Научная статья на тему 'Разработка узлов крепления дискового инструмента к рабочим органам проходческих комбайнов'

Разработка узлов крепления дискового инструмента к рабочим органам проходческих комбайнов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
79
8
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ROADHEADER / EFFECTOR / HEAD / ПРИЗМА / PRISM / FASTENING KNOT / ДИСКОВЫЙ ИНСТРУМЕНТ / DISC TOOL / TENSION / ПРОХОДЧЕСКИЙ КОМБАЙН / ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ОРГАН / КОРОНКА / УЗЕЛ КРЕПЛЕНИЯ / НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Хорешок Алексей Алексеевич, Маметьев Леонид Евгеньевич, Борисов А. Ю., Мухортиков Сергей Григорьевич

Проведен анализ технических решений по созданию узлов крепления дискового инструмента к исполнительным органам горных комбайнов для реализации совмещения процессов разрушения, дробления, погрузки горной массы и повышения эффективности монтажно-демонтажных операций в призабойном пространстве подземной горной выработки.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Хорешок Алексей Алексеевич, Маметьев Леонид Евгеньевич, Борисов А. Ю., Мухортиков Сергей Григорьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

WORKING OUT OF KNOTS OF FASTENING FOR THE DISK TOOL TO HEADS OF ROADHEADERS

On creation of knots of fastening of the disk tool to effectors of mining combines the analysis of technical decisions is made for realisation of combination of processes of destruction, crushing, loading of mined rock and increase of efficiency of assembly and dismantling operations in coal faces of underground mountain development.

Текст научной работы на тему «Разработка узлов крепления дискового инструмента к рабочим органам проходческих комбайнов»

© А.А. Хорешок, Ё.Е. Маметьев,

А.Ю. Борисов, С.Г. Мухортиков, 2012

А.А. Хорешок, Л.Е. Маметьев, А.Ю. Борисов, С.Г. Мухортиков

РАЗРАБОТКА УЗЛОВ КРЕПЛЕНИЯ ДИСКОВОГО ИНСТРУМЕНТА К РАБОЧИМ ОРГАНАМ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ

Проведен анализ технических решений по созданию узлов крепления дискового инструмента к исполнительным органам горных комбайнов для реализации совмещения процессов разрушения, дробления, погрузки горной массы и повышения эффективности монтажно-демонтажных операций в призабойном пространстве подземной горной выработки.

Ключевые слова: проходческий комбайн, исполнительный орган, коронка, призма, узел крепления, дисковый инструмент, напряженное состояние.

На кафедре горных машин и комплексов КузГТУ в течение длительного времени проводится исследовательские и проектно-конструкторские работы по созданию унифицированного дискового инструмента для расширения области применения по разрушению неоднородных угле-породных забойных массивов при очистных, буровых и проходческих работах. При этом особое внимание уделяется не только конструкции дискового инструмента, но и его расположению и фиксации в узлах крепления на рабочих и исполнительных органах горных машин [1, 2].

Необходимо учитывать не только количество и конструктивные параметры базовых узлов несущих элементы с узлами крепления и транспортирования продуктов разрушения в пределах ширины погрузочного фронта, но и также количество разрушающе-погрузочных коронок с параметрами их кинематического взаимодействия [3, 4].

Для выбора направлений совершенствования конструкций узлов крепления дискового инструмента представляет интерес анализ следующих технических решений (рис. 1): патентов РФ № 2239059, 2455486 и авторских свидетельств СССР № 1456558, 1555481, 1280119.

Дисковая шарошка (Патент РФ 2239059, E 21 C 35/19, опубл. 27.10.2004), состоит из дискового элемента, который установлен на цапфе, консольно и съемно закрепленной в держателе шарошки с возможностью свободного вращения вокруг нее и в осевом направлении зафиксирован на ней с помощью комбинированного радиально-упорного подшипника. Цапфа соединена с держателем шарошки крепежным винтом (рис. 1, а). Недостатками этой конструкции является высокая сложность процессов сборки и разборки подшипникового узла, высокие контактные нагрузки на опору качения, приводящие к интенсивному износу дорожек качения. При этом крепежный винт предназначен только для сборочных и крепежных операций, а в случаях заклинивания конических сопряжений цапфы оси дисковой шарошки с гнездом держателя, винт не обеспечивает производство демонтажных операции путем использования осевого усилия резьбы. Их можно осуществить с помощью ударных нагрузок, что может повредить резьбу.

Исполнительный орган горного комбайна (А.с. 1456558 СССР, кл. E 21 C 27/02, опубл. 07.02.89, Бюл. № 5), включает отрезной диск и ступицу с винтовыми погрузочными лопастями и дисковыми шарошками, закрепленными на осях, размещенных в кронштейнах, установленных за винтовыми погрузочными лопастями. В кронштейнах выполнены направляющие пазы, в которых размещены упругие элементы и оси дисковых шарошек. Упругие элементы выполнены в виде тарельчатых пружин с направляющими шпильками (рис. 1, б). Недостатками этого исполнительного органа является сложность конструкции, уменьшение вылета инструмента при увеличении прочности забойного массива и сложность монтаж-но-демонтажных операций при замене узла крепления в при-забойном пространстве.

Рабочий орган очистного комбайна (А.с. 1555481 СССР, кл.Е 21 C 25/04, опубл. 07.04.90, Бюл. № 13), включает ступицу, отрезной диск, погрузочные лопасти, в которые встроены опоры дисковых шарошек. Каждая опора содержит кронштейн в виде двух боковых поверхностей, между которыми в пазу установлена дисковая шарошка на оси (рис. 1, в). Недостатком данной конструкции является сложность конструкции, характеризуемое низкой ремонтной пригодностью и наличием

клиновой поверхности на оси крепления на торцевой части со стороны погрузочной поверхности лопасти шнека, что усложняет процесс сборки и разборки узла дискового инструмента при эксплуатации. Идеально клиновая поверхность крепежной оси должна соответствовать и вписываться в винтовую поверхность транспортирующе-погрузочную лопасть шнека.

Исполнительный орган добычного комбайна (А.с. 1280119 СССР, кл. Е 21 С 25/00, опубл. 30.12.86, Бюл. № 48), включает ступицу, отрезной диск с резцами, погрузочные лопасти, за которыми расположены последовательно кронштейны с укрепленными на них дисковыми шарошками (рис. 1, г). Недостатками этой конструкции является наличие двухопорной системы крепления диска и заштыбовка лабиринтного пространства между опорными кронштейнами.

Общим недостатком этого конструктивного блока приведенных технических решений является низкая адаптивная способность всех перечисленных рабочих органов и узлов крепления дискового инструмента к изменяющимся физико-механическим свойствам породных массивов, то есть к оперативному изменению параметров разрушения без изменения конструкции в рамках унифицированного узла.

Исполнительный орган проходческого комбайна (Пат. РФ 2455486, МПК Е 21 С 25/18, Е 21 С 27/24, опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19), разработан кафедрой горных машин и комплексов КузГТУ (рис. 1, л) [3] и содержит стрелу, раздаточный редуктор, две разрушающе-погрузочные коронки, оси которых параллельны продольной оси стрелы. Корпус каждой из разрушающе-погрузочных коронок выполнен в виде усеченной конической поверхности, либо в виде усеченных многогранных пирамид. На наружных поверхностях корпусов разрушающе-погрузочных коронок установлены трехгранные призмы с узлами крепления дисковых инструментов. На каждую ось-цапфу свободно посажен дисковый инструмент, кон-сольно установленный перед гранью призмы. Крепежная часть оси-цапфы размещена внутри трехгранной призмы и жестко прикреплена планкой-замком к перегородке болтами. С обеих сторон дискового инструмента установлены дистанционные торцевые кольца, выполняющие функцию упорных подшипников, воспринимающих осевые нагрузки при разрушении.

а б в

Рис. 1. Конструктивные особенности узлов крепления дисковых инструментов: а — патент РФ № 2239059; б — а.с. № 1456558; в — а.с. № 1555481; г — а.с. № 1280119; д — патент РФ № 2455486

Преимуществом данного технического решения является то, что он может конструктивно адаптироваться как к одноко-рончатым, так и к двухкорончатым и кинематически сопряженным исполнительным органам проходческих комбайнов.

Недостатками данной конструкции узда крепления дискового инструмента является сложность крепления оси-цапфы внутри трехгранной призмы и отсутствие элементов, облегчающих производство монтажно-демонтажных работ.

Для выбора конструктивных и силовых параметров на кафедре горных машин и комплексов КузГТУ произведен статический расчет на прочность двухопорного узла крепления дискового инструмента [1] на радиальной коронке проходческого комбайна с использованием метода конечных элементов.

Расчет усилий резания Pz, внедрения Py и бокового Px на дисковых инструментах произведен по системам уравнений (1, 2) [5] с учетом конструктивных и режимных параметров, а также характеристик разрушаемого массива по осж:

• для условий ссж> 50 МПа с коническим дисковым инструментом:

Pz = R QSyfP • sin(0,90) • sin Ф. асж • 2;

Py = Pz • ctg (к 0); (1)

P = P c Xb . x z R sin(k 0)'

• для условий ссж> 50 МПа с биконическим дисковым инструментом:

Pz = R0^ • sin(0,90) • ——Ф1—ф2) • Ссж • 2; (2)

v cos ф2

Py = Pz • ctg(k0). P = P cXb

x z R sin(k0)'

где Pz, Py, Px — проекции вектора усилий P на оси декартовой системы координат Oz, Oy, Ox, соответственно, кН. R = 0,08 м — радиус дискового инструмента, м. 9 = arccos((R-h)/R), рад. р = 0,0015 м — радиус кромки притупления дискового инструмента, м. tp = 0,03 м — шаг разрушения, м. h = 0,006 м — глубина внедрения, м. b = 0,03 м — толщина инструмента, м. ф1,ф2 — передний и задний углы заострения, град. k = 0,8 при L>h, к = 0,5 при L = h; L — высота обнаженной поверхности, м. 0 <А,< 1 — в зависимости от вида реза. cp, ссж — пределы

Таблица 1

Усилия, кН Характеристики разрушаемого массива по осж, МПа

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Биконический дисковый инструмент ср = Ф1+Ф2 = 25°+5° = 30°

Р2 2,06 2,48 2,89 3,3 3,72 4,13 4,54 4,96 5,37 5,78

Ру 6,4 7,7 8,97 10,26 11,54 12,82 14,1 15,39 16,67 17,95

Рх 2,52 3,03 3,53 4,04 4,54 5,05 5,6 6,06 6,57 7,07

Биконический дисковый инструмент ср = Ф1+Ф2 = 20°+10° = 30°

Рг 2,09 2,58 2,92 3,34 3,76 4,18 4,6 5,01 5,43 5,85

Ру 6,48 7,78 9,08 10,37 11,67 12,97 14,27 15,56 16,86 18,16

Рх 2,55 3,06 3,57 4,09 4,6 5,11 5,62 6,13 6,64 7,15

Биконический дисковый инструмент ф = Ф1+Ф2 = 15°+15° = 30°

Рг 2,13 2,57 2,98 3,41 3,83 4,26 4,68 5,11 5,54 5,96

Ру 6,61 7,93 9,26 10,58 11,9 13,22 14,55 15,87 17,19 18,51

Рх 2,6 3,12 3,64 4,17 4,69 5,21 5,73 6,25 6,77 7,29

Конический дисковый инструмент ф = 30°

Рг 2,06 2,47 2,88 3,29 3,7 4,11 4,53 4,94 5,35 5,76

Ру 6,39 7,66 8,94 10,22 11,49 12,77 14,05 15,33 16,6 17,88

Рх 2,51 3,02 3,52 4,02 4,53 5,03 5,53 6,04 6,54 7,05

со со

прочности на одноосное растяжение и сжатие, МПа; с = 1,0 — блокированный и повторно-блокированный режим разрушения, с = — 1,0 — свободный и полусвободный режим разрушения.

В табл. 1 представлены результаты расчета усилий нагру-жения узла крепления для трех вариантов биконического и одного варианта конического дисковых инструментов с учетом схемы сил представленной на рис. 2.

Рис. 2. Схема сил, действующих на дисковый инструмент в узле крепления

Рис. 3. Распределение эквивалентных напряжений по критерию Мизеса в узлах крепления биконических дисковых инструментов (ф = ф1+ф2 = 25°+5° = 30°) с учетом характеристики разрушаемого массива: а — асж 70 МПа; б — асж 120 МПа

На рис. 3 представлены две иллюстрации распределения эквивалентных напряжений по критерию Мизеса в узлах двух-опорного крепления биконических дисковых инструментов.

Как следует из анализа результатов расчетов, эквивалентных напряжений по критерию Мизеса в узлах крепления, они не превышают 20 МПа, что существенно ниже предела текучести для выбранной марки стали 35ХГСА. С переходом от асимметрии к симметрии биконических дисковых инструментов, прослеживается снижение параметров зон эквивалентных напряжений в неподвижной оси крепления. Для конического дискового инструмента параметры зон эквивалентных напряжений в неподвижной оси крепления прямо пропорционально связаны с прочностью забойного массива.

Изложенные выше результаты моделирования узлов крепления дискового инструмента на коронках проходческих комбайнов позволили сформулировать требования к конструкции исполнительных органов с двумя радиально-осевыми коронками с повышенными функциональными возможностями по разрушению, дроблению и погрузке горной массы.

Полученные результаты позволяют разработать унифицированный узел крепления дискового инструмента к трехгранной призме, обеспечивающей погрузочно-транспортирующую способность исполнительного органа проходческого комбайна в режиме реверсивных вращательных и поступательных движений.

Дополнительно может быть реализована возможность повышения эффективности монтажно-демонтажных операций в призабойном пространстве подземной горной выработки в процессе замены узлов крепления дисковых инструментов в трехгранных призмах.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хорешок A.A. Перспективы применения дискового инструмента для коронок проходческих комбайнов / A.A. Хорешок, Л.Е. Маметьев, В.В. Кузнецов, А.Ю. Борисов // Вестн. Кузбасского гос. тех. унив. — Кемерово, 2010. — № 1. — С. 52-54.

2. Хорешок A.A. Опыт эксплуатации рабочего инструмента исполнительных органов горных машин на шахтах Кузбасса / A.A. Хорешок, A.M. Цехин, В.В. Кузнецов, А.Ю. Борисов, П.Д. Крестовоздвиженский // Горное оборудование и электромеханика. — 2011. — № 4. — С. 8-11.

3. Пат. 2455486 Российская Федерация, МПК E 21 С 25/18, E 21 С 27/24 (2006.01). Исполнительный орган проходческого комбайна / Маметь-ев Л.Е, Хорешок A.A., Борисов А.Ю., Кузнецов В.В., Мухортиков С.Г.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» (Куз-ГТУ). — № 2010141881/03 ; заявл. 12.10.2010 ; опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19. — 14 с.

4. Нестеров В.И. Исполнительный орган проходческого комбайна для совмещения процессов разрушения забоя с дроблением негабаритов и погрузкой горной массы / В.И. Нестеров, Л.Е. Маметьев, A.A. Хорешок, A.Ü. Борисов // Вестн. Кузбасского гос. тех. унив. — 2012. — № 3. — С. 112-

5. Кузнецов В.В. Обоснование параметров и разработка исполнительного органа проходческого комбайна, оснащенного дисковым инструментом: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. — Кемерово, 1992. — 16 с. ЕШ

Хорешок Алексей Алексеевич — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой горнык машин и комплексов, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, зав. лабораторией комплексной механизации разработки угольных месторождений Институт угля СО РАН, [email protected],

Маметьев Леонид Евгеньевич — доктор технических наук, профессор кафедры горных машин и комплексов, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, [email protected], Борисов А.Ю. — ст. преподаватель кафедры горных машин и комплексов, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, [email protected],

Мухортиков Сергей Григорьевич — соискатель, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, зам главного механика ОАО «СУЭК — Кузбасс».

117.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.