CC BY
116
УДК 622.232.72.054.54 © С.А. Прокопенко, M. Чехлар, 2018
Повышение эффективности разрушения горных пород спаренной работой резцов с разными наконечниками
Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-11-18-21 -
ПРОКОПЕНКО Сергей Артурович
Доктор техн. наук, профессор НИ ТПУ, ведущий научный сотрудник АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, Россия, e-mail: sibgp@mail.ru
ЧЕХЛАР Михал
Канд. техн. наук, профессор, декан факультета горной разработки, экологии, контроля процессов и геотехнологий Технического Университета Кошице (TUKE), 04200, г. Кошице, Словакия, e-mail: michal.cehlar@tuke.sk
Применяемые в настоящее время на шахтных комбайнах резцы имеют одноразовый характер применения и высокий уровень отходов металла. Предложена и испытана конструкция резца со сменной рабочей головкой. Она позволяет эксплуатировать резец на порядок дольше при существенном сокращении расхода металла. Выявлено слабое соответствие резцов конусной конструкции сущности понятия «резец». Разработана конструкция резца с лезвийным наконечником в форме режущего диска. Такому резцу присущи высокая режущая способность с меньшими усилиями, энергоемкостью разрушения и пылени-ем. Большая длина режущей кромки существенно продлевает время эффективного использования резца. Установка на рабочем органе последовательно в линии резания двух резцов - сначала с дисковым, а за ним с конусным наконечником - обеспечивает дальнейшее повышение эффективности разрушения породы. Спаренная работа резцов с разными наконечниками характеризуется облегченными условиями внедрения в массив; исключением условий образования измельченного породного ядра; эффективным сдвиговым разрушением берегов начального реза. Следствием являются снижение затрат энергии комбайна, длительный срок эксплуатации породоразру-шающего инструмента, повышение ресурсоэффективно-сти отбойки горной массы.
Ключевые слова: шахта, комбайн, исполнительный орган, резец, порода, конструкция, сменная головка, диск, рез, спаренная установка.
ВВЕДЕНИЕ
Горно-режущий инструмент для шахт в настоящее время представлен главным образом тангенциальными поворотными резцами, используемыми на проходческих и очистных комбайнах российского и зарубежного производства для разрушения нетронутого углепородного массива и превращения его в поток отдельностей на земную поверхность. В процессе использования резцы изнашиваются и заменяются новыми. Скорость износа определяется: соотношением прочности металла и породного массива; формой и параметрами инструмента; режимом эксплуатации резцов. Одна шахта годовой мощностью 6-7 млн т потребляет 15-20 тыс. резцов за год, расходуя на их приобретение 25-30 млн руб. В 2017 г. в Российской Федерации было добыто 408,9 млн т угля, из них подземным способом - 105,4 млн т [1]. Около 80% подземной угледобычи России производится в Кузбассе [2]. Ежегодно в шахты Кузбасса спускается порядка 200-250 тыс. резцов. Основными производителями и поставщиками резцов в шахты России являются машиностроительные заводы городов Новокузнецка, Копейска, Кировграда [3, 4, 5], а также зарубежные фирмы-изготовители: Kennametal, Sandnik, Betek [6, 7, 8].
Применяемые в настоящее время комбайнами резцы относятся к классу тангенциальных поворотных резцов (ТПР). Такой резец представляет собой стальной корпус в виде тела вращения, оснащенный твердосплавным наконечником конусной формы [9, 10]. Резец устанавливается в резцедержатель на исполнительном органе комбайна и используется для отбойки угля и породы от нетронутого массива.
Исследования степени и характера износа резцов, проведенные в шахтах Кузбасса, показали, что интенсивному разрушению подвергается передняя суженная часть головки резца. Ее износ происходит обычно на величину 20-25% длины головки. После износа наконечника резец заменяют новым. При этом практических решений по дальнейшему использованию оставшейся части резца долгие годы не находилось, и она отправлялась в отходы, что определяло низкий уровень ресурсоэффектив-ности процесса отбойки горной массы.
РАЗРАБОТКА РЕЗЦОВ СОСТАВНОЙ КОНСТРУКЦИИ
На основе выполненных исследований темпа и характера износа резцов, их конструктивного исполнения авторами статьи была разработана новая конструкция резца, обладающего ремонтопригодностью и большей производительностью [11]. Было предложено для продления
срока эксплуатации резца изготавливать его головку составной из основной и сменной частей (рис. 1).
Благодаря изготовлению сменной головки с возможностью поворота вокруг оси резца инструмент обретал второй узел вращения (первый - в резцедержателе), чем обеспечивались более легкие условия для равномерного изнашивания и длительной эксплуатации керна. После его полного износа рабочая часть головки заменялась, а сам корпус резца эксплуатировался многократно. Установление в процессе промышленных испытаний величины и характера износа головки резца позволило оптимизировать ее конструктивные параметры и повысить надежность закрепления. Промышленные испытания показали возможность продления срока службы резца на порядок [12]. Расход металла на изготовление и использование резцов сокращается до 20 раз.
РАЗРАБОТКА РЕЗЦОВ С ДИСКОВЫМ НАКОНЕЧНИКОМ
Дальнейшими исследованиями было установлено слабое соответствие применяемой конусной конструкции резца его сущности. Выявлено, что конусная форма инструмента мало пригодна для резания массива. Механизм разрушения породы нынешним резцом носит скалывающе-вырывающий характер. Порода перед наконечником резца сминается, уплотняется, измельчается, а после достижения критических напряжений происходит хрупкий скол и отрыв породных от-дельностей от массива [13]. Такой режим разрушения требует больших усилий на внедрение инструмента в породу, высоких энергозатрат комбайна, высокой прочности узлов и трансмиссий. Как показано в [14], распределение энергии на разрушение угля происходит следующим образом:
- 50-78% - на образование ядра;
- 20-46% - на трение резца об уголь;
- 1% - на образование трещин.
Помимо потребления большого количества энергии измельченное породное ядро выступает источником интенсивного пылеобразования в забое, пыль, смешиваясь с метаном, образует взрывоопасную среду, а интенсивное трение резца о массив ведет к искроо-бразованию. Суммация перечисленных факторов является опасной по причине возможности взрыва пылегазовой атмосферы в шахте.
Устранить перечисленные недостатки резцов позволяет изменение формы твердосплавного элемента с конусной на лезвийную. Результатом становится обретение резцом высокой режущей способности с меньшими усилиями, энергоемкостью и пылением. Конструкция резца с лезвийным наконечником в форме режущего диска представлена на рис. 2 [15].
Изготовление поворотной рабочей части головки облегчает условия вращения лезвия и установки его благодаря силе трения о массив по направлению резания. Благо-
Рис. 1. Резцы со сменной рабочей головкой
Рис. 2. Резец со сменной рабочей головкой, оснащенной режущим диском
Рис. 3. Корона комбайна 1ГПКС со спаренными резцами
даря тому, что длина режущей кромки диска на два порядка больше конусной режущей вставки, срок службы предлагаемого лезвийного резца возрастает как минимум на порядок. Это означает, что усилие внедрения инструмента в породу будет длительное время оставаться на низком уровне. Так, для внедрения в массив на 1 мм острый инструмент требует усилия 4,7 кН, тогда как на быстро затупившийся конусный наконечник необходимо прикладывать усилия на 70% большие [14,16].
Исследованиями ученых установлено, что удельные энергозатраты комбайна при использовании конусных ТПР в процессе их затупления уже через сутки возрастают на 20-60% [17, 18]. Если у новых резцов удельные энергозатраты составляют 3,5 кВт-ч/ м3, то к концу суток использования инструмента удельные затраты достигают уже 5,5 кВт-ч/ м3 [19, 20].
СПАРЕННАЯ РАБОТА РЕЗЦОВ C ДИСКОВЫМ И КОНУСНЫМ НАКОНЕЧНИКАМИ
Дальнейшего существенного повышения эффективности разрушения углепородного массива можно достичь спаренной установкой резцов на исполнительном органе комбайна. Прообразом перспективного исполнительного органа может служить разработанная ОАО «Гидромаш» корона КПГ 58.000 со спаренными резцами (рис. 3) [21].
На такой короне предлагается изменить расстановку резцов и установить их в резцедержателе не параллельно, а последовательно по линии резания. При этом первым устанавливается инструмент с режущим диском, а за
ним - обычный резец с конусным керном. Резец, оснащенный режущим диском, формирует в массиве узкий рез, шириной, равной ширине режущего диска. Благодаря режущему лезвию удается минимизировать размеры зоны пластической деформации породы (ядра уплотнения) перед резцом, переизмельчения породы и ее пыления, как это имеет место у применяемых в настоящее время ТПР. Внедрение в массив режущего диска происходит при гораздо меньших усилиях, снижая энергоемкость процесса разрушения.
Заостренное лезвие диска, проникая в разрушаемую среду, формирует опережающую трещину вглубь массива вдоль линии резания и боковые микротрещины в прилегающем к диску слое [10, 22]. После прохождения диска происходят закрытие трещин и скол частиц породы. Сформированная в породе осевая трещина имеет сравнительно большую глубину и малую ширину.
Эффект разрушения массива увеличивает идущий вслед за первым второй резец с конусным наконечником и поворотной сменной головкой. Так как конусная армировка движется по уже сформированному резу, дно которого ослаблено осевой трещиной, то этот инструмент не образует перед собой ядра уплотнения, а выполняет функцию расширения берегов реза. При этом если ширина режущего диска на ведущем резце составляет 12 мм, то диаметр конусной вставки второго, ведомого резца достигает 16-22 мм. Порода подвергается сдвиговым напряжениям более широким инструментом вперед по ходу движения резца в сформированное первым резцом пространство. Предел прочности породы на сдвиг на порядок меньше предела прочности при одноосном сжатии, что способствует эффективному ее разрушению. Благодаря двум узлам вращения конусного наконечника и облегченным условиям функционирования срок эксплуатации второго резца существенно возрастает.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Спаренная работа резцов обеспечивает:
- облегченные и менее энергоемкие условия внедрения инструмента в массив;
- эффективное сдвиговое разрушение пород конусным наконечником из начального реза;
- эффективное расширение зоны разрушения, предотвращение образования целиков породы между линиями резания и износа корпуса бара или короны;
- низкие стоимостные параметры разрушения массива при высокой ресурсоэффективности.
БЛАГОДАРНОСТИ
Статья подготовлена в рамках реализации Программы повышения конкурентоспособности Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Статья публикуется при поддержке IMC Montan» (www. imcmontan.ru).
Список литературы
1. Таразанов И.Г. Итоги работы угольной промышленности России за январь-декабрь 2017 года // Уголь. 2018. № 3. С. 58-73. doi: 10.18796/0041-5790-2018-3-58-73. URL: http://www.ugolinfo.ru/bgdev/Jour/032018.pdf (дата обращения: 15.10.2018).
2. Яновский А.Б. Основные тенденции и перспективы развития угольной промышленности России // Уголь. 2017. № 8. С. 10-14. doi: 10.18796/0041-5790-2017-8-10-14. URL: http:// www.ugolinfo.ru/Free/082017.pdf (дата обращения: 15.10.2018).
3. Каталог инструмента. Новокузнецк: ООО «Горный инструмент», 2009. 45 с.
4. Резцы для горных машин [Электронный ресурс]. URL: http://www.kopemash.rU/products/1/1138.html (дата обращения: 15.10.2018).
5. Резцы горные [Электронный ресурс]. URL: https://kzts-dm.ru/Product/rezcy/gornye (дата обращения: 15.10.2018).
6. Каталог инструмента фирмы ВЕТЕК [Электронный ресурс]. URL: http://www.betek.de/ru/productprogramme/ mining-tunneling.html (дата обращения: 15.10.2018).
7. Бизнес-система Кеннаметал. Каталог продукции фирмы Кеннаметал. 2006. 38 с.
8. Современное оборудование компании Sandvik для угольных шахт // Горная промышленность. 2011. № 2. С.36.
9. Совершенствование рабочих органов горных машин для выемки прочных полезных ископаемых / Б.Л. Герике, А.А. Хорешок, П.Б. Герике, В.М. Лизункин // Горное оборудование и электромеханика. 2011. № 1. С. 12-16.
10. Производство и эксплуатация разрушающего инструмента горных машин: монография / А.А. Хорешок, Л.Е. Ма-метьев, А.М. Цехин и др. Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2013. 296 с.
11. Prokopenko S.A., Kurzina I.A., Lesin Yu.V. Prospects for improvement of mining machines' cutting picks. IOP Conference Series / Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 124, Article number 012134. Рр. 1-5. doi: 10.1088/1757-899X/124/1/012134 .
12. Prokopenko S.A., LudzishV.S., Li A.A. Recycling possibilities for reducing waste from cutters on combined cutter-loaders and road builders // Waste Management and Research. 2017. № 35. Рр. 1278-1284. doi: 10.1177/0734242X17731154
13. Технологические основы вентиляции забоя по критерию пылеобразующей способности проходческого комбайна / Е.А. Колесниченко, И.Е. Колесниченко, Е.И. Любомищен-ко, В.Н. Демура // Уголь. 2012. № 6. С.39-42. URL: http://www. ugolinfo.ru/Free/062012.pdf (дата обращения: 15.10.2018).
14. Крестовоздвиженский П.Д. Повышение прочности тангенциальных поворотных резцов горных очистных комбайнов: дисс... на соискание степени канд. техн. наук. Кемерово, 2011. 146 с.
15. Прокопенко С.А., Лудзиш В.С., Курзина И.А. Разработка комбайновых резцов нового класса // Горный журнал. 2017. № 2. С.75-78. doi: 10.17580/gzh.2017.02.14.
16. Выбор формы армирующих вставок для тангенциальных поворотных резцов горных машин / П.Д. Крестовоздвиженский, В.И. Клишин, С.М. Никитенко, П.Б. Герике // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2014. № 6. С. 107-115.
17. Study of conical bit rotation using full-scale rotary cutting experiments / E. Kim, J. Rostami, C. Swope et al. // Journal of Mining Science. 2012. N 48. Рр. 717-731.
18. A theoretical model for predicting the peak cutting force of conical picks / K.D. Gao, C.L. Du, H.X. Jiang et al. // Fratt Integr Strutt. 2014. N 8. Рр. 43-52.
19. Экспериментальные исследования режимов работы исполнительного органа проходческого комбайна / О.Е. Ша-баев, А.К. Семенченко, Н.В. Хиценко, Н.И. Стадник // Горное оборудование и электромеханика. 2010. № 10. С. 49-56.
20. Шабаев О.Е., Хиценко Н.В., Бридун И.И. Формирование усилий резания на резцах исполнительного органа проходческого комбайна с учетом затупления [Электронный ресурс]. URL: http://ea.dgtu.donetsk.ua:8080/jspui/ bitstream/123456789/26246/1/shhicbri.pdf (дата обращения: 15.10.2018).
21. Коронка комбайна 1ГПКС КЛГ 58.000 [Электронный ресурс]. URL: http://gidromash.ru/ (дата обращения: 15.10.2018).
22. Формирование нагруженности реверсивных коронок с дисковым инструментом на трехгранных призмах / А.А. Хорешок, Л.Е. Маметьев, А.М. Цехин, А.Ю. Борисов // Горное оборудование и электромеханика. 2016. № 4. С. 3-10.
COAL MINING EQUIPMENT
UDC 622.232.72.054.54 © S.A. Prokopenko, M. Cehlar, 2018
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 11, pp. 18-21 Title
IMPROVING EFFICIENCY OF ROCK DESTRUCTION THROUGH TwINNED OPERATION OF VARIOUS BIT CUTTERS
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041 -5790-2018-11-18-21
Authors
Prokopenko S.A.1, 2, Cehlar M.3
1 National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russian Federation
2 "Scientific Centre "VostNII" for Industrial and Environmental Safety in Mining Industry" JSC, Kemerovo, 650002, Russian Federation
3 Technical University of Kosice (TUKE), 04200, Kosice, Slovakia
Authors
Prokopenko S.A., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Leading Researcher, e-mail: sibgp@mail.ru
Cehlar M., PhD (Engineering), Professor, Dean Faculty of Mining, Ecology, Process Control and Geotechnologies, e-mail: michal.cehlar@tuke.sk Abstract
The cutters currently used in mine combines have a one-time use pattern and a high level of metal waste. A replaceable operating bit cutter design was proposed and tested. This bit allows to run the cutter next longer with a significant reduction in metal usage. A poor compliance of the conical design cutters with the essence of the concept "cutter". The cutter design with a blade bit in the form of a cutting disk has been developed. Such a cutter has a higher cutting ability with less effort, breakdown energy intensity and dusting. The large length of the cutting edge extends significantly the time of cutter effective use. Mounting on the working member consistently in the cutting line of two cutters - first with a disk and then with a tapered bit - provides a further increase in the rock destruction efficiency. The twinned operation of various bit cutters is characterized by easier conditions for the massif penetration; exception of the conditions for formation of a crushed rock core; effective shear rupture of the initial cut faces. The result is a reduction in the combine energy costs, a long service life of the rock-cutting tool, and increase in the resource efficiency of rock mass breaking.
Keywords
Mine, Combine, Working member, Cutter, Rock, Design, Detachable bit, Disk, Cut, Twinned installation (mounting)
References
1. Tarazanov I.G. Itogy raboty ugol'noy promishlennosty Rossii za yanvar - dekabr 2017 [Russia's coal industry performance for January - December, 2017]. Ugol' -Russian Coal Journal, 2018, No. 3, Pp. 58-73. doi: 10.18796/0041-5790-2018-3-58-73. Available at: http://www.ugolinfo.ru/bgdev/Jour/032018.pdf (accessed 15.10.2018).
2. Yanovsky A.B. Osnovnye tendentsii i perspektivy razvitiya ugol'noy promysh-lennosti Rossii [Main trends and prospects of the coal industry development in Russia]. Ugol'- Russian Coal Journal, 2017, No. 8, Pp. 10-14. doi: 10.18796/00415790-2017-8-10-14. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/082017.pdf (accessed 15.10.2018).
3. Kataloginstrumenta [Tool Catalog]. Novokuznetsk,"Gorniy instrument" LLC, 2009, 45 p.
4. Reztsy dlya gornykh mashin [Mining machine cutters]. [Electronic resource]. Available at: http://www.kopemash.ru/products/1/1138.html (accessed 15.10.2018).
5. Reztsy gornyye [Mining cutters]. [Electronic resource]. Available at: https:// kzts-dm.ru/Product/rezcy/gornye (accessed 15.10.2018).
6. Katalog instrumenta firmy BETEK[BETEK Tool Catalog]. [Electronic resource]. Available at: http://www.betek.de/ru/productprogramme/mining-tunneling. html (accessed 15.10.2018).
7. Biznes sistema Kennametal. Katalog produktsii firmy Kennametal [Kennametal business system. Kennametal products catalog]. 2006, 38 p.
8. Sovremennoye oborudovaniye kompanii Sandvik dlya ugol'nykh shakht [Sandvik state-of-the-art equipment for coal mines]. Gornaya Promyshlennost' -Mining Industry, 2011, No. 2, p. 36.
9. Gerike B.L., Khoreshok A.A., Gerike P.B. & Lizunkin V.M. Sovershenstvovaniye rabochikh organov gornykh mashin dlya vyyemki prochnykh poleznykh isko-payemykh [Improving shearers of mining machines for extraction of durable
mineral deposits]. Gornoye oborudovaniye i elekromekhanika - Mining Equipment and Electromechanics, 2011, no. 1, Pp. 12-16.
10. Khoreshok A.A., Mametiev L.E., Tsekhin A.M. et al. Proizvodstvo i ekspluatat-siya razrushayushchego instrumenta gornykh mashin: Monografiya [Production and operation of mining machine rock destruction tools. Monograph]. Tomsk, Tomsk Technological University Publ., 2013, 296 p.
11. Prokopenko S.A., Kurzina I.A. & Lesin Yu.V. Prospects for improvement of mining machines' cutting picks. IOP Conference Series. Materials Science and Engineering, 2016, Vol. 124, Article No. 012134, Pp. 1-5. doi: 10.1088/1757-899X/124/1 /012134.
12. Prokopenko S.A., Ludzish V.S. & Li A.A. Recycling possibilities for reducing waste from cutters on combined cutter-loaders and road builders. Waste Management and Research, 2017, No. 35, Pp. 1278-1284. doi: 10.1177/0734242X17731154
13. Kolesnichenko E.A., Lyubomishenko E.I., Kolesnichenko I.E., Demura V.N. Tekhnologicheskie osnovy ventilyatsii zaboya po kriteriyu pyleobrazuyushhej sposobnosti prokhodcheskogo kombajna [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. ugol info.ru/Free/062012.pdf (accessed 15.10.2018).
14. Krestovozdvjzhen sky P.D. Povysheniye prochnosti tangentsial'nykh povorot-nykh reztsov gornykh ochistnykh kombaynov. Diss. kand. tekhn. nauk [Strengthening of tangential rotary cutters of cutter-loaders. PhD (Eng.) sci. diss.]. Kemerovo, 2011, 146 p.
15. Prokopenko S.A., Ludzish V.S. & Kurzina, I.A. Design of new-class picks for cutter-loaders. Gornyi Zhurnal - Mining Journal, 2017, No. 2, Pp. 75-78. doi: 10.17580/gzh.2017.02.14
16. Krestovozdvjzhensky P.D., Klishin V.I., Nikitenko S.M. & Gerike P.B. Vybor formy armiruyushchikh vstavok dlya tangentsial'nykh povorotnykh reztsov gornykh mashin [Choosing form of reinforcing inserts for tangential rotary cutters of mining machines]. Fiziko-tehnicheskie problemyi razrabotki poleznyih iskopaemyih - Journal of Mining Science, 2014, No. 6, Pp. 107-115.
17. Kim E., Rostami J., Swope C. et al. Study of conical bit rotation using full-scale rotary cutting experiments. Journal of Mining Science, 2012, No. 48, Pp. 717-731.
18. Gao K.D., Du C.L., Jiang H.X. et al. A theoretical model for predicting the peak cutting force of conical picks. FrattIntegrStrutt, 2014, No. 8, Pp. 43-52.
19. Shabaev O.E., Semenchenko A.K., Khitsenko N.V. & Stadnik N.I. Eksperimental'nyye issledovaniya rezhimov raboty ispolnitel'nogo organa prokhodcheskogo kombayna [Experimental studies of the operating modes of the tunneling machine shearer]. Gornoye oborudovaniye i elekromekhanika -Mining Equipment and Electromechanics, 2010, No. 10, Pp. 49-56.
20. Shabaev O.E., Khitenko N.V. & Bridun I.I. Formirovaniye usiliy rezaniya na reztsakh ispolnitel'nogo organa prokhodcheskogo kombayna s uchetom zatu-pleniya [Formation of cutting efforts on the cutters of the tunneling machine shearer, taking account of blunting]. [Electronic resource]. Available at: http:// ea.dgtu.donetsk.ua:8080/jspui/bitstream/123456789/26246/1/shhicbri.pdf (accessed 15.10.2018).
21. Koronka kombayna IGPKS KLG 58.000 [Combine pit 1GPKS KLG 58.000]. [Electronic resource]. Available at: http://gidromash.ru/ (accessed 15.10.2018).
22. Khoreshok A.A., Mametiev L.E., Tsekhin A.M. & Borisov A.Yu. Formirovaniye nagruzhennosti reversivnykh koronok s diskovym instrumentom na trekhgran-nykh prizmakh [Formation of the loading of reversible bits with a disk tool on trihedral prisms]. Gornoye oborudovaniye i elekromekhanika - Mining Equipment and Electromechanics, 2016, No. 4, Pp. 3-10.
