PL249039B1 - Sposób i urządzenie do porównawczej oceny odporności na złamanie kombajnowych noży styczno-obrotowych - Google Patents

Abstract

Sposób porównawczej oceny odporności na złamanie kombajnowych noży styczno-obrotowych polega na tym, że poddaje się jednoczesnemu obciążeniu zmienną siłą P dwa noże (1) i (2), proces prowadzi się w identycznych warunkach doprowadzając do złamania trzonków noży (1) i/lub (2), przy czym zlicza się liczbę cykli zmian standardowego obciążenia doprowadzającego do przełomu zmęczeniowego trzonków noży będącą miarą trwałości zmęczeniowej noży. Urządzenie do porównawczej oceny odporności na złamanie kombajnowych noży styczno-obrotowych charakteryzuje się tym, że składa się z podstawy (4) wyposażonej w kołek centrujący (10) z zamocowanymi uchwytami nożowymi (3), w których osadzone są noże (1) i (2), rolek (5) i (6) zamocowanych do belki obciążającej (7) poprzez podwieszki (12) oraz przegubu cylindrycznego (8) obciążających noże (1).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do porównawczej oceny odporności na złamanie kombajnowych noży styczno-obrotowych, mające zastosowanie w badaniach trwałości zmęczeniowej noży styczno-obrotowych stosowanych w kombajnach górniczych urabiających, zwłaszcza skały o wysokich parametrach wytrzymałościowych. Rozwiązanie przeznaczone jest do oceny przydatności różnych rozwiązań konstrukcyjnych noży styczno-obrotowych, do pracy pod dużym obciążeniem dynamicznym generowanym procesem urabiania skał w górnictwie, tunelownictwie i budownictwie inżynieryjnym.

Noże urabiające styczno-obrotowe stosowane są powszechnie do urabiania skał, węgla kamiennego i innych kopalin w górnictwie podziemnym i odkrywkowym. Stanowią wyposażenie organów roboczych maszyn górniczych stosowanych budownictwie tunelowym oraz tam, gdzie zachodzi potrzeba skrawania skał oraz innych materiałów o własnościach podobnych do skał (np. betonu), zwłaszcza o większej twardości. W toku eksploatacji noże te narażone są na duże, zmienne obciążenia skutkujące pękaniem zmęczeniowym ich trzonków. Pęknięty trzonek noża w sposób natychmiastowy eliminuje nóż z użycia, skutkuje przeciążaniem noży sąsiednich i wzrostem nadwyżek dynamicznych napędów maszyn urabiających. Przyczynia się do wzrostu energochłonności urabiania skał oraz spadku wydajności i przyśpieszonej degradacji maszyn urabiających, stąd dążenie do uzyskania możliwie najwyższej odporności noży na złamanie.

Z monografii K. Kotwica: „Zastosowanie wspomagania wodnego w procesie urabiania skał narzędziami górniczym i”, Wydawnictwo AGH, Kraków 2012, amerykańskiego opisu patentowego US5067775 oraz opisu ZA74592 znany jest sposób ekstensywnego wzrostu odporności noży na złamanie poprzez zwiększanie średnicy trzonka noża. Powyższe rozwiązania są jednak nieefektywne ze względu na wzrost średnicy trzonka, który powoduje znaczny wzrost oporów ruchu obrotowego noży wokół osi. Obroty są niezbędne dla uzyskiwania równomierności zużywania się ostrzy noży i efektu ich „samoostrzenia”. Znanych jest wiele rozwiązań konstrukcyjnych, materiałowych i technologicznych służących wzrostowi odporności trzonków noży styczno-obrotowych na złamanie.

Z polskich opisów patentowych PL235527, PL234775, PL236995, zgłoszenia P.436691 znane są sposoby zwiększenia trwałości zmęczeniowej noży styczno-obrotowych poprzez umacnianie ich trzonków w wyniku nagniatania naporowego, dynamicznego i/lub uzupełnionego obróbką cieplną, w wyniku nagrzewania indukcyjnego.

Z innego polskiego opisu patentowego PL243141 oraz zgłoszenia P.436692 znane są rozwiązania, w których na trzonek noża nałożona jest tuleja wzmacniająca.

Wobec mnogości rozwiązań konstrukcyjno-technologicznych noży styczno-obrotowych niezbędne jest dysponowanie miarodajną metodą oceny różnych rozwiązań w tym zakresie dla optymalnego doboru wariantu noży do konkretnych zastosowań.

Znane sposoby oceny odporności na złamanie trzonków noży polegają na analitycznych obliczeniach wspomaganych często komputerowym modelowaniem, np. z wykorzystaniem metody elementów skończonych (MES). Sposoby te nie pozwalają jednak na uzyskanie oczekiwanej miarodajności oceny z powodu konieczności stosowania wielu upraszczających założeń w analizie teoretycznej oraz pomijania trudno opisywalnych zjawisk fizycznych towarzyszących pracy noży w kontakcie z urabianym ośrodkiem skalnym. Istotne znaczenie mają również czynniki materiałowe i technologiczne, co do których brak jest znajomości w pełni miarodajnych wpływów na końcowy wynik analizy teoretycznej (numerycznej).

Z polskiego opisu patentowego PL239552 znane jest urządzenie do badania trwałości zmęczeniowej pojedynczych noży obrotowych kombajnów górniczych. Urządzenie zbudowane jest z uchwytu nożowego wyposażonego w tuleję, w której umieszczony jest badany nóż. W tylnej części uchwytu nożowego umieszczony jest napęd do wywołania ruchu obrotowego badanego noża. Za pomocą dociskacza nóż jest obciążany siłą zmienną z pulsatora. Nóż wykonuje ruch obrotowy wokół swojej osi za pomocą napędu składającego się z silnika napędowego, przekładni mechanicznej i wałka napędowego połączonego z przekładnią mechaniczną za pomocą sprzęgła cierno-podatnego. Niedogodnością rozwiązania jest możliwość badania w danych warunkach i czasie jedynie pojedynczego noża, co skutkuje brakiem możliwości prowadzenia badań porównawczych trwałości noży o różnej konstrukcji w tych samych warunkach i czasie.

Testowanie różnych wariantów konstrukcyjnych, materiałowych i technologicznych w warunkach eksploatacyjnych noży, poprzez ich montowanie bezpośrednio w organach roboczych maszyn urabiających, jest bardzo kosztowne, kłopotliwe, mogące istotnie zakłócać przebieg procesu technologicznego prowadząc do niemożności uzyskania założonych wskaźników produkcyjnych. Nie spełnia koniecznego warunku pełnej miarodajności i obiektywizmu, gdyż w trakcie testów nie można zagwarantować całkowicie jednakowych warunków pracy ocenianych noży w toku silnie zmiennych czynników eksploatacyjnych, a zwłaszcza własności mechanicznych urabianych skał.

Wybór najkorzystniejszego wariantu noży dla określonych zastosowań ma duże znaczenie techniczne i ekonomiczne wobec dużej liczności i kosztów używanych noży wyposażonych w ostrza ze specjalnych super twardych materiałów, najczęściej węglików wolframu w osnowie kobaltowej o specjalnym składzie chemicznym i technologii spiekania.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie nowego; innowacyjnego sposobu bezpośredniej porównawczej oceny noży styczno-obrotowych pod kątem ich odporności na złamanie, w warunkach zapewniających możliwie identyczną sytuację ocenianych noży pod kątem przebiegu testowych obciążeń zmęczeniowych i innych warunków oceny oraz urządzenia przeznaczonego do tego celu. W literaturze patentowej i niepatentowej brak jest rozwiązań tego rodzaju.

Cel ten osiągnięto poprzez bezpośrednie, jednoczesne porównanie trwałości zmęczeniowej dwóch ocenianych rozwiązań konstrukcyjno-technologicznych noży styczno-obrotowych w warunkach pełnej identyczności przebiegu obciążeń zmiennych działających na oceniane noże.

Urządzenie do porównawczej oceny odporności na złamanie kombajnowych noży styczno-obrotowych charakteryzuje się tym, że składa się z podstawy wyposażonej w kołek centrujący z zamocowanymi uchwytami nożowymi, w których osadzone są dwa noże, rolki zamocowane do belki obciążającej poprzez podwieszki oraz przegub cylindryczny obciążający noże.

Korzystnie w urządzeniu według wynalazku belka obciążająca wyposażona jest w zawieszenie łańcuchowe.

Sposób porównawczej oceny odporności na złamanie kombajnowych noży styczno-obrotowych polega na tym, że dwa noże umieszczone w uchwytach nożowych urządzenia określonego powyżej poddaje się jednoczesnemu obciążeniu zmienną siłą P o zadanej amplitudzie i częstotliwości, proces prowadzi się do wystąpienia zmęczeniowego pęknięcia trzonka jednego z badanych noży, po czym rejestruje się liczbę cykli zmian obciążenia do wystąpienia pęknięcia rejestrowanego jako wielkość charakteryzująca trwałość zmęczeniową badanego noża.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania objaśniono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia ogólny widok urządzenia podczas wykonywania oceny, Fig. 2 przedstawia widok z boku urządzenia oraz widok szczegółów konstrukcyjnych.

Podlegające ocenie porównawczej dwa różne warianty noży 1 i 2 umieszczone są w typowych uchwytach nożowych 3 mocowanych spawaniem do podstawy 4 (Fig. 1). Przykładowo jako nóż 1 na Fig. 1 pokazano nóż z trzonkiem wzmocnionym tuleją wzmacniającą 1a, nóż 2 ma konstrukcję konwencjonalną (nie posiada wzmocnienia). Zmienne obciążenie P na oceniane noże przykładane jest do części roboczej noży poprzez stalowe rolki 5 i 6, na których opiera się równoramienna belka obciążająca 7 o długości ramion I. Belka obciążająca 7 obciążona jest poprzez przegub cylindryczny 8 zdwojoną siłą P w sposób zapewniający całkowitą identyczność przebiegu obciążenia ocenianych noży, tak pod kątem amplitudy siły jak i częstotliwości. Obciążenie 2P realizowane może być przez typową maszynę wytrzymałościową wyposażoną w pulsator hydrauliczny, w wyniku umieszczenia urządzenia na stole 9 maszyny wytrzymałościowej. Współśrodkowość położenia urządzenia zapewnia kołek centrujący 10.

Ocena obu wariantów noży polega na jednoczesnym obciążaniu ich odpowiednio dobraną siłą o charakterze udarowo-tętniącym z doprowadzeniem do zmęczeniowego pęknięcia trzonka jednego z dwu badanych noży. Pęknięcie zmęczeniowe jednego z trzonków ocenianych noży wywołuje impuls chwilowego spadku siły obciążającej wskutek nagłego wychylenia się belki obciążającej w stronę złamanego noża. Powoduje to wyłączenie pulsatora z zarejestrowaniem doznanej liczby cykli zmian obciążenia noży. Liczba cykli obciążenia przeniesiona do chwili pęknięcia jest miarą trwałości zmęczeniowej ocenianego noża. Złamany nóż jest wyjmowany z uchwytu i na jego miejsce wkładany jest kolejny nóż przeznaczony do oceny. Obciążenie zmienne przykładane jest ponownie jak uprzednio, przy czym liczbę cykli zmian obciążenia dla noża, który nie uległ złamaniu sumowana jest narastająco, zaś dla nowego noża z zliczana jest ona od zera.

Dla zabezpieczenia belki obciążającej 7 z rolkami 5 i 6 przed upadkiem przy złamaniu noża i dla ułatwienia ponownego zestawienia układu obciążającego wykorzystane jest luźne zawieszenie np. łańcuchowe 11 i luźne podwieszki 12 rolek 5 i 6 (fig. 2).

Powtarzając opisaną procedurę badań dla kolejnych wariantów wykonawczych noży metodą analogiczną do sportowych „rozgrywek pucharowych” wyłoniony zostaje wariant noży o najwyższej trwałości zmęczeniowej. Jest to ten wariant wykonawczy noży, który przeniesie największą liczbę cykli zmiana obciążenia do pęknięcia trzonka. Wobec istnienia naturalnego rozrzutu własności badanych obiektów technicznych ocenę należy powtórzyć tak, aby uzyskać dostatecznie liczną populację jednorodnych wariantów noży niezbędną do wykonania opracowania statystycznego uzyskanych wyników trwałości zmęczeniowej ocenianych wariantów noży styczno-obrotowych na wymaganym poziomie ufności.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość dokonania wyboru najkorzystniejszego wariantu konstrukcyjnego, materiałowego czy technologicznego noży przeznaczonych dla określonego zakresu zastosowań, wyznaczenie pełnej charakterystyki różnych wariantów noży styczno-obrotowych pod kątem ich własności zmęczeniowych uzyskiwanej w pełni porównywalnych warunkach oceny. Jednoczesne badanie dwóch noży służy wydatnemu skróceniu czasu badań i ich pracochłonności, a uzyskiwane wyniki cechuje się wysokim stopniem miarodajności. Pozwala to na racjonalną gospodarkę nożami zwłaszcza, gdy używane są liczne serie noży w zmiennych warunkach eksploatacji o lokalnie zróżnicowanej urabialności skał.

Urządzenie według wynalazku może być użyte też dla potrzeb oceny serii jednorodnych noży, co pozwala na wydatne skrócenie czasu badań przy wysokiej miarodajności wyników. W toku wykonywania oceny w sposób i z użyciem urządzenia według wynalazku możliwe jest opracowanie swoistego rankingu różnych wariantów noży styczno-obrotowych pod względem ich odporności na złamanie. Umożliwia to uzyskanie dużych efektów technicznych i ekonomicznych w technice urabiania skał przez dobór optymalnego wariantu noży dla konkretnych zastosowań eksploatacyjnych.

Claims (3)

1. Urządzenie do porównawczej oceny odporności na złamanie kombajnowych noży styczno-obrotowych znamienne tym, że składa się z podstawy (4) wyposażonej w kołek centrujący (10) z zamocowanymi uchwytami nożowymi (3), w których osadzone są noże (1) i (2), rolek (5) i (6) zamocowanych do belki obciążającej (7) poprzez podwieszki (12) oraz przegubu cylindrycznego (8) obciążających noże (1) i (2).

2. Urządzenie według zastrz. 1 znamienne tym, że belka obciążająca (7) wyposażona jest w zawieszenie łańcuchowe (11).

3. Sposób porównawczej oceny odporności na złamanie kombajnowych noży styczno-obrotowych znamienny tym, że dwa noże (1) i (2) umieszczone w uchwytach nożowych urządzenia według zastrz. 1 poddaje się jednoczesnemu obciążeniu zmienną siłą P o zadanej amplitudzie i częstotliwości, proces prowadzi się do wystąpienia zmęczeniowego pęknięcia trzonka jednego z badanych noży (1) i/lub (2), po czym rejestruje się liczbę cykli zmian obciążenia do wystąpienia pęknięcia rejestrowanego jako wielkość charakteryzująca trwałość zmęczeniową badanego noża.