CC BY
181
УДК 622.23.054:51-74(51-37)
СОСТОЯНИЕ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД РЕЗЦОВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ
НА РУБЕЖЕ ВЕКОВ
А.Б. Жабин, А.В. Поляков, Е.А. Аверин, В.И. Сарычев
Приведены основные сведения о резцовых инструментах для разрушения различных материалов в горном деле. Представлены и проанализированы зарубежные и отечественные исследования, касающиеся эффективности применения резцов. Показаны основные направления их развития с учетом использования компьютерных технологий. Даны рекомендации относительно целесообразности использования тех или иных методов в практических целях.
Ключевые слова: резец, горная порода, метод расчета, теоретические и эмпирические исследования, анализ состояния научных исследований.
Введение. При оснащении очистных и проходческих (избирательного действия) горных машин в качестве стандартных средств разрушения углей и горных пород, а также калийных руд применяются инструменты резцового типа: радиальные и тангенциальные резцы (рисунок). В настоящее время более широкое распространение получили тангенциальные резцы (также называемые поворотными или коническими) вследствие своей способности проворачиваться вокруг собственной оси в процессе работы, из-за чего они равномерно изнашиваются и реже выходят из строя.
Радиальные резцы способны разрушать горные породы с пределом прочности на сжатие до 40... 60 МПа [1]. В технически остром состоянии они обладают достаточно высокой эффективностью, характеризуются относительно небольшими усилием резания и удельной энергоемкостью процесса разрушения. Однако по мере их изнашивания эти показатели разрушения значительно возрастают. Из-за этого недостатка радиальные резцы в настоящее время практически не используются.
Тангенциальные резцы способны разрушать горные породы с пределом прочности на сжатие до 100... 120 МПа [1]. Их основными достоинствами являются увеличение глубины резания при снижении удельной энергоемкости по сравнению с резцами радиального типа [2] и симметричный износ [3], вследствие чего они имеют относительно большой срок службы [4], что позволило им получить широкое распространение при оснащении проходческой и очистной горной техники [5]. Чаще всего тангенциальные резцы используются на режущих органах горных машин, представляющих собой тела вращения: шнеки и барабаны (очистные комбайны) и продольно- и поперечно-осевые коронки (проходческие комбайны). Для наиболее полной реализации достоинств этих резцов и минимизации негативных моментов (излишнее трение, вибрации на исполнительном органе и пр.) рекомендуются следующие параметры их
ориентации на исполнительном органе. Угол установки резца должен составлять 45°, угол резания - 65...70°, а угол разворота - 10...20° [1 -3, 6].
Радиальный (а) и тангенциальный (б) резцы
Приведенные выше рекомендации относительно рационального применения резцового инструмента основаны на многолетней практике их использования. Однако, разумеется, за многие десятилетия существования механического способа разрушения горных пород и т.д. были разработаны также теоретические основы данного процесса. При этом важнейшей проблемой в теоретическом описании взаимодействия резцового инструмента с различными типами горных пород является определение усилий на инструменте. Выделяются два теоретических подхода к решению данной проблемы: один распространен в западных странах, другой - в бывших советских республиках и некоторых других странах социалистического блока. Рассмотрим их подробнее.
Западные исследования. Западные теоретические модели разрушения горных пород радиальными резцами построены с множественными допущениями и упрощениями, основными из которых являются следующие: резание рассматривается как двумерный процесс, при этом считается, что взаимодействие между соседними резами отсутствует (блокированное резание одиночным резцом), игнорируются возможные включения и/или нарушения в горной породе [1, 7]. Первая подобная модель [8] была предложена Эвансом применительно к определению усилия резания (в ньютонах) при резании угля радиальным резцом
2 -ар • к • • Бт
¥г
Я 2 -а ^
V 2 )
1 - Бт
я/ 2 -а 2
(1)
)
где ор- предел прочности угля на растяжение, МПа; И - глубина резания, мм; w - ширина режущей кромки резца, мм; а - угол резания, рад.
Впоследствии было проведено сопоставление экспериментальных данных при разрушении песчаника, известняка и ангидрита и численных значений, полученных по формуле (1) для тех же пород [9]. Результаты сопоставления показали достаточно высокую сходимость экспериментальных и расчетных данных, что позволило расширить область применения указанной модели на любые горные породы.
Известна также математическая модель [10] ^ _2 -т- к • w • соБ(-а)-соб/
р (п +1)-(1 - $>т(у + ф-а)) где т - предел прочности на сдвиг, МПа; и - угол трения между инструментом и породой, рад.; у - внутренний угол трения горной породы, рад.; п - параметр, характеризующий распределение давления / нагрузки п = 12-а/5.
Как правило, определить угол трения между горной породой и резцом не представляется возможным, поэтому в табл. 1 приводятся некоторые характерные значения коэффициента трения, полученные в результате исследований.
Таблица 1
Коэффициент трения между горной породой и резцом_
Горная порода Материал инструмента Ссылка Коэффициент трения
Уголь (сухой) Сталь [10] 0,42-0,69
Уголь (влажный) 0,29-0,50
Гипс [11] 0,90-0,96
Песчаник Карбид вольфрама 0,32-0,45
Песчаник Сталь 0,17-0,18
Ангидрит Карбид вольфрама и сталь [11] 0,39-0,74
Известняк 0,43-0,63
Гранит 0,27-0,39
Граувакка 0,20-0,44
Гарцбургит (саксонит) Карбид вольфрама [2] 0,47
Серпентин 0,53
Трона (египетская соль) 0,58
Песчаник 0,49-0,58
Известняк 0,58
Туф 0,51-0,62
Медь 0,60-0,78
В работе [13], например, получена следующая модификация:
2 -а л 2
2•к•w• бШ
= к • &2 • кз • к4
1 - бШ
ж/ 2 - а 2
(3)
где к\ - коэффициент, учитывающий влияние износа на усилия, действующие на инструмент (табл. 2); к2 - коэффициент, учитывающий заострение режущей кромки резца (табл. 3); к3 - коэффициент, учитывающий задний угол (табл. 3); к4 - коэффициент, учитывающий режим резания.
Коэффициент к\ показывает отношение усилия резания на изношенном резце Fpw к усилию резания на технически остром резце Fps в зависимости от ширины зоны износа.
Таблица 2
Значение коэффициента k1 [13]_
Ширина зоны износа, мм 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
F /F = Ь 1 ри'1 ро к1 1,27 1,55 1,83 2,11 2,39 2,67 2,95
Коэффициенты к2 и к3 получены по результатам работы [14].
Таблица 3
Значения коэффициентов k2 и k3 [13]
Угол передней режущей кромки, град - 90° 120° 150° 180°
Коэффициент к2 - 0,65 0,80 0,95 1,00
Задний угол, град. 0° 90° 120° 150° 180°
Коэффициентк3 0,50 0,65 0,80 0,90 1,00
Коэффициент к4 обычно принимается равным 0,9 для случаев, когда предполагается присутствие взаимодействия между линиями резания (например, полублокированный режим резания), и 1 - для блокированного резания [10, 15, 16].
По мнению авторов, в случае необходимости выполнения предварительных расчетов для определения усилия резания при разрушении горных пород радиальным резцовым инструментом или его аналогом из представленных методов расчета следует использовать комбинацию выражений (2) и (3), поскольку только в таком случае представляется возможным учесть максимальное количество влияющих на процесс разрушения параметров.
Причем, если первое из них следует брать целиком, то из последнего - только поправочные коэффициенты к1 - к4.
В отличие от резания различных горных пород радиальным резцом задачу описания процесса их разрушения тангенциальным резцом сложно как адекватно решить в двумерной постановке, так и в принципе упростить без существенной потери точности отражения реальности [17]. Поэтому математических моделей резания, основывающихся на физике процесса, до сих пор немного. Наиболее известной и распространенной из них является модель, предложенная Эвансом [18], согласно которой внедрение режущего инструмента в массив приводит к возникновению в нем радиальных сжимающих напряжений. При этом предполагается отсутствие трения
между инструментом и породой. Когда они достигают предела прочности материала на растяжение, происходит скол в виде симметричного V-образного фрагмента. Также делается допущение о том, что нормальное контактное давление между резцом и массивом распределено равномерно, вследствие чего практически не учитываются упругие эффекты процесса.
Напряжения, возникающие в результате взаимодействия режущего инструмента и породы, определяются исходя из условия равновесия усилий на половине V-образного фрагмента с использованием анализа предельных состояний. При этом предполагается, что полное усилие внедрения эквивалентно нормальному усилию между породой и резцом, что позволило получить следующую зависимость для определения максимального усилия при разрушении породы тангенциальным резцом:
рр =
2 2 16 -Л -Ор - С
осж - соб2 в
(4)
где в - половина угла конусности резца.
Однако выражение (4) не обеспечивает необходимой точности вычислений [19 - 21]. В работах [19, 21] это объяснялось тем, что модель Эванса не учитывает трение между инструментом и породой, с учетом которого были получены следующие выражения:
рр =7
16 - л - ор - осж - С2
2 - Ор + осж - соБв -
Л , + '
1 + 1ап щ
(5)
V
1апщ
где щ - угол трения между резцом и разрушаемым материалом и
16 - л - ор - с
2 БШ2 (в + щ)
(п \ ■ (6)
соБ(в + щ)
Авторы работы [21] заявляли удовлетворительную сходимость экспериментальных и расчетных данных при разрушении песчаника. Автор работы [19] обнаружил, что его модель существенно недооценивает усилия резания по сравнению с данными полномасштабных экспериментов. По его мнению, причиной является предположение о симметричности откалываемого фрагмента (и соответственно распределения давления между инструментом и породой). Впоследствии [20] модель (6) была доработана:
12 - л -Ор - С2 - Бт2
90 -а
Fr
V
2
+ в + щ
СОБ
90 -а 2
(7)
+ в + щ
где а - угол резания.
Выражения (5) - (7), по существу, являются развитием модели Эванса (4), так же, как (2) и (3), - развитием модели (1). При этом ни одна
из них не удовлетворяет необходимой точности и универсальности применения, несмотря на их широкую распространенность [2]. Также они предназначены для определения усилий только в режиме блокированного резания. Кроме того, в них не учитываются такие важные параметры разрушения, как шаг резания, ширина и форма твердосплавной вставки резца.
Наряду с теоретическими методами развиваются также и численные методы описания разрушения горных пород резцовым инструментом. Так, например, в работе [22] разрушение горных пород тангенциальным резцом изучалось в двумерной и трехмерной постановках. При этом использовался метод дискретных элементов (МДЭ). Результаты 2D-H SD-моделирования затем сравнивались между собой и с имеющимися экспериментальными данными. Было показано, что SD-модель достаточно объективно отражает реальный процесс. В то же время 2D-модель вообще не в состоянии определять боковую составляющую усилия на инструменте, а также дает некорректные значения нормальной составляющей, достаточно точно отражая только радиальную составляющую. Данное исследование подтверждает известный тезис о невозможности получения адекватных результатов разрушения горных пород тангенциальными резцами при двумерном моделировании этого процесса.
В работе [2S] использовался метод конечных разностей (МКР) в трехмерной постановке задачи с использованием алгоритма Particle Flow Code (PFC). Авторы объяснили свой выбор МКР в качестве инструмента численного моделирования тем, что этот метод позволяет моделировать горный массив как совокупность частиц с разными свойствами, включая поры, трещины, каверны и т.д. Исследование заключалось в сравнении результатов численного моделирования с данными лабораторных тестов, а также с теоретическими расчетными значениями по формулам (4) и (6).
Отмечалось, что результаты численного моделирования и теоретических расчетов хорошо согласуются друг с другом, но плохо - с лабораторными данными.
Этими же авторами в работе [24] моделирование разрушения горных пород тангенциальным резцом проводилось с использованием алгоритма PFC в трехмерной постановке задачи метода дискретных элементов (МДЭ). Усилия, действующие на резец, определялись при постоянной скорости резания. К тому же максимальные (пиковые) усилия рассчитывались по известным теоретическим моделям (см. формулы (4) и (6)), а также были приведены результаты экспериментов. Было установлено наличие устойчивых корреляционных связей между результатами численного моделирования и теоретическими и экспериментальными данными. В целом, по мнению авторов работы, недостаточная точность теоретических и компьютерных моделей связана с тем, что реальный инструмент в процессе резания горных пород затупляется. Таким образом, был сделан вывод о
необходимости учета износа инструмента при моделировании разрушения горных пород. Не оспаривая данный вывод, отметим, что использованные в работе модели не предоставляют инструментария для его реализации.
Исследованию износа инструмента посвящена работа [25], где построена математическая модель влияния углов резания и разворота резца на его износ. Модель предсказывает повышение износа инструмента с увеличением угла разворота и уменьшением угла резания. Последующие экспериментальные исследования [26] этих авторов показывают, что наибольший износ происходит при значениях угла разворота 35° и угла резания 38°. При этом отмечается отсутствие уплотненного ядра из частиц разрушенного материала, вследствие чего большая часть поверхности самого резца непосредственно взаимодействует с горным массивом.
В работе [27] изучалось влияние схемы резания на износ инструмента. Отмечается, что при последовательной схеме резания износ меньше, чем при шахматной, вследствие меньшей площади контакта инструмента с массивом и более благоприятных условий для вращения резца вокруг собственной оси. Кроме того, было установлено, что рациональные значения высоты твердосплавной вставки с точки зрения минимизации износа резцов должны составлять 20...24 мм, а угла конусности - 80°.
Советско-российские результаты исследований и опыт их применения в Китае. В России существует отраслевой стандарт [28], разработанный еще в советское время в ИГД им. А.А. Скочинского и основанный намодели экспериментального разрушения горных пород исполнительным органом проходческого комбайна стреловидного типа. Зависимости для определения нагруженности резцов, заложенные в него, получили широкое распространение в Китае [29].
Согласно модели, на которой основаны эти зависимости, процесс разрушения можно разделить на четыре этапа: пластическая деформация, растрескивание, формирование уплотненного ядра из продуктов разрушения вследствие растрескивания и скалывание фрагмента породы. На первом этапе по мере внедрения резца в породу усилие резания постепенно увеличивается, приводя к повышению напряженности в породе вокруг зоны контакта вплоть до достижения предела ее текучести, вследствие чего происходит ее пластическая деформация. Дальнейший рост напряжений вплоть до предела прочности на растяжение приводит к появлению и росту трещин Герца на втором этапе процесса разрушения, вследствие чего в зоне разрушения возникают продукты микроразрушения (частицы пыли). Эти частицы, находясь под давлением между резцом и породой, формируют уплотненное ядро, которое двигаясь вместе с инструментом, производит работу по разрушению горной породы и способствует отколу относительно крупных фрагментов, завершая микропроцесс разрушения.
Усилия резания и подачи в Ньютонах определяются соответственно по выражениям
= Рк -(1,5-Кг-Ка -(0,25 + 0,18-Г-к) + 0,1-5), (8)
2 5
^ = ^ - (0,15 + 0,00056 - Рк) - , (9)
где Рк - контактная прочность горной породы, МПа; Кг - коэффициент, учитывающий влияние геометрии резца; Ка - коэффициент, учитывающий влияние угла резания; ? - шаг резания, мм; И - глубина резания (толщина срезаемой стружки), мм; £ - проекция площадки затупления резца, мм .
В работе [30] приводится эмпирическая зависимость для определения контактной прочности горных пород, если известно значение предела ее прочности на сжатие
Рк = 13 оЖ ■ (10)
В формуле (10) величины Рк и асж имеют одну размерность. При этом предпочтительнее вести расчеты в МПа.
Коэффициент Кг определяется по формуле
Кг = Кф-К'ф-Кд, (П)
где Кф - коэффициент, учитывающий влияние формы головки твердосплавной вставки; Кф- коэффициент, учитывающий влияние формы головки державки; Кд - коэффициент, учитывающий влияние диаметра твердосплавной вставки.
Значения коэффициента Кф, регламентированы только для трех форм головки твердосплавной вставки: конической, биконической и пирамидальной и коэффициент Кф принимается равным соответственно 1,0; 1,1 и 0,9 [28].
Кроме того, значения коэффициента Кф, регламентированы для двух форм головки державки (конической и биконической) [28], причем абсолютные значения конусности не оговариваются.
В работе [31] приводится формула для определения значения этого коэффициента в зависимости от угла конусности головки державки у:
К'ф= 0,0033- у + 0,8 ■ (12)
Необходимо отметить, что учет влияния формы головки державки на усилия резания горных пород обусловлен тем, что во многих случаях глубина резания (толщина стружки) существенно больше вылета вставки над торцом головки державки, что приводит к контакту с породой не только твердосплавной вставки, но и головки державки. Таким образом, в тех случаях, когда развал породы достаточно велик, нет необходимости в определении рассматриваемого коэффициента. Коэффициент К'ф следует
учитывать, если хрупко-пластические свойства характеризуются значением tg<u< 2,5 [31, 32].
Зависимость для определения коэффициента, учитывающего влияние диаметра твердосплавной вставки, полученная в работе [33], имеет следующий вид:
Ка = 0,069 • а + 0,378, (13)
где й - диаметр твердосплавной вставки, мм.
Определению значений коэффициента Ка посвящено достаточно много исследований. Некоторые результаты приведены в табл. 4. Здесь в первой строке приведены данные по коэффициенту Ка, рекомендованные отраслевым стандартом.
В результате статистической обработки данных по средним значениям из табл. 4 получена обобщенная зависимость, которая описывается уравнением
Ка = 0,00036-а2 -0,043-а + 2. (14)
В уравнении (14) угол резания а задается в градусах.
На этом расчет усилий на одиночном резце согласно ОСТу завершается. В таком виде зависимости, представленные в нем, используются в качестве основы для исследований различных аспектов применения резцового инструмента при помощи современных компьютерных технологий в Китае. В работе [35] усилия, действующие на резец, анализируются на основании построения статичной конечно-элементной (МКЭ) модели, после чего определяется прочность инструмента.
Для проверки результатов численного моделирования была также построена модель реального резания горных пород с применением контактного анализа, после чего производилось сравнение результатов. Было установлено, что наименьшие напряжения в инструменте, приводящие к его поломкам, наблюдаются при угле установки резца 46°.
Таблица 4
Значения коэффициента Ка согласно различным исследованиям
Ссылка Значение Ка при а, град
60 70 80 90 100 110
[28] 0,65 0,69 0,87 1,0 1,25 -
[31] 0,54 0,63 0,78 1,0 1,27 1,6
[32] 0,83 0,88 0,89 1,0 - -
[34] 0,74 0,77 0,91 1,0 - -
Среднее 0,69 0,74 0,86 1,0 1,26 1,6
Кроме различных аспектов взаимодействия одиночного инструмента с горным массивом, также изучаются проблемы оптимизации конструкции исполнительных органов проходческих и очистных машин. Так, в работе [36] оптимизировались показатели среднего значения результирующей силы на исполнительном органе и коэффициент вариации усилия резания. При этом в качестве переменных были взяты частота вращения исполнительного органа, скорость подачи, а также углы, связанные с режущим инструментом. Изучение влияния этих параметров на процесс
разрушения горного массива исполнительным органом проводилось при помощи метода конечных элементов (МКЭ).
Результаты исследования показывают, что по сравнению с «типичной» конструкцией исполнительного органа оптимизированная конструкция позволяет уменьшить значения оптимизируемых показателей на 18,3 и 5,5 % соответственно. В результате оптимизации рабочих параметров в ходе компьютерного моделирования были получены следующие значения: частота вращения рабочего органа 60 об/мин, скорость подачи 1,2 м/мин, угол установки 48° и угол разворота резцов 8°. Сравнительный анализ результатов и моделирования и теоретических расчетов был проведен в работе [37] и показал высокую степень сходимости.
В рассмотренных работах [36, 37] изучались продольно-осевые коронки исполнительных органов проходческих комбайнов. Однако только этим китайские исследователи не ограничиваются. В работе [38] рассматривалось разрушение горного массива поперечно-осевой коронкой. Конкретных выводов на ее основании сделать пока нельзя, но результаты свидетельствуют о перспективности численного моделирования для дальнейших исследований в области изучения оптимизации конструирования проходческих комбайнов как с продольно-осевыми, так и с поперечно-осевыми коронками и рабочих процессов при разрушении горных пород исполнительными органами, оснащенными тангенциальными резцами.
В проведенных исследованиях не учитываются изнашиваемость инструмента, а также возможная гетерогенность и анизотропность свойств разрушаемых горных пород, что несколько снижает значимость полученных результатов ввиду их излишней идеализированности. К тому же отметим, что целесообразнее производить оптимизацию по критерию минимизации крутящего момента на исполнительном органе, поскольку в таком случае, кроме непосредственно среднего усилия от взаимодействия с горным массивом, также косвенно учитывается геометрия рабочего органа и расстановка резцов.
В целом, использование результатов исследований, заложенных в ОСТ [28] и имеющих отечественное происхождение, в стремительно развивающемся Китае, развитие которого связано, в том числе с умелым заимствованием зарубежного опыта создания и использования технологий, по мнению авторов, свидетельствует о ее высоком качестве. Действительно, она является комплексной, учитывающей достаточно полный перечень параметров разрушения. Однако эмпирический характер зависимостей обуславливает ограничения их применения ко вновь разработанным резцам, в случае если их конструкция имеет существенные отличия от резцов, при использовании которых были получены представленные в данном разделе формулы.
Развитие отечественных исследований в постсоветский период.
Появление круглых тангенциальных резцов, отличающихся, прежде всего, развитой формой головки державки, привело к необходимости корректирования расчетной зависимости (13) для коэффициента Kd, учитывающего влияние диаметра твердосплавной вставки [39]:
Kd = 0,07d + 0,38, (15)
где d- диаметр твердосплавной вставки, мм.
Также предлагается [39] исключить коэффициент Ка, учитывающий влияние угла резания, но ввести поправочные коэффициенты Kr и Ку, учитывающие влияние радиуса скругления вершины твердосплавной вставки и угла конусности державки,
Kr = 0,115r + 0,98, (16)
где r- радиус скругления вершины твердосплавной вставки, мм,
Kr= 0,0033/ + 0,8, (17)
где у- угол при вершине головки державки, град.
Зависимости (15) - (17) описывают влияние геометрии резца на процесс резания. То есть можно переписать формулу (11) с учетом этих выражений в следующем виде:
Кг = Кф ' Кф ' Кд ' Kr ' . (18)
Для обеспечения эффективного разрушения материалов необходимо обеспечивать минимально возможную энергоемкость процесса при определенных значениях силовых характеристик исполнительного органа проходческого комбайна и физико-технических свойств разрушаемых горных пород, что достигается оптимизацией режима резания. Под оптимизацией режима резания понимается подбор таких сочетаний шага резания t и толщины стружки h, при которых выполняется условие по минимизации энергоемкости процесса разрушения.
Наиболее представительной в данном контексте, по мнению авторов, является рекомендация по определению оптимального шага резания tonm, разработанная в ИГД им. А.А. Скочинского [40],
tonm = 3,65 • Кв • tg<p- h0,5 , (19)
где Кв - коэффициент, учитывающий влияние диаметра твердосплавной вставки; tgy - показатель хрупкопластических свойств пород по методу ИГД им. А.А. Скочинского.
Коэффициент Кв определяется по формуле
d - 9
Кв = 1 + —, (20)
в 42 v У
где d- диаметр твердосплавной вставки, мм.
В результате исследования влияния неоптимальных режимов резания на силовые показатели процесса в работе [41] было предложено дополнительно ввести в расчетные зависимости, предусмотренные ОСТом
[28], коэффициент обнажения забоя Коб, позволяющий повысить точность определения усилий, действующих на отдельные резцы:
при г/гопт < 1 Коб = 1,19 - 0,19—; (21)
^ г
ьопт
r t Л
2
V tonm J
(22)
при t / tonm > 1 Коб = 1,62 -1,35—t— + 0,73
tonm
Физико-технические свойства горных пород описываются коэффициентами Кхп и Ктр.
Коэффициент Кхп учитывает влияние хрупкопластических свойств, оцениваемых показателем tgy по методике, разработанной ИГД им. А.А. Скочинского, и определяется по формуле
Кхп . (23)
tgv
Коэффициент Ктр учитывает влияние трещиноватости пород и определяется по следующей формуле:
Ктр = 1 - 0,0047 • птр - 0,0008 • ^р, (24) где п - количество трещин на 1 погонный метр забоя, шт.
Таким образом, усилие резания Fz и подачи Fy на технически остром резце могут быть рассчитаны по формулам
Fz = Рк • [1,5 • Кг • Ктр • Кхп • Коб • (0,25 + 0,018 • t • h)J; (25)
2 5
Fy = Fz (0,15 + 0,00056 • Рк) • ^. (26)
y h0,4
Рассмотренные выше зависимости во многом опираются на результаты экспериментальных исследований в области разрушения углей и горных пород и учитывают лишь основные факторы этого процесса.
Заключение. Проведенный анализ отечественных и зарубежных исследований в области разрушения различных материалов резцовым инструментом показал следующее. Западные работы развивают теоретические положения разрушения углей резцовым инструментом, предложенные Эвансом несколько десятилетий назад. Развитие происходит путем расширения области применения моделей Эванса на другие горные породы и включением в расчетные методы ранее не учтенных параметров, характеризующих процесс резания. Отечественные исследования основываются на обширных экспериментах, учитывающих существенное число параметров, но не описывающих механизм разрушения. Их результаты нашли широкое применение не только в России и странах бывшего СССР, но и в Китае при проектировании горной техники и компьютерном моделировании процессов взаимодействия одиночных резцовых инструментов и исполнительных органов с горным массивом. Однако китайские исследования не учитывают результаты, полученные российскими специали-
стами в постсоветский период, более детально рассматривающие влияние геометрии инструмента, режима резания и физико-технических свойств.
Список литературы
1. Bilgin N., Copur H., Balci C. Mechanical excavation in mining and civil industries. Boca Raton, London, New York: CRC Press. 2013. 353 p.
2. Bilgin N. Dominant rock properties affecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2006. V. 43(1). P. 139-156.
3. Khair A.W. Research and Innovations for Continuous Miner's Cutting Head for Efficient Cutting process of rock/coal // Department of Mining Engineering / West Virginia University, Morgantown, USA. 2001. V. 17. P. 45-55.
4. Yilmaz N.G., Yurdakul M., Goktan R. M. Prediction of radial bit cutting force in high-strength rocks using multiple linear regression analysis // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2007. V. 44 (6). P. 962-970.
5. Dewangan S., Chattopadhyaya S., Hloch S. Wear assessment of conical pick used in coal cutting operation // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2015. V. 48 (5). P. 2129-2139.
6. Khair A.W., Das T., Mishra B. Analysis of cutting bits and cutting drum affecting ground control in coal mines // Proceedings of 27th International Conference on Ground Control in Mining. 2005. P. 295-304.
7. Inyang H.I. Developments in drag bit cutting of rocks for energy infrastructure // International Journal of Surface Mining, Reclamation and Environment. 2002. V. 16 (4). P. 248-260.
8. Evans I. A theory of the basic mechanics of coal ploughing // Proceedings of the international symposium on mining research. 1962. V. 2. P. 761-768.
9. Roxborough F.F., Rispin A. A laboratory investigation into the application of picks for mechanized tunnel boring in the lower chalk // The mining engineer. 1973. V. 133 (1). P. 1-13.
10. Evans, I., Pomeroy, C.D. The Strength, Fracture and Workability of Coal.Pergamon Press, Library of Congress Catalogue Card Nr. 66-14657. 1966. P. 277.
11. Bilgin N. Investigations into the mechanical cutting characteristics of some medium and high strength rocks: PhD Thesis. University of Newcastle Upon Tyne, 1977. 332 p.
12. Roxborough F. F. Research in mechanical rock excavation: progress and prospects // Proceedings of the Rapid Excavation and Tunneling Conference. 1985. V. 1. P. 225-243.
13. Bilgin N., Copur H., Balci C. Effect of replacing disc cutters with chisel tools on performance of a TBM in difficult ground conditions // Tunnelling and Underground Space Technology. 2012. V. 27 (1). P. 41-51.
242
14. Phillips H.R. The Mechanical Cutting Characteristics and Properties of Selected Rock Formations: PhD Thesis. University of Newcastle Upon Tyne, 1975.
15. Roxborough F.F. Cutting rock with picks // The mining engineer. 1973. V. 132 (153). P. 445-454.
16. Roxborough F.F., Rispin A. Mechanical cutting characteristics of lower chalk // Tunnels &Tunnelling International. 1973. V. 5 (3).P. 261-274.
17. Bao R.H. Estimating the peak indentation force of the edge chipping of rocks using single point-attack pick // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2011. V.44 (3). P. 339-347.
18. Evans I. A theory of the cutting force for point-attack picks // Ge-otechnical and Geological Engineering. 1984. V. 2 (1). P. 63-71.
19. Goktan R.M. A suggested improvement on Evans' cutting theory for conical bits // Proceedings of fourth symposium on mine mechanization automation. 1997. V. 1. P. 57-61.
20. Goktan N. A semi-empirical approach to cutting force prediction for point-attach picks // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2005. V. 105 (4). P. 257-263.
21. Roxborough F. F., Liu Z. C. Theoretical considerations on pick shape in rock and coal cutting // Proceedings of the Sixth Underground Operator's Conference, Kalgoorlie. 1995. P. 189-193.
22. Rojek J. Discrete element simulation of rock cutting // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2011. V.48 (6). P. 996-1010.
23. Su O., Akcin N.A., te Kamp L. Modeling of cutting forces acting on a conical pick // Proc. of EURO: TUN 2009 II International Conference on Computational Methods in Tunnelling. 2009. P. 1-8.
24. Su O., Akcin N.A. Numerical simulation of rock cutting using the discrete element method // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2011. V. 48 (3). P. 434-442.
25. Yang D. Experimental and theoretical design for decreasing wear in conical picks in rotation-drilling cutting process // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. V.77 (9-12). P. 1571-1579.
26. Yang D. High-hardness alloy substituted by low hardness during drilling and cutting experiments of conical pick // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2017. V. 95. P. 73-78.
27. Liu S. Experimental research on wear of conical pick interacting with coal-rock // Engineering Failure Analysis. 2017. V. 74. P. 172-187.
28. ОСТ 12.44.197 - 81. Комбайны проходческие со стреловидным исполнительным органом. Расчет эксплуатационной нагруженности трансмиссии исполнительного органа. М.: Минуглепром СССР. 1981. 48 c.
29. Li X. The Key Technology Research of the Roadheader Cutting // Beijing, China: Mechanical Industry Press, 2008. 428 p.
30. Глатман Л.Б., Кекелидзе З.Ш., Яшина Л.С. Определениеусилий, действующихнаповоротныерезцы // Науч. сообщ. ИГД им. А.А. Скочин-ского. 1980. Т. 191. С. 85-90.
31. Разработка метода расчета усилий, действующих на резцы с новыми формами твердосплавных вставок и программы расчета на ЭВМ / Отчет о НИР. № гос. регистрации 01920014884. М.: ИГД им. А.А. Скочин-ского. 1994. 59 с.
32. Цыпин Я.Л. Исследование нагрузок на поворотных резцах исполнительных органов очистных угольных комбайнов и разработка методики их расчета: дис.... канд. техн. наук. М., 1986. 270 с.
33. Метод расчета усилий, действующих на поворотные резцы при разрушении горных пород. М.: НПЦ «ПИГМА-Центр» АГН РФ, 1998. 5 с.
34. Позин Е.З. Сопротивляемость углей разрушению режущими инструментами. М.: Наука, 1972. 238 с.
35. Li X. Research on Strength of Roadheader Conical Picks Based on Finite Element Analysis // Open Mechanical Engineering Journal. 2015. V. 9. P. 521-526.
36. Li X. Optimization design for roadheader cutting head by orthogonal experiment and finite element analysis // Tehnickivjesnik. 2016. V. 23 (3). P. 707-714.
37. Li X. Study on roadheader cutting load at different properties of coal and rock // The Scientific World Journal. 2013. V. 2013. P. 62-74.
38. Li X. Nonlinear Dynamics Analysis on Transverse Cutting Heads of Roadheader // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. 2016. V. 13 (4). P. 2467-2474.
39. Леванковский И.А., Глатман Л.Б., Козлов Ю.Н. Влияние элементов геометрии поворотных резцов на силовые показатели процесса резания горных пород // Разрушение горных пород и композиционных материалов поворотными резцами: сб. науч. тр. М.: Изд-во АГН, 1998. Вып. 1. С. 54-71.
40. Глатман Л.Б., Яшина Л.С., Букчин С.Г. Определение оптимального шага резания горных пород // Науч. сообщения ИГД им. А.А. Ско-чинского. 1985. С. 6-10.
41. Леванковский И.А. Формирование усилий на поворотных резцах при неоптимальных параметрах режима разрушения горных пород // Разрушение горных пород и композиционных материаловповоротными резцами: сб. науч. тр. М.: Изд-во АГН, 1998. Вып. 1. С. 72-80.
Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., zhabin. tula@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Поляков Андрей Вячеславович, д-р техн. наук, проф., polyakoff-an@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Аверин Евгений Анатольевич, канд. техн. наук, инженер-конструктор, evgeniy. averin. 90@mail. ru, Россия, Тула, ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод»,
Сарычев Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., Sarychevy@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STA TE OF SCIENTIFIC RESEARCHES IN THE FIELD OF ROCK DESTRUCTION BY PICKS AT THE TURN OF THE CENTURY
A.B. Zhabin, A. V. Polyakov, E.A. Averin, V. I. Sarychev
The paper consists of the common information about picks for destruction of different materials in mining. It represents and analyses domestic and foreign studies on the effectiveness of the use of picks as well. The paperalsoincludes the main ways of development of the studies with the usage of computer technologies. Some recommendations concerning expediency of use of the represented methods are given.
Key words: pick, rock, calculation method, theoretical and empirical studies, analysis of the state of scientific researches.
Zhabin Aleksandr Borisovich, doctor of technical sciences, professor, zhabin. tula@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Polyakov Andrey Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, docent, polyakoff-an@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Averin Evgeniy Anatolievich, candidate of technical sciences, engineer-designer, evgeniy. averin. 90@mail. ru, Russia, Tula, LLC "Skyratovsky Experimental Plant",
Sarychev Vladimir Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Sarychevy@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Bilgin N., Copur H., Balci C. Mechanical excavation in mining and civil industries. Boca Raton, London, New York: CRC Press. 2013. 353 p.
2. Bilgin N. Dominant rock properties affecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2006. V. 43(1). P. 139-156.
3. Khair A.W. Research and Innovations for Continuous Miner's Cutting Head for Efficient Cutting process of rock/coal // Department of Mining Engineering, West Virginia University, Morgantown, USA. 2001. V. 17. P. 45-55.
4. Yilmaz N.G., Yurdakul M., Goktan R. M. Prediction of radial bit cutting force in high-strength rocks using multiple linear regression analysis // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2007. V. 44 (6). P. 962-970.
5. Dewangan S., Chattopadhyaya S., Hloch S. Wear assessment of conical pick used in coal cutting operation // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2015. V. 48 (5). P. 21292139.
6. Khair A.W., Das T., Mishra B. Analysis of cutting bits and cutting drum affecting ground control in coal mines // Proceedings of27th International Conference on Ground Control in Mining. 2005. P. 295-304.
7. Inyang H.I. Developments in drag bit cutting of rocks for energy infrastructure // International Journal of Surface Mining, Reclamation and Environment. 2002. V. 16 (4). P. 248-260.
8. Evans I. A theory of the basic mechanics of coal ploughing // Proceedings of the international symposium on mining research. 1962. V. 2. P. 761-768.
9. Roxborough F.F., Rispin A. A laboratory investigation into the application of picks for mechanized tunnel boring in the lower chalk // The mining engineer. 1973. V. 133 (1). P. 1-13.
10. Evans, I., Pomeroy, C.D. The Strength, Fracture and Workability of Coal.Pergamon Press, Library of Congress Catalogue Card Nr. 66-14657. 1966. P. 277.
11. Bilgin N. Investigations into the mechanical cutting characteristics of some medium and high strength rocks: PhD Thesis. University of Newcastle Upon Tyne, 1977. 332 p.
12. Roxborough F. F. Research in mechanical rock excavation: progress and prospects // Proceedings of the Rapid Excavation and Tunneling Conference. 1985. V. 1. P. 225243.
13. Bilgin N., Copur H., Balci C. Effect of replacing disc cutters with chisel tools on performance of a TBM in difficult ground conditions // Tunnelling and Underground Space Technology. 2012. V. 27 (1). P. 41-51.
14. Phillips H.R. The Mechanical Cutting Characteristics and Properties of Selected Rock Formations: PhD Thesis. University of Newcastle Upon Tyne, 1975.
15. Roxborough F.F. Cutting rock with picks // The mining engineer. 1973. V. 132 (153). P. 445-454.
16. Roxborough F.F., Rispin A. Mechanical cutting characteristics of lower chalk // Tunnels &Tunnelling International. 1973. V. 5 (3).P. 261-274.
17. Bao R.H. Estimating the peak indentation force of the edge chipping of rocks using single point-attack pick // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2011. V.44 (3). P. 339-347.
18. Evans I. A theory of the cutting force for point-attack picks // Geotechnical and Geological Engineering. 1984. V. 2 (1). P. 63-71.
19. Goktan R.M. A suggested improvement on Evans' cutting theory for conical bits // Proceedings of fourth symposium on mine mechanization automation. 1997. V. 1. P. 57-61.
20. Goktan N. A semi-empirical approach to cutting force prediction for point-attach picks //Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2005. V. 105 (4). P. 257-263.
21. Roxborough F. F., Liu Z. C. Theoretical considerations on pick shape in rock and coal cutting // Proceedings of the Sixth Underground Operator's Conference, Kalgoorlie. 1995. P. 189-193.
22. Rojek J. Discrete element simulation of rock cutting // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2011. V.48 (6). P. 996-1010.
23. Su O., Akcin N.A., te Kamp L. Modeling of cutting forces acting on a conical pick // Proc. of EURO: TUN 2009 II International Conference on Computational Methods in Tunnelling. 2009. P. 1-8.
24. Su O., Akcin N.A. Numerical simulation of rock cutting using the discrete element method // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2011. V. 48 (3). P. 434-442.
25. Yang D. Experimental and theoretical design for decreasing wear in conical picks in rotation-drilling cutting process // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. V.77 (9-12). P. 1571-1579.
26. Yang D. High-hardness alloy substituted by low hardness during drilling and cutting experiments of conical pick // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2017. V. 95. P. 73-78.
27. Liu S. Experimental research on wear of conical pick interacting with coal-rock // Engineering Failure Analysis. 2017. V. 74. P. 172-187.
28. OST 12.44.197 - 81. Kombajny prohodcheskie so strelovidnym ispolni-tel'nym organom. Raschet jekspluatacionnoj nagruzhennosti transmissii ispolnitel'nogo organa. Moskva, MinuglepromSSSR. 1981. 48 c.
29. Li X. The Key Technology Research of the Roadheader Cutting // Beijing, China: Mechanical Industry Press, 2008. 428 p.
30. Glatman L.B., Kekelidze Z.Sh., Jashina L.S. Opredelenieusilij, dejstvuju-shhihnapovorotnyerezcy // Nauch. soobshh. IGD im. A.A. Skochinskogo. 1980. T. 191. S. 8590.
31. Razrabotka metoda rascheta usilij, dejstvujushhih na rezcy s novymi for-mami tverdosplavnyh vstavok i programmy rascheta na JeVM / Otchet o NIR. № gos. re-gistracii 01920014884. M.: IGD im. A.A. Skochinskogo. 1994. 59 s.
32. Cypin Ja.L. Issledovanie nagruzok na povorotnyh rezcah is-polnitel'nyh organov ochistnyh ugol'nyh kombajnov i razrabotka metodiki ih rascheta: diss.... kand. tehn. nauk. M.: IGD im. A.A. Skochinskogo. 1986. 270 s.
33. Metod rascheta usilij, dejstvujushhih na povorotnye rezcy pri razru-shenii gornyh porod. M.: NPC «PIGMA-Centr» AGN RF, 1998. 5 s.
34. Pozin E.Z. Soprotivljaemost' uglej razrusheniju rezhushhimi instrumenta-mi. M.: Nauka, 1972. 238 s.
35. Li X. Research on Strength of Roadheader Conical Picks Based on Finite Element Analysis // Open Mechanical Engineering Journal. 2015. V. 9. P. 521-526.
36. Li X. Optimization design for roadheader cutting head by orthogonal experiment and finite element analysis // Tehnickivjesnik. 2016. V. 23 (3). P. 707-714.
37. Li X. Study on roadheader cutting load at different properties of coal and rock // The Scientific World Journal. 2013. V. 2013. P. 62-74.
38. Li X. Nonlinear Dynamics Analysis on Transverse Cutting Heads of Roadheader // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. 2016. V. 13 (4). P. 2467-2474.
39. Levankovskij I.A., Glatman L.B., Kozlov Ju.N. Vlijanie jelementov geomet-rii povorotnyh rezcov na silovye pokazateli processa rezanija gornyh porod // Sb. nauch. tr. «Razrushenie gornyh porod i kompozicionnyh materialov povorotnymi rez-cami». M.: Izd-vo AGN, 1998. Vyp. 1. S. 54-71.
40. Glatman L.B., Jashina L.S., Bukchin S.G. Opredelenie optimal'nogo shaga rezanija gornyh porod // Nauch. soobshhenija IGD im. A.A. Skochinskogo. 1985. S. 6-10.
41. Levankovskij I.A. Formirovanie usilij na povorotnyh rezcah pri neoptimal'nyh parametrah rezhima razrushenija gornyh porod // Sb. nauch. tr. «Razrushenie gornyh porod i kompozicionnyh materialovpovorotnymi rezcami». M.: Izd-vo AGN, 1998. Vyp. 1. S. 72-80.
