Требование к энергоэффективному тангенциальному резцу, применяемому для разработки калийной руды

А.С. Романович, генеральный директор ОАО «ЛМЗ Универсал» (г. Солигоск, Беларусь)

А. Калюкевич, профессор, д.т.н., декан Горнотехнической академии им. Станислава Стачица (г. Краков, Польша)

Расход резцов и затраты на добычу руды зависят от износостойкости режущего инструмента. В этой связи разработка радиальных и поворотных тангенциальных резцов с повышенной абразивной стойкостью и более длительным сроком службы всегда была задачей актуальной и насущной.

Но также, и более актуальной, является задача повышения энергоэффективности используемых резцов.

Под энергоэффективностью резца понимаем достижение минимального расхода электроэнергии комбайном на добычу 1 т руды. Она соответствует удельной энергоёмкости резца, которая определяется так же, как количество электроэнергии, расходуемой комбайном на добычу 1 т.

В современных условиях, при высокой стоимости электроэнергии такой показатель качества резцов становится первостепенным.

Исследованию этого показателя была посвящена отдельная работа по определению главных конструктивных и технологических требований к созданному нами энергоэффективному тангенциальному резцу, и выполнен анализ результатов их шахтных испытаний.

Из анализа ряда работ, посвященных вопросам теории резания породы [1, 2], а также собственных исследований режимов работы резцов и материалов, используемых для их изготовления, были сделаны выводы, что для резания породы с минимальными прикладываемыми усилиями на резец и, следовательно, снижения энергопотребления комбайна, необходимо соблюдение двух основных условий – резец должен иметь оптимальную форму, позволяющую минимизировать усилия сопротивления резанию, и в процессе работы, максимально долго её сохранять (или незначительно изменять).

Оптимальная форма резца должна обеспечивать постоянное соблюдение следующих его параметров:

- минимальный угол его заострения;

- поддержание соосности корпуса резца (державки) и вставки;

- минимально критическое отклонение оси корпуса резца по длине.

Ниже рассмотрены требования к резцу и условия их выполнения.

Минимальный угол заострения позволяет резцу максимально глубоко внедряться в массив с минимальной затратой энергии и производить отбойку кусков калийной соли конической частью резца скалыванием, а не дроблением.

Рис. 1 Резец с односторонним износом, обусловленным отсутствием вращения его в кулаке

Рис. 1 Резец с односторонним износом, обусловленным отсутствием вращения его в кулаке

Соблюдение соосности корпуса резца и режущей вставки гарантирует его равномерное вращение в кулаке в процессе резания, и такой же равномерный износ с эффектом самозатачки. Резец, у которого отсутствует эта соосность, практически сразу после установки на режущем органе и в начале работы, прекращает вращение (рис. 1). А разрушение породного массива продолжается одной стороной резца с интенсивным износом и вставки, и корпуса. В другом случае резец вращается прерывисто с периодическими пропусками, т.е. с западанием на одну сторону. В конечном итоге его вращение также прекращается. Сопротивление резанию вырастает многократно, что создает дополнительное сопротивление крутящему моменту двигателя комбайна. В этой ситуации потребляемая мощность комбайна начинает возрастать, а рабочий ток двигателя увеличивается не только по величине, но и по амплитуде.

Резцы с такими заводскими дефектами становятся причиной работы комбайна с повышенным расходом мощности и после первой стружки выбраковываются, несмотря на то, что их целостность не нарушена. При этом выбраковываются практически новые резцы, рабочий ресурс которых использован лишь на 10–15%.

Это в равной мере относится и к резцам, имеющим отклонение оси корпуса по длине резца, превышающее минимально критическую величину (в резцах типа РКС-1 не более ±0,5 мм).

Возможность в процессе работы максимально долгого сохранения резца первоначальной формы или близкой к ней, достижимо при выполнении двух условий:

  • износостойкости материалов, из которых изготовлена вставка и державка резца, должны находиться в определенном соотношении;
  • в процессе работы резца материалы державки и вставки должны сохранять неизменными свои физико-механических свойства: износостойкость и теплостойкость.

Рассмотрим подробно эти условия.

Соблюдение определенного соотношения износостойкости материалов, из которых изготовлена вставка и державка, обуславливается тем, что при работе резца не должен происходить опережающий износ ни вставки, ни державки. При опережающем износе вставки («мягкой» вставке) в процессе резания происходит интенсивный износ вставки и носовой части резца. Это можно квалифицировать как затупление резца, т.е. увеличивается угол его заострения (носовой части державки со вставкой), что вызывает увеличение сил резания и, соответственно, энергопотребление комбайна. При резании резцом с высокой износостойкостью вставки происходит опережающий износ окаймляющей вставку носовой части державки, что вызывает «вымывание» вставки, а в определенный момент и выламывание. Такая картина наблюдается при использовании резцов с твердосплавной вставкой, у которых вставка впаяна в державку на малую глубину (рис. 2).

Рис. 2 Резец РКС-1 с выломленной твердосплавной вставкой

Рис. 2 Резец РКС-1 с выломленной твердосплавной вставкой

В процессе резания на острие контакта «вставка-порода» развиваются высокие температуры, достигающие по различным данным ~600°С. Естественно, при изготовлении вставки из сплавов типа ВК такая температура не вызывает изменения её твёрдости и износостойкости. При использовании же для изготовления вставки других металлов, например, инструментальной стали (типа Р6М5) происходит её отпуск, что сильно снижает её твердость и износостойкость.

Следовательно, выбор материалов с максимально высокой теплостойкостью – момент весьма важный.

Учитывая вышерассмотренные условия, в конструкторско-технологическом бюро Солигорского ЛМЗ «Универсал» был разработан тангенциальный резец типа РКС-1, получивший обозначение РС144-7в.

Новый резец имеет угол заострения носовой части державки 18°, а режущая вставка диаметром 7 мм изготовлена из стали Р6М5, упрочнённой потоком высокоскоростных порошковых частиц (ПВПЧ), образованного энергией взрыва.

Эта технология упрочнения, разработанная в Научно-исследовательском институте импульсных процессов с опытным производством (ОХП «НИИ ИП с ОП»), входящим в состав государственного научного учреждения «Институт порошковой металлургии» (ГНУ ИПМ), увеличивает абразивную изностойкость стали Р6М5 в ~1,5 раза и теплостойкость на ~50°С при сохранении высокой ударной вязкости [3].

Крепление вставки в державке осуществляется запрессовкой на холодную в «натяг».

В резцах РКС-1ВМ, массово используемых в настоящее время на шахтах ОАО «Беларуськалий», режущая вставка изготовлена из неупрочненной ПВПЧ стали Р6М5 диаметром 8 мм, с креплением в державке пайкой. Угол заострения конической части державки равен также 18°. В резце РКС-1 режущая вставка имеет диаметр 9 мм и изготовлена из сплава ВК8 с креплением в державке пайкой. Угол заострения 26°.

В марте-июле 2013 г. на рудниках ОАО «Беларуськалий» были проведены шахтные сравнительные испытания резцов РКС-1ВМ РКС-1 и РС144-7в. Испытания проводили в пяти лавах трёх шахт, с различными физико-механическими характеристиками добываемой руды, в первую очередь твердостью и абразивными свойствами.

Результаты сравнительных испытаний серийных резцов и новых энергоэффективных, применяемых на ОАО «Беларуськалий»

В табл. 1 представлены полученные значения удельного расхода резцов на добычу 1000 т. руды, удельного расхода электроэнергии на 1 т добытой руды (энергоёмкость резца) и установившейся скорости подачи комбайна в процессе работы по допустимому току потребления.

Анализ результатов испытаний, представленных в табл. 1, позволяет сделать ряд выводов.

1. Стойкость новых резцов, определяемая их расходом на добычу 1000 т руды, выше, чем массово применяемых в ОАО «Беларуськалий» РКС-1ВМ и РКС-1 при работе на всех участках с разными горно-геологическими условиями.

По отношению к резцу РКС-1ВМ это объясняется более высокой износостойкостью и теплостойкостью, обработанной ПВПЧ стали Р6М5, из которой сделана вставка резца РС144-7в.

По отношению к резцу РКС-1, это объясняется непропорционально интенсивным по сравнению с державкой износом вставки резца. Происходит «вымывание» вставки и резание руды только державкой, что резко повышает токовую нагрузку на комбайн. Также этот резец, по сравнению с резцами РКС-1ВМ и РС144-7в, имеет больший угол заострения, чем и объясняется его низкая энергоэффективность.

2. Меньший угол заострения резца РС144-7в и длительное его сохранение (более медленное увеличение) в процессе работы комбайна, снижает силу сопротивления резания руды и потребление электроэнергии комбайном, что приводит к увеличению скорости подачи фрезы и производительности комбайна. Таким образом, энергоэффективность нового резца превосходит РКС-1ВМ до определенной остаточной критической его длины.

3. Из данных испытаний резцов РС144-7в 1РУ (5-я лава) существует прямая связь между их расходом и затрачиваемой комбайном электроэнергии на добычу 1 т руды. Таким образом, при увеличении времени работы резцов на комбайне до их замены, увеличивается потребление электроэнергии на добычу 1 т руды. Снятие резца с комбайна до момента критического износа – «затупления» головной части резца, т. е. сохранения его формы близкой к первоначальной, приводит к большему расходу резцов на добычу 1000 т руды, но меньшему потреблению электроэнергии комбайном, в расчёте на каждую тонну добытой руды.

Табл. 2 Количество данные и причины выбраковки комбайновых резцов на Руднике 1РУ

В табл. 2 представлены результаты выбраковки резцов с указанием причин выхода их из строя.

Данные опытно-промышленной эксплуатации новых резцов позволили сделать следующие выводы: 1. В процессе резания руды, резец РС144-7в вращается и изнашивается равномерно по всей его рабочей зоне в соответствии с регламентируемым для него режимом работы. Отсутствует заклинивание резца в определенном положении, которое приводит к интенсивному истиранию одной стороны режущей части державки и вставки резца. Крепление вставки в державку пайкой приводит к получению большого количества резцов с несовпадением осей вставки и державки, что затрудняет вращение резца в кулаке и приводит к интенсивному одностороннему износу головной его части.

2. Отсутствие «вымытых» вставок в резцах РС144-7в подтверждает выдвинутую идею, что для предотвращения «вымывания» вставки необходимо определенное соотношение износостойкости материалов вставки и державки.

3. При изготовлении резцов необходимо строе соблюдение соосности державки и вставки, а величина отклонения оси корпуса по длине резца не должна превышать минимально критического значения.

Ключевые слова: тангенциальный резец, энергоэффективность, выбор, испытания, калийные руды, абразивный износ

Журнал "Горная Промышленность" №1 (119) 2015, стр.52