PL248778B1 - Styczno-obrotowy nóż kombajnowy o zwiększonej odporności na złamanie oraz sposób zwiększenia odporności noża na złamanie - Google Patents

Abstract

Styczno-obrotowy nóż kombajnowy wyposażony w tuleję wzmacniającą osadzoną na trzonku noża oraz nakrętkę nakręconą na tylny jego koniec charakteryzuje się tym, że tuleja wzmacniająca (2) na dolnym odcinku o długości l w zakresie od 15% do 30% całkowitej jej długości L osadzona jest na trzonku noża (1) z pasowaniem wtłaczanym, natomiast na pozostałej części osadzona jest na trzonku noża (1) z pasowaniem suwliwym. Sposób zwiększenia odporności styczno-obrotowego noża kombajnowego na złamanie polega na tym, że tuleję wzmacniającą (2) hartuje się indukcyjnie za pomocą przemieszczającego się wzdłuż niej induktora (5) wraz z przewodem chłodzącym (8) i osłoną (6) od dolnego końca tulei wzmacniającej (2) do jej kołnierza, przy czym na układ: tuleja wzmacniająca (2) — trzonek noża (1) posadowiony na pierścieniu (7) wywierany jest wzdłużny nacisk siłą P₂ za pomocą stempla (3), zaś po schłodzeniu na gwintowaną część trzonka noża (1) nakładana jest nakrętka zabezpieczona zgrzeiną lub spoiną punktową, utrwalająca stan naprężeń własnych ściskających σ_c w tulei wzmacniającej (2).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest styczno-obrotowy nóż kombajnowy o zwiększonej odporności na złamanie oraz sposób zwiększenia odporności noża na złamanie, przeznaczony dla organów roboczych maszyn urabiających stosowanych w górnictwie i robotach tunelowych, predestynowany do skrawania zwłaszcza skał o większej twardości, któremu towarzyszą duże obciążenia dynamiczne noży urabiających. W tych warunkach noże narażone są na przyspieszone niszczenie w wyniku zużycia ściernego i oddziaływania dużych obciążeń zmiennych obrotowo-wahadłowych prowadzących do zmęczeniowego złamania trzonków noży. Cykl obrotowo-wahadłowy zmian obciążenia trzonków noży wynika stąd, że noże w trakcie pracy sukcesywnie obracają się wokół swoich osi wskutek odpowiedniego usytuowania ich na organach urabiających/głowicach urabiających. Składowa siły oporu skrawania powoduje powstanie momentu obrotowego wywołującego obroty noży. Zmęczeniowe złamania trzonków noży są przyczyną wycofywania z eksploatacji nawet w 36% przyczyn uszkodzeń krytycznych noży. Pęknięcia trzonków noży styczno-obrotowych tak quasistatyczne, jak i zmęczeniowe skutkują utratą zdolności skrawania, niezależnie od stanu ostrzy noży. Złamania trzonków powodują natychmiastowe zwiększenie obciążeń noży sąsiednich, wzrost drgań i zwiększenie energochłonności urabiania skał, a w przypadku nie zastąpienia ich nowymi prowadzą do uszkodzeń uchwytów nożowych. Istnieje potrzeba poszukiwania rozwiązań, które umożliwiłyby zwiększenie odporności trzonków noży styczno-obrotowych na złamanie.

Dotychczas znane są sposoby zwiększania odporności na złamanie trzonków noży styczno-obrotowych opisane np. w monografii: Kotwica K. „Zastosowanie wspomagania wodnego w procesie urabiania skał narzędziami górniczymi’, Wydawnictwo AGH, Kraków 2012, polegające na ekstensywnym zwiększaniu średnicy trzonków w krytycznych przekrojach, znane z opisów patentowych ZA74592 czy US5067775. Niedogodnością powyższych rozwiązań jest wzrost średnicy trzonków noży w efekcie czego wzrasta ramię momentu oporu obrotu noży, co skutkuje gwałtownym wzrostem udziału zniszczeń ostrzy noży z powodu asymetrycznego zużywania się, gdyż upośledzeniu ulega mechanizm obracania noży.

Znany jest sposób zwiększenia odporności trzonków noży na złamania przedstawiony w pracy: Jonak J. „Urabianie skał głowicami wielonarzędziowymi”, Wydawnictwo Naukowe „Śląsk”, Katowice 2002, który polega na zastosowaniu hartowania powierzchniowego trzonków noży. Uzyskiwane w ten sposób efekty są ograniczone, gdyż w strefie przejścia części chwytowej trzonków noży w kołnierz oporowy i część roboczą noża stanowiącą oprawę ostrzy, tworzy się karb strukturalny powodowany dużą zmianą przekrojów. W tej strefie występuje najczęściej pękanie zmęczeniowe trzonków noży.

Z polskich opisów patentowych PL139508 i PL150864 znane są sposoby wykorzystujące umacnianie trzonków noży poprzez zgniot powierzchniowy uzyskiwany np. śrutowaniem, który nie daje znaczących efektów polepszenia odporności na pękanie zmęczeniowe, zwłaszcza gdy noże pracują w warunkach silnych oddziaływań korozyjnych i zużycia ściernego od pyłu pochodzącego z twardych urabianych skał. Niewielka grubość warstwy umocnionej zgniotem dość szybko zostaje wyeliminowana przez korozję i zużycie ścierne.

Z polskiego opisu patentowego PL235527 znane są większe grubości warstwy umocnionej uzyskiwane przez nagniatanie naporowe, czy też nagniatanie dynamiczne znane z innych polskich opisów patentowych PL234775 i PL236995. Rozwiązania te nie umożliwiają uzyskiwania dostatecznie dużych efektów w warunkach bardzo intensywnych oddziaływań eksploatacyjnych, na jakie narażone są noże styczno-obrotowe przy urabianiu skał o dużej twardości.

Niektóre typy uchwytów nożowych stosowanych na organach roboczych kombajnów górniczych, znane z opisów patentowych: US2011163591, US2011241407, WO2005005779,

WO2010014327, CN102124186, AU2016246137, GB2453429, wyposażone są w tuleje nożowe, w których umieszczone są noże styczno-obrotowe, które służą do wzrostu odporności na zużycie ścierne gniazd w uchwytach nożowych, natomiast nie chronią noży przed złamaniem wywołanym działaniem dużego, zmiennego momentu zginającego, gdyż noże osadzone są w nich luźno.

Z polskiego zgłoszenia patentowego P.406243 znane jest rozwiązanie, w którym tuleja osadzona jest w gnieździe stożkowym uchwytu nożowego na wcisk. Powyższe rozwiązanie umożliwia wymianę tulei po jej zużyciu, przez co możliwe jest zwiększenie trwałości uchwytów nożowych, nie zapewnia jednak poprawy trwałości noży.

Z innego polskiego zgłoszenia patentowego P.436692 znane jest rozwiązanie noża charakteryzuje się tym, że na trzonek noża nałożona jest z wciskiem tuleja połączona z nożem za pomocą samohamownego połączenia stożkowego, która nie zapewnia korzystnego rozkładu naprężeń w trzonku noża poddawanego działaniu dużych zmiennych obciążeń podczas urabiania, a jedynie zwiększa jego przekrój poprzeczny.

Ponadto z polskiego opisu zgłoszeniowego oznaczonego numerem P.437348 znane jest rozwiązanie noża styczno-obrotowego wyposażonego w cienkościenną tuleję wzmacniającą napinaną wstępnie za pomocą nakrętki nakręconej na tylny koniec trzonka noża. Tuleja wykonana jest ze stali cechującej się zwiększoną odpornością na zużycie ścierno-erozyjne. Dzięki napięciu wstępnemu tulei wzmacniającej wywołane są w niej korzystne naprężenia ściskające poprawiające stan naprężeń noża podczas urabiania. Rozwiązanie stwarza możliwość zastosowania większego, w porównaniu do tradycyjnych noży znanych ze stanu techniki, promienia przejściowego części chwytowej trzonka noża w kołnierz oporowy, co jest korzystne ze względu na redukcję spiętrzenia naprężeń w tej części trzonka noża. Niedogodnością rozwiązania jest ograniczona możliwość poprawy trwałości eksploatacyjnej noży, co ujawnia się w przypadku szczególnie dużych obciążeń dynamicznych działających na noże podczas urabiania skał bardzo twardych. Dodatkowo, wywołanie wymaganego napięcia wstępnego tulei wymaga użycia dużego momentu dokręcenia nakrętki, co jest zabiegiem trudnym do realizacji.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest potrzeba uzyskania większej grubości warstwy umacniającej o większej odporności na procesy ścierno-korozyjne w stosunku do rozwiązań znanych ze stanu techniki.

Cel ten osiągnięto poprzez wyposażenie trzonków noży styczno-obrotowych w cienkościenne zewnętrzne tuleje wzmacniające, w których w wyniku specjalnego sposobu obróbki cieplnej wytwarzany jest stan stałych naprężeń własnych ściskających, korzystnie zmieniających stan naprężeń od obciążeń eksploatacyjnych. W tym celu wykorzystano zjawisko wzrostu objętości właściwej struktury stali uzyskiwane w procesie hartowania trzonków noży.

Styczno-obrotowy nóż kombajnowy według wynalazku charakteryzuje się tym, że tuleja wzmacniająca na dolnym odcinku o długości l w zakresie od 15% do 30% całkowitej jej długości L osadzona jest na trzonku noża z pasowaniem wtłaczanym, natomiast na pozostałej części osadzona jest na trzonku noża (1) z pasowaniem suwliwym.

Korzystnie styczno-obrotowy nóż kombajnowy według wynalazku ma tuleję wzmacniającą, która ma grubość ścianki w granicach od 5% do 10% średnicy trzonka noża.

Sposób zwiększenia odporności styczno-obrotowego noża kombajnowego na złamanie według wynalazku polega na tym, że tuleję wzmacniającą hartuje się indukcyjnie za pomocą przemieszczającego się wzdłuż niej induktora wraz z przewodem chłodzącym i osłoną od dolnego końca tulei wzmacniającej do jej kołnierza, przy czym na układ: tuleja wzmacniająca - trzonek noża posadowiony na pierścieniu wywierany jest wzdłużny nacisk siłą P2 za pomocą stempla, zaś po schłodzeniu na gwintowaną część trzonka noża nakładana jest nakrętka zabezpieczona zgrzeiną lub spoiną punktową, utrwalająca stan naprężeń własnych ściskających σο w tulei wzmacniającej (2).

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiono na rysunkach, na których Fig. 1 przedstawia części składowe wzmacnianego noża przed wykonaniem zabiegów prowadzących do końcowego efektu umocnienia trzonków noży, Fig. 2 przedstawia nóż styczno-obrotowy wtłaczany w tuleję wzmacniającą ze strefowym pasowaniem, Fig. 3 przedstawia zabieg hartowania tulei wzmacniającej metodą indukcyjną z przemieszczaniem się generatora wraz z natryskiem cieczy hartowniczej wzdłuż tulei, zaś Fig. 4 przedstawia gotowy nóż styczno-obrotowy wyposażony dodatkowo w nakrętkę blokującą ze schematycznym rozkładem naprężeń własnych w tulei wzmacniającej oraz w trzonku noża.

Elementy składowe noża w postaci trzonka noża 1 i tulei wzmacniającej 2 przygotowane są w sposób umożliwiający pasowanie obu elementów według zasady stałego wałka. Trzonek noża 1 na całej swej długości wykonany jest tak, aby z tuleją wzmacniającą 2 uzyskać zmienny po długości rodzaj pasowania. Przykładowo pole tolerancji średnicy trzonka noża 1 jest jako h6. Tuleja wzmacniająca 2 na odcinku dolnym o długości l wykonana jest z pasowaniem wtłaczanym - jej średnica wewnętrza wykonana jest przykładowo w polu tolerancji P8. Na pozostałej swej długości pasowanie tulei wzmacniającej 2 ma charakter suwliwy, tj. średnica wewnętrzna wykonana jest w polu tolerancji np. H7. Odcinek l obejmuje od 15% do 30% całkowitej długości L tulei wzmacniającej 2.

Fig. 2 przedstawia wprasowywanie trzonka noża 1 do tak przygotowanej tulei wzmacniającej 2. Tuleja wzmacniająca 2 posadowiona jest w gnieździe podstawy 4. Siła końcowa nacisku Pi wywoływanego za pomocą stempla 3 prasy hydraulicznej powoduje mocne zetknięcie się kołnierza 2a tulei wzmacniającej 2 z kołnierzem oporowym 1a trzonka noża 1. Tak przygotowany zespół jest następnie poddawany indukcyjnemu hartowaniu tulei wzmacniającej 2 za pomocą induktora 5 przemieszczają cego się wzdłuż tulei wzmacniającej 2, poczynając od dolnej jej części w górę. Nagrzana indukcyjnie tuleja wzmacniająca 2 jest hartowana natryskiem cieczy hartowniczej z obwodowego przewodu chłodzącego 8 poruszającego się wraz z induktorem 5. Induktor 5 od przewodu chłodzącego 8 oddzielony jest osłoną 6 przemieszczającą się wraz z induktorem 5 i przewodem chłodzącym 8, aż do kołnierza 2a tulei wzmacniającej 2. Ciecz hartownicza po schłodzeniu tulei wzmacniającej 2 spływa do wanny 9. Przez cały okres hartowania na układ: trzonek noża 1 - tuleja wzmacniająca 2 wywierany jest wzdłużny nacisk siłą P2 o zbliżonej wielkości do siły Pi. W czasie tak prowadzonego zabiegu hartowania w tulei wzmacniającej 2 formują się naprężenia własne ściskające. Dzieje się to dzięki temu, że struktura stali po hartowaniu ma większą objętość właściwą w stosunku do struktury wyjściowej. Obrazowo mówiąc, tuleja „puchnie” zwiększając trwale również swoją wyjściową długość. Ponieważ na odcinku l tulei wzmacniającej 2 występuje pasowanie wtłaczane, wzrost długości tulei wzmacniającej 2 skutkuje wystąpieniem w niej stałych naprężeń własnych ściskających, gdyż od góry tuleja wzmacniająca 2 opiera się kołnierzem 2a o kołnierz oporowy 1a noża, a od dołu przemieszczanie się tulei wzmacniającej 2 blokują siły tarcia połączenia wtłaczanego. Dodatkowo stałe działanie siły P2 powoduje, że pierścień 7 uniemożliwia przemieszczanie się tulei wzmacniającej 2 w dół zwłaszcza w czasie, gdy nagrzewaniu do hartowania poddawany jest odcinek l tulei wzmacniającej 2. Po wystygnięciu elementów dodatkowo na gwintowaną część trzonka noża 1 nakręcana jest nakrętka 10 utrwalająca zaistniały stan naprężeń własnych ściskających w tulei wzmacniającej 2. Nie wymaga to użycia zbyt dużego momentu dokręcenia, gdyż tuleja wzmacniająca 2 bezpośrednio po zabiegu hartowania utrzymywana jest na trzonku noża 1 w stanie napięcia wstępnego siłami tarcia oraz docisku do powierzchni trzonka noża 1, wynikającego z zastosowanego w jej dolnym odcinku pasowania wtłaczanego. Nakrętka 10 przed luzowaniem się w toku pracy, np. w wyniku występujących drgań, zabezpieczona jest zgrzeiną lub spoiną punktową 10a.

Opisany całokształt zabiegów powoduje, że w krytycznej strefie trzonka noża 1, zwłaszcza w strefie przejścia części chwytowej 1b trzonka noża 1 w kołnierz oporowy 1a i dalej część roboczą 1c uformowany zostaje trwały stan stałych naprężeń ściskających w tulei wzmacniającej 2. Schematycznie przedstawia to rozkład naprężeń w przekroju poprzecznym „X” zilustrowany na Fig. 4. Naprężeniom ściskającym σο w tulei wzmacniającej 2 towarzyszą równoważące naprężenia rozciągające σ· w trzonku noża 1. Wielokrotnie większy przekrój poprzeczny trzonka noża powoduje, że naprężenia rozciągające σ· w trzonku noża 1 są wielokrotnie mniejsze od naprężeń własnych σο w tulei wzmacniającej 2. Ponadto występują one w tej części łącznego przekroju trzonka noża 1 i tulei wzmacniającej 2, gdzie robocze naprężenia od zginania trzonka noża 1 są zdecydowanie mniejsze. Stąd też naprężenia rozciągające w trzonku noża 1 nie mają istotnego znaczenia dla wypadkowej wytrzymałości noża.

Obciążenie robocze noża pochodzące od oporu skrawania działając pod kątem w stosunku do osi noża rozkłada się na składową dociskającą nóż do uchwytu nożowego oraz składową poprzeczną wywołującą zginanie zespołu: trzonek noża 1 - tuleja wzmacniająca 2. Po stronie rozciągania od składowej poprzecznej maksymalne naprężenia w zespole: trzonek - tuleja są redukowane o wielkość stałych naprężeń ściskających σο, co ma zasadnicze znaczenie z punktu widzenia wytrzymałości, zwłaszcza zmęczeniowej. Po stronie ściskania od obciążenia roboczego naprężenia sumują się, co nie ma istotnego znaczenia wytrzymałościowego, gdyż wytrzymałość metali na ściskanie jest wielokrotnie większa od wytrzymałości na rozciąganie. W efekcie opisanej kontrakcji stanu zmiennych naprężeń od obciążeń roboczych ze stanem stałych naprężeń własnych o charakterze ściskania w tulei wzmacniającej 2 uzyskuje się szczególnie wydatne polepszenie odporności noży styczno-obrotowych na zginanie, zwłaszcza o charakterze zmęczeniowym. Obwodowe naprężenia rozciągające w strefie połączenia wtłaczanego o długości l w tulei wzmacniającej 2 nie mają istotnego znaczenia, gdyż występują w tej strefie noża, która nie jest narażona na złamanie.

Dobór najkorzystniejszej grubości ścianek tulei wzmacniającej 2 w zależności od średnicy trzonka noża 1 należy dokonać na podstawie prób eksploatacyjnych. Wstępnie zaleca się grubość ścianek tulei wzmacniającej 2 w granicach od 5% do 10% średnicy trzonka noża 1.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest poprawa trwałości zmęczeniowej trzonków noży na złamanie, co skutkuje ich wzmocnieniem, ponadto wydatnie zwiększa ich odporność na zużycie ścierne ze względu na hartowaną tuleję wzmacniającą, korzystnie ze stali stopowej, która ma zwiększoną twardość, a niszczące zjawiska korozyjne są znacznie ograniczone. Zastosowanie w praktyce wytwarzania noży styczno-obrotowych wraz ze sposobem ich umocnienia umożliwia uzyskanie znacznych efektów technicznych i ekonomicznych, zwłaszcza w przypadku maszyn do urabiania skał trudno urabialnych.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Styczno-obrotowy nóż kombajnowy wyposażony w tuleję wzmacniającą osadzoną na trzonku noża oraz nakrętkę nakręconą na tylny jego koniec znamienny tym, że tuleja wzmacniająca (2) na dolnym odcinku o długości l w zakresie od 15% do 30% całkowitej jej długości L osadzona jest na trzonku noża (1) z pasowaniem wtłaczanym, natomiast na pozostałej części osadzona jest na trzonku noża (1) z pasowaniem suwliwym.
2. 2. Styczno-obrotowy nóż kombajnowy wg zastrz. 1 znamienny tym, że tuleja wzmacniająca (2) ma grubość ścianki w granicach od 5% do 10% średnicy trzonka noża (1).
3. 3. Sposób zwiększenia odporności styczno-obrotowego noża kombajnowego na złamanie znamienny tym, że tuleję wzmacniającą (2) hartuje się indukcyjnie za pomocą przemieszczającego się wzdłuż niej induktora (5) wraz z przewodem chłodzącym (8) i osłoną (6) od dolnego końca tulei wzmacniającej (2) do jej kołnierza (2a), przy czym na układ: tuleja wzmacniająca (2) - trzonek noża (1) posadowiony na pierścieniu (7) wywierany jest wzdłużny nacisk siłą P2 za pomocą stempla (3), zaś po schłodzeniu na gwintowaną część trzonka noża (1) nakładana jest nakrętka (10) zabezpieczona zgrzeiną lub spoiną punktową (10a). utrwalająca stan naprężeń własnych ściskających σο w tulei wzmacniającej (2).