Эволюция конструкции резцов для шахтных комбайнов

С.А. Прокопенко, д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник АО «НЦ ВостНИИ»; профессор Юргинского технологического института (филиал) Томского политехнического университета (ЮТИ ТПУ)

В.С. Лудзиш, д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник АО «НЦ ВостНИИ»

Угольная шахта по сути представляет собой систему (механизм) проникновения человека в недра Земли за углем. Его добыча достигается поступательной отбойкой кусков от угольного пласта и выдачей их на земную поверхность. Отделение угля от природного массива осуществляется резцами, установленными на рабочем органе машин.

Именно резец стоит во главе всей технологии угледобычи, он – головной, главный. С него начинается шахтная добыча угля. При поломке резцов останавливается весь комплекс добычных и транспортных машин и механизмов, и прекращается угольный поток.

Резец – это один из древнейших и замечательных инструментов, созданных человеком для добычи твёрдых полезных ископаемых и обладающих особым свойством – развивать на своём острие высокое давление, достаточное для отделения куска от массива. Это свойство человек подсмотрел в природе: клыки, когти, бивни, колючки зверей были прообразами рукотворных резцов, наконечников копий и стрел, ножей, мечей. И все они без исключения позволяют получать высокое давление на своем острие. Благодаря этому, например, резцы, ножи, мечи, за счёт приложения к ним сравнительно небольшой мускульной силы человека позволяют разрушать очень крепкие природные образования.

Рис. 1 Эволюция резца для разрушения горных пород

Резец, облегчающий проникновение человека в земные недра, прошел длительный эволюционный путь (рис. 1). Появился он у первобытного человека в виде острого прочного камня-рубила, которым удавалось отбить неровности в пещере, расширить ее, расколоть породную глыбу... В бронзовый век резец изготавливали уже из металла, что повысило его эффективность и срок эксплуатации. Затем человек научился делать резец из стали, еще больше увеличив отдачу от него. Привязав резец к длинной палке и соорудив, таким образом, кирку, человек стал использовать мускульную энергию ещё более эффективно. Благодаря вращательному моменту человек научился увеличивать глубину проникновения резца в угольный массив. Наличие рукояти облегчало отрыв кусков.

Рис. 2 Вид тангенциального поворотного резца шахтного комбайна (а). Твердосплавные наконечники резцов цилиндрической формы (б); колпачковой формы (в)

В начале XX в. на смену кирке пришел отбойный молоток, эффективность пики в котором существенно возросла благодаря энергии сжатого воздуха, в несколько десятков раз превосходящей мускульную энергию человека. Вспомним рекордные 102 т угля (14 сменных норм), добытые А.Г. Стахановым отбойным молотком за одну смену. Появившиеся во второй половине XX в. в шахтах комбайны оснащались 20–40 стальными резцами, что позволяло расширить площадь одновременного воздействия на угольно-породный массив и увеличить производительность отбойки. Последующее обеспечение вращения и оснащение резцов наконечниками из высокопрочных сплавов существенно увеличило срок их эксплуатации. В настоящее время такие изделия называются тангенциальными поворотными резцами (ТПР), которые служат основным инструментом оснащения шахтных комбайнов и устанавливаются на шнековых, баровых, корончатых исполнительных органах очистных и проходческих комбайнов. Конструктивно резец представляет собой стальную державку, состоящую из хвостовика цилиндрического вида и головки конусной формы (рис. 2а).

Державка армируется твердосплавным наконечником из высокопрочного вольфрамо-кобальтового сплава. Армирующий наконечник выполняется цилиндрической или колпачковой формы (рис. 2б-в). Выступающий торец армировки имеет конусное заострение.

Широкому распространению этого вида резцов способствовали их достоинства:

- простота установки и обслуживания;

- равномерность износа под воздействием горного массива;

- относительно высокий срок службы.

Однако, не смотря на отмеченные положительные свойства, резцы обладают и существенными недостатками. К их числу относятся однократность использования и непригодность для повторного применения. В результате после износа 20–30% массы резца оставшиеся 70–80% попадают в отходы, что весьма расточительно с позиций ресурсоэффективности и ресурсосбережения. Кроме того, нынешние изделия, называемые резцами, по существу к таковым не относятся. По своей конструктивной форме и принципу разрушения они больше соответствуют понятию «клык». Схема воздействия такого «резца» на разрушаемый породный массив представлена на рис. 3 [1].

Рис. 3 Схема разрушения резцом породного массива [1]: 1 – уплотненное ядро (мелкораздробленные фракции) в усC ловиях объемного сжатия; 2 – зона смятия массива; 3 – зона упругого деформирования окружающих участков массива

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

При воздействии ТПР на массив уголь (или порода), оказывающийся перед острием инструмента, уплотняется, сминается и затем отрывается. Образуются в большом количестве мелкодисперсные частицы, пыль, а также сравнительно крупные (10–50 мм и более) бесформенные фракции. Разрывающе-выкалывающее воздействие инструмента на массив ведет и к активной реакции, вследствие чего наблюдается ускоренное разрушение головки резца, сопровождаемое фрикционным искрением. Вследствие конструктивного несовершенства нынешних ТПР область их эффективного применения, по мнению ученых КузГТУ, ограничивается малоабразивными породами (менее 15 мг) с прочностью до 60 МПа [2].

Резец же, по своей сути, должен не вырывать, а разрезать массив, разделяя его на части ровным резом. Это сократит выход мелких фракций и пыли угля и породы, а также искрообразование в забое. Крупные (но габаритные) и ровные отдельности удобнее для процессов транспортирования и складирования. Процесс резания требует меньших энергетических затрат на разрушение массива, чем смятие и отрыв его отдельностей. В этой связи дальнейшее совершенствование конструкции ТПР требуется вести в направлении смены принципа его воздействия на массив – от разрыва к резанию. Обновление принципа возможно в случае создания на головке резца режущего лезвия вместо конуса. Конструктивные решения по таким резцам нами уже разработаны.

Обобщение и систематизация всех существующих и перспективных конструкций резцов позволили разработать классификацию тангенциальных поворотных резцов (рис. 4). Согласно классификации к применяемым в настоящее время резцам конусного класса добавляется новый класс перспективных лезвийных ТПР. По ремонтопригодности все они делятся на одноразовые и резцы многоразового применения. Ремонтопригодность резца определяет возможность замены одного или нескольких его конструктивных элементов. Перспективные резцы могут иметь пластинчатое или дисковое лезвие.

Рис. 4 Классификация тангенциальных поворотных резцов шахтных комбайнов

В настоящее время производство конусных одноразовых ТПР освоено на целом ряде предприятий. Эти изделия имеют одинаковую конструкцию и отличаются лишь качеством изготовления. Резцы многоразовые конусные (РЕМК) разработаны, испытаны и поставляются НПП «Сибирские горнопромышленники» [3]. Благодаря сменности изнашиваемых головок, эксплуатационный ресурс РЕМК в 6–10 раз превышает возможности одноразовых резцов [4]. Еще большие перспективы увеличения эксплуатационного ресурса открывают лезвийные резцы РЕМП и РЕМД.

Осмысление эволюции породоразрушающих резцов и разработка их классификации позволили выделить новый класс комбайновых резцов, существенно превосходящих по эксплуатационным характеристикам применяемый в шахтах горнорежущий инструмент. Кроме того, классификация задает направление поиска перспективных эффективных конструкций резцов.

Ключевые слова: шахта, комбайн, резец, износ, разрушение, конструкция, классификация, класс

Журнал "Горная Промышленность" №2 (120) 2015, стр.65