Перспективные конструкции резцов для повышения сортности добываемого шахтами угля Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.232.72.054.54 © С.А. Прокопенко, 2017

Перспективные конструкции резцов для повышения сортности добываемого шахтами угля

Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-4-29-31 -

ПРОКОПЕНКО Сергей Артурович

Доктор техн. наук,

профессор НИ Томского

политехнического университета,

ведущий научный сотрудник АО «НЦ ВостНИИ»,

650002, г. Кемерово, Россия,

e-mail: [email protected], тел.: +7 (3842) 64-23-07

Установлено конструктивное несоответствие используемых на очистных комбайнах резцов условиям выпуска углей среднего и крупного классов. Применяемый существующими резцами механизм отбойки угля от массива приводит к образованию значительной доли мелкодисперсных фракций угля, интенсивному пылеобразованию, что в сочетании с фрикционным искрением предопределяет высокий риск взрыва пылеметановоздушной смеси. Предложены конструкции лезвийных тангенциальных поворотных резцов, реализующих принцип резания пласта, и разработана их классификация. Резцы перспективных конструкций могут выступить достойными заместителями изделий зарубежных поставщиков.

Ключевые слова: шахта, комбайн, уголь, сорт, пыль, массив, резец, конструкция, наконечник, лезвие.

Оснащение шахтных забоев все более мощными и производительными добычными комплексами сопровождается возрастающей проблемой снижения качества добываемых углей. Высокий уровень измельчения углей при их комбайновой отбойке ведет к уменьшению выхода крупно- и среднесортовых классов и увеличению выхода мелкофракционного продукта. Так, в компании ООО «Кокс-Майнинг» (г. Кемерово) в последнее время выход класса 0-13 мм достигает 70% от общей добычи. В ООО «ОЭУ Блок № 2 шахта «Анжерская-Южная» (г. Анжеро-Судженск) доля этого класса в угле на складе составляет 75%. Основная масса присекаемых пустых пород накапливается именно в мелкокусковом угле, определяя его высокую зольность. Мелкофракционный уголь требует значительно больших затрат при обогащении, чем крупный уголь.

Переизмельчение угля влечет не только экономические потери на уменьшении цены продаваемых продуктов, но и сопровождается активным пылевыделением в забоях, что требует проведения мероприятий по пылеподавлению и предотвращению взрывов пылеметановоздушной смеси. Высокие концентрации угольной пыли в очистных забоях

ухудшают условия труда горнорабочих и являются источниками опасных профессиональных заболеваний шахтеров.

Для снижения концентрации пыли в комбайновых забоях применяются различные способы, средства и устройства. Однако их эффективность не всегда соответствует требуемой, и направлены они, как правило, на устранение последствий. Причиной же переизмельчения угля в забоях шахт, наряду с особенностями строения пластов и невысокими прочностными характеристиками угля, выступает конструктивное несовершенство широко применяемых тангенциальных поворотных резцов (ТПР), которыми оснащаются рабочие органы очистных комбайнов. По своей конструктивной форме и принципу разрушения ТПР больше соответствуют понятию «клык». Механизм разрушения угля (породы) нынешним резцом носит сжимающе-скалывающий характер. Схема действия такого «резца» на разрушаемый углепородный массив представлена на рис. 1 [1].

При движении резца в массиве уголь перед наконечником инструмента сначала сжимается, уплотняется, сминается и затем выкалывается. Этот цикл повторяется многократно при каждом проходе резца в разрушаемом массиве. При этом образуются в большом количестве мелкодисперсные частицы, пыль, а также сравнительно крупные (10-50 мм и более) бесформенные фракции. Сжимающе-выкалывающее воздействие резца на массив требует больших усилий по внедрению инструмента (особенно при разрушении породных прослойков, участков присечки пород, колчедано-вых включений), высоких энергозатрат и сопровождается

Рис. 1. Схема разрушения породного массива тангенциальным поворотным резцом: 1 - уплотненное ядро (мелкораздробленные фракции) в условиях объемного сжатия; 2 - зона смятия массива; 3 - зона упругого деформирования окружающих участков массива

активном реакцией массива, вследствие чего наблюдается ускоренное разрушение головки резца. Циклические выбросы пыли из пласта ведут к повышению концентрации за гряз нений в атмосфере забоя и требуют специальных мер для защиты органов дыхания горнорабочих и узлов механизмов.

Распределение энергии на разрушение угля тангенциальным резцом происходит следующим образом: 50-78% - на образование измельченного ядра; 2046% - на трение резца об уголь; 1 % - на образование трещин [2]. Помимо потребления большого количества энергии измельченное угольное ядро выступает источником интенсивного пылеобразо-вания в забое, пыль, смешиваясь с метаном и воздухом, образует взрывоопасную среду, а интенсивное трение резца о массив ведет к искрообразованию. Сум-мация перечисленных факторов нередко служит причиной взрыва в шахте, для предотвращения чего требуются специальные устройства и мероприятия.

Устранить перечисленные недостатки резцов позволяет смена принципа разрушения угольного пласта со сжатия и выкалывания на резание посредством изменения формы твердосплавного элемента с конусной на лезвийную. Такое лезвие может быть выполнено из твердосплавной пластины, размещаемой в осевой прорези головки резца. При этом часть головки с режущей пластиной должна иметь возможность осевого вращения на державке. Это обеспечит условие совмещения режущего лезвия с направлением движения резца в массиве.

Проникающая способность предлагаемой армировки резца в процессе его использования на рабочем органе комбайна будет выше, чем у нынешних конусных наконечников. Срок службы режущей кромки будет дольше, так как требуется гораздо больше времени на ее затупление в сравнении с точечной режущей кромкой конуса. Резание пласта угля лезвием будет происходить с меньшими усилиями и затратами энергии. Отдельности разрезаемого массива будут иметь более правильные формы, что повысит сортность добываемого угля, а выход мелких фракций и пыли существенно сократится. Предлагаемое улучшение обеспечивает инструменту соответствие сущности слова «резец».

Выступающая перед головкой кромка пластины выполняется в виде лезвия с углом заострения 60-90 градусов и закругленными краями в местах перехода на образующие конусной головки. Крепление пластины в головке осуществляют пайкой или винтами, обеспечивая возможность замены пластины после затупления ее лезвия. Рабочая часть головки, оснащенная твердосплавной пластиной, изготавливается с возможностью поворота вокруг оси резца. Соединение позволяет в случае обнаружения чрезмерного износа пластины с повреждением рабочей части головки заменять последнюю, а сам резец эксплуатировать дальше. Общий вид резца с поворотной сменной головкой представлен на рис. 2.

Рис. 2. Резец для комбайна 1ГПКС с поворотной и сменной рабочей частью головки

Промышленные испытания показали, что резец может выдержать до 8-10 циклов эксплуатации при замене изнашиваемых поворотных головок [3].

Еще большей эффективностью обладает конструкция инструмента, где вместо режущей пластины используется режущий диск (рис. 3).

Диск устанавливается в прорези конусной части головки на оси вращения, что позволяет ему поворачиваться в процессе контакта с углепородным массивом. Длина режущей кромки возрастает до длины окружности диска, что значительно продлевает срок его службы по сравнению с предыдущими техническими решениями.

После длительного применения и неизбежного затупления режущей кромки диска его заменяют новым, и резец становится пригодным для дальнейшей эксплуатации. В случае чрезмерного износа диска и повреждения сменной части головки производят ее замену на новую. При этом сам резец - хвостовик и основную головку - продолжают использовать. Ресурс такого резца благодаря сменности двух элементов существенно возрастает по сравнению с впаянной пластинчатой вставкой.

Наличие у предлагаемых резцов двух узлов вращения (резца в резцедержателе и сменной головки в державке) обеспечивает условия легкого поворачивания режущих лезвий и расположения их в направлении перемещения резца по поверхности породного массива. Благодаря силам трения режущая кромка пластины будет разворачиваться по линии наименьшего сопротивления, и резец будет разрезать массив, а не сминать его и выкалывать, как это происходит с нынешними резцами. Сохранение длительное время режущей способности резца при малой площади контакта с массивом уменьшает фрикционное искрение, нагрев резца, риск взрыва пылеметановоздушной смеси, а также снижает энергоемкость разрушения угольного пласта. Смена принципа разрушения с деформирования и выкалывания на резание уменьшает выход мелких

Рис. 3. Конструкция ТПР с режущим диском

фракций и пыли разрушаемого массива, повышает сортность добываемого угля.

Разработанные перспективные конструкции резцов с режущими лезвиями позволяют предложить новый класс тангенциальных поворотных резцов и разработать их классификацию (рис. 4).

Согласно классификации, к применяемым в настоящее время резцам конусного класса добавляется группа перспективных лезвийных ТПР, превосходящих по функциональным, эксплуатационным и экономическим характеристикам применяемый в шахтах отечественный и импортный горнорежущий инструмент.

Список литературы

1. Технологические основы вентиляции забоя по критерию пылеобразующей способности проходческого комбайна / Е.А. Ко-лесниченко, И.Е. Колесниченко, Е.И. Любоми-щенко, В.Н. Демура // Уголь. 2012. № 6. С.39-42. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/062012.pdf (дата обращения: 01.11.2016).

2. Производство и эксплуатация разрушающего инструмента горных машин: монография /А.А. Хорешок, М.Е. Маметьев, А.М. Цехин и др. Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2013. 296 с.

3. Prokopenko S.A. Multiple service life extension of mining and road machines' cutters. Applied Mechanics and Materials, 2014, Vol. 682, pp. 319-323.

Тангенциальные поворотные резцы (ТПР)

по форме армировки

ЛЕЗВИИНЫЕ

по ремонтопригодности

ОДНОРАЗОВЫЕ

МНОГОРАЗОВЫЕ

МНОГОРАЗОВЫЕ

по количеству сменных

элементов

ОДИН ОДИН ДВА

по форме лезвия _l

РШ (Горный

инструмент)

РС (Кузмашзавод)

РГ (КузГРИ)

РГП (Сибирские

горнопромышленники)

Кеннаметалл

Сандвик

ВЕТЕК

ПЛАСТИНЧАТЫЕ

-1-

п ос т а в щ и к и ' _L

ДИСКОВЫЕ

РЕМК (Сибирские горнопромышленники)

РЕМП (Сибирские горнопромышленники)

РЕМД (Сибирские горнопромышленники)

инновационные

перспективные

Рис. 4. Классификация тангенциальных поворотных резцов шахтных комбайнов

coal mining equipment

UDC 622.232.72.054.54 © S.A. Prokopenko, 2017

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, № 4, pp. 29-31 Title

prospective design of cutters for increasing the grade of coal produced by the mines

Doi: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-4-29-31 Autor

Prokopenko S.A.1

1 "NC VostNII", JSC, Kemerovo, 650002, Russian Federation Authors' Information

Prokopenko S.A., Doctor of Engineering Science, Professor Tomsk Polytechnic University, Senior researcher, e-mail: [email protected], tel.: +7 (3842) 64-23-07

Abstract

Established constructive discrepancy used at wastewater treatment combines incisors to the terms of the production of coal and medium and large classes. Used existing cutters mechanism for blasting coal from the array leads to the formation of a significant proportion of fine fraction of coal, intensive dust generation, in combination with friction sparking determines a high risk of explosion palametanoia mixture. The proposed design of the blade tangential rotary cutters, implementing the principle of cut formation and their classification. Cutters promising designs can be a worthy alternate products overseas suppliers.

Keywords

Mine, Harvester, Coal, Grade, Dust, Array, Cutter, Design, Tip, Blade. References

1. Kolesnichenko E.A., Kolesnichenko I.E., Lyubomishchenko E.I., Demura V.N. Tekhnologicheskie osnovy ventilyatsii zaboya po kriteriyu pyleobrazuyush-chei sposobnosti prokhodcheskogo kombaina [Basic technology for working face ventilation as per the tunneling machine dust formation capability criterion]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2012, no. 6, pp. 39-42. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/062012.pdf (accessed 01.11.16).

2. Khoreshok A.A., Mametiev M.E., Tsekhin A.M., Borisov A.Yu., Burkov P.V., Burkova S.P., Krestovozdvizhenskii P.D. Proizvodstvo i ekspluatatsiya razrushay-ushchego instrumenta gornykh mashin. Monografiya [Production and operation of the destroying tool of mining equipment. Monograph]. Tomsk Polytechnical University Publ., 2013, 296 pp.

3. Prokopenko S.A. Multiple service life extension of mining and road machines' cutters. Applied Mechanics and Materials, 2014, Vol. 682, pp. 319-323.