Тема: «Элементы и параметры горных инструментов»

ФГАОУ ВПО Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова

Горный институт

Кафедра горных машин

 

 

Конструкционные особенности горных машин для подземной добычи полезных ископаемых

Учебное пособие

Для самостоятельной работы и практических занятий

по дисциплине «Горные машины и оборудование подземных горных работ»

для студентов, обучающихся по направлению

130400.65 «Горное дело»

 

 

Якутск 2015

 

Составители: к.т.н., доцент Е.П. Апросимова,

д.т.н., профессор М.А. Викулов

 

Подготовлено на кафедре горных машин горного института СВФУ

 

 

	Содержание
	Введение
	Элементы и параметры горных инструментов
	Армирование инструментов горных машин
	Ручные сверла
	Бурильные машины ударного и ударно-поворотного действия
	Буровые установки (станки)
	Врубовые машины
	Очистные широкозахватные комбайны
	Исполнительные органы узкозахватных комбайнов
	Основные понятия о механизированной крепи
	Основные узлы механизированных крепей
	Механизированные комплексы
	Проходческие комбайны
	Проходческие щитовые комплексы
	Список принятых сокращений
	Использованные источники

Введение

Горная – машина сложный электромеханический объект, состоящий из отдельных элементов, деталей и узлов, выполняющих разные функции.

Рациональный выбор элементов и установление оптимальных режимов работы машины определяет безопасность работы и экономичность их эксплуатации. Современная техника ставит перед инженерами множество задач, решение которых, безусловно, связано со знанием конструкций и функционального назначения узлов, их движения и взаимодействия с другими составляющими частями машины.

С другой стороны нельзя изучить дисциплину только на основе лекций. Появление предлагаемого учебного пособия связано с разрозненностью изучаемого материала и в большей степени с утерей классических и основополагающих первоисточников. Данное учебное пособие является руководством к самостоятельному изучению и подготовке к практическим занятиям по основам курса подземных горных машин. Его создание обусловлено, прежде всего, потребностью развития навыков самостоятельной работы студентов и, возможно, дистанционного обучения. Материал учебного пособия изложен таким образом, что прослеживается историческая взаимосвязь развития и усовершенствования конструкционных решений горных машин.

Например, известно, что человечество использовало рабочие инструменты для выполнения работ со времен эпохи палеолита. Горные машины и механизмы, созданные для разрушения и добычи полезного ископаемого, так же оснащены узлами, которые являются усовершенствованным их видом. Знание параметров и способа воздействия рабочих инструментов помогает понять и даже предвидеть следующие (next) шаги развития и совершенствования, как деталей, так и узлов машин или конструкции в целом.

Материал пособия изложен с учтем возможности использования его при изучении курса, как технологами и шахтостроителями ПР МПИ, так и механиками ПР МПИ. В пособие включены классические материалы с гидравлическими и кинематическими схемами машин и механизмов, которые обуславливают и предполагают, приобретение навыков инженерного видения особенностей механических деталей, узлов и устройств, умения «чтения схем с листа».

Отвечая на контрольные вопросы необходимо помнить, что ответ должен обобщать полный объем изложенной информации по теме и включать знания приобретенные, как на производственной практике, так и в период теоретического обучения (лекций). Кроме того, ответ предполагает обобщение знаний, полученных при изучении курса физики, механики, прикладной механики, теории машин и механизмов и т.д. ^*

 

* Далее текст, выделенный курсивом, с меньшим размером шрифта будет содержать «подсказки».

Тема: «Элементы и параметры горных инструментов»

Назначение инструментов

и предъявляемые к ним требования

К горным инструментам относятся рабочие инструменты, применяемые для разрушения пород (в том числе полезных ископаемых) горными машинами и оборудованием: электрическими и гидравлическими сверлами, перфораторами, буровыми машинами и станками, стругами, врубами, добычными и проходческими комбайнами, экскаваторами и машинами для вспомогательных горных работ.

Под рабочим инструментом (РИ) или горным инструментом будем понимать деталь горной машины (ГМ), которым она воздействует непосредственно на горную породу.

Здесь и далее в скобках приведены сокращения, которые возможны в тексте учебного пособия и (или) при записи лекционных материалов. Многие понятия и выражения, которые вам встретятся в тексте данного пособия, имеют иностранное происхождение и исторически связаны со страной, где была наиболее развита инженерная мысль.

Ручные горные инструменты (копья, лопаты и др.) в данной теме не рассматриваются.

От параметров рабочих инструментов зависят в большой степени эргономичность труда, производительность горных машин, износ машин и расход энергии, качество и стоимость добываемой продукции.

На изготовление инструментов идут дорогостоящие стали и твердые сплавы.

Рабочие инструменты ГМ работают в тяжелых условиях: большие и переменные по характеру нагрузки с пиками до 5—8 и большой кратности относительно средних, изменчивые свойства разрушаемых пород, повышенные температуры (на крепких породах до 600ºС и более) и др. Надзор за состоянием инструмента во время работы нередко весьма затруднителен.

Поэтому к горным инструментам предъявляют следующие требования:

- эффективность разрушения горной породы с меньшим расходом энергии и с высокой производительностью;

- прочность и износостойкость, особенно армировки и рабочих кромок;

- соответствие формы, размеров и геометрических параметром свойствам разрушаемых пород, конструкции исполнительного органа и кинематике его работы;

- простое, надежное и жесткое закрепление в державках;

- возможность быстрой замены при износе;

- удобство для ремонта, восстановления и заточки, а также невысокая стоимость изготовления и эксплуатации.

 

Конструктивные и геометрические элементы

и параметры инструментов

 

Элементы инструментов. Несмотря на значительное разнообразие рабочих инструментов ГМ, основные элементы имеют много общего. Изложим этот вопрос применительно к режущему инструменту.

К элементам рабочих инструментов (рис. 1) относятся:

- корпус (тело, стержень);

- головка, или рабочая часть с гранями и рабочими кромками (лезвиями);

- хвостовик - для укрепления инструментов в гнездах (державках) органов разрушения, исполнительных органов (ИО) машин.

Головка характеризуется следующими элементами:

- передней поверхностью (гранью);

- задней поверхностью (гранью);

- боковыми поверхностями (гранями);

- рабочими кромками (лезвиями);

- острием (вершиной).

Передняя грань представляет собой поверхность, которой инструмент разрушает (отделяет от массива) срез (слой, стружку) горной породы.

 

 

Рис. 1. Элементы горных инструментов:

1 – головка; 2 – корпус; 3 – хвостовик; 4 – главная кромка;

5 – вспомогательная кромка; 6 – вершина; 7 – перо бурового резца

 

Задняя грань представляет собой поверхность, обращенную к поверхности среза. При затуплении РИ на ней образуется площадка износа, которой инструмент сминает (раздавливает) разрушаемую породу.

Боковые грани - поверхности, соединяющие переднюю и заднюю грани.

Вышеперечисленные поверхности могут быть плоские (наиболее распространены), выпуклые, граненые и другой формы.

Рабочие кромки образуются пересечением двух смежных граней. Они бывают главными, вспомогательными и боковыми. Главная рабочая кромка шириной а (рис. 2, а) или радиусом r_k (рис. 2, б) выполняет при разрушении породы основную работу и принимает на себя основную нагрузку. На рабочей части инструмента может быть одна или несколько из вышеуказанных граней и рабочих кромок.

Длина Н_а армировки - армированная или наплавленная твердым сплавом рабочая часть резца.

Армировка – твердый сплав на рабочей части РИ предназначенный для повышения износостойкости (более полную информацию см. в следующей теме).

Высота Н головки резца - расстояние от острия до опорной поверхности резца.

В отличие от режущего рабочего инструмента рабочая часть бурового резца называется пером. Обычно буровые резцы бывают двухперовыми. В современных можно встретить наличие и четырех перьев. Между перьями имеется разрыв, называемый раствором.

 

Рис. 2. Поверхность и плоскость резания

Форма и размеры элементов горных инструментов, особенно его рабочей части, оказывают большое влияние на их производительность, прочность, износостойкость и расход твердого сплава.

Поверхность и плоскость резания (см. рис. 2). Поверхностью резания называется поверхность, образуемая режущими кромками работающего резца, находящимися в контакте с породой.

Плоскостью резания называется плоскость, касательная, к поверхности резания и проходящая через рабочее лезвие или через его точку (вершину ). Ее положение во t определяется углом θ. Буква θ у древних философов обозначала землю. У резцов с прямолинейным движением плоскость резания совпадает с поверхностью резания.

Конструктивные геометрические параметры. Различают конструктивные и рабочие углы инструментов, характеризующие их геометрию.

Конструктивные углы, или углы в нерабочем состоянии, определяют форму рабочей части инструмента как геометрического тела без связи с обрабатываемой поверхностью забоя. Эти углы нужны при проектировании и изготовлении инструментов и указываются в их характеристике.

При определении конструктивных углов положение плоскости резания определяется из условия, что подача резца равна нулю. Рабочий инструмент находится в состоянии покоя.

Рабочие углы рассматриваются в процессе работы инструментов с учетом фактической траектории движения точек режущих кромок и расположения их относительно обрабатываемой поверхности забоя. Рабочие углы имеют важное значение при выборе режимов работы разрушающих органов и с учетом их устанавливаются (определяются) конструктивные углы.

К главным углам режущего инструмента относятся: угол заострения, задний угол, передний угол и угол резания (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Конструктивные Геометрические параметры резцов

(β_ф - передний угол по фаске; α₁, β₁ – углы на вспомогательной кромке):

а – И-79; б – РП-7Ц

Углом заострения δ называется угол между передней и задней гранями резца. Чем меньше этот угол, тем тоньше и острее рабочие кромки, но тем меньше их прочность. Угол заострения выбирается в зависимости от крепости и абразивности разрушаемой породы и от ожидаемой рабочей нагрузки на инструмент. Этот угол на резцах выемочных машин и горных сверл обычно бывает равным 65 - 90°, а на струговых ножах 40 - 60°.

Задним углом α называется угол между плоскостью резания и касательной к задней поверхности резца в рассматриваемой точке рабочей кромки. Этот угол у горных инструментов обычно бывает в пределах 5 - 20°. Не рекомендуется слишком увеличивать задний угол при положительном переднем угле. Прошу обратить внимание на данное замечание. Посмотрите положительное значение переднего угла и отрицательное (рис.4 а). Они несколько отличны от привычных вам. Это приводит к ослаблению рабочей кромки; при переднем отрицательном угле задний угол, как показали исследования, можно увеличивать до 20 - 30°, так как при этом прочность режущей кромки не снижается, а площадки износа получаются меньшей величины.

Углом резания γ называется угол между передней поверхностью (гранью) рабочего инструмента и плоскостью резания. Он равен сумме углов заострения и заднего угла (γ = δ + α) и обычно составляет 60 - 115° в зависимости от крепости разрушаемой породы и конструкции рабочей части инструмента. С увеличением угла резания возрастает сопротивление горной породы резанию, особенно при углах, больших 90°. По энергоемкости более выгодными углами резания являются углы величиной 50-70°, но такие углы можно применять при разрушении мягких горных пород инструментом, армированным твердым сплавом.

При разрушении более крепких горных пород инструментами, армированными твердыми сплавами, группы ВК, применяют углы резания от 70 до 115°, так как при малых углах рабочие кромки армировки выкрашиваются.

Передним углом b называется угол между передней поверхностью инструмента и плоскостью, перпендикулярной плоскости резания и проведенной через главную режущую кромку. Обращаю Ваше внимание, что перпендикулярная плоскость проводится мысленно, т.е. ее нет в действительности.

 

 

Рис. 4. Рабочие геометрические параметры резцов:

а – конструктивные углы; б – рабочие углы

 

Передний угол оказывает большое влияние на износостойкость и прочность рабочих кромок, и заметное влияние на возникающие усилия и мощность.

Различают передние углы - положительные, отрицательные и нулевые. Когда передняя поверхность инструмента совпадает с перпендикулярной плоскостью ОВ (рис. 4, а), то передний угол b = 0, в этом случае α+δ=γ=90⁰

Когда перпендикулярная плоскость ОВ проходит вне угла заострения, то передний угол b > 0, и в этом случае α + δ + b ≥ 90°.

Когда перпендикулярная плоскость ОВ проходит внутри угла заострения, то передний угол b отрицательный, и в этом случае b = δ+α – 90° или γ = 90° + b, т. е. угол резания больше 90°.

Передний угол РИ обычно бывает в пределах от 0 до +13° для мягких пород и до -25° для крепких, от +23° до – 44° на струговых ножах.

Рабочие, геометрические, параметры. Резцы многих горных машин в процессе работы совершают два движения: в осевом направлении (вектор скорости подачи v _n), при котором он внедряется в разрушаемую породу, и в направлении, перпендикулярном оси (вектор скорости резания v _р), при которой резец снимает срез (стружку). В результате обоих движений линия резания в любой точке режущей кромки будет определяться касательной WW (рис. 4, б). Эта касательная составляет с плоскостью O x угол θ наклона траектории резания. Величина этого угла определяется по формуле

 

 

Если прочесть данную формулу с точки зрения инженера, то она будет звучать таким образом: θ – это угол образованный векторами двух скоростей (катетами) подачи и резани. Один катет противолежит углу (sin), а второй прилежит углу (cos). Теперь ответ на вопрос положение чего определяет угол θ, найдите сами. До сего дня Вы умели читать тексты, составленные из букв, а с этого момента должны научиться читать формулы, то есть понимать их смысл.

У бурового резца угол θ изменяется по режущей кромке, уменьшаясь от центра резца к его периферии. У резцов выемочных машин угол θ обычно одинаков во всех точках режущей кромки. Рабочие углы α_р, γ_р, b_р резца будут: α_р = α + θ; γ_р = γ + θ; b_р = b + θ.

Очевидно, что рабочие углы отличаются от конструктивных на угол θ. При работе на планетарных исполнительных органах проходческих комбайнов этот угол может достигать значении 15—20° и более. Это необходимо учитывать при выборе конструктивной геометрии РИ и их нагрузок.

В данной работе мы не рассматриваем материалы для изготовления корпусов рабочих инструментов. Однако следует учесть, что в связи с тяжелыми условиями работы РИ к материалам, из которых изготавливаются корпус инструмента, предъявляются следующие требования:

- высокая прочность и достаточная вязкость;

- высокая износостойкость (в особенности в рабочей части);

- высокая теплопроводность и минимальный коэффициент теплового линейного расширения;

- широкий интервал ковки и хорошая закаливаемость;

- хороший контакт с припоями.

Припой – материал для крепления армировки (см. тему №2).

Для изготовления корпуса РИ чаще всего применяют легированные стали. Они придают рабочим инструментам горных машин более высокую прочность и износостойкость.

Инструментальную углеродистую сталь применяют для изготовления буровых резцов и буровых штанг. Углеродистую сталь 45 и качественную углеродистую сталь 50 применяют при изготовлении пик отбойных молотков. Для снижения внутренних напряжений, возникающих в инструменте при пайке, рекомендуется использовать для изготовления корпусов рабочих инструментов высоколегированные стали мартенситного класса.

 

Для защиты темы необходимо знать:

1. Какие требования предъявляют горным инструментам;

2. Дайте определение передней, задней и боковой грани;

3. На что влияет величина угла заострения δ;

4. Что происходит с увеличением заднего угла α;

5. К чему приводит увеличение угла резания γ более чем на 90°;

6. В каких пределах изменяется передний угол b;

7. Что определяет угол θ. В чем отличие поверхности и плоскости резания.

Вначале может показаться, что вопросы 4 и 5 дублируют друг друга. На самом деле увеличение заднего угла a возможно не только в случае затачивания (уменьшения значения угла заострения d), а так же и наклона рабочего инструмента. Тогда распределение сил измениться, следовательно, ответ должен основываться на анализе изменения положения рабочего инструмента. В тексте пояснения этому вопросу отведено только одно предложение, поэтому студенту необходимо или внимательно проштудировать содержание, а лучше самостоятельно, как говорилось ранее, на основе приобретенных знаний по физике, теоретической механике, теории машин и механизмов подойти к решению данного вопроса. Информацию о новых конструкциях рабочих инструментов вы можете найти на сайте www.mash-hold.ru.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: