CC BY
87
© К.М. Первов, С. К. Коровин,
С.Н. Аракчеев, Л.В. Сафронов, 2003
УАК 622.233.05.
К.М. Первов, С. К. Коровин, С.Н. Аракчеев,
Л.В. Сафронов
СПОСОБЫ И СРЕЛСТВА УПРОЧНЕНИЯ ПОРОЛОРАЗРУШАЮШИХ ИНСТРУМЕНТОВ ГОРНЫХ МАШИН
Рабочий инструмент непосредственно выполняет ту работу, для которой созданы горная машина и ее исполнительный орган - разрушает горную породу. Рабочие инструменты горных машин эксплуатируются в тяжелых условиях: переменные по характеру и величине нагрузки, пиковые значения которых в 5-10 раз превышают средние значения; изменчивые свойства разрушаемых пород; повышенная температура и др. Повышение производительности и энерговооруженности горных машин ведел к увеличению нагрузок на рабочих инструментах, что предъявляет все возрастающие требования к их прочности и стойкости.
Контроль и наблюдение за состоянием рабочих инструментов во время работы, как правило, затруднительны. Поэтому рабочие инструменты горных машин должны удовлетворять следующим требованиям:
• эффективно разрушать горную породу с наименьшими затратами энергии;
• обладать достаточной прочностью и износостойкостью;
• обеспечивать высокую сортность добываемого полезного ископаемого и минимальное пылеобразование;
• иметь форму, размеры и надежное закрепление на исполнительном органе, исключающее потери рабочего инструмента и обеспечивающее быструю замену его при износе;
• быть технологичными в изготовлении и восстановлении;
• иметь невысокую стоимость изготовления и эксплуатации.
Существует большое разнообразие рабочих инструментов. Разработан и предложен целый ряд классификаций рабочего инструмента, в основу которого положены различные признаки: назначение, область применения, конструктивные особенности и др. Приведем классификацию рабочих инструментов горных машин, в основу которой положен наиболее важный признак -способ разрушения горных пород. По этому признаку все рабочие инструменты горных ме-шин подразделяются на следующие типы: режущие, дробящие,
раздавливающие, комбинированные и отбойные.
Режущий инструмент отделяет стружку от массива в результате постоянного статического воздействия и перемещения. К режущему инструменту относятся резцы выемочных и проходческих комбайнов, буровых машин. Режущий инструмент имеет простую конструкцию, дешев в изготовлении и получил наибольшее распространение. Процесс резания характеризуется наибольшей производительностью и невысокой энергоемкостью. Однако, значительный удельный вес трения при резании существенно ограничивает область применения резцов (они не пригодны для разрушения крепких и абразивных пород).
Дробящий инструмент внедряется в массив под действием ударной нагрузки. Под лезвием инструмента при этом происходит дробление породы, и образуется лунка. После каждого удара инструмент перемещается в новое положение. Целички породы между лунками скалываются. К
Таблица 1
ПРОЛОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ВЫЛЕРЖКИ ПРИ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ БЫСТРОРЕЖУШЕЙ СТАЛИ
Инструмент Диаметр или толщина, мм Выдержка, ч
Сверла, анкера, развертки До 15 1,0. ..1,5
15....25 1,5. ..2,0
25....50 2,0. ..3,0
Метчики До 15 0,5. ..1,0
15....25 1,0. ..1,5
25....50 1,5. ..2,0
Фрезы: резьбовые с зубьями
шлифованные 0 .5 5 2 1,0. ..1,5
Св. 50 1,5. .2,0
нешлифованные 0 .5 5 2 1,5. .2,0
Св. 50 2,0. .2,5
червячные и шлицевые с зубьями
шлифованными 5 0 5 1,0. ..1,5
Св. 75 1,5. .2,0
нешлифованными 50....75 1,5. .2,0
Св.75 2,0. .2,5
цилиндрические, фасонные До 50 1,0. ..1,5
и торцовые 50..75 1,5. .2,0
Св.75 2,0. ..2,5
Резцы:
дисковые До 10 1,0. ..1,5
Св.10 1,5. .2,0
круглые До 5 1,0. ..1,5
5..15 1,5. .2,0
тангенциальные 10 1,5
25 2,0
Таблица 2
СОСТАВ РАБОЧИХ СМЕСЕЙ, РЕКОМЕНАУЕМЫХ АЛЯ ХРОМИРОВАНИЯ
Условный но- Состав, % по массе Сталь
мер состава РеСг А1 О ИИ С1 Сг
1 25 72 3 - Углеродистая
2 - 70 5 25
3 75 20 5 -
4 50 47 3 - Легированная, содержа-
5 - 45 5 50 щая №, Мо, Ш и другие легирующие элементы
дробящему инструменту относятся коронки перфораторов и долота станков ударного бурения. Так как затраты энергии на трение у дробящего инструмента значительно меньше, чем у режущего, и процесс затупления происходит медленнее, то дробящий инструмент применяется для разрушения крепких пород. Сам способ разрушения более энергоемок, чем резание, процесс носит прерывистый характер и, следовательно, менее производителен, поэтому применяется главным образом для бурения шпуров и скважин.
Раздавливающий инструмент по принципу воздействия на разрушаемую породу отличается от дробящего статическим приложением нагрузки. Раздавливающий инструмент характеризуется непрерывностью процесса разрушения, низкими затратами энергии на трение, что позволяет применять его по крепким абразивным породам. Однако статическое вдавливание требует больших осевых усилий, поэтому машины с таким инструментом имеют большую массу и габариты. К раздавливающему инструменту относятся шарошки всех видов. Шарошечный инструмент применяют для бурения скважин, используют его и на проходческих комбайнах.
Комбинированный инструмент характеризуется тем, что его рабочий процесс сочетает в себе свойства рассмотренных выше инструментов. Примером комбинированного инструмента могут служить коронки вращательно-ударного действия бурения, которые осуществляют разрушение резанием и дроблением. Такое сочетание различных способов разрушения обеспечивает разрушения пород средней крепости и крепких при более высокой производительности.
К отбойному инструменту относятся стальные пики отбойных молотков и рабочий инструмент гидроударников.
Проблема повышения стойкости и долговечности горного породоразрушающего инструмента очистных и проходческих комплексов, струговых и буровых установок, шарошечных долот, зубьев ковшей экскаваторов и т.д., ровно как и деталей этих машин, особенно остро встала в последние годы в связи с резким их удорожанием.
В настоящее время применяются различные способы и средства повышения ресурса горных породоразрушающих инструментов: оксидирование, фосфатиро-вание, хромирование, никелирование, борирование, электроискровое легирование, плазменное
напыление, нитроцементация, диффузионное хромирование, обработка взрывом, прокатывание, наклеп, закалка изотермическая, закалка ступенчатая, закалка с обработкой холодом при t = -270с, термомеханическая обработка.
Нитроцементация
При нитроцементации происходит одновременное насыщение поверхностного слоя азотом и углеродом, образующимися в результате разложения жидкого цианизатора - триэтаноламина, жидкого или газообразного карбюратора и аммиака, при их одновременной подаче в печь. В качестве жидких карбюризаторов применяют керосин, легкое индустриальное масло, пиробензол, в качестве газообразных -природный газ и газ, используемый для бытовых нужд. Нитроцементацию технологической оснастки производят в шахтных муфельных электропечах или в камерных электропечах после механической и термической обработки. Инструмент не должен иметь прижогов, заусенцев и других дефектов на поверхности режущих кромок. Твердость инструментов перед нитроцементацией должна быть не менее Н^ 61. Подготовка инструментов к нитроцементации заключается в очистке и обезжиривании поверхности. Глубина слоя нитроцементации составляет
0,02....0,05 мм. Продолжительность выдержки устанавливают в зависимости от вида и размеров поперечного сечения инструмента. В табл. 1 указана продолжительность выдержки с момента достижения рабочей температуры 550....560°С при нитроцементации деталей из быстрорежу-
Таблица 3
СОСТАВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ И РЕЖИМЫ НИКЕЛИРОВАНИЯ
Количество веществ г/л воды Режим работы
Электролит Серно- кислый никель Серно- кис- лый натрий Хлористый натрий Хлористый никель Фто- рис- тый натрий На- трие вая соль Борфто- рис- товодный никель Сульфо- миново- кислый никель Бор- ная кисло- та pH Температура, ° С Плотность, А/дм
Типовой сернокислый 175..200 80..16С 20 - - - - - 20 5.5,5 18...25 0,5..1,0
То же, скоростной То же, блестящего нике- 420 150 5 30 - - - - 50 2,0..3,5 50..60 До10
лирования 200..240 - 5..15 - 5 2..4 - - 30 5,8..6,3 45..55 1..3
Борфтористоводородный - - - - - - 300 - 30 2,7..3,5 25..50 0 5
Сульфаминовый - - 250.. 300 - 2...3 - 250.. 350 25..30 3,5 25..30 1015
щей стали. По окончании выдержки прекращается подача аммиака, а затем и карбюризатора. Печь выключают и после этого, как погаснет факел отходящих газов, крышку открывают и выгружают инструменты из муфеля.
Диффузионное хромирование
Диффузионное хромирование - процесс насыщения поверхности технологической оснастки хромом. Диффузионному хромированию подвергают технологическую оснастку, изготовленную из стали марок 10, 45, 40Х по ГОСТ 1050-74, 38ХМЮА по ГОСТ 4543-71 и других марок с целью повышения ее стойкости. Его проводят в высокотемпературных печах. Составы рабочих смесей, рекомендуемые для хромирования, приведены в табл. 2. Детали загружают в нагревательную печь в контейнерах для хромирования с обычной крышкой, уплотняемой обмазкой, или в контейнерах с плавким затвором. Рабочая температура процесса 950-1100 °С, время выдержки 6-12 ч, скорость хромирования 0,02-0,04 мм/ч. Твердость обработанной оснастки достигает НУ1200 при глубине слоя 0,3 мм.
Хромирование
Твердое износостойкое хромирование применяют для повышения износостойкости и восстановления контрольного, измерительного и режущего инструмента, а также формообразующих элементов штампов и пресс-форм, дыропробивных пуансонов и матриц.
Типовой технологический процесс хромирования выполняют по такой схеме: электрохимическое анодное либо химическое обезжиривание; промывка в теплой воде, промывка в холодной воде; декапирование; промывка в холодной воде; анодная обработка; хромирование; улавливание хрома из электролита; обработка в растворе метабисульфата натрия; промывка в холодной воде, сушка. Хромируемую поверхность предварительно шлифуют или полируют.
Хромирование производят в стационарных стальных ваннах, футерованных листовым винипластом. Обрабатываемые изде-
лия служат катодом. В качестве источников тока применяют низковольтные генераторы постоянного тока, вырабатывающие ток напряжением 6/12 или 9В и силой 250-10000 А. Для питания ванн применяют селеновые выпрямители, состоящие из понижающего трансформатора и набора селеновых выпрямительных шайб.
При контроле качества хромируемых изделий следует проверять внешний вид, прочность сцепления с основным металлом и толщину покрытия. Твердость и износостойкость контролируют при наличии указаний на чертеже или карте технологического процесса изготовления инструмента.
Никелирование
Типовой процесс никелирования состоит из таких операций: обезжиривание в органическом растворителе; сушка или обезжиривание химическое; промывка в теплой воде; обезжиривание электрохимическое; промывка в теплой воде; промывка в холодной воде; декапирование; промывка в холодной воде; никелирование электрохимическое; улавливание; промывка в холодной воде; промывка в горячей воде; сушка; контроль. Никелируемую поверхность предварительно шлифуют или полируют. Микротвердость осаждаемого никеля составляет 250-300 кг/мм.
Контроль качества никелевых покрытий производят по следующим основным показателям: внешний вид, толщина покрытия, отсутствие пор и прочность сцепления с основным металлом.
Фосфатирование
Фосфатирование - процесс нанесения фосфатной пленки на поверхность сложного фасонного режущего инструмента типа протяжек, разверток, фрез, дол-бяков, специальных резцов, сверл, зенкеров, метчиков, пла-
шек и деталей приспособлений, работающих на истирание, с целью защиты от коррозии и повышения износостойкости.
Для фосфотирования необходимо следующее оборудование: ванна для обезжиривания - 1шт.; ванна для двухкратной (каскадной) промывки - 2 шт.; ванна для промывки - 1 шт.; ванна для обработки в масле - 1 шт.; сушильный шкаф - 1ш. Стоимость его ниже по сравнению со стоимостью оборудования для нанесения других видов покрытий. Технология обработки фосфатной пленки приведена в табл. 4.
Качество фосфатной пленки определяется ее плотностью, зернистостью, шероховатостью, защитными свойствами и коррозионной стойкостью. Покрытие должно быть плотным, гладким, мелкозернистым, цвет пленки может колебаться от светлосерого до черного. Наличие фосфатной пленки проверяют визуально, царапая поверхность оснастки скребком или протирая ее мелкозернистой абразивной шкуркой.
Для контроля коррозионной стойкости фосфатной пленки технологическую оснастку подвешивают на шелковых или капроновых нитях в 3%-ом растворе ИаС1 при температуре 20° С с выдержкой 5-15 мин., после чего промывают водой и оставляют на воздухе в течении 25-30 мин. Контроль производится на об-разцах-свидетелях в количестве одной-двух штук в партии. Образцы-свидетели должны быть термически обработаны и изготовлены из стали той же марки, что и фосфатируемая технологическая оснастка.
Электроискровое легирование.
Упрочнение электрической искрой заключается в легирова-
Таблица 4
ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ФОСФАТНОЙ ПЛЕНКИ
Операции Среда Режим обработки
Температура, ° С Выдержка, мм
Двукратная (каскадная) промывка Сушка Обработка в масле Подсушивание для стока излишнего масла Проточная вода Воздух Масло И-12 Воздух 80.90 80.90 100.115 Комнатная 1.1,5 3.4 3.4 3.4
Таблица 5
Наименование Типовые марки сталей
Резцы, сверла диаметром выше 5 мм, зенкеры, развертки, фрезы, протяжки Штампы для холодной и горячей штамповки, гибочные, вытяжные Подающие и зажимные цанги, оправки, вкладыши, кондукторные втулки, втулки направляющих колонок Сталь Р18, Р9, Р6М8, Р18Ф2, Р18К5Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5 Сталь У8, У10, У12, ХВГ, 5ХНМ, 5ХВ2С, Х12Ф1, Х12М, ХВ5 Сталь 65Г, 60Г, 60С2А
нии поверхностного слоя металла изделия (катода) материалом электрода (анода) при искровом разряде в воздушной среде. В результате химических реакций легирующего металла с диссоциированным атомарным азотом и углеродом воздуха, а также с материалом детали в поверхностных слоях образуются сложные химические соединения (высокодисперсные нитриды, карбо-нитриды и карбиды).
Упрочненный слой имеет высокую твердость и износостойкость. Общий слой электроискрового упрочнения состоит из верхнего белого слоя и нижнего переходного диффузионного слоя с переменной концентрацией легирующих примесей и карбида, с сильно измененной исходной структурой, постепенно переходящей в структуру основного материала. В большинстве случаев нижний слой по глубине несколько больше верхнего. В связи с наличием диффузионного слоя в структуре упрочненного металла возможно многослойное упрочнение, в том числе с образованием разнолегированных слоев. Применение последующего воздействия лазерным излучением улучшает свойства упрочненной поверхности, легированной электроискровым методом, снижает степень ее шероховатости.
Рекомендуемая номенклатура технологической оснастки, подлежащей электроискровому упрочнению приведена в табл. 5
Из многих технологий которыми мы располагаем в настоящее время, особый интерес представляют физические методы упрочнения, в частности, методы магнитно- импульсной обработки (МИО) вызывающие необрати-
мые структурные изменения в обрабатываемом материале.
Сущность новой технологии магнитно-импульсного упрочнения состоит в том, что при магнитно-импульсном воздействии вещество изменяет свои физические и механические свойства. Улучшение свойств у ферромагнитных материалов прошедших МИО, достигается за счет направленной ориентации свободных электронов вещества внешним полем, вследствие чего увеличивается тепло- и электропроводность материала детали.
Взаимодействие импульсного магнитного поля с деталью из токопроводящего материала происходит тем интенсивнее, чем выше структурная и энергетическая неоднородность вещества. Поэтому, чем выше концентрация поверхностных и внутренних напряжений в металлических деталях, тем больше вероятность локальной концентрации в них микровихрей внешнего поля, которые нагревают участки вокруг кристаллов напряженных блоков и неоднородностей структуры металла. Градиент теплового потока при МИО тем выше, чем менее однородна микроструктура металла.
В местах концентрации остаточных или усталостных напряжений, связанных с технологией производства, обработки или эксплуатации детали, теплота, наведенная при МИО вихревыми токами, частично уменьшает избыточную энергию составляющих кристаллитов и зерен структуры образца, особенно в зоне контакта напряженных участков. Микроструктура сплава улучшается в течении 0,01-1, 0 сек.
Кроме того, вихревое магнитное поле обуславливает более
равномерное охлаждение детали. Повышается теплопроводность материала инструмента, увеличивается скорость отвода тепловых потоков при жидкостном охлаждении, увеличивается агде-зия смазочного материала на металлической поверхности и ускоряется отвод тепла из узлов трения.
Для вращающихся деталей машин из сталей 40Х, 30ХГСА, 3Х13, ХВГ и других при МИО коэффициент трения инструмента уменьшается в 1,5-2,5 раза.
Таким образом, магнитноимпульсная обработка металлов ведет к устранению грубой исходной структуры, причем часть карбида растворяется, а остальная создает мелкозернистую структуру, обеспечивая тем самым высокую прочность и износостойкость.
МИО отдельных деталей и узлов горного и металлообрабатывающего оборудования показала повышение их усталостной прочности, снижение остаточных термических напряжений, снижение в 2-3 раза скорости микротрещин трущихся поверхностей, улучшение «магнитной» смазки рабочих поверхностей микроколлоидными продуктами износа материалов трущихся деталей.
После магнитно-импульсной обработки стойкость металлорежущего инструмента повышается в 1,4-2,5 раза, горного режущего и бурового инструмента в 1,5-3,5 раза. Приобретенные свойства сохраняются до полного износа изделий.
К сожалению, оптимизация параметров МИО связана с решением задач прочностного, теплового, электромагнитного, гидрогазодинамического, вероятностного и совместного анализа. Их решение невозможно без применения современной вычислительной техники. Одним из вариантов решения указанной задачи является использование программных продуктов АИБУБ. Сертификация 1БО 9001 для всей линейки программных продуктов АИБУБ, более 7200 программных тестов и более 1600 тестов на аппаратную совместимость каждого релиза позволяют моделировать высоконелинейные и бы-
стротекущие динамические процессы (ударные взаимодействия, проникание и разрушение, общие задачи динамической прочности, контактные задачи, задачи контактной и анизотропной тепло-
проводности, лучистого теплообмена, электростатики, магнитостатики, гармонического и нестационарного анализа электромагнитных явлений с учетом гармонических СВЧ процессов и
т.д.). Моделирование процессов МИО с применением программных продуктов АИБУБ позволяет эффективней использовать технологию магнитоимпульсного упрочнения материалов и изделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Полевой С.Н, Евдокимов В.Д. Обработка инструментальных материалов: Справочник технолога инструмент. цеха. - К.: Техника, 1980. - 150 с.
2. Сафохин М.С., Александров Б.А., Нестеров В.И. Горные машины и оборудование: Учеб. для вузов. - М.: Недра, 1995. - 463 с.
3. Солод В.И., Зайков ВИ, Первов К.М. Горные машины и автоматизированные комплексы: Учебник для вузов. - М., Недра, 1981. - 503 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------
Первов К.М. - Московский государственный горный университет. Коровин С.К. - ПГУПС.
Аракчеев С.Н, Сафронов Д.В. - ОАО «Гранит-Возрождение».
© Н.И. Алыменко, А.Н. Алыменко, И.И. Трапезников, А.В. Ковалев, 2003
УАК 622.4.621.634
Н.И. Алыменко, Л.Н. Алыменко,
И.И. Трапезников, А.В. Ковалев
ТРЕБОВАНИЯ К СОВРЕМЕННЫМ ОСЕВЫМ ВЕНТИЛЯТОРАМ МЕСТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ
Одним из важных факторов развития горного дела является совершенствование вентиляции горных предприятий, что в значительной мере связано с разработкой новых образцов вентиляционного оборудования и, в частности, вентиляторов местного проветривания (ВМП). Прошедшие за последнее десятилетие изменения в горнодобы-
вающей промышленности России, к сожалению, не ознаменовались совершенствованием вентиляционного оборудования, технический уровень которого остается низким.
В настоящее время на рудниках и шахтах используются ВМП различных типов. Наиболее распространенным является вентилятор ВМЭ-6. С помощью этих вентиляторов проветриваются
одиночные выработки и небольшие локальные участки вентиляционных сетей. Эти вентиляторы работают как на вентиляционный трубопровод различной длины, так и без трубопровода, а также в качестве источников тяги в подземных передвижных и подземных вспомогательных вентиляторных установках.
Широкое распространение ВМЭ-6 объясняется тем, что они, при существующей средней длине подготовительных выработок в России, в большинстве случаев обеспечивают подачу необходимого количества воздуха на рабочие места. Рабочее место на горных предприятиях находится в постоянном движении и длина доставки воздуха к нему постоянно меняется. Поэтому вентилятор выбирают из расчета обеспечения потребного количества воздуха на максимальную длину. Если сначала можно обходится
