараметроя режущей части в пользу показателе а прочности )иводит перерасходу твердого сплава яги ухуяшзни» рекуаих юйета инструментов. Технолог ячеек не мероприятия, направлен-¡е на упрочнение, уцорожаэт кояструк.циэ. Поскольку качество !Зцоэ оказывает существенное вясшнго на эффективность фувкцйо-¡розапия к аз пн по факторам удеямшх энергозатрат, производи» ¡яъпостк, соргносгя добиваемого угля, пыяезнделеяия и др., то .раметры ивструмзвгов долкгш одновременно удовлетэорять ?peöO" ааям вадеквости, техпоаогичяосгв изготовления и э^бкуиносгй зрушения массива. Поэтому оценку эффективности режувпх вис?«

рументов следует вести как миникук по пяти критерия«: прочности, износостойкости, уде. квот и затрата« энергии на разрушение, катериалоамвосги н технологичности изготовления. При этой новы шение прочности режущих инструментов должно обеспечивать достк' ■хение минимума затрат на их производство и эксплуатации. Решение этих задач может быть осуществлено только на основе системного подхода.

До недавнего времени изыскание рациональных параметров резцов осуществлялось искдочительно на основе анализа накопленного опыта и результатов иахгних испытаний опытных партий. Применение современных методов проектирования, основанных на машинных методах анализа и синтеза технических решений, сдерживалось отсутствием катематического аппарата оценки принимаемых технических решений. Создание такого аппарата требовало разработки методов расчета элементов резцов но прочность в получения экспериментальных данных о прочностных характеристиках материалов непосредственно на изделиях, а также разработки математической уодеаи надежности и эффективности функционирования резцов и методики оптимального проектирования.

Такий образом, разработка методов повышения прочности и долговечности и решение вопросов, связанеых с повышением надежности и эффективности функционирования ревущих инструментов на стадиях проектирования я производства, является серьезной я актуальной проблемой.

Диссертационная работа выполнена на кафедре горной электромеханики и горних машин НПИ в соответствии с планами госбюджетных тем: П-53-429 "Взеледовакке механических способов разрушения горных пород, создание высокоэффективных инструментов и исполнятельннх органов внемочиых, проходческих и буровых комплексов"; П-53-728 "Исследование ретхущтк инструментов и исполнительных органов очистных и проходческих май га с цеяья повыаевия эффективности вх экспвуатацан-а техническая дяагкое-тика горных ыапин". Работа также являлась составной час-гьс проблемы, реваемой совиестно с лабораторией резакш угяя Ю ам. А.А.скочинского по отрасяехин плакай Езучнэ-кссЕезователь-скнх работ Нянугяесроиа СССР па 1976-1990 г«,г\: 0105230400 "Разработать предмшнЕЗ по вето дай оценка эБевцгатацвоеЕщ;

свойств твердосплазкик изделий я инструментов"; 0105230500 "Внедрить метод« оценки эксплуатационных свойств тверцосняав-яьх изделий и инструментов"; 0153300003000 "Научные основы расчета процесса разруиения угля очистными машинами для их автоматизированного проектирования с учетом работы без постоянного присутствия лядей з забое и изысканий исполнительных органов с ковини видами инструментов".

Цель работы. Разработка методов повыаекия прочности и долговечности рехущнх инструментов очистных и проходческих маиин.

Идея работы. Повышение прочности и долговечности инструмента до уровней, обеспечивавших хиннмум затрат на его производство и эксплуатации, отнесенных к наработке, достигается оптимизацией конструктивных и технологических параметров, ха-рактеризупзих износостойкость, уделышв затраты энергии на разрушение массива, магериалезккость и технологичность изготовления.

Методи исследования. При разработке методов расчета на прочность и долговечность использованы аналитические и вероятностно-статистические кетодн. Экспериментальные (лабораторные, заводские и пахпше) методу, физическое моделирование и математические метод» обработки результатов исследований применялись при отработке кетозов испытаний резцоз на прочность и исследованиях по установлении прочностных характеристик.- Жита-циожгое математическое моделирование и мегода оптимизации использована яри разработке магенагичзского аппарата САПР резцов.

Основные научные положения, аыноскные па защиту.

1. Поломки ревущих кветрунентов обусловлены не только величинами стохастически изменяющихся пиковых сил резания, подачи и боковых, но и несовпадением их макс яка ль ннх значений во времени при разрупения неоднородного массива, что усиливает действие изгибавдего номенга на формирование растягивавших напряжений в опасных сечениях. Это обстоятельство необходимо учитывать при испытаниях и расчетах резцов на прочность.

2. Контактные напрякекия распределены по площадям конгак-

та резца с массивом по законубяиэкоыу к равномерному независимо от формы ражудей часта, Это позволяет при расчетах и испытаниях резцов на прочность определять местоположение рав нодеясгвувщай силы с учетом конструктивных особенностей реку ней части и величины нагрузки.

3. Местоположение опасного сечения резца не является по тоянеым для данной конструкции и зависит от степени затуплен рекуией часта я усталостной долговечности материалов, что npi определяет необходимость рассмотрения прочности в функции пу резания.

Механические свойства паяного шва зависят от многих конструктивных и технологических факторов, что при расчетах на прочность режущей части резцов с призматическими вставкам» не позволяет в чистом виде применять классические методы теории упругости и пластичности и rpedyer дополнительных зксперс. »(витальных исследований по установление прочностных характер« тик паяного ива непосредственно на изделиях с учетом конструк тквкых особенностей рекущей части и способа нагрукенвя.

5. Создание реяугогх инструментов на основе сбалансирован кости параметров прочности и износостойкости с учетом энергоемкости процесса резания, материалоемкости и технологичности изготовления обеспечивает рациональное использование твердых сплавов и минимум удельных затрат, связанных с производством и эксплуатацией резцов. Решение этой задачи на стадии проекти ровання целесообразно осуществлять путем параметрической оптимизации с использованием математической модели надежности и функционирования резца, а на стадии производства - применение; методов упрочнения и более точных методов контроля прочности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций- подтверждены: значительным объемом экспериментальных исследований (испытаниям на прочность подвергнуто более IODO твердосплавных нзцзяип различи;?* форм, марок спгава, партия поставок и стояько резцов), позволпЕаих с надежность» sis ниже 0,95 установить 'за;со№ распределения ве-iичяк paspycaDciKx нагрузок и статистические параметра-; нриме-иевнем современной измерительной к регистрируемой аппаратура ;

овяетворигельной сходимостьв результатов теоретических ис-едованнй с давними, полученными в шахтных условиях (погреш-сть рассчитанных по разработанной в диссертации катематвчес-й модели значения наработки резца на отказ не превышает 15$; пенник использованием в угольной промышленности ряда разра-танных в диссертации положений и рекомендаций, что подтверж-ется снижением удельного расхода резцов и повышением эффек-вности функционирования машин.

Научная новизна работа заключается з следующем:

- объяснены и экспериментально подтверждены причини к ха~ ктерные виды поломок резцов, являвшиеся не только следствием йствия максимальных сил, резания, подачи и боковых, но и не-новременкостыз их проявления в процессе разрушения неодно-дного массива;

- обоснован механизм формирования результирующей нагруз-на рекущея части, заключавшийся в изменении веяичшы, нап-

вле\ш и координаты приложения ео вектора вследствие не стельности соотношений между мгновенными значениями сна, делстоит на передней, задноо и боковые поверхности, обусловив н-8 неоднородностьи разрушаемой среди я особенностями струкко-эазования и распределении этих сил по площадям контакта рез-с объектом разрушения пропорционально их величинам по зако-, близкому к равномерному; что учтено при разработке метода-расчета резцов на прочность ;

- установлены закономерности формирования напряжений в юных сечениях резца с учетом износа, конструктивных особенней рекущей части, механических свойств паяного шва, спосо-

закрепления резца, на основа кии которых разработаны методы ¡чета на прочность аркируейих элементов, паяного соединения ;ержавок ;

- предложен новый способ испытаний резцов на прочность, ;лпчаюсщйся з нагружении рехуда Я части через пластически армируемый пуансон до поломка или заданного уровня.и обес-ения при этом увеличения площадки контакта нагрукаемой яо-хпости резца с пуансоном пропорционально росту действуопей ы, адекватно фактическим соотношениям между площадкой кон-та поверхности резца с забоем я соответствувщей величиной

эЕопжуатадагонной нагрузки;

- установлены звЕоаомеркоста сзйоткости распределения величин разрушавших нагрузок рекущей части резцов типовых конструкций, обусловленные нестабильностью прочностных свойств твердоспжавннх еркирувщнх вставок и качества паяного соединения, предопределившие необходимость решения задач надежности инструмента с учеток фактора нестабильности прочностных свойств (коэффициент вариаций разрушающих нагрузок достегает

н целесообразности осуществления статистического контроля прочности резцов при их производстве;

- устаковяеко, что повышение прочности до уровня, обеспе-чивапвего максимально возиожнуи эффективность применения инструмента, достигается оптимизацией конструктивных и технологических параметров, характеризушмх износостойкость, удельные затраты «а разрушение массива, материалоемкость, технологичность изготовления;

- обосновая критерий оптимальности конструкции резца, представляющий собой минииук заграт, связанных с производство» и эксплуатацией одного резца, приходящихся на единицу обьека раэрушенгой породы (угля), позволявший на стадии создания инструмента оценивать эффективность конструкции по параметрах прочности, износостойкости, энергоемкости резания, материалоемкости и технологичности изготовления;

- впервые разработана имитационная математическая модель процесса исчерпааия ресурса резца, вклочаочая в себя предло-«енные методы расчета на прочность, которая в совокупности с критерием оптимальности обеспечила возможность создания математического аппарата САПР резцов.

1 Научное значение работы, закяачается з развитии теория функционирования и надежности рекущих инструментов горнах маски путей использования системного подхода в определении опти-«аяьных значений уровня прочности резцов, обоснован!?;? научна* иоюжекай, направгешгах на разработку методов повнееккя прочкостк и долговечности с учеток эффективность" их фунгкяркаро-Г:а>;и к»

Практическое значение работы закачается в разработке:

- метода испытаний резцов на прочность путем нагругвняя зкудей части черед пластически деформируемый пуансон, гвер-ость которого идентична тзердости разрупаемых пород, что обес-гчило повышение точности результатов испытаний;

- стендов для испытаний резцоз на прочность я устаяоатнув элгозечность путей нагрувзния режуаей кромки статической, дарной или циклической силой, передаваемой через пластически сформируемый пуансон ;

- методики в средств статистического контроля качества згоговления резцов по у словив прочности, позволявших по ре-гльтатам испытаний малой выборки путей иагругения контрольной сгрузкой, устанавливать наличие в контролируемой партии недо-гстккого количества дефектных изделий;

- методики расчета напряжений з регувей части твердосплав-1х резцов типовых конструкций с учетом распределения сел по ¡редгоя, задней и боковой поверхностях, жесткости паяного сое-

1кэиия, величия износа ар^ируосего элемента и головки дергав» •

> •

- катода технико-экономической оценки эффективное« путей >зьгзенвя прочности резцов, позволяоцего на основе матекатичес-)го (имитационного) моделирования определять критерий оптималь-)сти - уг.едьные затраты, связанные с изготовлением и эксплуа-щиез инструмента и выбирать по этому показатели .тучнее техни-¡сксе ревевке на стадии проектирования;

- подсистемы автонагазировакного проектирования режущих ютрукентов, позвояягией определять оптимальные коиструктив-¡е параметры инструкекта применительно к заданный услоькяа, е. резать задачи, езязанные с повыэениен прочности до оптя-льного уровня ;

- конструхвяй реэшз поен сенной прочности для очистных кбапноз, параметры рггугэй част:: которых научно обоснованы определены с покопъо ¡гредяоЕешси методов, обеспечивавших исэнле удельного расхода резцов, твердого сплава, энергия

разрушение, повгаенке пропзаодитеаьпоста «аппны , угучаенпе акцаонного состава угля.

На уровне изобретения разработаны конструкции резцов, стенд для испытаний резцов на усталостную долговечность, сп соб испытания резцов на прочность.

Реализация результатов работы.

Результаты настоящей работа внедрены на Крас колучеком i шиностроитеньном заводе, в КРД им. A.A. Скочинского, Гипроу: лекале, ЩахтКИУИ, ЗНЖГСе, Стахановском филиале КГМИи.НПИ i создании резцов повышенной прочности (резец ЙГ-125 - серикш производство, экономический эффект 6,0 руб/резец по ценам щ 1985 г, ; резец РО-ЮО - рекомендован МВК к серийному произв; сгзу, расчетный экономический эффект 10,2 руб/резец по цена!, до 2.01.1991 г.); разработке отраслевой методики расчета ре: цоз очистных комбайнов на прочность я долговечность ; примен; нии разработанных в диссертации методики и технических среде испытаний резцов на прочность для исследований прочностных х рактеристик опытных партий резцов ; репенаи задач по расчету оптимальных параметров резкой с использованием разработанных программных комплексов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы на о дегышх этапах ее выполнения докладывались и получили одобре низ:

на научных семинарах Сезеро-Кавказского научного центра вэдей иколы "Механизация к автоматизация горних работ" и научно-технических конференциях Новочеркасском политехнического института (Йозочеркасск, 1976-1990 г.г.); на расширенны: заседаниях кафедры горной электромеханики и горных машин НИИ (Новочеркасск, I9S9-IS92 г.г.) ; на технической совещании во ВНИИТС (Москва, 1976 с.) ; на отраслевом научной семинаре по теории и практике разрушения углей и горких пород, примееш-телъко к создании эффективных средств разруиеняя для очистки: и подготовительных patíos (Косква, 1978 г.) ; на '17 Республиканской научно-технический конференции молодых ученых ао теме "Вопросы совершенствования добычи ¡: использования горючих -сланцев" (Кохтпа-Ярве, 1978 г.); на научных семинарах лабораторий резания угля 1ГД им. АЛ.Скочййского (Даберца, 1977--IP90 г.г.) ; на расширенном семинаре отделения разрушения углей, н горных пород $ГД к«. А.А.Скочинсрого (1юбердаД989 г.

на международной межвузовской научно-практической конференции "Надежность и качество горных кашин и оборудования" 21-25 октября 1991 г. (Москва, 1991 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 научных работы, в том числе I монография, Г броипра, получено 3 авторских свидетельства и Г положительное решение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заклсченйя и приложений; излонена на Ч6Ч страницах машинописного текста, содержит 38 таблиц, 52 рисунка, список использованной литературы из 182 наименований.

Автор зыражает глубокую благодарность проф., докт.'гехн. наук М.Г.Крапивину и проф., докт.техн.наук Е.З.Позину за консультативную помощь и ценные соэеты в.процессе выполнения исследований, канд.техн.наук М.Ракову, совместно с которым выполнялись первые работы/а такке другим сотрудникам шш, КГД *м.А.А.Скочинского, ЕНШДО, Краснолучского маизазода за полез-те обсуждения и помощь при разработке документации, проведе-гии испытаний, внедрении результатов исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЕАНИ2 РАБОМ

Особенность решаемых в диссертационной работе вопросов ;осгоит л том, что они с одной стороны является частью пробдэ-ш механического разрушения угля;(породи), а с другой, - проб-темы позывения надежности и эффективности применения очистных ! проходческих машин и режуяих инструментов.

В данных областях работапг многие организации, среди кото-шх значительная роль принадлежит 1ГД им. А.А.Скочинского, Гип-юугленаиу, ЦШШбдземмапу, ВШШЦугдемашу, ВНИИТСу, ДонУГИ, ¡окгипроуглем&шу, ШШИ, ШУИ, НузНИУИ, ШахтЦШГ, МГИ, Докец-;ому, Тульскому, Кузнецкому, Новочеркасском? политехническим ¡нстигутам, Краснолучскому, Горловскому, Ясиноватскому, Копей-кому машиностроительным заводам, деятельность которых предоп-едедяет стратеги» отрасли в области создания средств разрушз-:ия угля и горных пород.

Наибольший вклад з горну» науку в области исследования азруиения угля и горных пород режущими инструментами внесли

Альшиц Я. Ж., Барон Л.И., Берон А.И., Бойко Н.Г., Бреннер В.А. ГлатманЛ.Б., Загорский СЛ., Зайков В.И., Казанский A.C., Каиговач 1.И., Караганов И.Г., Картавый Н.Г., Крапивин М.Г., Коршунов A.B., Лейбов E.M.-, Меяамед В.З., Позин E.S., Рачек 5.И. , Слободкин М.И., Тон В.В. и др.

Исследования.в области повышения надежности и качества горних машин и инструментов, выполненные Водяником Г.М., Гете паковнм В.Н., Горбатовым П.А., Гуляевым В.Г., Голодом А.Б., Деевым А.Ж., Дейниченко В.А., Докукиным A.B.,'Коломийцевым М.Д., Линником D.H., Красниковым й.Д., Рахутиаым Г.С., Семен-чой П.В., Солодом В.И., Солодом Г.Й. , Солодом C.B., Хориным В.Н. и др.,внесли существенный вклад в развитие теории функционирования, оцзнки качества, прогнозирования надежности, сшшения динамической нагруке.нности и вибрации.

Обзор работ в рассматриваемых областях показал, что внес те со значительными научными и практическими'достижениями, на равпенныии ка создание машин нового технического уровня, повь вения их надежности, режущие инструменты очистных и проходчес ких ааиин-остаются самыми недолговечными элементами в силу ин тенсавного износа режущей части и поломок. До-недавнего времени проблема повышения прочности резцов не была столь актуальной, поэтому в. этой чаезк имеются значительные отставания в. исследованиях в сравнении с исследованиями износостойкости.

В области исследований нагруженности инструментов имеются наибольшие достижения, результаты которых, однако, недо'ста точно приемлемы для решения.вопросов прочности инструментов. Применительно к оценке несущей способности'резцов отсутствует методы расчета и испытаний,'адекватно отракающяе эксплуатационную йагрукенноегь. Оценка надежности резцов производится по результатам шахтных испытаний,'а качества - с помощью показателей, полученных в основном экспертным путем..Проектирование ревущих инструментов .осуществляется на основе; накопленного опыта с применением эвристических методов, Маиишые мето ды анализа и синтеза технических решения не примеаявтея яз-за отсутствия соответствующего математического апй'арата. На стадии изготовления недостаточно используются методы повшения а конгрэгя прочности. , . . '.

Выполненный анализ состояния и изученности проблемы по-дпения' прочности резцов показал, что сложность'ее решения 5условлена необходимость» учета системы взаимосвязанных мек-1 собой факторов, характеризует процесс разрушения массн-

изменявшиеся вследствие износа режущей части ее конструк-1вные параметры и нагрукенносгь, а также технологические осс-гнносги производства инструмента. Основу решения этой проб-:ыы составляет разработка методов повышения прочности и дол-звечности режущих инструментов.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить не дующие задачи:

1. исследование взаимосвязей параметров нагруженности, ■ точности и долговечности резцов и разработка методов расчета с элементов на прочность.

2. разработка экспериментальных методов я технических эедств для исследований прочности резцов.

3. Экспериментальные исследования прочности и усталост->й долговечности резцов с цельп установления статистических 1рактеристнк и влияния конструктивных к гехнологичгских пара-;тров на показатели прочности.

4. Разработка методики контроля качества рззцоз по усло-т прочности.

5. Разработка имитационной математической модели функцио-фованяя и кадекности резца и метода технико-экономической ]ешш инструментов.

6. Разработка методики выбора оптимальных параметров рез->в на стадии их автоматизированного проектирования.

7. Создание резцов повышенной прочности с применением сработанных методов и рззультатоз исследований,

О целью установления взаимосвязей параметров нагрукеннос-I, прочности и долговечности резцов предложена классификация гасобот» новыосния запаса их прочности (ряс, I). На уровень теса прочности (надежности) в равной'мере влияя? параметры 1Груженности и несущей способности, взаимосвязанные через (нструктшзные параметры. Например, с цзяью сяиаения ногрукисти я при ну рекущей кромки следует уменьзеть, а с цельо пови-:кия несущей способности, наоборот, увеличивать. Износ регу<=

Повышение запаса прочности резца (уровне надежности)

- Пут -и реал и заци и

Снижение нагруэкенности Лабышение несущей способности

Слое 0 $ Ь1 Р е с? л 3 а и и

изменением параметров ¡ре&гния По&ышенцгм изнасостой: ЯОсти ■ Выбором конструктив ник параметре} ■ - Вы5срои кои структивных параметроЗ Выбором Материалов Технологическими мерами Контролен кач&ст&а 'Лгогг.а&енчя

3 5 > -з 91 М 1 -£ а -О 5: О) 5 15 1 § « 3 о. * § § «о 0 9 То 2 пГ < чэ о (и ч! 3 ^ 1 § 11 ^ 5: х е Ь-5' 5 о. У О о " е-•а*-' 1 ч> 1 г> £ О м а: 3 л а Ъ ' Г <ъ ъ г - а * и э •о * 01 £ ь с; ■"А ГУ О ^ О Ц; »0 а §5 Оо о (Ъ О; * 5 Г) "г. О <и «V э ? ^ 5 $ $ 5 о л т ? а 8 ** )-. Гз ? * О. о о В 1 о о £ <11 •О «о £ 1 11 £ ^ § . 5 « з* О V« ъ к е Ь # о о X а £ —-X 1 £ е £ ь ^ о ч 5: 1 у & <Г} № | О ч о X £ з- «у § «ъ О в § X £ ъ г »о § £ зс 5 е о 5 0 •ъ 1 43 § г» аз § § ■1 § 1 1 1 ^ С -о -О С; 3« Сэ

Рис. \1. Классификация.способов повышения запаса прочности

ОеетИИХ ИНСРГттнтгт

;й часуг и, т.е. изменение конструктивных параметров в функции /?и резания, для различных типов резцов по разному влияет на зовнн нагрукенноет и и несущей способности. В связи.с этим па-гмеоры инструмента долкны подбираться так, чтобы при минималь-ix-затратах на материалы достигалась бы наибольшая наработка. i эффективность работы резца кроме прочности и долговечности газывают влияние удельные энергозатраты на резание, материа-эемкость и технологичность конструкции, которые также взаимо-зязаны через конструктивные параметры режувдй части. Поэтому основу методов повышения-прочности к долговечности резцов злокеп системный-подход, т.е. одновременный учет зсех с-нов-ix факторов, элиялэщих на их наденюсть и эффективность функ-юнирования.

Одним из важных моментов в реаекии поставленных задач бы> уточнение методов установления нагружзнности применительно расчетам на прочность. В работе показано, что при разруиенни ¡однородного массива величины максимальных пиковых сил, дей-гвуших на передне», заднео a cfoKosas поверхности резца, про-аявтея не одновременно в функции пути резания. Соотиоиения ¡иду мгновенным!! значениями этих сил изменяется стохаотичсс-I. Предложено при расчетах на прочность н усталостную долго-¡чность считать изменение мгновенных значений 7,. . Y. и X:

¿С t

пределах от минимальных до максимальных значений независимо >уг от друга к распределенных по нормальному закону. При зтон ззднеэкстремалы'ь'О расчетные нагрузки ?ГЭ , 95 X следует шпикать серединам интервалов изменения нагрузок, а дкепер-гн, используя правило "трех сигм". Значения максимальных и ;нЕ«аяьн«х сил можно определять исходя us изменений уолщкгш •рушен и свойств разрушаемого массива с использованием кзве-ных зависимостей (для резцов очисткыз: комбайнов по ОСТ

093-7?). Такой подход более точно отраказ? адекватность .грукенносга, принимаемой при расчета?; (испытаниях), к рабо-резцоа, чем при известном подходе, закгачавщемся а одноире-tWioK учета максима кыш х сил резания, подача и боковых.

Не менее ванным фактором при расчетах в испытаниях на очность ренуцей части является правильность учета характера определения сил на поверхностях контакта резца с масепвои.

Исследования.!«:! по в не дран ив резцов с различными фермами режущей части в поверхности различных горных пород (песчаники, глинистые сяанцы, породи угоаьной формации) и пластичных ма-гериасов (сталь различной твердости, кедь, аясииниевые сплавы) с испояьзованиех специального тензоизиерительного устройства, обеспечивавшего измерение величин смещений равнодействующих контактных напрякений относительно вершины рекуеей кромки с погрешность« не выше 5 %, установлены следующие зами нонеркости. Пркрацекке проекции площадки контакта на плоскоот; перпендикулярную направление внедрения, для всех исаы.танных фора и материалов пряно пропорционально дейстнуочей сиде„ обратно пропорционально твердости материала к практически? ю зависит ог формы поверхности. Наибольшие спеце кия равнодействующей относительно вершин« режущей кромки были у образцов с выпуклыкк в поперечной плоскости поверхностями. Эти величины не более чем на Ю % отличались от измеренных значений координат центров тяжести проекций площадок контакта относительно верни» режущих кромок различных форм, что дало основание считать распределение контактных напрякений близким к равномерному. В связи с зим предложено рассчитывать величину смешения равнодействующей силу 2 как расстояние от вершины ре-ксус;ей крокх« (с учетом износа) до центра тяжести- площадки- р контакта резца с породой, твердость которой характеризуется контактной прочностьв рк . При зтом Р>=2/р ..

Анализ нагружешюсти резцов различных типовых конструкт, ций с учетом износа рехущей части (армирующей- вевавки И: головки) и усталости материалов показа®,, чао в, функдяд; адта ре,-» ¡'занпя место положение опасного сечения шзменяктса и: зачастую 'без расчетов однозначно не может быть определено,. Но хара&те.--ру поломок к деформаций резца установлена; наиболее- вероятнее поюхзния опасных сечений проходящие: по тве-радиу/ евдаьу,-В! поперечной плоскости, если длина твердосплавного*элемента, в 1,5 и более раза превышает среднгщ ширину пли- в продольной плоскости, есди это соотношение меньше указанной величины; по цеоскостя* спая; по одной ппоскостп спая и головке державка ; по дгрхазке в кесге перехода от гоаовка к хвостовику.

Для расчета кайря^йкий в опасных сечениях, проходящих через твердосплавные эхекьнть*» резцы яредлояено разделить на две группы ~ с сяикетркчкай расиолог<ениен армирующих элементов и несикиетричннн-. На ряс» 2 представлена схема к расчету напряжения в снвметрпчко р&ет^згоке шм 'тз^рдо'спхавнон элементе.

Рис. 2. Схема и расчету радйаЫ«15с ¡Га)1рй«ьнЯЙ

в снниегрмда рйсь'ольйгмшйн 5ЬердосКЛаз1юй о лежите

Чгоби воспользоваться кешвй георня упругости для рлс--ч с га радиальных нзпрякеннй Сг в сферическом сечений упйгл (конуса) , находящейся на расстоянии П, от-вериппы резца, предложены зависимости дня приведения к веряине и осяи ¡¿-у и 1-1 сил 2. и У с учетом скечскйй равиоДейб^вуь^й* съ и , а тамэ угаа усг-аиовка реаца »

Г6

Vr. (I)

где Yr. к 2r - приведенные к вершине и ¿ -ому сеченно силы; ly п Yy проекции сия Z и Y соответственно-на ос y-y ; Z2k Iy - проекции приведенных к вершине сил I и соответственно на ось z-Z применительно к ¿ -ому сечени

\~Zsin4>; (3)

Yy = Y ees <f\ (4)

Z2.=—5-.{ces Ч> f Г. - CL, cos/3:)] - C5)

' r¿ CC5yS¿ 1 ¿ A 1 ■

-sin, <P casi V-/3;)} ;

=- QySin ay cos2^], ¿

где Д - передний угол в с -ои сечении.

То^да зншкекия для определения радиальных напряжений, соответстаупких координатам г . .9 будут иметь вид:

- от действия приведенной сидя Yr,

W^-- « v* ?5в -----• С7)

о ^

- от 'действия' поизедевгой силы Z*.

- * i .

1 * arü,e)(z> - ~ «---------'

2A¡/{<5,; (fîj + sâ. ¿0)1 sin'Qdd

О ' - . ' CG :, 0<-

где 8 - тйкуцее-значение угдоэой координаты, рад; • iSa¿(Q) 'л Oj: {0) <; -; значения и. ври ни сечения пс .армируще® вставке и ?ерЦвкз ,- vm £а, и £§ - v.otym упругости нате-pr.ar.ft йрмгройки-и згрвЬакк,- НПа; (X угяовая координата иерйфгрпйиья точки ¿ -его сечзикя, рад.

Для резцов, армированных твердосплавными элементами цилиндрической формы с конической режущей частьп, сила 2^ должна представляться как равнодействующая приведенных сил резания и боковой, чем и обеспечивается учет влияния боковой силы. Для резцов с призматической рекуией часть» Соковая сила долкна учитываться отдельно. Напряжения, вызываемые боковой силой X в у ~оП точке ¿ -его сечения определяется по Формуле

где у. - расстояние от вершины резца до плоскости, перпендикулярной продольной оси клина (конуса) и проходящей через рассматриваемую точку, ми; х-- - расстояние от центральной оси z-z ¿ - ого сечения до j -оя точки по оси л-х , ик ;

йх» ■• расстояние от верпиш ракуцея кромки до места приложения вектора силы X , ми ; Г-.. и 1Я,, - моменты инер-

агс л

ция t --ых сечений относительно оси 2-2 , ми .

Расчет нормальных напряжений в армирующих вставках, несимметрично расположенннх относительно оси клина, потребовал 1ного подхода из-за существенного влияния механических свойств шяного шва ца напряженнее со стоя ¡me режукея части. В этом злучае ариирупиув вставку представляем как балку (брус) на тругом основании (гояоика дер-давки), соединенных мекду собой гаяиык ивон определенной кесткости (рис. 3). При действии сиги Zz армирующая вставка изгибается, всяедствие чего на пе->еднеп поверхности л Í -ом сечении возникают растягивавшие гапряжзггая бц í'Z-z) > а со сторон^ голозха касательная сила 7¿ , передаваемая паянии взом на вставку. Ооновдае завиои-остк, разработанные для определения напряхэзий от лейсгэия

ИЛ 2- ^ » V nnitwri»™ vîrryp

С9)

(Ю)

?ЙС' 3" вставке Т™"" »

вставке, несимиетрично расположенной от

5 №са 22Гс; , У (5) й A7óVü?

относительно оси клина ^(') =-rLz2LziCj/I(ixí+1l/Fai . (п)

!a4+IdziE3jEa

aiJ-<iCjCz:) + dÍJ(r) + ai.(Y!,)

Vv 'У

СИ)

С13)

где I , 1дх. - моменты инерции вставки и головки державки в рассматриваемом сечения относительно оси х-я , мм^; Газ i • 1Szi ~ T0!ss относительно оси г-г ; Еа , £¿ - модули упругости материалов вставки и державки, МПа ; 7¿ - касательная сила яа отсеченном отрезке паяного шва пдоиадьв F¡_ ; Faí - площадь поперечного сечения армирупцаЯ вставки; К -коэффициент, учитывавший жесткость паяного соединения. Остальные параметры, входящие в формулы (10) - (13), приведены на рис. 3. В работе даки зависимости для определения перечисленных выпе параметров.

Поскольку местоположение опасного сечения ариирупшей вставки зависит от многих факторов и явно из вь'рзгэно, то определение максимальных (расчетных) напряжений на передней поверхности долако осуществляться путем последовательного расчета з i -ах сечениях для j -ых точек.

Экспериментальными исследованиями, направленными на проверку и уточнение расчетных зависимостей, приведенных тзыке, установлено влияние остаточных (плячных) напряжений на вепичш-а растягивающих напряжений.по передней поверхности. Средний уровень остаточных напряжений на передней'поверхности резцов, армированных вставками, близкими по габаритам к вставкам Р24а-03 и напаянных па дерказки по технологии Краснолучского м.ашзавода, при расчетах мокко принимать з пределах от 60 до 100 МПа, что эквивалентно снижение предела прочности при изгибе на згу же величину. Значение коэффициента К , характе-ризуссего жесткость паяного соединения, установлено разным 1.3 (если длина вставка не нике 1,5 от ее средней ширины).

Расчет напряжения в паяном соединении предяскено осуце-сгэзпть по двум самостоятельных кгтодзкам, ориентированних па резцы с призма?пескамк вставками и'резцы, армированные

кернами круглого сечения или колпачками. С учетом многообразия форм пазов под вставки (керны) приняты две базовые схемы (рис. 4). Изменением соотношений конструктивных параметров А> » достигается получение большинства практически целесообразных форм паза. Обе методики расчета напряжений разработаны о использованием метода перемещений.'

Для определения напряжений в ) ~ых периферийных точках паяного соединения предложен следующий порядок решения: определить пояснение эквивалентного центра тяжести заделки, т.е. координаты £с и Ьс (рис. 5); определить проекции площадок паяного шва иа координатные горизонтальные и вертикальные плоскости Г^ и ; составить зависимости между проекциями сил и и перемещениями и. и V , а также моментами МI и углом поворота Ц> доставить систему уравнений статического равновесия и репить ее относительно неизвестных V , Ц , 9 ; определить напряжения (нормальные С^ , касательные "С, я эквивалентные СГ,; ) в контурных точках паяного шва. используя выражения взаимосвязи между напряжениями и переведениями , а также механические свойства паяного ива и упругие свойства гояолки.

вставку (а) и цилиндро-коническкй керн (б)

Нгрыалыше капоягвнвя в ] -ой точке представляют собой сумму нормальных напряжения, обусловленных перемещениями »вер-госплавного элемента б направлениях действия снд' 2-, , У к К и псзоротоя его в направлениях действия соответствующих иомен-

гов Mz , Ny в Mx

Oj = 6j(zz) + I5>

соединении сквозного паза

В работе приведены методики и программы расчета на ЭВМ :апряжений в паяном соединении для рассматриваемых Gxesí, ко~ ■орке в совокупности с методикой и программой расчета напря-:ения в твердосплавных элементах составили основу отраслевой етодики расчета на прочность и долговечность резцов очистных сябайнов.

Пра расчете напрякений з опасних сечениях державок, на-одятдпхся в местах перехода от головки к хвостовику, предло-ево учитывать способ закрепления резца з резцедержателе, ели в осевом направлении опора резца на резцедержатель осу-ествляется через упор, а не торец, то действие продольной иды Уц доажио исклвчагься.

Оценку прочности резца в условиях нестационарного нагру-зния и нестабильности прочкостпнх свойств материалов резца злесообразко осуществлять ш яо коэффициентам запаса прочее?!!, а по показателе вероятности безотказной работ» резца s заданно:« пути резания, для чего используется зависимость

Up~~iñ4)/{iTMgSv/' ófüpI . (16)

где Ufi - вычисленная квактндь; [í/PI - квантиль. нормального распределения применительно к заданной надежноетк (табличное значение) ; Уа и V^ - коэффициенты вариаций прочносп материала и действущкх напряжений; Я - коэффициент запас; прочности по средним напрякенияи

гr~adi<Jaa\ (i?)

где , 6Q - средние значения предела выносливости и де{ ствующих напряжений; - средше значение коэффициента дс

говечносга, определяемого по формуле

где /Уе - чисяо циклов перемен напряжений, соответствущее точке перелома кривой усталости; ш - показатель степени кри зой усталости; rf - эквивалентное чксло циклов перемен напряжений, опредекяекое по Формуле

Не = K¿,K , (19)

где К£Я - коэффициент эквивалентности цзклоз.

Для тякедого режима в m^IO, что присуще режущих инструментам, Кеы =0,1.

Суммарное число циклов перемен напрякений А',. определяется с учетом числа сколов, приходящихся aa I м пути резания i при перерезании твердых включений

Nz - ПСк Л L , (20)

где Я - удельное содержание в пласте (массиве) твердых включений.

Значения коэффициентов вариации V прочности твердосплах ных элементов, напаянных на дсрказки, в прочности паяного соединения, а такке параметры кривых усталости для паяного соединения получены нами экспериментально (методы изкокепи huís). Бредню значения коэффициентов вариации рекомендовано првнимат в расчетах равными 0,2. Показатель гфявой усталости т для паяного ова равным 10,2, число циклов Ыд « 750000. Значения гг,

для твердвх сплаэов имеются в литературе.

Экспериментальные исследования прочности и усталостной :говечности резцов осуществлялись'с использованием впервые работанных способов и технических средств, основанных на менении пластически деформируемого пуансона. Сущность ис-аний на прочность заклочаегся в нагруяении режущей кромки стороны передней, задней или боковой поверхностей статикой или ударной силой Р , передаваемой через пластически ¡ориируеиый пуансон, до поломки или заданного уровня (рис.б).

Рис. 6. Схема нагруяения радиального резца через пластически деформируемый пуансон

I - резец-; 2 - пластически деформируемый

пуансон; 3 - опора пуансона; Ч - резцедержатель

В качестве пластически деформируемого пуансона принимает-стальная пластина или брус твердостьо, адекватной твердости рушаемых пород. Применительно к испытании резцов очистных байнов пуансон должен быть'из стали твердостью НВ = 1800* ООО Ш1а. При таком способе нагрукения достигается повыше-точпости результатов испытаний, так как с ростом действуя-нагруэхи увеличивается площадка и длиш контакта, в отяи-от применения неплаетичных пуансонов. В сравнении с применен породных блоков точность достигается в данном случае счет стабяявных механических характеристик стального пуан-з. Применение предложенного способа позволяет проводить

сравнительные испытания резцов с различными формами режущей части.

С применением разработанного метода испытаний впервые получены статистические характеристики прочностных показателе режущей части резцов очистных комбайнов, т.е. средние значена ее дисперсии величин разрушающих и отрывающих вставку сия. Уст ноздекы статистические параметры показателей прочности армиру «их вставок, что дало возможность использовать их при расчете резцов на прочность. Б табл. I приведены обобщенные данше ре зультагов вспыгакий твердосплавных вставок на прочность.

Таблица Г

Статистические 1 параметры \ 1 Форма пластины / Марка сплава

Г24а-03 •1 2283/1

ВК6В I ВКГГВК ! ВК8В

Еогзчество партва (иас- 45 (450) 25 (250) 22 (220)

тин) сплава, подвергнутых

испытаниям, шг

Средние значения предела 1020 2240 1870

прочности пластин при

изгибе б^ , Ща

Коэффициент вариация зна- 16,6 14,3 15,0

чений предеда прочности

Средние значения предела прочности при изгиба, иаиример, пластин форна Г24а-03 (сплав ВК8В завода "Победит") в зависимости о? партий поставки находились в пределах от 1350 до 1980 НПа, т.е. разнились в 1,5 раза. Коэффициент вариации зна-чекий предела прочности таксе изменялся в широких пределах, (от 7,2 До 31,1 Зто свидетельствует об относительно боль-сой степеаи •¡естабияьиостн прочностних показателей, что необходимо учзткзагь при оценке прочноети резцов.

ОбйЗймшш данные результатов испытаний на прочность ревущей чат рззцоэ й-9® и ЗР4-80 приведена з табл. 2.

Установлено, что распределение ведичкы раэруиавшх нагрузок для пластин напаянных на державки и в исходном состоя-

Таблица 2

■ Статистические ] Тип резца/ Марка сплава •

параметры ' 1 i И-90КБ ! ! ЕР/(-80

! ВК8В ! BKIIBK ! ВК8В

Количество партия (рез- 18 (180) 20 (200) 60 (б)

цов), подвергнутых испы-

таниям, пгг ■

Величина средней разру- 42,2 48,1 53,7

шающей нагрузки Р , кй

Коэффициент вариации 22,6 20,7 23,9

величин разрушавшей

нагрузки Квар, %

нии, подчиняется нормальному закону. Повышенные-значения коэффициента вариации в сравнении с испытаниями пластин объясняются влиянием технологических отклонений в процессе изготовления резцов, что предопределило целесообразность разработки метода контроля прочности.

Статистический контроль качества ре.зцов ;no условно прочности преддоке-но осуществлять лгщружением рекуцел части резца контрольной ;на:гру'ЗК,оЯ.г .передаваемой чераз пластически деформируемый шуансоя по- яа.вй.ояев «еблаг'оПриятному, но вероятному направление даш дашгопо резца... ■ Бездаяна- контрольной нагрузки устанавливается да ссиозашт яепыг.еи.ий'-эталонной партии, т.е. из-готгяяешой ада строгой сойяпдеашк техпроцесса я использований яря этом «гармяйшяих ;Э-лемедтоз со средними значениями предела лрояиоезд, 1-ля здазяе.тздя явно дефектных изделий в крнт-роапруемых юарглзи jpoaoиь .испытательной нагрузки долаен со-зжвэзжгзютат» разлутеаия--4-5 резцов эталонной партии. При это.« -обвспачизае-гся -экономичность метода и возмояноегь применения стандартны* статистических методов контроля. За контро-¡шруемув ¡яаргяэ следует принимать количеству резцов, напаянных л терлогафабозганных на о дна Я установке в течение одной

Ойв^м заборки контролируемой партии должен формирачать-53 «йогаайаям лбразои з зависимости от объема контролируемой [зрхип <<с.т Ю до 20 резцов)..

Проныалеиная проверка метода контроля прочности резша для очистных комбайнов, выполненная на Краснолучсяда иаазаво-де, подтвердила возм.окность и целесообразность применения его для контроля качества серийной продукции и опытных партий резцов, поскольку метод прост в осуществлении и чувствителен к обнарукакие дефектов. Установлено* что для обеспечения стаб!Ш ности прочностных сбойств твердосплавных вставок, поступавших на завод отдельными партиями, их необходимо смешивать в обобщенную партия, состсящуо по крайней мере кз десяти отдельна* партий. Для автоматизированного иагружения резцов при контроле прочности предложен, разработанный аЕТорок, специализированны} стенд,

О использованием методой расчета резцов на прочность и усталостную долговечность разработана имитационная математическая модель их надежности и эффективности функционирования. Данная задача решена на основе системного подхода. Совокупность факторов, воздействующих ва процесс разрушения и связанных с параметрами резца, предложено разделить на четыре г. уп-пы и сгруппировать следующим образок.

Входные параметры X , характеризующие: схему резания; толщину и ширкну струхни; прочностные и абразивные свойства разрушаемой среды ; предельный игнос инструмента; предельную энергоемкость.

Выходные паракетры V , характеризуете свойства резца: износостойкость; прочность; энергоемкость процесса резания; материалоемкость; технологичность конструкции.

Неуправляемые (возиуиаищие) параметра У , харакгервзую-вие изменения: толщины струхкн; свойств разрушаемой среды; свойств материалов резца (усталость, нагрев, разупрочнение).

Управлявшие параметры 1 , характоризуиаие: конструкцию резца ; исходные свойства материалов резца.

Особенность» предложенной схемы взаимосвязи является то, что применительно к проектировании в качество управлявших параметров приняты конструктивные и геометрические параметры резца, р. такге свойства его нптериалоз с учетом техлогического воздействия на ннх. В качестве выходных параметров (частных критериев) предложено испозьБозагь как мквккук иярь койа«

ателей, характеризующих эффективность работы и его надеж-ость.'Качественные показатели резца будут тем выие, чем з ольией мере удается свести к минимуму энергоемкость резания материалоемкость резца, а износостойкость и технологичность зготовления - к максимуму. При этом прочность элементов рез-а. должна быть на уровне, обеспечиваюсем максимальную эффек-ивность применения.

Предложено от оценки по частным критериям (выходным пара-етрак.) перейти к оценке резца по обобщенному критерии, в ка-зстве которого целесообразно принимать условные затраты, езя-анкке с производством и эксплуатацией резца, отнесенные к на-аботке, обусловленной предельным износом или прочностью

С = (I М. сщ тс + Сг тт * С, т3 )/А , . (21)

це - масса ¿-го элемента резца, кг; Си. - цена ма-

гриала £ -го элемента, руб/кг; Сг - составляющая цены резца, Зусловленная техпроцессом изготовления, руб ; С3 - стоимость .¡ергше, израсходованной рвзцом до исчерпания его ресурса, ?б. ;, Л - наработка, м-3 (г) ; /77. , тг, - коэффициента зе-змост» составляющих суммы затрат, которые пибирастся исходя 3' анализа требования к проектируемому резцу и. сущсствуоцях тонкостей-реализации этих требований (получены методой чйпертных- оценок).

Минимуме суммы, затрат С представляет собой критерий сп-!)щ'дь«ости! (функцию цели).

Допустимая; степень затупления инструмента устанавливает-и«3= ограничений на износ по высоте и ограничений на энерго-шость резания

' (22)

С23)

£ и Н„((.) - соответственно, износ по аьсоте я эперго

гкесть резания, как функции пути резания I ; [ ^ ] и [Н„\ -щусгинке значения износа по высоте зстазк:г (оси керна) и ергоемкести.

Запасы "прочязс?к в I -ых сечениях должны удовлетворять условии

где П1(1) - запас прочности I -его сечения в функции пути резания; [П]- - допустимый' запас срочности для ¿ -ого се-, чекия.

Ограничения на показатели' материалоемкости целесообразно представить в виде

где [М^ ¿¡] - допустимый удельный расход материалов ¿-го элемента, кг/мг.

КроУе перечислениях ограничений, должно выполняться условие

Д ^ [А] , (26)

где [А] - заданная мкн'икально 'допустимая наработка, м'3(г).

Сущность, йодегироаация процесса исчерпания ресурса резца заключается в последовательном ирирааенни пути резания (¿. =.-= ¿¿^ тдО е расчете на каадом шаге функций ограничений. При йарушеиии какого-либо ограничения определяется наработка А к устанавливается причина отказа,. Оцаика эффективности функционирования резца осувествляегся па совокупному показателе) С, вычисляемому по формуле-(21).

Применительно к выбору оптимальных параметров резца при его' прозкткрйнаикк основное зтаик алгоритма, реагшзу»вдз имитационное кодеякровакке, представлпвтея сдедуоник образом.

I. Формирование параметров входной X и управляющей 2 групп.

1, Модификация параметров группы 1 .

3, Приравняв пугк резания Ц -- +д£.

Расчет параметров износа («лошади и высоты ) ;

5, 'Ёсйи усдовие. ^ [ ] ш выполняется, ид® и к п. 10.

6, Расчет наракезров ¡¡агрукешгостк, средней энергоемкое-та процесса рзегшйя и наработки Л .

7, условие I Н аз зипогняется, адтв к п.Ю,

8. Расчет геометрических параметров поперечных сечений >езца, 'расчет на прочность элементов резца (определение запаса прочности п¡_ или надежности .). '

9. Если условие п■ выполняется, идти к п. 3. .

10. Если условие А^[А] не выполняется, идти к п. 14.

11. Определение материалоемкости, степени технояогкчнос-'и, расчет ¡фитерия оптимальности С .

12. Если варианты сочетаний конструктивных параметров !е исчерпаны, идти к п. 2.

13. Печать результатов: входных параметров; выходных

;частных критериев) ; значений критерия оптимальности С и со-1тветствуищих ему параметров управлявшей группы 1 .

, 14. Конец расчета.

Модификация конструктивных параметров резца- осуществляйся в области поиска, ограниченной практически целесообразен пределами изменения этих параметров, установленных на ое-юзаник анализа современных отечественных и зарубежных конст->укций резцов.

Разработанная математическая модель позволяет осусестз-шть выбор оптимальных конструктивных параметров резца, а так-(е оценивать конкретное техническое решение, направленное на ювыгаение прочности, с использованйен предложенного критерия »тикаяьвости..

разработанное с использованием.предложенной математически модели программное обеспечение подсистемы автоматизированного проектирования резцов представляет собой два самостоятельна пакета программ :£7. - для расчета радиальных и тангендн-1лькых яепозоротных резцов-с. призматическими армирупщимг ¡ставками; ЯТК - для расчета тангенциальных позоротных рез-юз, армированных кернами круглого'сечепая или колпачками, [акатн этих программ позволяет с помощыо ПЭВМ реяать следуп-¡ие задача: осуществлять в автоматизированном режиме выбор ютикал&ных параметров резцоз применительно к заданным успови-:н эксплуатации; производить выбор резца по имеющимся л банке [анннх параметрам серийных конструкций; устанавливать область яциоиального применения конкретного типа рэзуцего инструкен-■а; рассчитывать наработку на отказ для заданных условий

эксплуатации.

Проверка адекватности результатов расчетов, выполненных по програкке R2 применительно к резцам очистных комбайнов, фактическим данный о расходе резцов И-90В в различных условиях эксплуатации (от I до 5 класса по расходу резцов), показала, что максимальное расхождение составило 14 % (5 класс), а в целок, для всех пяти классов, с доверительной вероятностью 0,95, разработанная математическая модель достаточно хорошо описывает процесс исчерпания ресурса по условиям износостойкости и прочности (экспериментальное значение критерия Фишера составило 5,20, а теоретическое -,5,85).

Разработанные методы расчета к испытаний резцов на прочность и метод параметрической оптимизации использовались при исследованиях по выбору параметров рекущей части для резцов очистных комбайнов. Исследование злияния формы передней поверхности резцов на прочность режущей части выполнено на образцах, полученных переточкой резцов Й-90ИБ. Наиболее характерные Формы представлены на рис. 7.

Г

ш

iSOe

Рис. 7. Форшг.передних поверхностей испытанных резцов Иснктанюг проводились кагругениен из: со стороны парадней поверз:юе2и статической" силой, передаваемой мере г пкастичесгеи деформируемый пуансон. Результата испшуший приведены э табл.3,

Таблица 3

Номер;Средняя разрушав- ¡Масса вставки ¡Удельная-прочность формы!щая нагрузка • I_!_

! RH !в % к № I —i--1— ? г !в % к К? I ! кЫ/г !в % к й I

Г 39 Л 100 25,8 100 1,52 100

2 34,9 88 18,6 70 1,93 127

3 40 ,8 103 22,7 88 1,80 118

4 29,8 75 17,8 . 69 1,67

5 51,2 103 24,5 95 2,09 137

Показатель удельной прочности; предстазлящий собой отношение величины разрушавшей нагрузки к массе, вставки, существенно зависел от формы, так как поломки происходили примерно на середине вставок» независимо от формы, а величина смещений равнодействующих контактных напряжений относительно вершины режущей кромки вдоль продольной оси для выпуклых форм имели большие значения, чем для резца с плоеной формой (№ I). Отсода следует, что наабольазя выпуклость передней поверхности в поперечной плоскости должна быть у реяущей кромки, т.е. в зоне действия контактных напряжений, а меньиая - в зоне действия растягивавших напряжении..

В результате анализа- поломок армирующих элементов призматической формн и напряженного состояния режущей части установлено, что опасные сечения расположена а пределах от 0,8 до 1,1 высоты вставки. .

Рекомендовано с- цельв повышения прочности армирувщих вставок призматических, форм передне.» поверхность выполнять так, чтобы в поперечном сечении наибольшая знпуклость 'была у ревущей кроют, а з продольном сечении на расстоянии .от вершины резца, рапном <3,8.4-1,1 высота вставки. Этот принцип реализован в конструкциях резцов ИГ-125 (A.c. $ 732523, серийное производство на КНЗ, экономический аффект б руб/резец.в ценах до 1985 г.) и P0-I0Ö (A.c. i?. 132Э706,; рекомендован 1ÍBK к серийному производству, расчетной экономический эффект.10,2 руб/резец в ценах до Г.01.1991 г.).

Прииекзниг резцов повшенкой прочности обеспечило снижение удельного расхода не только инструментов, но и твердого сплава. Повышение'надежности инструментов улучи ило режущие свойства исполните льнах органов, что сказалось на снижении энергоемкости разрушения пассива, увеличении выхода крупных фракций угля .'.снижения запыленности воздуха и увеличения производительности машин..'

Экономический эффект-от внедренных в отрасли технических ревений, вытекающих- из,результатов выполненных.исследований, составляет 320 тыс.руб." <в ценах до 1.01.1991 г.).

3 А К Л С Ч 2 Н И 2

В диссертационной работе на основе,учета взаимосвязанных факторов, определявших надежность и эффективность использования твердосплавных режущих инструкентоз очистных и проходческих кашкн, дако решение актуальной научной проблемы разработки методов повышения их прочности и долговечности, имеющей аакное народнохозяйственное значение. ,

Реализация результатов исследований позволяет повысить технический уровень режущих инструментов, сократить трудоемкость и сроки их создания.

Основные научные результаты, выводи и практические рекомендации заключаются в следующей:

I. Поломки рекуцих инструментов происходят, как правило, задолго до исчерпания ресурса, обусловленного износостойкостью что повшает удельный расход серийных резцов при работе в тя-зелых условиях не менее, чек в два раза в сравнении с удельный расходом, обусловленным изкосостойкостыз.

Повышенна прочности раяуршх инструментов до уровня, обеспечивавшего максимальную .эффективность'их применения, должно базироваться-на учете система взаимосвязанных мекду собой факторов» характеризувщих процесс раэруиения массива, изменяпшие-ся вследствие износа рекуцей части ее конструктивные параметры и нагрукенкость, а такке технологические особенности производства инструмента.

2. Поломки элементов резцов являются не только следствие« действия максимальных сил резания подачи и боковых, но и стохастически изменяющихся соотношений менду нгми, в связи с чеы при расчетах и испытаниях на прочность мгновенные значения указанных сил предлагается считать случайными, независимыми друг от друга. Интервалы изменения этих величин обусловлены вариацией толщины, стружки и неоднородностью прочностных свойств массива, максимальные значения нагрузок з которых следует определять по известным зависимостям, а математическое ояидание и дисперсно мгновенных значений - исходя из условия, что закон

их распределения нормальный.

Нагрукение резцов при испытаниях ва прочность следует осуществлять независимым приложением нагрузок к реяущей части по направлениям действия сил резания, подачи и боковых однократным воздействием, а при испытаниях на усталостную долговечность - многократными повторяющимися силами, величина которых по указанным направлениям соотносятся между собой адекватно эксплуатациейной нагруке нпос т и.

3. Испытания и расчет на прочность резцов следует выполнять с учетом конструктивных особенностей реяуцбй частя и степени ее износа, так как эти факторы оказываю? одновременно влияние ;га яагруженность я кесуаув способность.

При испитанкях на прочность следует имитировать процесс контактного взаимодействия нагружаемой поверхности резца с массивом так, чтобы сохранялись пропорция меяду величинами сил и площадками контакта резца с породой м резца с пуансоном на всех .уровнях нагруженая. Предложенный способ испытаний с применением пластически деформируемого пуансона, твердость которого адекватна твердости породы, обеспечивает заполнение этого условия и, как следствие, получение более точных результатов, чем с применением жестких пуансонов я яозкокность осуществления сравнительных испытаний резцов с различными формами режу-цей части.

При расчетах на прочность следует исходить из того, что контактные напряжения на гранях инструмента, вследствие дробяе-та породы, распределены по закону, близко»? к равномерному, 1то позволяет считать центра тягести площадок контакта места-

ия приловенвя равнодействующих контактных напряжений. Координаты центрсз тяжести площадок зависят от формы ракущей части, веаичин нагрузок, твердости породы и могут определяться по разработанной методике.

При расчетах на прочность опасное сечение для каждого конкретного типа резца следует устанавливать с учетом текущего значения износа и параметров усталостной долговечности материалов арнировки, паяного соединения и державки.

Установлено, что паяный шов при нагрукении подвергается упруго-пластическим деформациям, причем в наибольшей мере в периферийных зонах со стороны передней и задней поверхностей резца. Влияние паяного ива на степень механической связи между армируодим элементом и головкой державки, следует учитывать с помощи разработанных аналитических зависимостей и экспериментальных данных, полученных при испытаниях типовых конструкций серийных резцов.

Б расчетах, связанных с определением напряжений в паяном соединении для резцов с несимметричным расположением армирующего элемента (в продольном сечении режущей части) необходимо учитывать упругие свойства головки державки.

Показано, что напряжения в опасных сечениях державки за, висят от способа закрепления резца в реэцедеркателе, что позволило уточнить методику расчета деркавок на прочность и долговечность.

5. разработанные и изготовленные стенды для испытаний резцов на прочность и усталостную долговечность путем нагружений их статической, однократной ударной и циклической нагрузками, передаваемыми через пластически деформируемый пуансон, позволяв? осуществлять испытания на всех стадиях создания инструмента с цеаьо проверки расчетных данных, установления'статистических характеристик прочности, определения ресурса по усталостной долговечности « контроля прочности при изготовлении.

6. 3 результате экспериментальных исследований установлены основные статистические характеристики прочности резцов.

Биявяеиа закономерность распределения величин разруааю-щах рзсугуо часть нагрузок, которая подчиняется нормальному

акону. Для различных марок твердого сплава, партий его поста-ок, партий резцов, установлены средние значения разрушающих ^грузок и дисперсии (коэффициент вариации достигает 30 $), озволившие уточнить характеристики материалов непосредствен-

0 на изделии и предопределившие целесообразность применения онтроля качества резцов при изготовлении по условно прочности.

Экспериментально подтверждено, что наибольшей прочностьа 5яадают резцы, у которых передняя поверхность режущей части jesт максимальную выпуклость в поперечном сечении у рекущея эомки, а в продольном сечении - на расстоянии, равном 0,8 * 1,1 высоты вставки от вершины реяуеей кромки (для резцов с шзмагическими вставками).

7. Разработанная математическая модель, в основу которой >яожено имитационное моделирование процесса исчерпания ресур-

1 резца в функции пути резания, позволяет оценивать эффектпз->сть принимаемых технических решений, направленных на позыше-:е прочности. В качестве критерия оптимальности следует придать минимум затрат, связанных с производством и эксплуата-ей инструмента, отнесении к наработке резца, определенной

i условия предельной стойкости или прочности.

8. Разработанный метод оптимального проектирования резцов, лочаошкй пакеты прикладных программ для расчета радиальных тангенциальных неповоротных резцов с призматическими вставки (RZ ) и для тангенциальных поворотных резцов с кернами углого сечения (ВТК), позволяет: осуществлять в автоматизп-ванном режиме выбор оптимальных параметров инструмента на. ьтернатявной основе применительно к заданный условиям эксп-атацна; производить выбор резца по имеющимся в банке дан-

s параметра« серийных конструкций; осуществлять в диалого-s реииме сравнение альтернативах конструктивных вариантов; ганавливать область рационального применения конкретного pesero инструменга; рассчитипать наработку на отказ и удеяьннг, зхоа резцов гаптчпп: усгоигя эксгяузтаг?:;:.

9. Разрабогзкпн? рзсчега г; ксгытаикй па прочность 1ояговеччсстт> рзг.гое, чатемпткчйггая йоге."«. т.т. мадегксогп.г >?KT?fPí?ocTr! фуг.'сжог.г'говапнг, М21-ОГ о"ксгг« проектирог.а-

¡?г)г:'ог;гос:г!- >:ncTay::Qsncz ко. иаучЕсГ.

Результаты диссертационной работы в виде исходных требований к резцам повышенной прочности и конкретных предложений по повыиению прочности рекуией части, защищенных авторскими свидетельствами, реализована в ИГД им. А.А.Скочинского, ВНМИТС Гипроуглекаше и Краснояучском машзаводе при создании резцов для очистных комбайнов повышенной энерговооруженности. Экономический эффект по внедренным разработкам составляет 320 тыс. руб. (по состояние цен до I.0I.I99I г.). Социальный эффект от внедрения выполненных разработок состоит в снижении трудоемкости создания новых типов инструмента (за счет исклсчения или уменьшения объема шахтных испытания) и в снижении запыленности воздуха при применении более надеккых и эффективных конструкций резцов.

Основные полоажния диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сысоев Н.й. Основы создания режущих инструментов повышенной прочности для очистных и проходческих машин// Надекност. и качество горных машин и оборудования: Тр. Мекдунар. неквуз. научн.-практ. хонф. 21-25 октября 1991. - Н.: ИГ И, 1991. -

- С. I6I-I64.

2. Сысоев Н.Й, Основы методики расчета на прочность режущей части резцов очистных комбайнов с учетом нестабильности прочностных свойств материала аркировки. Б меквуэ.сб.: Очистные и проходческие машины и инструменты. - Новочеркасск, 1988- С. 86-94.

3. Сысоев Н.й. ¡©следование влияния формы режущей части резцов очистных комбайнов на прочность их армировки. В кеквуз. сб.: Инструменты и машину выемочных а проходческих комплексов.-Новочеркасск, 1983. - С. 88-92.

4. Крапивин М.Г, , Раков U.S., Сысоев Н.И. Горше инструменты. - 3-е изд., перераб,- и доп. - М.: Недра, 1990. - 256 с.

5. Методика расчета резцов на прочность и долговечность/ Е.З.Позиа, В.В.Тон, Н.К.Сысоев к др. - К.: йн-т гори.дела им. А.А.Скочиского. - 1986. - 60 с.

6. Раков И.Я., Нинежсоэ. И.И., Сысоев Н.И. Аппаратура телеметрического измерения тяговых усилий угледобывающих машин//

орные машины и автоматика: ]>еф. сб./ЦНШТЭуголь. 1974.! 3. - С. 28-29-.

7. Раков И.Я., Мияенкоз и.II., Сысоев Н.И. Комплектная ппаратура для производственных испытаний выемочных маяин я >е ¡хуке-го инструмента// Инструменты и исполнительные органы орных малин: Тр. ЯП И, № 288- - Новочеркасск, 1974. - С.13-21.

8. Раков И.Я., Сысоев Н.iL, Максименко В.И. Расчет нап-яженного состояния регсуцей частя горного твердосплавного ин-трумента// 'Лнструменты а исполнительные органы горных малин: р. Ш'Л, К? 334. - Новочеркасск, 1975. - С. 37-41.

9.. К методике лабораторных испытаний рекуиего инструмен-а угле добывающих мапин на прочность/ Й.Я.Раков, Ei.И.Сысоев, .В.Еородай„ К.Г.Крапивж// HKcrpyменты и исполнительные ораны, горных машин: Тр.. НИИ, № 334. - Новочеркасск, 1975. -. 37-4Г.

10. Крапивкег Н.П., Раков И.Я. , Сысоев Н.И. исследование рочности рекучего инструмента угледобызавэдгх малин// Теория практика разрушения углей и горных пород: Сб. 1<ГД им. A.A. ¡сочинского. - K.i 1978. - 41 с.

П. Сысоев B.IL Оценка прочности режущих инструментов вые-зчных комбайнов ускоренным методом// Горичие сланцы: Информ. :р. Г/ЗстНИИНТИ.. - Таллин, 1919. - » 2. С. 24-28. ■

12. Основы методики испытаний на прочность реяущих янст-гментов внемочннх комбайнов/й.Г,Крапивин, И.Я.Раков, Н.И. юоев, Е.ЗЛозп!?// Инструменты, машины и автоматы для горной lOMirniefffioCTitt Межвуз. сб. - Новочеркасск, 1979. - С. 13-19.

13.. Расчет- режущей части инструментов угкедобывавэдх на--ш на прочность/ И.Я.РакоЗ, Н.И.Сысоев, Л.Б.Нечаев, Е.З.Ло-ia// Инструменты, магаини и автоматы для горной промшленнос-

Кеюзуз-. сб, - Новочеркасск, 1979. - С. 20-30.

14. К методике контроля' прочности резцов очистных комбая-■в/ И.Г.Крапивин, К.И.Сысоев, Е.З.Яозин, А.С.Казанский// Ин-рументы и нааины выемочных и проходческих комплексов: Мея-з. сб. - Новочеркасск, 1983. - С. 3-9.

15. Крапивин H.F., Сысоев Н.И., Леденев А.Г. К расчету прочность цолотчатих п конусных струговых резцов// Совер-

нствованне струговой техники а технологии/ 1ГД им. А.А.Ско-

чниского: ЕахтйИУй. - Шахгн, 1983.- С. 99-104.

16» Особенности автоматизированного выбора параметров ревущего инструмента при его проектировании/ В.З.Меламед, Н.Т.Кругяов, Н.И.Сысоез, Р.К.Пичхадзе// Разрушение углей и горных пород: Науч.сообщ. - М.: горн.дела им. А.А.Ско-чинского. 1989. - С. 17-23.

17. Сысоев H.H., Крапивин Н.Г., Пичхадзе P.M. Резец

Р0-100 для очистных комбайнов// Новочеркасский политехнический институт народному хозяйству (выпуск I): Сб. аннот, - Новочеркасск: НИИ, 1989. 16 с.

18. Ливкик D.E., Сысоев Н.И., Лктвак Г.А. Исследование долговечности реацедеркатевей выемочных комбайнов// Кеханиза-ция горны;; работ на шахтах: Сб. науч. тр. - Тульский политех!. йн-т. - 1990. - С. 127-140.

19. A.c. 732523 СССР. Резец для горных кааин/ Новочсркас cKî'fi политеха. ин-т, Крас получений кавиностроит. завод, ВНИИ! Авт. изобр. К.Г.Крапивнн, И.Я.Раков, Н.И.Сысоев и др. (СССР) - » 1932737/22-03;'Заявлено 22.06.73; Опубл. 05.05.80 ; Ь^л.M

20. A.c. S5W6 СССР. Способ испытания на прочность твер доспяавного гор норекуцего инструмента/ Новочеркасск^! политех ин-т ; Авт. изобр. К.Г.Крапкиии, И.Я.Раков, Н.И.Сысоев и др. (СССР) - 0,2582886/25-28; Заявлено 20.02.78; Опубл. 30.08.82. Бед. Ss 32,

21. A.c. 1323706 СССР. Резец для горных кааик/ Новочеркасска политег.н. кн-т, ин-т горн.дела им. А.А.Скочинского, ВНШ-ПС;Авт. srsoöp. Е.И.Сысоев, Н.Г.Крапивин, Е.З.Позин и др. (СССР) - L? 4011129/22-03; Заявлено 22.01.86; опуол. 15.07.87. Бвл. & 26.

22. Полова?, реи. ЗНШ2ГПЭ от 27.04.90. Установка для ис-пытапкя на устаяосгь/ ИовочеркасскиЕ политехи, ин-т ; Авт. ::so< Н.И.Сысоев, Р.К.Лкчх&дге (СССР) - Ï'- 4680029/25-28.