Анализ влияния горно-геологических условий угольных пластов на ресурс работы поворотных резцов очистных комбайнов

Фам Ван Тиен,

аспирант, кафедры промышленных машин и оборудований,

Ханойческого горного университета, Вьетнам,

Нгуен Кхак Линь,

аспирант кафедры машиностроения, Санкт-Петербургского горного университета.

В статье рассматривается процесс отделения угля от массива при помощи поворотных тангенциальных резцов очистных комбайнов в угольных пластах. Проведен анализ видов отказа поворотного тангенциального резца и влияния горно-геологических условий на долговечность поворотных тангенциальных резцов.

Ключевые слова: уголь, подземная добыча, очистной механизированный комплекс, комбайн, резец, износ.

В настоящее время в промышленно развитых странах для добычи угля в угольных шахтах применяются в основном очистные узкозахватные комбайны со шнековыми исполнительными органами, на которых устанавливают поворотные резцы. Резцы могут быть двух типов: тангенциальные и радиальные. Первые предназначены для крупного скола, разрушения сортовых углей и сланцев средней и выше средней крепости (от 330 Н/мм), а вторые используют для крепких платов. При одинаковом радиальном вылете радиальные резцы, имеющие меньшую длину режущей части, обеспечивают большую продольную жесткость и меньшее плечо изгибающего момента от боковых сил. У тангенциальных резцов направление суммарного усилия близко к направлению оси резца, что снижает величину изгибающего момента от сил резания и подачи и улучшает условия его работы. Чаще встречаются поворотные резцы для добычи угля.

Вопросы определения долговечности тангенциальных резцов рассматривались в исследовании [1, 2] и других. На основании анализа геометрических параметров резцов, в них показан характер взаимодействия резца и массива. Математическая модель горно-геологических условий описывает процесс выхода из строя поворотного резца в результате одновременного действия на него циклических сжимающе-изгибающих нагрузок и изнашивания составных частей резца, положенный в основу способа расчета и установления причины выхода резцов из строя.

В процессе выполнения резки угля при помощи специального подвижного режущего инструмента, происходит отделение стружки (или среза) от забоя. Процесс является цикличным и имеет скачкообразный характер. Как показано на рисунке 1, работа происходит в 2 стадии: дробление и скалывание. Острый резец (2) в процессе работы создаёт высокие значения контактных напряжений в месте соприкосновения с породой. В результате этого порода (в частности, уголь) разрушается, переходя из цельного состояния в раздробленное. При этом перед резцом образуется ядро (4), представляющее собой некоторое количество сжатого мелкофракционного угля. При этом взаимодействие ядра с зоной упругих деформаций (1) происходит через так называемую зону смятия (3). При этом максимальная величина создаваемого резцом давления наблюдается в непосредственной близи от его кромки. При удалении от неё давление резко падает, уменьшаясь по гиперболе. Колоссальное сопротивление породы сжимающему усилию препятствует заметному развитию ядра вглубь пласта. Рост ядра происходит только в непосредственной близости от обнаженной поверхности. При этом оно развивается в основном вверх и в стороны.

Рис. 1. Схема разрушения угля тангенциальным резцом.

В процессе работы на резцы очистных комбайнов действуют колоссальные сжимающие и изгибающие нагрузки. При этом данные воздействия имеют цикличный характер, а на сами резцы, помимо этих нагрузок, оказывается абразивное воздействие породы, приводящее к их интенсивному износу. В результате всех этих воздействий, в процессе эксплуатации резцов случаются отказы, носящие постепенный или внезапный характер. Причиной отказов является достижение максимально допустимого значения износа резца. Случаются также аварийные отказы, являющиеся следствием поломок элементов резца, к которым относятся державка и твердосплавная вставка. Существует две причины, по которым могут возникать внезапные отказы:

1.                  Воздействие на резец пиковой нагрузки, величина которой превышает допустимый уровень и, следовательно, прочность самого резца.

2.                  Накопление усталостных повреждений и изнашивания, результатом которых становится снижение прочности инструмента [3, 4].

Рис. 2. Вид поворотного тангенциального резца в исходном состоянии и после различных видов отказа:

а – исходное состояние резца; б – износ стальной державки; в – износ твердосплавной вставки; г – односторонний износ поворотного резца; д – выпадение твердосплавной вставки; е – поломка твердосплавной вставки; ж – полный износ резца.

В таб. 1 приведены сведения о горно-геологических условиях, техническом вооружении и расходе резцов при работе проходческих комбайнов на различных шахтах Кузнецкого угольного бассейна (сведения о причинах выхода резцов из строя в исследовании [5] не приводятся).

Таблица 1.

Удельный расход резцов по другим горно-геологическим условиям угольных пластов.

Видно (из таб. 1), что с увеличением процентного содержания и крепости вмещающих прослоек, удельный расход резцов повышается. При переходе к крепким породам возрастает доля отказов, обусловленных износом и поломкой твердосплавной вставки резца. Такой вывод находится в соответствии со статистикой [3] выхода из строя резцов, установленных на очистном комбайне МВ 12, использующемся на шахте Вьетнама.

Таким образом, по результатам промышленных испытаний показано, что при работе очистного комбайна в угольных пластах с прослойками породы малой и средней крепости и абразивности основной причиной выхода их поворотных резцов из строя является износ стальной державки резца, приводящий к оголению твердосплавной вставки и ее выламыванию или поломке.

Процесс отказа резца зависит от многих параметров и относится к сложным и многофакторным. Поэтому необходимы поиск и разработка технических решений, обеспечивающих повышение долговечности при других горно-геологических условиях.

Литература

1.                  Кекелидзе З.Ш. Определение рациональных геометрических параметров и углов установки поворотных резцов для проходческих комбайнов: автореф. дис. … канд. техн. наук. Кекелидзе Зураб Шахметович. – Тбилиси, 1981. -16 с.

2.                  Леванковский И.А. Научные основы создания высокоэффективных инструментов для разрушения горных пород и породосодержащих композитов: дис. … докт. техн. наук. Леванковский Игорь Анатольевич. – М, 1999. -335 с.

3.                  Глатман Л.Б., Глатман Л.Б., Логунцов Б.М., Позин Е.З. Инструмент очистных и проходческих комбайнов. Горн, и нефтепромысл. машиностроение. - М.: ВИНИТИ, 1978. 214 с.

4.                  Талеров М.П. Повышение эффективности применения поворотных резцов проход-ческих комбайнов выбором рациональных геометрических параметров инструментов: дис.…канд. техн. наук: Талеров Михаил Павлович. – СПб., 2012.

5.                  Хорешок А.А., Маметьев Л.Е., Цехин А.М. Производство и эксплуатация разруша-ющего инструмента горных машин. Томск: Изд-во Томского политехнического универси-тета, 2013. 296 с.

Поступила в редакцию 18.01.2018 г.