Введение к работе
Актуальность темы
Индустриальным способом добычи угля в мировой практике является механический способ с применением высокопроизводительных шнековых очистных комбайнов, вооруженных тангенциальными поворотными резцами.
Несмотря на достаточно большую номенклатуру используемых в горном деле типов очистных комбайнов - не менее трех десятков конструкций, выпускаемых заводами различных государств, принципиально они отличаются незначительно. Основная часть установленной на комбайнах мощности приводов передается на разрушение углей через инструмент. В силу того, что одновременное непосредственное воздействие на забой от шнеков осуществляется через ограниченное количество резцов, последние оказываются высоконагружен-ными.
В связи с этим задача повышения прочности и износостойкости резцов, очистных шнековых комбайнов оказывается не просто актуальной, а одной из важнейших для угледобывающей отрасли. Исследования и рекомендации, направленные на совершенствование резцов угольных комбайнов, являются востребованными и могут способствовать целям повышения их производительности и уменьшения энергопотребления. Многое в обозначенном направлении уже достигнуто, однако возникающие новые задачи требуют изучения накопленных результатов по исследованию тангенциальных поворотных резцов и отыскания путей их дальнейшего совершенствования.
Благодаря использованию современных методов моделирования взаимодействия резцов с угольным массивом становится возможным решать задачи по обоснованию оптимальных геометрических форм и материалов как непосредственно режущих элементов, так и корпусов резцов в целом, прочности которых посвящается настоящее исследование.
Цель работы состоит в разработке рекомендаций по созданию высокопрочного рабочего инструмента очистных комбайнов на основании изучения процессов его взаимодействия с разрушаемой средой.
Идея работы состоит в повышении прочности конструкций тангенциальных поворотных резцов, в частности, за счет исключения концентраторов напряжений в теле твердосплавных вставок.
Задачи исследований:
определить основные параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) в твердосплавной вставке и головной части резца в соответствии с основными закономерностями процесса взаимодействия тангенциального поворотного резца с разрушаемым массивом;
обосновать критерии гарантированной прочности твердосплавной вставки и головной части резца и на их основе исследовать напряженно-деформированное состояние тангенциальных поворотных резцов с привлечением метода конечных элементов;
- на основе математического моделирования и физического эксперимента разработать рекомендации по совершенствованию конструкций тангенциальных поворотных резцов.
Научные положения, выносимые на защиту:
Применение безлезвийных твердосплавных вставок, в тангенциальных поворотных резцах, выполненных в виде эллипсоидов вращения, позволяет устранять в них концентраторы напряжений и обеспечивать деформации, не превосходящие упругих, что гарантирует их прочность.
Применение метода конечных элементов к исследованию напряженно-деформированного состояния тангенциального поворотного резца, позволяет на стадии проектирования исключать концентрации напряжений в опасных сечениях резцов.
Применение резцов новой конструкции (со вставкой в форме эллипсоида вращения), позволяет воздействовать на забой значительно большим усилием, обеспечивающим уменьшение энергоемкости процесса разрушения угля.
Научная новизна работы:
Установлены параметры напряженного состояния резцов с учетом их реальных форм и размеров на основании классических задач и методов теории упругости.
Обосновано применение в качестве твердосплавных вставок тангенциальных поворотных резцов тел вращения, в виде двухосного эллипсоида как гладкой поверхности 2-го порядка, не содержащей концентраторов напряжений.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами теоретических исследований, основанных на фундаментальных положениях механики деформированного твердого тела, теории упругости, строительной механики; корректностью сделанных допущений при построении расчетных моделей; представительным объемом экспериментальных данных, полученных в промышленных условиях; использованием современного компьютерного оборудования и программного обеспечения.
Методы исследований включают: анализ литературных источников, посвященных использованию тангенциальных поворотных резцов; аналитическое, численное и имитационное моделирование напряженного состояния тангенциального поворотного резца и угольного массива на основе методов строительной механики, теории упругости, сопротивления материалов; научное обобщение теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты позволяют рассчитывать рациональные параметры тангенциальных поворотных резцов при их конструировании в соответствии с горно-техническими и горно-геологическими условия использования.
Личный вклад автора заключается: в установлении влияния формы корпуса резца на напряженно-деформированное состояние тангенциальных поворотных резцов; в определении влияния формы твердосплавной вставки на разрушение массива; в проведении испытаний тангенциальных поворотных
резцов на шахтах Кузбасса, разработке конструкции тангенциального поворотного резца, обладающего повышенным ресурсом. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит формализация поставленных задач, обобщение и анализ результатов.
Реализация выводов и рекомендаций. Результаты исследований напряженно-деформированного состояния тангенциальных поворотных резцов представлены в «Рекомендациях к конструированию и изготовлению резцов», принятых к практическому использованию на предприятии ООО «Горный инструмент» г. Новокузнецк и использованы при разработке новых конструкций резцов защищенных патентам РФ.
Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение на международных научно-практических конференциях «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (Новокузнецк, 2001, 2005, 2007, 2008), «Наука. Промышленность. Оборона» (Новосибирск, 2007), «Уголь России и Майнинг» (Новокузнецк, 2008, 2009), «Неделя горняка» (Москва, 2008), «Современные техника и технологии» (Томск, 2009), «Актуальные проблемы механики и горного машиноведения, развития науки и интеграции ВУЗов» (Ош, Киргизия, 2009), «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2010» (Кемерово, 2010).
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 2 научных статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ; 11 публикаций в материалах Международных и Всероссийских конференций; 1 изобретение и 2 полезных модели.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста и включает в себя введение, пять глав, заключение и список литературы из 164 наименований, содержит 75 рисунков и 32 таблицы.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Дворникову Леониду Трофимовичу за чуткое руководство и помощь в осмыслении результатов при проведении исследований и написании диссертации.
