автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение износостойкости тангенциальных резцов проходческих комбайнов совершенствованием термической обработки при их изготовлении

005045567

На правах рукописи

БОБРОВ Владимир Леонидович

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ РЕЗЦОВ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИИ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

"" 7 Ш 2С72

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005045567

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

Научный руководитель -

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Болобов Виктор Иванович

Официальные оппоненты:

Медведков Владимир Игоревич доктор технических наук, профессор, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», профессор кафедры горных транспортных машин

Головин Константин Александрович доктор технических наук, профессор, Тульский государственный университет, профессор кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений

Ведущая организация - ФБГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Защита состоится 27 июня 2012 г. в 14 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 25 мая 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

д-р техн. наук, профессор С^^^ ГАБОВ В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований

Разрушение горных пород исполнительными органами проходческих комбайнов сопровождается износом и поломкой режущего инструмента - тангенциальных резцов. При постоянном увеличении объёмов добычи растет и расход режущего инструмента. Создание новых проходческих комбайнов не позволит повысить эффективность работы этих машин, так как затраты на проходку, в частности на тангенциальные резцы, будут расти пропорционально объемам добываемой породы. Удельный расход резцов на проходку и затраты на закупку нового инструмента напрямую зависят от износостойкости режущего инструмента. Как показывает практика эксплуатации тангенциальных резцов российских производителей в шахтах ОАО «Воркутауголь», их ресурс ниже ресурса зарубежных аналогов. Поэтому разработка мероприятий по выявлению причины их низкой стойкости абразивному износу и повышению срока службы тангенциальных поворотных резцов является актуальной задачей.

Исследованиями износостойкости резцов занимались такие специалисты и учёные, как И.А. Леванковский, Л.Б. Глатман, В.Г. Михайлов, М.Г. Крапивин, Е.З Позин, С. Дриш, Я. Хааф, Г. Хурт и другие.

Обширные исследования в области износа резцов проведены в ИГД им. А.А. Скочинского.

На основании научных трудов этих учёных в диссертации исследованы конструкционные материалы для производства резцов и режимы их термической обработки, применение которых приводит к увеличению стойкости режущего инструмента к абразивному износу.

Цель работы. Выявление закономерностей быстрого износа резца и неравномерности распределения твёрдости и структуры стали по длине резца для совершенствования термической обработки в процессе их изготовления, что приводит к увеличению износостойкости тела резца.

Задачи исследований:

1. Анализ процесса износа тангенциальных поворотных резцов и выявление причин их поломок.

2. Определение причины низкой стойкости абразивному износу отечественных тангенциальных резцов.

3. Совершенствование технологии изготовления тангенциальных резцов для повышения их износостойкости.

4. Анализ износоустойчивых конструкционных материалов для изготовления тела резца.

5. Экспериментальная проверка износостойкости металла тела резца после проведения усовершенствованной термической обработки при использовании нового материала для производства резца.

Идея работы. Повышение износостойкости тангенциальных резцов достигается выравниванием твёрдости и структуры стали по длине тела резца, при усовершенствовании термической обработки в процессе его производства.

Научная новизна работы:

1. Установлена зависимость износостойкости стали резца от его термической обработки в процессе производства. Термообработка резца без операции «подстуживание» повышает его износостойкость.

2. Экспериментально подтверждено, что наибольшей износостойкостью из сталей, рекомендуемых в качестве конструкционного материала для производства резцов, обладает марганцовистая сталь.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий в себя анализ причин низкой стойкости абразивному износу тангенциальных резцов, анализ скорости охлаждения зон тела резца при операции «подстуживание» и экспериментальные исследования процесса износа металла резца на лабораторном стенде после различных термических обработок.

Защищаемые положения:

1. Прогнозируемый срок службы тангенциальных поворотных резцов при усовершенствовании термической обработки в процессе их изготовлении увеличивается от 1,6 - для "материалов абра-

зивностью выше средней (а =30-45) и до 2,6 раз - для среднеабра-зивных материалов (а =18-30).

2. Применение марганцовистой стали для производства резцов повышает их прогнозируемую износостойкость до 1,5 раз для среднеабразивных материалов (а =18-30) по сравнению с используемой сталью 35ХГСА.

Практическое значение работы:

1. Обоснована возможность повышения износостойкости тангенциальных резцов совершенствованием термической обработки при их изготовлении.

2. Проведены экспериментальные и теоретические исследования процесса изнашивания об абразив металлических образцов из тела резца.

3. Разработан и изготовлен лабораторный стенд, позволяющий исследовать процесс изнашивания металлических образцов, изготовленных из тела резца.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается результатами экспериментов по абразивному износу металлических образцов, изготовленных из резцов, исследованиями структуры тела резца и их удовлетворительной сходимостью с теоретическими расчётами.

Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.05.06 - «Горные машины».

Личный вклад автора. Проведён анализ основных причин быстрого износа тангенциальных резцов, сконструирован экспериментальный стенд по изучению процесса износа об абразив образцов, изготовленных из тела резца, проведены эксперименты по износу металлических образцов из резцов, прошедших различную термообработку, обоснована эффективность применения усовершенствованной термической обработки резцов при их производстве по сравнению с типовой термообработкой.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: XIV международной научно-технической конференции «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов» (Санкт-Петербург, СПГУПТ, 2009), III международной конференции по проблемам ра-

ционального природопользования (Тула, ТГПУ 2010), VIII международной научно-практической конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения" (Воркута, Clll'l У 2010), I международной научно-практической конференции «Развитие технологий от идеи до производства» (Днепропетровск 2010), IX международной научно-практической конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения" (Воркута, СПГГУ 2011), XVI международной научно-технической конференции «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов» (Санкт-Петербург, СПГУПТ, 2011), «Проблемы окружающей среды, а также экономические и организационные требования при использовании природных ресурсов в горных комплексах России и Германии» (Фрайберг, Германия, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в научных изданиях, рецензируемых ВАК Минобрнауки России.

Реализация результатов работы. Предложенный усовершенствованный способ термической обработки резцов внедряется на заводе-изготовителе породораздушающего инструмента ОАО «Копейский машиностроительный завод».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения общим объемом 128 страниц, содержит 11 таблиц, 42 рисунка, а также список литературы из 82 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, сформулированы цель, идея, задачи, изложены защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость.

В главе 1 рассмотрены устройство и основные конструкционные элементы проходческих комбайнов. Анализируются условия работы их режущего инструмента, конструкция, используемые материалы и технология изготовления резцов. Представлен анализ факторов, влияющих на поломку резцов. Сделан вывод, что основной причиной выхода резцов из строя является износ их державки и последующий излом керна.

В главе 2 приводится описание существующих установок

для испытания материалов на износостойкость. Предлагается схема установки по абразивному изнашиванию сталей державок резцов в условиях, близких к условиям работы резца.

В главе 3 представлены экспериментальные данные по распределению твёрдости по длине державки тангенциальных резцов отечественных производителей. Выдвигается гипотеза, что причиной недостаточной твёрдости и, как следствие, износостойкости зоны заделки керна тангенциальных резцов является несовершенство их термической обработки. Совершенствование технологии термической обработки резцов приводит к образованию износостойких структур в стали и увеличивает прогнозируемый срок службы тангенциальных поворотных резцов. Приводятся результаты металлографических исследований и расчёта скорости охлаждения различных зон тела резца. Предлагается усовершенствование технологии термической обработки резцов исключением операции «подстужи-вание» и закалкой в масле.

В главе 4 представлен анализ результатов испытаний тела резца (сталь 35ХГСА), обработанного по существующей и усовершенствованной технологиям термической обработки. Приведен анализ результатов испытаний конструкционных сталей, использующихся для производства державок резцов горных машин. Определено, что наибольшей стойкостью к абразивному износу обладает среднеуглеродистая марганцовистая сталь (30Г2).

В заключении приведены выводы по результатам работы в соответствии с целью и поставленными задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Прогнозируемый срок службы тангенциальных поворотных резцов при усовершенствовании термической обработки в процессе их изготовлении увеличивается от 1,6 - для материалов абразивностью выше средней (а =30-45) и до 2,6 раз - для среднеабразивных материалов (а =18-30).

По результатам промышленных испытаний на шахтах ОАО «Воркутауголь» (табл 1.) основной причиной выхода из строя тан-

генциальных поворотных резцов различного типоразмера при работе проходческих комбайнов является износ зоны заделки керна резца (рис.1) и последующая его потеря.

а) б) в)

Рис. 1. Вид резцов РШ после работы на комбайне КСП-43 по породам с абразивностью а = 18-35: а - новый резец, б - резец с изношенной зоной заделки керна; в - резец без керна.

Таблица 1 Результаты промышленных испытаний тангенциальных резцов

Причина выхода из строя Абразивность по род

ниже средней (а= 11-18) средняя (а = 19-30) выше средней (а = 31-45)

Износ головки резца с последующей поломкой керна 78% 68% 80%

Для определения причины быстрого износа зоны заделки керна резцов были проведены замеры их твёрдости и исследования микроструктуры с помощью универсального твердомера Zwick Roel ZHU и микроскопа Zeiss Observer.Dim.

Для испытаний было отобрано 6 тангенциальных резцов марок РШЗО (2 резца), ПС 1-12 (2 резца), ПС2-16 (2 резца) с державками из стали 35ХГСА, использующихся для оснащения исполнительных органов проходческих комбайнов ОАО «Воркутауголь».

Анализ результатов замеров твёрдости (рис.2) показал, что по окружности каждой зоны державки для всех резцов она одинакова. Однако, по длине державки резца твёрдость распределена неравномерно: максимальна в опорной зоне IV (40НЯС, дисперсия данных Б = 1,6), минимальна в зоне II (34НКС, дисперсия данных Б = 2,5) и в зоне заделки керна I (26Ш1С, дисперсия данных О = 3,2). Зоны I и II как раз и контактируют с забоем и подвергаются воздействию разрушаемой породы.

Расстояние, мм

Рис.2. Распределение твердости по длине исследованных резцов Для объяснения такого распределения твёрдости была выдвинута гипотеза, что низкая твёрдость и, как следствие, износостойкость зоны заделки керна резцов обусловлена образованием в структуре материала резца мягких составляющих. Они образуются при охлаждении этой зоны ниже температур фазовых превращений А3, и А, в использованной стали вследствие неравномерного охлаждения резца при операции термообработки «подстуживание» в процессе его производства.

Для проверки гипотезы с помощью разработанной математической модели рассматривали температуру ТОХ1, до которой может охладиться зона заделки керна (I) резца диаметром с! за время под-стуживания 1подспи необходимое для охлаждения опорной зоны (IV) диаметром О до температуры подстуживания Тподст..

Рис.3 Схема технологии термической обработки резцов, применяемой отечественными заводами-изготовителями.

_ для державки резца по типовой схеме

^^ __ _ для зоны заделки керна (в соответствии с расчётом)

Условия расчёта:

- отвод тепла от охлаждающейся в процессе подстуживания державки осуществляется преимущественно путём теплового излучения;

-теплопередачей вдоль оси резца можно пренебречь;

- опорная зона резца начинает охлаждаться с температуры Т,у = Тш,д, зона заделки керна с температуры Т1 = Тприп после окунания в расплавленный припой (рис. 4).

Граничные условия:

{ = 0." 7ц — ТШ1д> То ТПрю, / — + . = т -т1 = т

^ ~ ОХЛ' 1 К л подст > 1 к 1 охл

_ р-ьр-ь'чо -'к j М5ХЛ V /

Система уравнений (1) теплового баланса при охлаждении фрагментов I и IV корпуса шириной dl:

'iE! * gl * р * Cp(Tjv - T>v) = ttD * 31 * qIV cp * t030, 91 i p * Cp(Tq - Tr) = Tid * d\ * qIcp * tom

Чср^^Р?) (2)

где p — плотность материала державки резца;

Ср — удельная теплоёмкость материала корпуса;

ЯIV ср ~ среднее значение плотности потока излучения от фрагмента IV;

qI ср — среднее значение плотности потока излучения от фрагмента I.

Время охлаждения опорной зоны державки до температуры «подстуживание» toxn-

_ p*cp.d(t'v-t>v) 4*<7ср

Температура Тох„ до которой охладится зона заделки керна за время «подстуживаие» £охл :

Т1 — Т' 4*'?2cp*toM ,дч

~ lo ~ p*Cp*d w

Исходные данные:

Тшд = 1373 К; Тприп = 1175 К; Tnodcm = 1153 К; D = 35 мм; d = 15 мм; р = 7610 кг/м2; Ср = 584Дж/(кг*К); qIVcp = 13,5*104 Вт/м2; qf ср = 6,7*104 Вт/м2; а = 5,7*10'8 Вт/(м2*К2); £ = 0,89.

Результаты расчёта:

Сохл = 85с (из них 20с до температуры А3), Тохл = 914К (641°С)

(рис.4).

Из сопоставления полученной величины Тохл со значениями температур фазовых превращений аустенита стали 35ХГСА (А3 = 830°С, Ai = 760°С) можно сделать вывод (рис. 5), что в процессе операции «подстуживание» резцов перед закалкой в материале их зоне заделки керна происходят фазовые превращения аустенита в феррит и перлит, обладающих меньшей твердостью и износостойко-

стью, чем мартенсит, на который закаливается остальная часть тела резца.

Рис.4 Охлаждение зоны I к зоны IV резца во время операции «подстуживание»

Темпера гура

Время, с

Рис. 5. Анализ диаграммы изотермического превращения аустенита стали 35ХГСА и кривых охлаждения зоны заделки керна резца при термической обработке __ -— — - типовая _ . . _. предлагаемая

Поэтому предлагается изменить типовую термическую обработку резцов исключением операции «подстуживание» и закалкой резцов сразу после пайки керна.

С использованием предложенной термообработки были обработаны 6 резцов марок ПС-16, ПС-32 и РС32, у которых после типовой обработки наблюдался градиент твёрдости по длине державки. Резцы нагревались до температуры пайки и закалялись в масле. В результате чего твёрдость зоны заделки керна возросла с 28НКС до 42НЯС.

Анализ микроструктуры стали зоны заделки керна после типовой и предлагаемой термической обработки (рис.6) показал, что в первом случае структуру стали составляют мягкие сорбит (39,9%) и феррит (60,1%), во втором - мартенсит (87,8%), обладающий высокой износостойкостью, и феррит (18,2%). Соотношение фаз в шлифах определялось машинным способом с помощью программы анализа изображений.

а) б)

Рис.6. Микроструктура зоны заделки керна резца обработанного по типовой (а) и предлагаемой (б) технологиям (X 1000): Ф - феррит; М - мартенсит; С -

сорбит

Для подтверждения предположения о повышении износостойкости резцов после предлагаемой ТО была разработана методика и сконструирована экспериментальная установка (рис. 7) для испытания металла тела резца на износ по абразивным материалам.

Испытания проводились на цилиндрических образцах диаметром /) = 8 мм, высотой Н= 50 мм с отверстием (¿/ = 4 мм). Образцы изготавливались в форме цилиндров, чтобы создать физическую модель процесса износа резца. Движение по окружности всех

точек торцевой поверхности образца имитирует поступательное движение резца в процессе работы. Отверстие в центре исключает появление в процессе эксперимента опорной точки вращения. Испытания проводились на установке, представляющей собой вертикально-сверлильный станок.

На шпинделе станка крепится груз определённой массы, определяющий силу Р, с которой образец прижимается к абразиву. Частота вращения образца 6,7 с"1. Испытания проводятся с грузом весом 200 Н. Нагрузка выбирается таким образом, чтобы в образце возникали напряжения (5,3 МПа) близкие к напряжениям, возникающим в зоне заделки керна тангенциального резца (при Р2 = 1000Н и 15 мм, ссж = 5,6 МПа) при его взаимодействии с породой в процессе резания.

Рис. 7 Схема экспериментальной установки по износу металлических материалов об абразив: 1 - образец изнашиваемого металла; 2 - абразив; Р - нагрузка

Как показали проведённые испытания (рис 8), в зависимости от абразивности материала прогнозируемая износостойкость державки из стали 35ХГСА в результате предлагаемого изменения режима термической обработки резцов возрастает от 1,6 (для материалов абразивностью выше средней) до 2,6 (для среднеабразивных материалов) раз.

Установленные значения износостойкости I [мин/г] образцов из зоны заделки керна резца при работе по материалам с различной абразивностью представлены в табл. 2.

1

а) б)

Рис.7.Кривые износа образцов стали 35ХГСА после типовой и предлагаемой термической обработки: а) - абразив 1; ,б) - абразив 2

Таблица 2. Износостойкость металла тела резца после различных термических обработок _

Режим ТО Износостойкость I, мин/г

Абразив 1 (а = 30-45) Абразив 2 (а = 18-30)

Типовой I, = 58± 3 I, = 155± 15

Предлагаемый 12= 151— 10 12 = 245 ± 40

12 ~ 2,61] 12-1,61,

Из анализа данных таблицы 2 можно сделать вывод, что износостойкость образцов стали 35ХГСА при испытаниях по материалам со средней абразивностью и абразивностью выше средней увеличивается после проведения предлагаемой термической обработки по сравнению с образцами, подвергнутыми типовой термической обработке.

2. Применение марганцовистой стали для производства резцов повышает их прогнозируемую износостойкость до 1,5 раз для среднеабразивных материалов (а =18-30) по сравнению с используемой сталью 35ХГСА.

Для исследований были выбраны среднелегированная сталь 35ХГСА, высокоуглеродистая У8, марганцовистая 30Г2 после предлагаемой технологии термообработки, как материалы, используемые

для изготовления державок различного горного инструмента.

Установленные значения износостойкости I [мин/г] образцов сталей при работе по материалам с абразивностью выше средней представлены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты сравнительных испытаний потенциально возмож-

риалов для изготовлени Марка стали я корпуса тангенциальных резцов. Износостойкость I, мин/г

Абразив 1 (а = 30-45)

35ХГСА 241

У8 86

30Г2 330

Результаты их испытаний на износостойкость по материалу абразивностью выше средней представлены на рис. 8.

50 60 70

Время опыта, мин

Рис. 8. Кривые из носа образцов сталей 35ХГСА, У8, 30Г2 по материалу с абразивностью выше средней.

Как следует из данных табл. 3 и рис. 10 наиболее высокой износостойкостью из испытанных материалов обладает марганцовистая сталь 30Г2. Установленное значение её износостойкости (1= 218 мин/г) в 1,5 раза превышает величину аналогичного параметра для стали 35ХГСА (I = 155 мин/г).

Повышенная стойкость марганцовистой стали к абразивному

износу объясняется тем, что марганец принадлежит к числу элементов, упрочняющих мартенсит при закалке, и образующих мелкодисперсные карбиды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи повышения износостойкости тангенциальных резцов проходческих комбайнов совершенствованием термической обработки при их изготовлении.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Основная причина быстрого износа тела тангенциального резца в зоне заделки керна - низкая твёрдость металла в этой зоне. Это обусловлено образованием в структуре её металла в процессе термообработки мягкой структуры - сорбита, вместо планируемой по технологии термообработки твёрдой структуры - мартенсита.

2. Предложена усовершенствованная термическая обработка тангенциальных резцов при их изготовлении.

3. Проанализированы конструкционные материалы для изготовления резцов.

4. Экспериментально подтверждено увеличение износостойкости тела тангенциального резца при производстве его из марганцовистой стали 30Г2.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бобров B.JI. К распределению микроструктуры по длине по-родоразрушающих резцов / В.И. Болобов, М.П. Талеров, В.В. Мишин // Горное оборудование и электромеханика, 2010, №10, С. 2628.

2. Бобров B.JI. Причина быстрого износа тангенциальных резцов / В.И. Болобов, B.C. Бочков, М.П. Талеров //'Записки Горного института, 2012, т. 195, С. 237 -240.

3. Бобров В.Л. К распределению микроструктуры по длине породоразрушающих резцов / О.Г. Зотов, М.П. Талеров, В.В. Мишин // Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов. Сб. трудов XIV международной научно-технической конференции. - СПб., 2009, С. 219-223.

4. Бобров В.Л. Причина быстрого износа тангенциальных резцов / В.Л. Бобров, М.П. Талеров //Труды 3-ей международной конференции по проблемам рационального природопользования. - Тула, 2010, С. 52-55.

5. Бобров В.Л. Сравнительный анализ износостойкости отечественных и зарубежных породоразрушающих резцов и возможные пути ее повышения / М.П. Талеров, В.И. Болобов // Труды 9-ой международной научно-практической конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». - Воркута, 2011, т.2, С. 23- 29.

6. Бобров В.Л. О возможной причине недостаточной износостойкости отечественных породоразрушающих резцов / В.И. Болобов, М.П. Талеров, В.В. Мишин // Горение и плазмохимия. - Алма-ты, 2010, т.8, №2, С. 174- 179.

7. Бобров В.Л. Причина низкой износостойкости тангенциальных резцов // Труды 1-ой международной научно-практической конференции «Развитие технологий от идеи до производства». -Днепропетровск, 2010, С. 21-23.

8. Бобров В.Л. К возможной причине недостаточной износостойкости отечественных тангенциальных резцов / О.Г. Зотов, М.П. Талеров, В.В. Мишин // Труды 8-ой межрегиональной научно-практической конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения. - Воркута, 2010, т.2, С. 298-303.

9. Бобров В.Л. Сравнительная износостойкость тангенциальных поворотных резцов российского и зарубежного производства / В.И. Болобов, М.П. Талеров // Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов. Сб. трудов XV международной научно-технической конференции. — СПб., 2011, С. 183 - 187.

РИЦ Горного университета. 24.05.2012. 3.386 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ПРОЦЕСА РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМИ ПОВОРОТНЫМИ РЕЗЦАМИ

1.1. Конструктивные особенности проходческих комбайнов

1.2 Области применения и конструктивные особенности тангенциальных поворотных резцов проходческих комбайнов

1.3. Анализ условий работы тангенциальных поворотных резцов проходческих комбайнов

1.4. Материалы, применяемые для изготовления резцов

1.5. Технология производства тангенциальных поворотных резцов и термообработка

Выводы

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ПОЛОМКИ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ ПОВОРОТНЫХ РЕЗЦОВ

2.1. Анализ результатов промышленных испытаний тангенциальных поворотных резцов

2.2. Обзор существующих способов повышения срока службы тангенциальных резцов

2.3. Механизм абразивного изнашивания тангенциальных поворотных резцов

2.4. Критерии абразивной стойкости тела резца

2.5. Результаты замера распределения твердости по длине резца

2.6. Анализ технологии термической обработки резцов при их изготовлении. Математическая модель процесса охлаждения головной части резца

Выводы

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И СТЕНДА ПО ИЗУЧЕНИЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛА ДЕРЖАВКИ РЕЗЦА

3.1. Конструктивные особенности стендов по экспериментальному изнашиванию металлических материалов

3.2. Экспериментальный стенд и методика для изучения абразивного износа металла тела тангенциального резца

Выводы

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АБРАЗИВНОГО ИЗНОСА МАТЕРИАЛОВ ДЕРЖАВОК ПОРОДОРАЗРУ-ШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

4.1. Структура, твёрдость и износостойкость материала державки после предлагаемой термической обработки

4.2. Износостойкость материалов, используемых для производства державок породоразрушающего инструмента

ВЫВОДЫ

Механический способ добычи угля связан в основном с применением проходческих комбайнов, вооруженных тангенциальными поворотными резцами. Несмотря на достаточно большую номенклатуру используемых в горном деле типов очистных комбайнов — не менее трех десятков конструкций, выпускаемых заводами различных государств, принципиально они отличаются незначительно. Основная часть установленной на комбайнах мощности приводов передается на разрушение углей через инструмент. В силу того, что одновременное непосредственное воздействие на забой от рабочего органа осуществляется через ограниченное количество резцов, последние оказываются высоконагруженными.

В связи с этим задача повышения прочности и износостойкости резцов проходческих комбайнов оказывается не просто актуальной, а одной из важнейших для угледобывающей отрасли. Исследования и рекомендации, направленные на совершенствование резцов угольных комбайнов, являются востребованными и могут способствовать целям повышения их производительности и уменьшения энергопотребления. Многое в обозначенном направлении уже достигнуто, однако возникающие новые задачи требуют изучения накопленных результатов по исследованию тангенциальных поворотных резцов и отыскания путей их дальнейшего совершенствования.

Изучение закономерностей изнашивания тела резца необходимо для разработки рекомендаций по увеличению срока его службы.

Значительный вклад в изучение процесса износа металлических материалов об абразивные породы внесли такие специалисты и ученые, как Л.И. Барон, Ю.А. Кузнецов, М.М. Хрущёв, М.А. Бабичев, Г.М. Сорокин, И.А. Леванковский, Л.Б. Глатман и другие.

Обширные исследования в области износа резцов проведены в ИГД им. Скочинского.

В результате проведённых исследований выбраны конструкционные материалы и необходимые режимы термической обработки, с применением которых разработаны резцы, обладающие достаточно высоким сроком службы. Как показывает практика эксплуатации тангенциальных резцов российских производителей, их ресурс ниже ресурса зарубежных аналогов. Поэтому для разработки мероприятий по повышению срока службы отечественных тангенциальных поворотных резцов необходимо выяснение причины их быстрого износа и поломок.

Цель работы. Выявление закономерностей быстрого износа резца и неравномерности распределения твёрдости и структуры стали по длине резца.

Задачи исследований:

1. Анализ работы тангенциальных поворотных резцов и выявление причин их поломок.

2. Определение причины низкой износостойкости отечественных тангенциальных резцов.

3. Совершенствование технологии изготовления тангенциальных резцов для повышения их износостойкости.

4. Анализ износоустойчивых конструкционных материалов для изготовления тела резца.

5. Экспериментальная проверка износостойкости металла тела резца после проведения усовершенствованной термической обработки и использования нового материала.

Идея работы. Повышение износостойкости тангенциальных резцов достигается выравниванием твёрдости и структуры стали по длине тела резца.

Научная новизна работы:

1. Установлена зависимость износостойкости стали резца от его термической обработки в процессе производства. Термообработка резца без операции «подстуживание» повышает его износостойкость.

2. Экспериментально подтверждено, что наибольшей износостойкостью из сталей, рекомендуемых в качестве конструкционного материала для производства резцов, обладает марганцовистая сталь.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий в себя анализ причин быстрого износа тангенциальных резцов, анализ скорости охлаждения зон тела резца при операции «подстуживание» и экспериментальные исследования процесса износа металла резца на лабораторном стенде после различных термических обработок.

Защищаемые положения:

1. Прогнозируемый срок службы тангенциальных поворотных резцов при усовершенствовании термической обработки при их изготовлении увеличивается от 1,6 для материалов абразивностью выше средней (а =30-45).до 2,6 раз для среднеабразивных материалов {а =18-30).

2. Применение марганцовистой стали для производства резцов повышает их прогнозируемую износостойкость от 1,1 для материалов абразивностью выше средней {а =30-45) до 1,5 раз для среднеабразивных материалов {а =18-30) по сравнению с используемой сталью 35ХГСА.

Практическое значение работы:

1. Обоснована возможность повышения износостойкости тангенциальных резцов совершенствованием термической обработки при их изготовлении

2. Проведены экспериментальные и теоретические исследования процесса изнашивания об абразив металлических образцов из тела резца;

3. Разработан и изготовлен лабораторный стенд, позволяющий исследовать процесс изнашивания металлических образцов, изготовленных из тела резца;

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается результатами экспериментов по абразивному износу металлических образцов, изготовленных из резцов, исследованиями структуры тела резца и их удовлетворительной сходимостью с теоретическими расчётами.

Личный вклад автора. Проведён анализ основных причин быстрого износа тангенциальных резцов, сконструирован экспериментальный стенд по изучению процесса износа об абразив образцов, изготовленных из тела резца, проведены эксперименты по износу металлических образцов из резцов, прошедших различную термообработку, обоснована эффективность применения усовершенствованной термической обработки резцов при их производстве по сравнению с типовой термообработкой.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: XIV международной научно-технической конференции «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов» (Санкт-Петербург, СПГУПТ, 2009), III международной конференции по проблемам рационального природопользования (Тула, ТГПУ 2010), VIII международной научно-практической конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения" (Воркута, СПГТУ 2010), I международной научно-практической конференции «Развитие технологий от идеи до производства» (Днепропетровск 2010), IX международной научно-практической конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения" (Воркута, СПГТУ 2011), XVI международной научно-технической конференции «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов» (Санкт-Петербург, СПГУПТ, 2011), «Проблемы окружающей среды, а также экономические и организационные требования при использовании природных ресурсов в горных комплексах России и Германии» (Фрайберг, Германия, 2011)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в научных изданиях, рецензируемых ВАК Минобрнауки России.

Реализация результатов работы. Предложенный усовершенствованный способ термической обработки резцов внедряется на заводе-изготовителе породо-раздушающего инструмента ОАО «Копейский машиностроительный завод».

1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМИ

ПОВОРОТНЫМИ РЕЗЦАМИ.

Выводы

1. Предложена усовершенствованная термическая обработка, заключающаяся в закалке резцов после пайки твёрдого сплава без операции типовой термической обработки «подстуживание».

2. Показано, что применение усовершенствованной технологии термообработки резца приводит к повышению твёрдости головной части державки до 42 НЯС, что объясняется присутствием в структуре её материала мартенситной твёрдой составляющей.

3. Обнаружено, что применение усовершенствованной технологии обработки повышает износостойкость материала державки в зоне заделки керна в 1,6-2,6 раза в зависимости от абразивности разрушаемой породы.

4. Экспериментально установлено, что из материалов, применяемых для производства державок режущего горного инструмента, наибольшей стойкостью к износу обладает марганцевая сталь типа 30Г2, износостойкость которой превышает значение аналогичного показателя для стали 35ХГСА - материала державок тангенциальных резцов в 1,4 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных аналитических и экспериментальных исследований с целью отыскания путей увеличения износостойкости тангенциальных поворотных резцов проходческих комбайнов, можно сделать следующие выводы:

1. Основная причина быстрого износа тела тангенциального резца в зоне заделки керна - низкая его твёрдость. Это обусловлено образованием в структуре металла в этой зоне в процессе термообработки мягких составляющих - сорбита и феррита, вместо планируемой по технологии термообработки твёрдой структуры - мартенсита.

2. Предложена усовершенствованная термическая обработки, заключающаяся в закалке резцов после пайки твёрдого сплава без операции типовой термической обработки «подстуживание».

3. Показано, что применение усовершенствованной технологии термообработки резца увеличивает твёрдость головной части державки до 42 НЯС и повышает её износостойкость в 1,6-2,6 раза в зависимости от абразивности разрушаемой породы.

4. Экспериментально подтверждено увеличение износостойкости тела тангенциального резца при производстве его из марганцовистой стали 30Г2 по сравнению с используемой сталью 35ХГСА.

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

2. Михеев О.В., Виткалов В.Г., Козовой Г.И., Атрушкевич В.А. Подземная разработка пластовых месторождений. М.: МГГУ, 2001. -487 с.

3. Албул И.Н. Характер разрушения и максимальные нагрузки при резании твердых включений инструментами. — М.: Научные сообщения ИГД им. A.A. Скочинского, вып. 140, 1976. 92 с.

4. Протасов Ю.И. Разрушение горных пород. М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2002.- 453 с.

5. Резание углей / Под общей ред. Берона А.И. М.: Изд-во литературы по горному делу, 1962. - 439 с.

6. Исследование нагрузок на шнековом исполнительном органе с тангенциальными резцами / А. Н. Коршунов, А. В. Логинов // Вопросы механизации горных работ : сб. науч. тр. / Кузбас. политехи, ин-т. —Кемерово, 1969. № 14. - С. 143-149.

7. Моделирование разрушения углей режущими инструментами / Под редакцией Ю.Д. Красникова. М.: Наука, 1981. - 188 с.

8. Протасов Ю.И. Теоретические основы механического разрушения горных пород. М.: Недра, 1985. - 242 с.

9. Солод В.И., Зайков В.И. Первов K.M. Горные машины и автоматизированные комплексы. М.: Недра, 1981. - 503 с.

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

11. П.Сафохин М.С., Александров Б.А., Нестеров В.И. Горные машины. Учебник для вузов. М., Недра, 1995.-463 с.

12. Гетопанов В.Н., Гудилин Н.С., Чугреев Л.И. Горные и транспортные машины и комплексы. М.: Недра, 1981. - 292 с.

13. 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.

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

15. Фролов А.Г. Развитие комбайновой выемки угля. М.: Недра, 1967.

16. 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»).

17. Коняшин Ю. Г., Кравцов А. И. Некоторые результаты исследований процессов разрушения горных пород тангенциальными резцами с круглыми стержнями и коническими головками // Научные сообщения / Акад. наук СССР.

18. Ин-т горного дела им. А. А. Скочинского. М.: ИГД, 1979. - Вып. 179: Научные основы разрушения угля и горных пород. - С. 25-32.

19. Курбатов В. М., Нацвлишвили В. 3. Исследование износа резцов РКС-1 // Научные сообщения / Акад. наук СССР. Ин-т горного дела им. А. А. 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 Л. 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. 7-11.

22. Кекелидзе 3. Ш. Определение рациональных геометрических параметров и углов установки поворотных резцов для проходческих комбайнов: ав-тореф. 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 на-груженности 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 JI. Б., Крутилин В. И. Поворотные резцы для разрушения угля и горных пород / М-во угольн. пром. СССР. Экспресс-информация. М.: ЦНИЭИуголь, 1977. - 20 с. - (сер.: «Технология добычи угля подземным способом»).

27. Глатман J1. 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).

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

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

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

31. 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.

32. 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.

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. Казанский A.C. К вопросу о типизации и унификации режущего инструмента для угольных комбайнов. Научные сообщения ИГД им. A.A. Ско-чинского, вып. №3, 1973.

35. Экспериментальные исследования сортности углей при резании с различными параметрами среза и геометрии инструмента / В.Г.Унгефуг, В.П.Зейферт, В.Ф.Орлов// В сб.: Вопросы механизации в горной промышленности, вып. 27.- М.: Недра, 1971.

36. Рязанцев С.Н. Исследование и выбор параметров шнековых исполнительных органов очистных комбайнов для конкретных условий эксплуатации: Автореф. дис. на соиск. учен, степ, к.т.н. по специальности 05.05.06. Москва, 2004

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. Пасечный В. Г., Кияшко Ю.И., Грендач В.Я. Опыт применения режущего инструмента устаревшего и нового технического уровня // Уголь Украины. — 2002. — №5.

39. Патент на изобретение USA №3.268.260 от 23.08.1966, МПК E21C35,Snipe.

40. 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.

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

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

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

44. Яшина J1. 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.

45. Барон JL И. Коэффициенты крепости горных пород. М.: Наука, 1972.- 176 с.

46. Глатман JI. Б., Федунец Б. И., Нистратова Е. JI. 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.

47. ОСТ 12.44.165.80 «Комбайны очистные узкозахватные. Резцы и гнёзда к ним»

48. Сысоев Н.И. "Методы повышения прочности и долговечности режущих инструментов очистных и проходческих машин". Автореф. дис. на соиск. учен, степ, к.т.н. по специальности 05.05.06 и 05.13.07. -Новочеркасск, 1992г.

49. Барон J1. И., Глатман JI. Б. Расчеты по резанию горных пород затупленным инструментом. Научные сообщение ИГД им. А. А. Скочинского. М., 1969.-с. 15-40.60. .Патент на изобретение № 4.915.455 от 10.04.1990, МПК Е21С35

50. Родионов Н.С., Чернова H.JI. Методология выбора оптимальны свойств твердых сплавов для создания горно-бурового инструмента. — Уголь, 2000, №9, с.29.

51. 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.

52. 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.

53. Линник Ю.Н., Жигульский В.И., Литвак Г.А. Анализ отказов шнеко-вых исполнительных органов очистных комбайнов, Уголь Украины. Киев.1987, №9, с. 27-29.

54. Коломийцов МД. Основы теории прогнозирования ресурса и выбора режима эксплуатации очистных комбайнов. Автореф. дисс. докт.техн.наук. М.: Моск. горный институт, 1987.

55. Денисенко Е.В., Морозов В.И. Выбор критерия оценки ресурса очистных комбайнов. / Уголь. М. 1984, №4, с. 9-13.

56. Позин Е.З., Линник Ю.Н., Жигульский В.И. Оценка надежности шнековых исполнительных органов очистных машин. / Уголь Украины. Киев.1988, №12, с. 30-31.

57. ОСТ 12.44.258-84. Комбайны очистные. Выбор параметров и расчет сил резания и подачи на исполнительных органах. Методика.М., Изд-во Министерства угольной промышленности СССР, 1985. 108 с.

58. Отраслевая инструкция по выбору области применения шнековых исполнительных органов очистных комбайнов. / Е.З.Позин, Ю.Н.Линник, В.З.Меламед и др. М.: Ин-т горного дела им. А.А.Скочинского, 1986. - 32 с.

59. Линник Ю.Н. Основы расчета надежности и эффективности функционирования исполнительных органов угледобывающих комбайнов в различных условиях эксплуатации. Дисс.докт.техн.наук. М.: Ин-т горного дела им. А.А.скочинского, 1991.

60. Старцев A.B. Установление эффективных схем обработки забоя и рациональных параметров исполнительных органов комбайнов при выемке пласта на полную мощность в Прибалтийском бассейне.: Дисс. канд.техн.наук. М.: Ин-т горного дела им. А.А.скочинского, 1987.

61. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. М.: Наука, 1971.-576 с.

62. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965. - 524 с.

63. Провести экспериментально-конструкторские работы по повышению надежности шнеков для исполнительных органов очистных комбайнов. Отчет о НИР / Гипроуглемаш. Исполнители: Г.А. Литвак, Х.И. Хазанов, Е.З. Позин и др. 4201101000: - М., 1986. - 56 с.

64. ОСТ 12.44.286-85. Шнеки очистных узкозахватных комбайнов. Типы и основные размеры. Взамен ОСТ 24.171.01. Введ. с 01.07.87.- М.: Из-во Министерства угольной промышленности СССР, 1986.- 5 с.

65. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

66. Пронников A.C. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. -592 с.

67. Линник Ю.Н., Жигульский В.И., Багатурия Т.В. Особенности изнашивания резцедержателей шнековых исполнительных органов очистных комбайнов. В кн.: Вопросы разрушения углей и горных пород. М.: Ин-т горного дела им. А.А.Скочинского, 1986, с. 87- 89.

68. Багатурия Т.В. Исследование и разработка способов повышения надежности закрепления радиальных резцов очистных комбайнов. Дисс. канд.техн.наук. М.: Ин-т горного дела им. А.А.Скочинского, 1989.

69. Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и расчет средств комплексной механизации. М.: Недра, 1986.- 208 с.

70. Позин Е.З. Об оценке эффективности работы угледобывающих комбайнов по данным электрических измерений. / Уголь Украины. Киев. 1971, №4, с. 35-38.