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

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

2 О СЕН Ш

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005047104

005047104

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель -

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

Официальные оппоненты.

Хазанович Григорий Шнеерович

Задков Денис Александрович

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

ГАБОВ В.В.

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.

Задачи исследований:

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

резца.

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.

Научная новизна:

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

отказа инструмента.

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).

у

\а>

р ^ ' / /пах

/ ' • 7

р ' у тах

N.

н;

I

1

1 н

^ТТТТПШЩМ

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)

где {ар\, [асж] - допускаемые напряжения материала на растяжение и сжатие; сгпих, сгтш - нормальные растягивающие и сжимающие напряжения, возникающие соответственно в опасных точках 1 и 2 под действием максимальных пиковых усилий:

шах 1,2

Я" • (/

%-(Ргт.^тв-Ру

со $в)-1

^-— + Ргта-со*е + Рувах-зтв

эквивалентное напряжение:

= 2-

1-

ы

кД

х-с!2

1 +

ы к.]

2-(Р:

шлх СОз6> + Рутах-51П<

п-й1

' БШ — Ру тах • С05

'Ъ

; (2)

(3)

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.

= ппп(/V,»; )> (4)

где 1'прс<)1,1 'пра)2 - величины предельного обнажения для опасных точек 1,2:

л-<1ъ

Г

к/«]±

4 •(/>„

■СО8 0+ />,„„ -8111

я-а2

»¡>с<)\Л '

__(5)

ъг-{ргтт-*те-рутж-со1в) Режущая часть поворотного резца также рассчитывается и на циклическую долговечность. Для державки опасным является то же самое сечение 2-2. В отношении твердосплавной вставки это не очевидно, поэтому ниже для наглядности рассмотрен именно этот случай.

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.

12

2)Если >4а,а <¿,1бурт.С05в+1 + ад то:

■{*о-ф!г)\ (?)

где 4'/ ~ Длина износа головки державки по высоте: д _ /- А/ А. ■> ч .

л 1000

- интенсивность изнашивания по высоте головки державки; <4/.%™ - длина образующей изношенной конической части головки державки, соответствующей износу бурта на всю его ширину:

¿бурт

1

tgв■sin(в-y/2) %тв

(8)

3) Если а /. > Д£-со5<9 + / или ^>Ьад, а

/,. > Д ^ • сов в + / + Дд + ^ , то: /у, = ¿) + 2 ■ %(у/2)-{1, - /).

Полученные значения О) проверяются по условию: если В< с1, то £>', = </.

Мгновенные значения нормальных напряжений в точках, находящихся на боковой поверхности твердосплавной вставки, изменяются по следующему синусоидальному закону (рис. 6):

СГ + С ■ <Т — СТ

0. тах шт шах шт

2 2 где Т - период колебания, а равный длине пути резания, приходящегося на один оборот резца; (Тю (- максимальное (минимальное) напряжение цикла, равное максимальному (минимальному) нормальному растягивающему (сжимающему) напряжению в рассматриваемом ьм поперечном сечении:

Рис. 6. Зависимость а=[(И) для ¡-го поперечного сечения резца

я-D 7

16 -Q^-AJ-d/l

D'¡

+ Nr

(10)

Па - число сколов на метре пути резания;

N— число циклов нагружения (элементарных сколов);

N

А - длина износа по высоте вставки: д = ¿.. ц, ---у^;

" ' пск

ц/дн - интенсивность изнашивания по высоте вставки; Qy — проекция среднепиковых сил резаиия и подачи на ось Y, перпендикулярную продольной оси резца: Qy = Рг пт • sin в - Ру ПИ1! • cos в; Nx - проекция среднепиковых сил резания и подачи на ось X, совпадающую с продольной осью резца: Nx = Р, ПИ1< • cos в + Ру ПИ1( ■ sin в;

p_ma¡, р - среднепиковые усилия резания и подачи.

В работе предложен метод расчета на циклическую прочность, основанный на принятом утверждении о накоплении в материалах резца усталостных микроповреждений, интенсивность которого соразмерна действующим в сечениях напряжениям и равна величине, обратной максимальному количеству циклов нагружения Nnia„ вычисляемого по кривым усталости. Таким образом:

при о>0 (растяжение)

1

-• о<0 (сжатие):

1

(П)

^ К™ П~Ь2

где а/, 6/ - коэффициенты кривой усталости для твердого сплава ВК при растягивающем нагружении, а2, Ъ2- при сжимающем.

Для нахождения местоположения поперечного сечения вставки, в котором произойдет усталостная поломка, и определения длины пути резания до выхода резца из строя нужно для каждого 1-го поперечного сечения вставки найти такое значение верхнего предела интегрирования, при котором значение интеграла от функции скорости накопления усталостных повреждений по переменной количества циклов нагружения будет равно единице (рис. 7), т. е. необходимо

N .

решить следующее уравнение: Г 1 .¿у = 1 где N является искомои ве-

■I N

О тах

Рис. 7. К расчету предельного значения количества циклов нагружения вставки ТУ для ¡-го поперечного сечения

личинои.

С целью автоматизированного решения поставленной задачи в среде Mathcad была разработана компьютерная программа на основе численного интегрирования методом трапеций.

Для каждой рассмотренной причины выхода поворотного резца из строя получены уравнения по определению предельного пути резания. Минимальное значение наработки, рассчитанное по этим уравнениям, соответствует наиболее раннему наступлению отказа, т. е.:

L — mm{Lcrnll,KM, Lcmn[ri4l, L:uillx,Lycmnp<M, L}rmll/m2 ), (12) где Lcmnp,H t - путь резания по условию поломки режущей части ТПР в месте закрепления твердосплавной вставки в головку державки или державки в месте сопряжения ее головки и хвостовика в результате действия максимально возможной нагрузки, превышающей прочностные показатели составных частей резца: Lcm = 0 в случае не выполнения условий статической прочности; Lumac ~ путь резания по условию достижения предельной величины износа режущей части резца, при которой в результате изнашивания головки державки резца полностью оголится твердосплавная вставка и произойдет ее выпадение:

¿w (13)

La,uip<H. - путь резания по условию поломки твердосплавной вставки вследствие изнашивания головки державки и обнажения вставки при возникновении максимальной пиковой нагрузки, превышающей прочностные показатели твердосплавного материала:

I — ^ + У SA ' ^oà (ЛЛ\

ст.п]юч2 * , , ! (14)

Lyvm.npmi, L^mn[X„ 2 — пути резания по условию поломки твердосплавной вставки или державки в результате действия переменных нагрузок и накопления усталостных повреждений. Ly-mn!mi, Ь,л7ппрт2 рассчитываются по программе, составленной в среде РТС Mathcad.

Таким образом, разработанная математическая модель позволяет определять долговечность и наиболее вероятный вид отказа с учетом специфики работы ТПР и является основой для дальнейших исследований влияния геометрических параметров инструмента и физико-механических свойств разрушаемой породы на долговечность ТПР и

обоснования рациональных исполнений ТПР применительно к заданным условиям 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 абра-зивности разрушаемой породы достижением предельного уровня изнашивания головки державки или поломкой оголенной твердосплавной вставши

С использованием разработанной математической модели долговечности для трех типоразмеров ТПР с различными диаметрами твердосплавной вставки были получены зависимости прогнозируемой наработки инструмента на отказ от контактной прочности Рк породы и показателя ее абразивности а (рис. 8).

Полученные зависимости имеют одинаковый характер независимо от типоразмера резца. На графиках имеются две характерные зоны. В зоне I выход резца из строя обусловлен достижением предельной величины износа стальной головки державки, после чего происходит потеря оголенной твердосплавной вставки. Такой вид отказа возможен при разрушении слабых пород (РК < 200...300 МПа), прочности которых недостаточно для возникновения усилий, способных вызвать поломку составных частей резца, либо при разрушении среднеабразивных пород (а > 19...20 мг), т. к. в этом случае более интенсивно начинает изнашиваться вставка резца и ее вылет над головкой державки за время эксплуатации инструмента не достигает критической величины 1'пра,- В зоне П выход ТПР из строя обусловлен более ранней поломкой твердосплавной вставки в результате ее оголения на некую критическую величину Гщ^ь при шторой напряжения, возникающие во вставке под действием пиковых усилий, превысят предел прочности твердого сплава. При этом происходит резше снижение долговечности инструмента.

Как можно заключить из результатов расчета (рис. 8), в одинаковых условиях эксплуатации резцы со вставками большего диаметра более долговечны, хотя и для них не исключена поломка вставки. Так, при работе по породам ниже средней абразивности для резца с с1=\2 мм поломки вставок начнут происходить при Рк > 200 МПа, сс1= 15 мм - при Рк > 250 МПа, с (1 = 19 мм - при Рк > 300 МПа. Это объясняется тем, что одновременно с увеличением диаметра вставки закономерно возрастают

Рис. 8. Зависимость Ь =/(Рк, а) при работе ТПР с диаметром вставки 12 мм (а), 15 мм (б) и 19 мм (в) в породах с Ц<р= 2

а)

Осталось в рабочем состоянии (с видимыми следами износа/ головки державки)

б)

Утеряно

Сверхнормативный износ резца по высоте до уровня крепления/ вставки на 28 мм

Поломка твердосплавной вставки в месте ее закрепления

Сверхнормативный износ резца/ по высоте на 30-40 мм

в) Сверхнормативный Отрыв вставки износ резца по высоте 32%

Утеряно

состоянии (с видимыми следами износа головки державки)

Поломка твердосплавной вставки

Рис. 10. Результаты промышленных испытаний опытных партий поворотных резцов: а) РШ25-65/128К {й = 12 мм), б) РШЗЗ-85/17,5 (й= 17,5 мм), в) РШ32-70/165К

(¿=16 мм)

5,5

Ор, МПа Ад, мм

17,2

1860

1488

1116

744

372

- 13,76 10,32

- 6,88 - 3,44

- 100

- 80

- 60

- 40

- 20

1_ 0

[5], [Ад], [ств]в Достижение предельной величины \ Хизноса головки державки

/1 /.1_____ ______г! VI

Мд 7 5 / / 1

у* / ' ' 5

' Л, / Усталостная 1 / поломка вставки | | I \ /

Л /V 1 / Усталостная поломка / | державки - 1

1 1 1 1 I 1 1 1 1 1

50

100

150

200

и, км

Рис. 9. Зависимости эксплуатационных характеристик резца от пройденного пути резания Ц при работе резца с <1 = 19 мм в породах с Рк = 264,9 МПа, а =

5 мг, tg(p = 2.

Кривая 1 - зависимость величины износа по высоте головки державки кривые 2, 3 - зависимости уровней относительных усталостных повреждений 5 в наиболее опасных поперечных сечениях вставки и державки соответственно; кривые 4, 5 - зависимости возникающих под действием пиковых усилий максимальных нормальных напряжений растяжения отах1 в наиболее опасных поперечных сечениях вставки и державки соответственно

и действующие на резец усилия резания Р7 и подачи Ру, причем интенсивность их роста весьма высока, в связи с чем напряжения, возникающие в сечениях вставки, снижаются лишь незначительно.

Из результатов также следует, что поломки, вызванные накоплением усталостных микроповреждений, не характерны для работы ТПР. В связи с тем, что усталостные поломки возможны только при длительной эксплуатации инструмента, т. е. многократном его нагружении, более детально был рассмотрен случай, когда наблюдалась наибольшая наработка на отказ - работа резца с d = 19 мм в малоабразивных горных породах (а = 5 мг). Из рис. 9 видно, что в рассматриваемых условиях эксплуатации причиной, ограничивающей долговечность, будет достижение предельной величины износа головки державки. К моменту выхода резца из строя накопленный уровень относительных усталостных микроповреждений в наиболее опасных сечениях вставки и державки составит всего около 50%. Наработка же ТПР на отказ по причине усталостных поломок примерно в два раза превышает величину предельного пути резания, рассчитанную по условию постепенного изнашивания резца.

- Полученные расчетные данные хорошо согласуются с данными промышленных испытаний ТПР, анализ которых позволил заключить, что наиболее вероятными причинами отказов являются:

- поломка оголенной твердосплавной вставки при работе по породам с крепостью/до 4 и абразивностью а до 15 мг (рис. 10, а);

- достижение предельно допустимого уровня износа головки державки при работе по породам с крепостью/= 6-9 и абразивностью а свыше 18 мг (рис. 10, б);

- достижение предельно допустимого уровня износа головки державки и поломка твердосплавной вставки, обусловленная присечкой более прочных пород (<тсж = 43,0 МПа), при работе по углю прочностью Сене 14,1 МПа (рис. 10, в).

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.

При выборе рациональных исполнений ТПР помимо долговечности следует также учитывать затраты на изготовление и эксплуатацию

инструмента, определяемые как:

с = ц,,крг ■ Hw ■ vp + Цвк ■ тн + Цсташ ■ та + Кс и ■ СяЛв + Кс , ■ Сэ баз, (15)

где Цжрг - цена 1 кВтч потребляемой электроэнергии, рубДкВтч); Hw

- удельная энергоемкость процесса резания, кВтч/м :

Н = 0 277 ■ t, h - шаг резания и средняя толщина срезаемой w ' t-h'

стружки, мм; Vp - объем разрушенной резцом породы до выхода его из строя, м3; Цвк, Цстти ~ Цена 1кг материала вставки и державки, руб./кг; те, тд - масса вставки и державки резца; Кст Ксэ - коэффициенты сложности изготовления и эксплуатации резца; С^баз - стоимость работ по изготовлению резца базовой конструкции, руб.; С,.&п

- стоимость эксплуатационных работ по замене резца базовой конструкции, руб.

В качестве показателя эффективности исполнений поворотных резцов принят объем выработки, приведенный к затратам на изготовление и эксплуатацию инструмента: Э= Ур/ С. Данный показатель является комплексным, т. к. учитывает следующие конструктивные и эксплуатационные свойства: долговечность резца, определяемую прочностью и износостойкостью ее режущей части; энергоемкость процесса разрушения породы; металлоемкость конструкции; технологичность изготовления инструмента; практичность его использования.

Анализ зависимостей комплексного показателя эффективности от прочности разрушаемой породы (рис. И), полученных для рассматриваемых трех типоразмеров поворотных резцов, показал, что каждое исполнение резца имеет свою область рационального применения, причем с увеличением прочности породы экономически целесообразнее применение резцов с большими значениями твердосплавной вставки. За счет использования рацио-

Рк, МП а

Рис. 11. Зависимое™ Э=Д/\) для резцов с различными диаметрами вставки при их работе в породах с а = 15 мг, 2

нальных исполнений ТПР эффективность повышается до 30% (разница в значениях Э резцов для Рк = 600 МПа).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи повышения эффективности применения поворотных резцов проходческих комбайнов путем выбора рациональных значений геометрических параметров инструмента.

Основные научные и практические выводы и рекомендации:

1. Разработана математическая модель, описывающая процесс выхода поворотного резца из строя в результате одновременного действия на инструмент циклических сжимающих и изгибающих нагрузок и изнашивания составных частей резца, также позволяющая определять долговечность и преимущественный вид отказа инструмента при эксплуатации в тех или иных условиях.

2. Установлена закономерность формирования напряжений в опасных сечениях составных частей ТПР, учитывающая изнашивание и вращение инструмента, на основании которой разработаны методы расчета статической и усталостной прочности.

3.Установлена зависимость для определения предельной величины оголения твердосплавной вставки резца из условий его статической прочности.

4. Выведена зависимость интенсивности накопления относительных усталостных повреждений от уровня действующих в сечениях резца напряжений, положенная в основу метода расчета составных частей резца на циклическую долговечность.

5. Установлено, что уровень усталостных повреждений в наиболее опасном сечении к моменту выхода инструмента из строя не превышает 50% от предельно возможного, на основе чего сделан вывод о том, что поломки усталостного характера не свойственны для работы ТПР.

6. Теоретически обосновано, что выбор рационального исполнения ТПР применительно к заданным условиям эксплуатации необходимо производить на основе комплексного показателя эффективности, представляющего собой объем выработки, приведенный к затратам на

изготовление и эксплуатацию инструмента, за счет чего можно достичь повышения эффективности до 30%.

7. Разработана конструкция составного поворотного резца, позволяющая повысить эффективность применения инструмента за счет многократного использования хвостовика державки резца.

8. Результаты работы приняты к использованию компанией ООО «СПб-Гипрошахт» при проектировании угольных шахт, в частности -при разработке проекгно-сметной документации на выполнение проходческих работ.

Наиболее значимые печатные работы:

1. Талеров М. П. Возможный способ диагностирования резцов проходческих и очистных комбайнов // Записки Горного института. — СПб., 2009. - Т. 182: Полезные ископаемые России и их освоение. - С. 122-124.

2. Талеров М. П. К распределению микроструктуры по длине породоразрушающих резцов / В. И. Болобов, В. Л. Бобров, М. П. Талеров, В. В. Мишин // Горное оборудование и электромеханика. - М., 2010. -№ 10.-С. 26-28.

3. Талеров М. П. Зависимость износостойкости корпуса резцов горного инструмента от распределения твердости по длине резца // Записки Горного института. - СПб., 2010. - Т. 186: Полезные ископаемые России и их освоение. - С. 140-142.

4. Талеров М. П. Сравнительный анализ износостойкости отечественных и зарубежных породоразрушающих резцов и возможные пути ее повышения / В. И. Болобов, В. Л. Бобров, М. П. Талеров // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 9-ой международной научно-практической конференции (Воркута, 6-8 апреля 2011 г.).-Воркута, 2011.-С. 236-239.

5. Причина быстрого износа тангенциальных резцов / В. И. Болобов, В. С. Бочков, В. Л. Бобров, М. П. Талеров // Записки Горного института. - СПб., 2012. - Т. 195: Полезные ископаемые России и их освоение. - С. 237-240.

6. Составной резец для горных машин. Патент РФ №2448247 / В. И. Болобов, В. В. Габов, М. П. Талеров, К П. Талеров // МКП Е21С35/18 (2006.01)// (Бюл. № 11, 20.04.2012).

РИЦ Горного университета. 06.09.2012. 3.620. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА.

1.1. Анализ способов разрушения пород при проведении горных выработок с помощью проходческих комбайнов.

1.2. История создания и тенденции развития резцов проходческих комбайнов.

1.3. Анализ условий применения поворотных резцов. Классификация горных пород по разрушаемости.

1.4. Конструкция поворотного резца и основы проектирования его режущей части.

ВЫВОДЫ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫХОДА ПОВОРОТНОГО РЕЗЦА ИЗ СТРОЯ.

2.1. Анализ возможных причин выхода поворотных резцов из строя.

2.2. Обоснование целесообразности разработки методики расчета долговечности поворотных резцов.

2.3. Методика расчета долговечности тангенциальных поворотных резцов и установления причин выхода их из строя.

2.3.1. Определение исходных нагрузок и интенсивностей изнашивания резца.

2.3.2. Статическая прочность режущей части поворотного резца.

2.3.3. Усталостная прочность режущей части поворотного резца.

2.3.4. Определение пути резания до наступления отказа резца.

ВЫВОДЫ.

3. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И ВИДЫ ОТКАЗОВ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ ПОВОРОТНЫХ РЕЗЦОВ.

3.1. Исходные данные для проведения вычислительных экспериментов.

3.2. Исследование влияния на долговечность и вид отказа поворотного резца свойств разрушаемой породы.

3.3. Возможные пути повышения долговечности тангенциальных поворотных резцов.

3.4. Исследование влияния диаметра твердосплавной вставки на долговечность и вид отказа поворотного резца.

3.5. Исследование влияния усталостных процессов на долговечность и вид отказа поворотного резца.

3.6. Сопоставление расчетных данных с результатами промышленных испытаний тангенциальных поворотных резцов.

ВЫВОДЫ.

4. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОВОРОТНЫХ РЕЗЦОВ.

4.1. Метод технико-экономической оценки тангенциальных поворотных резцов.

4.2. Новая конструкция тангенциального поворотного резца.

ВЫВОДЫ.

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.

Задачи исследований:

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 резца.

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использовался комплексный метод исследований, включающий научный анализ и обобщение опыта проектирования и эксплуатации поворотных 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.

Научная новизна:

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 отказа инструмента.

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).

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 интенсивностей изнашивания составных частей резца и исходных нагрузок на инструмент.

Третья глава посвящена анализу полученных результатов вычислительного 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.

8. Результаты работы приняты к использованию компанией ООО «СПб-Гипрошахт» при проектировании угольных шахт, в частности - при разработке проектно-сметной документации на выполнение проходческих работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи повышения эффективности применения поворотных резцов проходческих комбайнов путем выбора рациональных значений геометрических параметров инструмента.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель, описывающая процесс выхода поворотного резца из строя в результате одновременного действия на инструмент циклических сжимающих и изгибающих нагрузок и изнашивания составных частей резца, также позволяющая определять долговечность и преимущественный вид отказа инструмента при эксплуатации в тех или иных условиях.

2. Установлена закономерность формирования напряжений в опасных сечениях составных частей ТПР, учитывающая изнашивание и вращение инструмента, на основании которой разработаны методы расчета статической и усталостной прочности.

3. Установлена зависимость для определения предельной величины оголения твердосплавной вставки резца из условий его статической прочности.

4. Выведена зависимость интенсивности накопления относительных усталостных повреждений от уровня действующих в сечениях резца напряжений, положенная в основу метода расчета составных частей резца на циклическую долговечность.

5. Установлено, что уровень усталостных повреждений в наиболее опасном сечении к моменту выхода инструмента из строя не превышает 50% от предельно возможного, на основе чего сделан вывод о том, что поломки усталостного характера не свойственны для работы ТПР.

6. Теоретически обосновано, что выбор рационального исполнения ТПР применительно к заданным условиям эксплуатации необходимо производить на основе комплексного показателя эффективности, представляющего собой объем выработки, приведенный к затратам на изготовление и эксплуатацию инструмента, за счет чего можно достичь повышения эффективности до 30%.

7. Разработана конструкция составного поворотного резца, позволяющая повысить эффективность применения инструмента за счет многократного использования хвостовика державки резца.

1. Бритарев В. А., Замышляев В. Ф. Горные машины и комплексы. М.: Недра, 1984.-288 с.

2. Барон Л. И., Глатман Л. Б., Губенков Е. К. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. М.: Наука, 1968. - 216 с.

3. Емелин М. А. и др. Новые методы разрушения горных пород: Учеб. пособие для студентов горн.-геол. вузов. М.: Недра, 1990. - 241 с. -(сер.: «Высшее образование»).

4. Новые методы разрушения и механика горных пород: Сб. науч. тр. / АН УССР, Ин-т геотехн. механики; Редкол.: Э. И. Ефремов (отв. ред.) и др.. Киев: Наук, думка, 1981. - 187 с.

5. Бреннер В. А., Жабин А. Б., Пушкарев А. Е., Щеголевский М. М. Гидромеханическое разрушение горных пород. М.: АГН, 2000. 343 с.

6. Качурин Н. М., Бреннер В. А., Жабин А. Б., Щеголевский М. М., Лавит И. М. Расчет и проектирование гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов. М.: МГГУ, 2003. 293 с.

7. Жабин А. Б. Обоснование параметров взаимодействия агрегированного механогидравлического инструмента с массивом для эффективного разрушения крепких горных пород: автореф. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук / Тульский политех, ин-т. Тула, 1984. - 18 с.

8. Жабин А. Б. Разрушение крепких горных пород гидромеханическими резцами проходческих комбайнов: автореф. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук / Тульский гос. ун-т. Тула, 1996. - 42 с.

9. Харламов С. Е. Моделирование процесса разрушения горных пород гидромеханическими резцами проходческих комбайнов и разработка метода расчета их нагруженности: автореф. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук / Тульский гос. ун-т. Тула, 1998. - 17 с.

10. Крапивин М. Г., Раков И. Я., Сысоев Н. И. Горные инструменты. М.: Недра, 1990.-256 с.

11. Солод В. И., Гетопанов В. Н., Рачек В. М. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов: Учебник для вузов. -М.: Недра, 1982.-350 с.

12. Разрушение горных пород и композиционных материалов поворотными резцами: Сб. научных трудов. М.: АГН, 1998. - Вып. 1. -175 с.

13. 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. - 34 с.

14. Леванковский И. А., Позин Е. 3. Общие вопросы создания и совершенствования режущих блоков для горных и дорожных машин // Разрушение горных пород и композиционных материалов поворотными резцами: Сб. научных трудов. М.: АГН, 1998. - Вып. 1. - С. 6-29.

15. Курбатова О. А., Харин А. 3. История развития горной механики: Учеб. пособие. Владивосток.: ДВГТУ, 2004. - 137 с.

16. Белич Е. В., Гусельников Л. М., Задков Д. А., Подосенов А. А. Испытание нового горно-режущего инструмента в шахтах Воркуты // Горное оборудование и электромеханика. М., 2007. - № 8. - С. 2-5.

17. Глатман Л. Б., Леванковский И. А., Мультанов С. И. Основные аспекты создания новых поколений поворотных резцов для разрушения горных пород // Горный вестник. М., 1993. - № 2. - С. 54-60.,

18. Курбатов В. М., Нацвлишвили В. 3. Исследование износа резцов РКС-1 // Научные сообщения / Акад. наук СССР. Ин-т горного дела им. А. А.

19. Скочинского. М.: ИГД, 1979. - Вып. 178: Комплексная механизация проведения горных выработок. - С. 7-11.

20. Курбатов В. М., Мельников А. Н. Опыт применения поворотных резцов РКС-1 на проходческих комбайнах // Разработка и опыт применения новых типов горнорежущего и горнобурового инструмента: Темат. сб. Киев: ИСМ, 1983. - С. 8-9.

21. Глатман JI. Б. Поворотные резцы для проходческих комбайнов // Научные сообщения / Акад. наук СССР. Ин-т горного дела им. А. А. Скочинского. М.: ИГД, 1981. - Вып. 202: Научно-технические вопросы комплексной механизации горнопроходческих работ. - С. 711.

22. Кекелидзе 3. Ш. Определение рациональных геометрических параметров и углов установки поворотных резцов для проходческих комбайнов: автореф. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук / Груз, политехи, ин-т им. В. И. Ленина. Тбилиси, 1981. - 16 с.

23. Нацвлишвили В. 3. Установление нагрузок на поворотных резцах в процессе их изнашивания при работе проходческих комбайнов: автореф. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук / Груз, политехи, ин-т им. В. И. Ленина. Тбилиси, 1982. - 15 с.

24. Цыпин Я. Л. Исследование нагрузок на поворотных резцах исполнительных органов очистных угольных комбайнов и разработка методики их расчета: автореф. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук / Ин-т горного дела им. А. А. Скочинского. М., 1986. - 15 с.

25. Чавчанидзе К. Г. Разработка методов расчета износостойкости и нагруженности поворотных резцов проходческих комбайнов: автореф. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук / Груз, политехи, ин-т им. В. И. Ленина. Тбилиси, 1989. - 24 с.

26. Базер И. Я., Борисов И. Ф., Глатман Л. Б., Крутилин В. И. Поворотные резцы для разрушения угля и горных пород / М-во угольн. пром. СССР.

27. Экспресс-информация. М.: ЦНИЭИуголь, 1977. - 20 с. - (сер.: «Технология добычи угля подземным способом»).

28. Глатман JI. Б., Логунцов Б. М., Позин Е. 3. Инструмент очистных и проходческих комбайнов. М.: ВИНИТИ, 1978. - 214 с. - (Итоги науки и техники / ВИНИТИ Сер. «Горн, и нефтепромысл. машиностроение»; Т. 5).

29. Cutting tool systems for mining: Catalog. / Sandvik Mining and Constraction. [Stockholm], 2008. - 56 p.

30. Underground mining: Catalog. / Kennametal Inc. Latrobe, Pa., 2004. -60 p.

31. Softrock Tools: E6 Hard Materials Catalog. / Element Six GmbH. -Burghaun, 2008. 40 p.

32. Инструмент для очистных и проходческих комбайнов: Тангенциальные поворотные резцы. Радиальные резцы. Втулки и резцедержатели. Аксессуары: Каталог. / ООО «Торговый Дом Горный инструмент». -СПб., [2009].-15 с.

33. Леванковский И. А. Выбор рациональных конструкций поворотных резцов для различных горно-геологических условий // Разрушение горных пород и композиционных материалов поворотными резцами: Сб. научных трудов. М.: АГН, 1998. - Вып. 1. - С. 129-141.

34. Разработка метода расчета усилий, действующих на резцы с новыми формами твердосплавных вставок, и программы расчета на ЭВМ: Отчет ИГД им. А. А. Скочинского. Гос. регистрация № 01920014884. -М., 1994.-59 с.

35. ОСТ 12.44.197-81. Комбайны проходческие со стреловидным исполнительным органом. Расчет эксплуатационной нагруженности трансмиссии исполнительного органа. М.: Минуглепром СССР, 1981. -48 с.

36. Позин Е. 3., Меламед В. 3., Тон В. В. Разрушение углей выемочными машинами. М.: Недра, 1984. - 288 с.

37. Клейнерт Х.-В. Состояние технологии разрушения пород исполнительными органами комбайнов избирательного действия // Глюкауф на русском языке. Эссен, 1989. - №15/16. - С. 25-31.

38. Дриш С., Кляйнерт Х.-В., Хаф Е. Новые материалы режущих вставок резцов проходческих комбайнов избирательного действия // Глюкауф на русском языке. Эссен, 1992. - №5. - С. 85-90.

39. Дриш С. Исследование по выбору конических резцов и экономичной скорости резания для проходческих комбайнов избирательного действия // Глюкауф на русском языке. Эссен, 1992. - №5. - С. 91-97.

40. Леванковский И. А. Расчет износостойкости поворотных резцов при работе проходческих комбайнов // Разрушение горных пород икомпозиционных материалов поворотными резцами: Сб. научных трудов. -М.: АГН, 1998.-Вып. 1. С. 110-128.

41. Горное дело и тоннелестроения: Каталог. / ВЕТЕК Bergbau- und Hartmetalltechnik Karl-Heinz Simon GmbH & Co. KG. Aichhalden (Германия), 2010. - 33 с.

42. ГОСТ P 51047-97. Резцы для очистных и проходческих комбайнов. Общие технические требования. М.: Госстандарт РФ, 1997. - 24 с.

43. Яшина JI. С. Исследование и разработка способа испытаний горных пород на статическое откалывание: автореф. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук / Ин-т горного дела им. А. А. Скочинского. М., 1980. -16 с.

44. Барон JI. И. Коэффициенты крепости горных пород. М.: Наука, 1972. -176 с.

45. Глатман JI. Б., Федунец Б. И., Нистратова Е. J1. Об оценке крепости горных пород // Научные сообщения / Акад. наук СССР. Ин-т горного дела им. А. А. Скочинского. М.: ИГД, 1988. - Разрушение углей и горных пород. - С. 20-25.

46. Барон JI. И., Глатман J1. Б. Контактная прочность горных пород. М.: Недра, 1966.-228 с.

47. Барон JI. И., Кузнецов А. В. Абразивность горных пород при добывании. М.: Изд-во Акад. наук СССР, 1961. - 168 с.

48. Барон JI. И., Кузнецов А. В. Методика испытаний горных пород на абразивность / Акад. наук СССР. Ин-т горного дела. М., 1960. - 15 с.

49. Методика испытания горных пород на статическое откалывание / Ин-т горного дела им. А. А. Скочинского, Лаб. мех. разрушения горных пород; Разраб. Л. Б. Глатманом, Л. С. Яшиной. М.: ИГД, 1980. -13 с.

50. Методика расчета резцов на прочность и долговечность / М-во угол, пром-сти СССР, АН СССР, Ин-т горного дела им. А. А. Скочинского; Разраб. проф., д. т. н. Е. 3. Позин и др.. М.: ИГД, 1986. - 61 с.

51. Болобов В. И., Бобров В. Л., Талеров М. П., Мишин В. В. К распределению микроструктуры по длине породоразрушающих резцов // Горное оборудование и электромеханика. М., 2010. - № 10. - С. 2628.

52. Болобов В. И., Талеров М. П., Бобров В. Л., Мишин В. В. О возможной причине недостаточной износостойкости отечественныхпородоразрушающих резцов // Горение и плазмохимия. Алматы, 2010. - Т. 8. - № 2 - С. 174-179.

53. Талеров М. П. Зависимость износостойкости корпуса резцов горного инструмента от распределения твердости по длине резца // Записки Горного института. СПб., 2010. - Т. 186: Полезные ископаемые России и их освоение. - С. 140-142.

54. Тон В. В. Статистические характеристики пути трения и изнашивания режущего инструмента // Научные сообщения / Акад. наук СССР. Ин-т горного дела им. А. А. Скочинского. М.: ИГД, 1973. - Вып. 113: Горные машины и их эксплуатация. - С. 140-145.

55. Тон В. В., Баронская Э. И. Критерии износа резцов очистных комбайнов // Научные сообщения / Акад. наук СССР. Ин-т горногодела им. А. А. Скочинского. М.: ИГД, 1988. - Разрушение углей и горных пород. - С. 32-37.

56. Леванковский И. А. Формирование усилий на поворотных резцах при неоптимальных параметрах режима разрушения горных пород // Разрушение горных пород и композиционных материалов поворотными резцами: Сб. научных трудов. М.: АГН, 1998. - Вып. 1. -С. 72-80.

57. Глатман Л. Б., Яшина Л. С., Букчин С. Г. Определение оптимального шага резания горных пород // Научные сообщения / Акад. наук СССР. Ин-т горного дела им. А. А. Скочинского. М.: ИГД, 1985. - Вып. 240: Разрушение углей и горных пород. - С. 6-10.

58. Нацвлишвили В. 3. Установление нагрузок на поворотных резцах в процессе их изнашивания при работе проходческих комбайнов: автореф. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук / Груз, политехи, ин-т им. В. И. Ленина. Тбилиси, 1982. - 15 с.

59. Bilgin N., Tumac D., Feridunoglu С., Karakas A.R., Akgul M. The performance of a roadheader in high strength rock formations in Kiigiiksu tunnel // Underground Space Use: Analysis of the Past and Lessons for the Future. London, 2005. - P. 815-820.

60. Горшков А. Г., Трошин В. Н., Шалашилин В. И. Сопротивление материалов: Учеб. пособие. 2-е изд., испр. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2005. -544 с.88

61. Талеров М. П. Возможный способ диагностирования резцов проходческих и очистных комбайнов // Записки Горного института. -СПб., 2009. Т. 182: Полезные ископаемые России и их освоение. -С. 122-124.

62. Лошак М. Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. Киев: Наукова думка, 1984. - 328 с.

63. Лошак М. Г., Александрова Л.И. Циклическая прочность твердых сплавов. Киев: УкрНИИНТИ, 1972. - 44 с.

64. Dawihl W., Frisch В. The mechanical characteristics of the cobalt phase in tungsten carbide Cobalt Hard Metals. - Cobalt, 1964, 22, №1, P. 22-30.

65. Miyake K., Fujiwara Y., Nishigaki K. On the fatigue of WC-Co alloys. J. Jap. Inst. Met., 1968, 32, № Ц5Р. 1128-1131.

66. Болобов В. И., Бочков В. С., Бобров В. Д., Талеров М. П. Причина быстрого износа тангенциальных резцов // Записки Горного института. СПб., 2012. - Т. 195: Полезные ископаемые России и их освоение. -С. 237-240.

67. Patent US №5,161,627 Int. CI. E21B 10/56; E21C 35/18 Attack tool insert with polycrystalline diamond layer. / Kenneth H. Burkett. Publ. Nov. 10, 1992.

68. Patent US №7,384,105 B2 Int. CI. E21C 35/19 (2006.01) Attack tool. / David R. Hall, Ronald Crockett, Jeff Jepson. Publ. Jun. 10, 2008.

69. Patent US №4,725,098 Int. CI. E21B 10/46 Erosion resistant cutting bit with hardfacing. / Wayne H. Beach. Publ. Feb. 16, 1988.

70. Patent US №5,417,475 Int. CI. E21B 10/56; E21C 35/183 Tool comprised of a holder body and a hard insert and method of using same. / Alexander B. Graham, Jam M. Anderson. Publ. May 23, 1995.

71. Patent WO №2005/017317 A1 Int. CI. E21C 35/18 Rotary cutting bit with material-deflecting ledge. / G. D. Mercier, G. A. Fuller Publ. 24.02.2005.

72. Patent WO №2005/093214 A1 Int. CI. E21C 35/18 Rotary cutting bit. / K. Sleep, S. Weaver. Publ. 06.10.2005.

73. Patent WO №2008/076689 A1 Int. CI. E21B 10/00 (2006.01) Cutting bit with split wear ring and method of making same. / S. G. Ferreri, W. H. Beach. Publ. 26.06.2008.

74. Методика испытаний резцов на прочность при динамическом приложении нагрузки / Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Ин-т горного дела им. А. А. Скочинского; Разраб. д. т. н. Е. 3. Позин и др.. М.: ИГД, 1984. - 24 с.

75. Патент RU 2448247 С1 МПК Е21С35/18 Составной резец для горных машин / В. И. Болобов, В. В. Габов, М. П. Талеров, К. П. Талеров. Опубл. 20.04.2012.

76. Патент МПК Е21С35/18 Составной резец для горных машин / В. И. Болобов, В. В. Габов, М. П. Талеров, К. П. Талеров. Заявка №2010148359 подана 26.11.2010; решение о выдаче патента от 18.05.2012.