PL245108B1 - Sposób wzmacniania przeciwzmęczeniowego trzonków noży styczno-obrotowych kombajnów górniczych - Google Patents

Abstract

Sposób wzmacniania przeciwzmęczeniowego trzonków noży styczno-obrotowych kombajnów górniczych polega na tym, że po ukształtowaniu trzonków noży wykonuje się nagniatanie naporowe powierzchni części chwytowej trzonków noży w stanie zmiękczonym, po czym wykonuje się obróbkę cieplną, poprzez nagrzewanie indukcyjne prądami wysokiej częstotliwości w przedziale od 50 kHz do 3 MHz, następnie nagniata się powierzchnię części chwytowej trzonków noży oraz strefy promienia przejściowego w kołnierz oporowy metodą dynamiczną, poprzez dynamiczne oddziaływanie elementów nagniatających o kulistym kształcie powierzchni roboczej.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wzmacniania przeciwzmęczeniowego trzonków noży styczno-obrotowych kombajnów górniczych, stosowanych do drążenia wyrobisk korytarzowych w kopalniach podziemnych, drążenia tuneli, wykonywania innych budowli podziemnych metodami bezwykopowymi, a także do renowacji nawierzchni dróg.

Sposób według wynalazku dedykowany jest zwłaszcza dla noży styczno-obrotowych stosowanych do skrawania skał trudno urabialnych oraz innych materiałów, takich jak beton, któremu towarzyszą bardzo duże obciążenia dynamiczne, często o udarowym charakterze powodujące przedwczesne zniszczenie noży w wyniku zmęczeniowego pękania ich trzonków. Noże tracą natychmiastowo zdolność urabiania, rosną obciążenia noży sąsiednich rozmieszczonych na organach roboczych maszyn urabiających, wzrasta energochłonność urabiania i intensywność generowania pyłu.

Dotychczas znane sposoby wzmacniania trzonków noży polegały na ekstensywnym zwiększaniu średnicy trzonka lub stosowaniu trzonków o stopniowanym przekroju poprzecznym. Rozwiązania takie znane są przykładowo z opisów patentowych: ZA74592, czy US5067775. Powoduje to wzrost ramienia sił tarcia przeciwstawiających się obrotowi noży, przez co ulega ograniczeniu lub utracie główna zaleta noży styczno-obrotowych polegająca na zdolności do sukcesywnego ich obracania się wokół osi podłużnej dla zapewnienia równomierności zużycia ostrzy.

Z chińskich opisów patentowych CN101323944, CN103898286, czy CN101191230 znane są sposoby polegające na stosowaniu nawęglania lub węgloazotowania trzonków noży. Zabiegi te są jednak kosztowne, pracochłonne i przynoszą ograniczone efekty użytkowe.

Z polskiego opisu patentowego PL235527 znany jest sposób umacniania trzonków noży styczno-obrotowych poprzez nagniatanie naporowe przy użyciu trójrolkowego przyrządu, który pozwala na uzyskanie poprawy trwałości zmęczeniowej, która może być niewystarczająca dla noży urabiających szczególnie twarde skały. Podobne ograniczenia efektów mają miejsce przy wykorzystaniu obróbki zgniotem metodą dynamiczną, które zostały przedstawione w polskim zgłoszeniu patentowym oznaczonym numerem P.423101. Ograniczenia te wynikają z obróbki zgniotem, która przeprowadzana jest na trzonkach noży obrobionych cieplnie, a więc o znacznej twardości. Efekt umocnienia zgniotowego uzyskiwany jest na niewielką głębokość, tak że umacniana cienka warstwa w warunkach zwiększonego oddziaływania korozyjnego i zużycia ściern o-erozyjnego, niwelowana jest w toku eksploatacji.

Celem wynalazku jest uzyskanie większej głębokości umacniania zgniotem powierzchniowym i wyższej wartości naprężeń własnych ściskających, w ramach przeciwzmęczeniowej obróbki trzonków noży stosowanych w kombajnach górniczych oraz innych maszynach urabiających przeznaczonych do urabiania skał, betonu, asfaltu, itp. materiałów, skutkujących wydatną poprawą trwałości tego rodzaju noży, zwłaszcza w zakresie odporności ich trzonków na złamanie zmęczeniowe, poddawanych działaniu silnych obciążeń dynamicznych.

Cel ten został osiągnięty w wyniku przeprowadzenia obróbki nagniataniem w dwóch oddzielnych operacjach przy użyciu dwóch różnych urządzeń obróbczych, na różnym etapie wytwarzania trzonków noży.

Sposób wzmacniania przeciwzmęczeniowego trzonków noży styczno-obrotowych kombajnów górniczych polega na tym, że po ukształtowaniu trzonków noży wykonuje się nagniatanie naporowe powierzchni części chwytowej trzonków noży w stanie zmiękczonym, po czym wykonuje się obróbkę cieplną, poprzez nagrzewanie indukcyjne prądami wysokiej częstotliwości w przedziale od 50 kHz do 3 MHz, następnie nagniata się powierzchnię części chwytowej trzonków noży oraz strefy promienia przejściowego w kołnierz oporowy metodą dynamiczną, poprzez dynamiczne oddziaływanie elementów nagniatających o kulistym kształcie powierzchni roboczej.

Sposób wzmacniania przeciwzmęczeniowego trzonków noży według wynalazku polega na kombinowanej, dwuetapowej obróbce zgniotem powierzchniowym newralgicznych części trzonków noży. Pierwszy etap obróbki zgniotem powierzchniowym wykonywany jest, gdy twardość materiału trzonka noża jest najniższa, wykorzystując to, że do ukształtowania trzonków noży np. w wyniku obróbki skrawaniem, stosuje się stalowe pręty w zwiększonym stanie normalizowanym lub po specjalnym wygrzewaniu zmiękczającym. Bezpośrednio po ukształtowaniu trzonków noży wykonuje się nagniatanie, korzystnie naporowe, rolkami profilowymi równomiernie rozłożonymi na obwodzie umacnianych przekrojów trzonka noża. Nagniataniu podlega część cylindryczna trzonka noża i strefa promienia przejściowego w kołnierz oporowy noża. Obniżona twardość materiału trzonka noża w tym stanie pozwala uzyskać dużą głębokość zgniotu powierzchniowego. Zgniot powierzchniowy na tym etapie służy dużemu rozdrobnieniu struktury stali, zwiększeniu gęstości dyslokacji krawędziowych i śrubowych w sieci krystalicznej materiału. Powierzchniowe wtrącenia niemetaliczne, głównie siarczkowe i krzemianowe zostają w dużej części wykruszone, a wtrącenia podpowierzchniowe ulegają spłaszczeniu i rozdrobnieniu, przez co stają się mniej szkodliwe jako ogniska zmęczeniowe. Formowane są też naprężenia własne ściskające zalegające w warstwie prz ypowierzchniowej o większej grubości i bezpośrednio pod nią. Po pierwszym etapie nagniatania wykonuje się obróbkę cieplną trzonków noży w postaci hartowania i ewentualnego odpuszczania. Nagrzewanie trzonków noży do hartowania korzystnie jest wykonać metodą indukcyjną prądami o zwiększonej częstotliwości. Duża częstotliwość prądu hartowania powierzchniowego indukcyjnego powoduje zachowanie rdzenia przekroju trzonka w stanie o zwiększonej plastyczności. Ma to duże znaczenie dla polepszenia odporności tak obrobionych trzonków noży na udarowy charakter pracy. Zwiększona w ten sposób zostaje odporność trzonków noży na kruche pękanie. Struktury uzyskane po hartowaniu powierzchniowym mają zwiększoną objętość właściwą, co powoduje wzmocnienie naprężeń własnych ściskających wywołanych wcześniejszym nagniataniem. Zagrzewanie trzonków noży do hartowania, niezależnie od metody powoduje, że ma miejsce częściowe zmniejszenie korzystnych efektów nagniatania wykonanego w pierwszym etapie obróbki. Związane jest to z częściową rekrystalizacją odkształconych plastycznie struktur stali. Zwiększona prędkość nagrzewania metodą indukcyjną ogranicza jednak te niekorzystne zmiany. Pożądane jest wykonanie drugiego etapu obróbki nagniataniem warstwy zewnętrznej trzonków noży po jej utw ardzeniu hartowaniem.

W drugim etapie obróbki zgniotem powierzchniowym, korzystnym jest zastosowanie metody dynamicznego oddziaływania elementów nagniatających o kulistym kształcie powierzchni roboczej. Z powodu zwiększonej hartowaniem twardości trzonków noży głębokość zgniotu w drugim etapie obróbki będzie mniejsza, niż w etapie pierwszym. W wyniku dynamicznego nagniatania warstwy zahartowanej następuje przemiana austenitu szczątkowego zachowanego po hartowaniu w struktury o wyższych własnościach mechanicznych. Podczas nagniatania, zwłaszcza w drugim etapie obróbki należy zapewnić skuteczne chłodzenie powietrzem lub natryskiem emulsji olejowo-wodnej, co dodatkowo służy polepszeniu jakości powierzchni i zmniejszeniu zużycia. W wyniku drugiego etapu nagniatania następuje dodatkowy wzrost twardości warstwy wierzchniej oraz wzmocnienie uformowanych wcześniej naprężeń ściskających. W wyniku działania kulistych zakończeń elementów umacniających uzyskuje się korzystny relief powierzchni trzonków noży w postaci płyt kich, zachodzących na siebie mikroodcisków plastycznych, co ma znaczenie dla polepszenia własności użytkowych trzonków noży. Obwodowa kierunkowość chropowatości powierzchni powstająca podczas obróbki toczeniem oraz nagniataniem naporowym w pierwszym etapie zostaje zmieniona na bezkierunkowy układ mikrochropowatości, korzystniejszy ze względów odporności na zarodkowanie pęknięć zmęczeniowych. Kuliste mikroodciski stanowią rodzaj kieszeni smarnych ułatwiających przyczepność czynników smarujących w postaci np. wody używanej do zraszania strefy urabiania. Ułatwione jest też usuwanie zanieczyszczeń pyłowych dostających się w strefę osadzenia trzonków noży w uchwytach nożowych organów roboczych maszyn urabiających. Proces dynamicznego nagniatania w drugim etapie obróbki eliminuje szkodliwy wpływ odwęglenia powierzchniowego stalowych trzonków, jakie ma miejsce w wyniku hartowania, niezależnie od sposobu nagrzewania.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest zwiększenie trwałości zmęczeniowej trzonków noży na skutek uformowanych wyższych naprężeń własnych ściskających i większej głębokości umocnienia zgniotowego. Większa grubość warstwy umocnionej zwiększa odporność na zużycie ścierno-erozyjne trzonków noży styczno-obrotowych. Zwiększona odporność na niszczące procesy degradujące własności noży umożliwia uzyskanie dużych efektów technicznych, ekonomicznych i służy polepszeniu bezpieczeństwa użytkowania noży podczas urabiania, zwłaszcza skał twardych lub innych materiałów o własnościach zbliżonych do skał.

Claims (1)

1. Sposób wzmacniania przeciwzmęczeniowego trzonków noży styczno-obrotowych kombajnów górniczych, znamienny tym, że po ukształtowaniu trzonków noży wykonuje się nagniatanie naporowe powierzchni części chwytowej trzonków noży w stanie zmiękczonym, po czym wykonuje się obróbkę cieplną, poprzez nagrzewanie indukcyjne prądami wysokiej częstotliwości w przedziale od 50 kHz do 3 MHz, następnie nagniata się powierzchnię części chwytowej trzonków noży oraz strefy promienia przejściowego w kołnierz oporowy metodą dynamiczną, poprzez dynamiczne oddziaływanie elementów nagniatających o kulistym kształcie powierzchni roboczej.