Разработка узлов крепления дискового инструмента к рабочим органам проходческих комбайнов

© А.А. Хорешок, Ё.Е. Маметьев,

А.Ю. Борисов, С.Г. Мухортиков, 2012

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

РАЗРАБОТКА УЗЛОВ КРЕПЛЕНИЯ ДИСКОВОГО ИНСТРУМЕНТА К РАБОЧИМ ОРГАНАМ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

а б в

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

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

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

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

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

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

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

Py = Pz • ctg

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

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

Pz = R0^ • sin

v cos ф2

Py = Pz • ctg(k0). P = P cXb

x z R sin(k0)'

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

Таблица 1

Усилия, кН Характеристики разрушаемого массива по осж, МПа

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Конический дисковый инструмент ф = 30°

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

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

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

со со

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

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

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

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

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

Хорешок Алексей Алексеевич — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой горнык машин и комплексов, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, зав. лабораторией комплексной механизации разработки угольных месторождений Институт угля СО РАН, bau.asp@rambler.ru,

Маметьев Леонид Евгеньевич — доктор технических наук, профессор кафедры горных машин и комплексов, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, bau.asp@rambler.ru, Борисов А.Ю. — ст. преподаватель кафедры горных машин и комплексов, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, bau.asp@rambler.ru,

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

117.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ