RU2052102C1

RU2052102C1 - Rock-breaking tool

Info

Publication number: RU2052102C1
Application number: RU93021184A
Authority: RU
Inventors: Александр Валерианович Берман
Original assignee: Александр Валерианович Берман
Priority date: 1993-04-22
Filing date: 1993-04-22
Publication date: 1996-01-10

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: rock-breaking tool has tail part and wedge-shaped working part. The latter is formed by front, side and rear surfaces of wavy shape. Tool is manufactured from chrome-molybdenum- nickel steel. Steel structure is produced from annealing sorbite with grain effect 2000×10^-10 m and hardness 27-36 HRC over the entire volume. Front surface is fabricated with drop-shaped main and wedge-shaped additional protrusions. Vortex generators are put on side surfaces. Rear surface has chipping-out member, shaped groove with flow dissector, ultrasonic generator and additional inclined grooves. Shaped groove has shape of Laval nozzle. Inner space of shaped groove communicates with proper side surface through additional inclined grooves. Flow dissector is located in converging tube part of shaped groove. Ultrasonic generator is installed in diffuser part of same groove. EFFECT: enhanced breaking efficiency and reliability. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для оснащения рабочих органов горных и землеройных машин. The invention relates to the mining industry and can be used to equip the working bodies of mining and earth moving machinery.

Известен породоразрушающий инструмент, включающий хвостовик и клинообразную рабочую часть, образованную передней поверхностью волнообразной формы, боковыми поверхностями и задней поверхностью волнообразной формы [1] Недостатком аналога является то, что при повышенных скоростях рыхления происходит периодическое стопорение инструмента из-за низкой скорости выброса породы вверх из траншеи забоя, а также из-за необходимости соблюдать 15-20-минутные технологические перерывы для охлаждения инструмента через каждые 10-15 мин рыхления, иначе происходит естественный отпуск металла и исходная структура мартенсита отпуска, например, хромоникельмолибденовой стали, определяемая поверхностной твердостью в 48-55 HRC, превращается в трооститосорбит с твердостью 30-38 HRC, что существенно ухудшает способность инструмента рыхлить монолит породы. Known rock cutting tool, including a shank and a wedge-shaped working part formed by the front surface of the wave-like shape, the side surfaces and the rear surface of the wave-like shape [1] The disadvantage of the analogue is that at increased speeds of loosening, the tool periodically stops due to the low speed of the rock upward from face trenches, and also because of the need to observe 15-20 minute technological breaks to cool the tool every 10-15 minutes of loosening, otherwise oiskhodit natural rental metal and the original structure of tempered martensite, e.g., steel hromonikelmolibdenovoy defined surface hardness 48-55 HRC, turns into troostitosorbit with hardness 30-38 HRC, which significantly impairs the ability of the tool to loosen the rock monolith.

Известен породоразрушающий инструмент, включающий хвостовик и клинообразную рабочую часть, образованную передней поверхностью волнообразной формы, на которой расположены выступы каплевидной формы, боковыми поверхностями, на которых размещены турбулизаторы потока, и задней поверхностью волнообразной формы [2] Недостатком инструмента является то, что несмотря на наличие на передней поверхности волнообразной формы выступов каплевидной формы, а на боковых поверхностях турбулизаторов потока, предотвращающих образование крупного абразива, возникающего из-за пьезоэффектов в разрушаемой массе, а также инициирующих турбулизацию пограничного слоя, при повышенных скоростях работы породоразрушающего инструмента, например 4-5 м/с, вместо 0,5-1,8 м/с, не обеспечивается необходимая скорость выброса разрыхленной массы вверх, что приводит к периодическим стопорениям, то есть увеличивает динамическую нагруженность инструмента. И, самое основное, несмотря на наличие геодинамических элементов, обеспечивающих авторегулирование скорости движения пограничного слоя, поддерживающего исходную структуру металла "мартенсит отпуска" хромоникельмолибденовой стали в первоначальном состоянии за счет интенсивного отвода тепла, при повышенных скоростях рыхления 4-5 м/с, интенсивность отвода тепла становится недостаточной из-за торможения потока разрыхленной массы в хвостовой части породоразрушающего инструмента. Поэтому при повышенных скоростях рыхления 4-5 м/с требуются частые через 30 мин технологические перерывы для охлаждения инструмента. Known rock cutting tool, including a shank and a wedge-shaped working part formed by the front surface of a wave-like shape on which protrusions of a drop-shaped form are located, the side surfaces on which the flow turbulators are located, and the rear surface of a wave-like shape [2] The disadvantage of the tool is that despite the presence of on the front surface of the wave-shaped protrusions of a drop-shaped form, and on the side surfaces of the flow turbulators, preventing the formation of large abrasion VA, arising due to the piezoelectric effects in the destructible mass, as well as initiating the turbulence of the boundary layer, at increased speeds of the rock cutting tool, for example 4-5 m / s, instead of 0.5-1.8 m / s, the necessary ejection speed is not provided loosened mass up, which leads to periodic locks, that is, increases the dynamic loading of the tool. And, most importantly, despite the presence of geodynamic elements that provide automatic control of the velocity of the boundary layer, which supports the initial structure of the martensite tempering metal of chromium-nickel-molybdenum steel in the initial state due to intensive heat removal, at increased loosening speeds of 4-5 m / s, the intensity of removal heat becomes insufficient due to inhibition of the flow of loose mass in the tail of the rock cutting tool. Therefore, at increased loosening speeds of 4-5 m / s, technological breaks are required after 30 minutes to cool the tool.

Цель изобретения: повышение долговечности за счет обеспечения резкого повышения температуры в поверхностном слое инструмента в процессе эксплуатации с последующим ее интенсивным отводом. The purpose of the invention: increasing durability by providing a sharp increase in temperature in the surface layer of the tool during operation, followed by its intensive removal.

Достигается это тем, что породоразрушающий инструмент включает хвостовик и клинообразную рабочую часть, образованную передней поверхностью волнообразной формы, на которой расположены выступы каплевидной формы, боковыми поверхностями, на которых размещены турбулизаторы потока, и задней поверхностью волнообразной формы, причем инструмент выполнен из хромоникельмолибденовой стали, структура которой выполнена из сорбита отпуска с зернистостью 2000 х 10^-10 м при твердости 27-36 HRC по всему объему, при этом передняя поверхность выполнена с дополнительным выступом клиновидной формы, а задняя поверхность выполнена с выкалывающим элементом, с фигурным пазом, который имеет форму сопла Лаваля, с рассекателем потока, с ультразвуковым генератором и с дополнительными наклонными пазами, посредством которых внутренняя полость фигурного паза сообщена с соответствующей боковой поверхностью, причем рассекатель потока размещен в конфузорной части фигурного паза, а ультразвуковой генератор установлен в диффузорной части фигурного паза. К тому же расположенный на передней поверхности дополнительный выступ выполнен с поперечным пазом V-образной формы, длина которого равна высоте дополнительного выступа, а глубина поперечного паза на дополнительном выступе равна 1/3 высоты дополнительного выступа, при этом точка максимальной глубины поперечного паза на дополнительном выступе смещена от конца дополнительного выступа на расстояние, равное высоте выкалывающего элемента.This is achieved by the fact that the rock cutting tool includes a shank and a wedge-shaped working part formed by the front surface of a wave-like shape on which protrusions of a drop-shaped form are located, the side surfaces on which the flow turbulators are located, and the rear surface of a wave-like shape, the tool being made of chromium-nickel-molybdenum steel, structure which is made from sorbitol leave with grit 2000 x 10 ^-10 m and hardness of 27-36 HRC over the entire volume, the front surface is formed with additional dome a wedge-shaped protrusion, and the back surface is made with a puncturing element, with a curly groove that has the shape of a Laval nozzle, with a flow divider, with an ultrasonic generator and with additional inclined grooves, through which the internal cavity of the curly groove is in communication with the corresponding lateral surface, and the divider the flow is located in the confuser part of the figured groove, and the ultrasonic generator is installed in the diffuser part of the figured groove. In addition, an additional protrusion located on the front surface is made with a transverse groove of a V-shape, the length of which is equal to the height of the additional protrusion, and the depth of the transverse groove on the additional protrusion is 1/3 of the height of the additional protrusion, while the point of maximum depth of the transverse groove on the additional protrusion offset from the end of the additional protrusion by a distance equal to the height of the puncturing element.

Сущность изобретения состоит в следующем. The invention consists in the following.

За счет установки на передней поверхности дополнительного выступа, выполненного с поперечным пазом V-образной формы, достигается замена трения скольжения на трение качения, так как обеспечивается инициирование турбулизации пограничного слоя из диспергированной массы в хвостовой части породоразрушающего инструмента даже при повышенных скоростях рыхления. Поперечный паз V-образной формы работает наподобие резонатора свистка. За счет специфической геометрии и расположения пограничный слой или с ослабленной турбулизацией, или практически ламинарный, попадая в поперечный паз, разрывается из-за центробежных сил и на выходе получается прерывистый турбулизованный поток, который предотвращает снижение скорости движущейся основной разрыхленной массы, то есть поперечный паз V-образной формы инициирует ускорение пограничного слоя. Due to the installation on the front surface of an additional protrusion made with a transverse groove of a V-shape, the replacement of sliding friction by rolling friction is achieved, since the initiation of turbulence of the boundary layer from the dispersed mass in the tail of the rock cutting tool is ensured even at increased loosening speeds. The V-shaped transverse groove works like a whistle resonator. Due to the specific geometry and location, the boundary layer, either with weakened turbulization, or practically laminar, gets into the transverse groove, is torn due to centrifugal forces, and an intermittent turbulent flow is obtained at the output, which prevents a decrease in the speed of the moving main loosened mass, i.e., the transverse groove V -shaped form initiates the acceleration of the boundary layer.

При этом обеспечивается повышение скорости отвода тепла с 300^оС/с до 700^оС/с. То есть применение турбулизатора потока в виде поперечного паза V-образной формы, рекомендованного в данного изобретении, обеспечивает четкую авторегулировку скорости движения диспергированной массы и, тем самым, скорости отвода тепла с поверхности хвостовой части породоразрушающего инструмента. Последнее в свою очередь обеспечивает скорость отвода тепла с поверхности всего инструмента, а следовательно, увеличивается долговечность инструмента.This provides an increase in the rate of heat removal from 300 ^about C / s to 700 ^about C / s. That is, the use of a flow turbulator in the form of a V-shaped transverse groove recommended in this invention provides a clear automatic adjustment of the speed of movement of the dispersed mass and, thereby, the rate of heat removal from the surface of the tail of the rock cutting tool. The latter, in turn, provides the rate of heat removal from the surface of the entire tool, and therefore, the durability of the tool increases.

За счет геодинамических элементов, выполненных на задней поверхности: выкалывающего элемента, фигурного паза, рассекателя потока, смещенного от оси продольной симметрии на Δ в конфузорной части фигурного паза, ультразвукового генератора и дополнительных наклонных пазов в диффузорной части фигурного паза, достигается перевод "набегающего потока" из диспергированной массы со скоростью, равной примерно 0,12 скорости продольной ультразвуковой волны монолита разрушаемой массы, в среду, близкую к "стоячей среде", с пpодольной поступательной скоростью на два порядка ниже скорости "набегающего потока". То есть за счет перевода поступательного движения слоя из диспергированной массы, колеблющейся в вертикальной плоскости с периодическим отрывом от задней поверхности, обеспечивается почти что безотрывное движение слоя или по спиральной траектории с одновременной турбулизацией, или в виде череды вихревых колец. Тем самым создается режим быстрого нагрева поверхности металла с последующим интенсивным отводом тепла, образующим тонкий эластичный слой со структурой "мартенсита закалки". Due to the geodynamic elements made on the back surface: a puncturing element, a figured groove, a flow divider, offset from the axis of longitudinal symmetry by Δ in the confuser part of the figured groove, an ultrasonic generator and additional inclined grooves in the diffuser part of the figured groove, the translation of the "free stream" is achieved from a dispersed mass with a speed equal to approximately 0.12 of the velocity of a longitudinal ultrasonic wave of a monolith of destructible mass, to a medium close to a "standing medium", with a longitudinal translational orostyu two orders of magnitude lower than the speed "of the incident flow." That is, due to the translation of the translational motion of the layer from the dispersed mass, oscillating in the vertical plane with a periodic separation from the rear surface, an almost continuous motion of the layer is ensured either along a spiral path with simultaneous turbulence, or in the form of a series of vortex rings. This creates a regime of rapid heating of the metal surface with subsequent intensive heat removal, forming a thin elastic layer with a structure of "quenching martensite".

Одновременно сущность изобретения состоит также в том, что структура металла породоразрушающего инструмента предлагаемой конструкции, выполненная из "сорбита отпуска", имеющая в сравнении с мартенситной или мартенситно-трооститной или аустенитной структурами существенно более низкую теплопроводность, в совокупности с предлагаемым геодинамическим профилем обеспечивает быстрый подъем температуры в тонком поверхностном слое выше А_с3, то есть выше температуры закалки, и последующий быстрый отвод этой температуры за счет турбулизационных процессов. В результате происходит естественная закалка поверхностного слоя инструмента, то есть повышается поверхност- ная твердость с 27-36 HRC до 75-85 HRC.At the same time, the essence of the invention also lies in the fact that the metal structure of the rock cutting tool of the proposed design, made of "tempering sorbitol", which has a significantly lower thermal conductivity in comparison with the martensitic or martensitic-troostite or austenitic structures, in combination with the proposed geodynamic profile, provides a quick temperature rise in a thin surface layer of the above a _c3, i.e. above the hardening temperature, and the subsequent rapid retraction of the temperature due to turbulence processes. As a result, the natural surface hardening of the tool occurs, that is, the surface hardness increases from 27-36 HRC to 75-85 HRC.

Как известно из опыта эксплуатации, структурами металла, обеспечивающими износостойкость инструмента, являются: мартенситно-трооститная, мартенситная или бейнитная структуры. Одним из критериев оценки этих структур является величина поверхностной твердости: 48-55 HRC. При поверхностной твердости ниже этого диапазона, то есть, например, 38-45 HRC, инструмент из-за пьезоэффектов в разрушаемой породе и абразивно-фрикционного трения нагревается до 300^оС, а наличие сдвиговых напряжений в 20-30 МПа на поверхности металла инструмента приводит к мгновенному локальному нагреву поверхностного слоя толщиной до 10 мм до 600^оС, что приводит к резкому падению поверхностной твердости до 25-30 HRC.As is known from operating experience, metal structures that provide tool wear resistance are: martensitic-troostite, martensitic or bainitic structures. One of the criteria for evaluating these structures is the value of surface hardness: 48-55 HRC. With a surface hardness below this range, that is, for example, 38-45 HRC, the tool heats up to 300 ^° C due to the piezoelectric effects in the rock being destroyed and abrasive friction, and the presence of shear stresses of 20-30 MPa on the surface of the metal of the tool instantaneous local heating of the surface layer with a thickness of up to 10 mm to 600 ^° C, which leads to a sharp drop in surface hardness to 25-30 HRC.

При поверхностной твердости выше 48-55 HRC, то есть 57-85 HRC, металл хотя и повышает существенно свою износостойкость и жаропрочность, но становится более хрупким. Поэтому металл с твердостью выше 55 HRC, то есть чисто мартенситной структуры, применяют только как вставки с габаритами не более 20х100х50 мм и к тому же только при работе на сжатие. Так как породоразрушающий инструмент ковшей экскаваторов и рыхлителей бульдозеров при эксплуатации испытывает сложное напряженное состояние от кручения, изгиба, сжатия и растяжения, а его габариты выше минимум в 2 раза и максимум в 18 раз, то изготовление инструмента с поверхностной твердостью выше 55 HRC не допускается. With a surface hardness above 48-55 HRC, that is 57-85 HRC, the metal, although it significantly increases its wear resistance and heat resistance, but becomes more brittle. Therefore, a metal with a hardness above 55 HRC, that is, a purely martensitic structure, is used only as inserts with dimensions of not more than 20x100x50 mm and, moreover, only when working in compression. Since the rock-cutting tool of excavator buckets and bulldozer cultivators during operation experiences a difficult stress state from torsion, bending, compression and tension, and its dimensions are at least 2 times and a maximum of 18 times, the manufacture of tools with a surface hardness above 55 HRC is not allowed.

При поверхностной твердости 48-55 HRC инструмент может работать до 10-20 мин при температурах 300^оС и сдвиговых напряжениях 20-40 МПа. После этого промежутка времени, регламентированного жаропрочностью, из-за естественного последующего "среднего отпуска" твердость падает до 38-45 HRC. С этого момента металл начинает получать дополнительную энергию от сдвиговых деформаций в повер- хностных слоях и интенсивно нагревается до 500-600^оС, в результате чего происходит естественный "высокий отпуск" и твердость падает до 25-30 HRC.When the surface hardness of 48-55 HRC tool can operate up to 10-20 min at 300 ^C and shear stresses of 20-40 MPa. After this period of time, regulated by heat resistance, due to the natural subsequent “average tempering”, the hardness drops to 38-45 HRC. From this moment, the metal begins to receive additional energy from shear deformations in the surface layers and intensively heats up to 500-600 ^о С, as a result of which there is a natural “high tempering” and the hardness drops to 25-30 HRC.

В России до настоящего времени применяют для изготовления инструмента сталь Гадфильда со структурой аустенита, критерием оценки которой является величина поверхностной твердости 170 220 НВ (11-19 HRC). При напряжениях выше 20 МПа и температуре нагрева более 300^оС в процессе эксплуатации возможно повышение твердости инструмента до 56-57 HRC за счет термопластических деформаций, двойникования в момент резкого охлаждения с образованием так называемого "мартенсита деформации" в виде дендритных структур из-за интенсивного перераспределения углерода. Так как превращению обычно подвержен существенный по толщине поверхностный слой, то процесс превращения аустенита в структуру "мартенсита деформации" может пойти вспять. Это обычно происходит при недостаточном отводе тепла между поверхностным слоем и основной массой при степени переохлаждения менее 150^оС, когда температура металла продолжает повышаться до 600-700^оС. Кстати, при степени переохлаждения 150-200^оС образуются фазы, резко отличающиеся по составу: феррита, почти не содержащего углерод, и цементита, содержащего до 6,67% углерода, что приводит к образованию повышенной микротвердости в столбчатой структуре дендритов и растрескиванию до 8-11 мм поверхностного слоя из "мартенсита деформации" от напряжений изгиба и кручения.In Russia, until now, Hadfield steel with an austenite structure has been used for the manufacture of tools, the evaluation criterion of which is the value of surface hardness of 170 220 HB (11-19 HRC). At voltages higher than 20 MPa and a heating temperature of more than 300 ^C during operation may increase the hardness of the tool to 56-57 HRC due thermoplastic deformation twinning in the quench point to form a so-called "strain-induced martensite" as dendritic structures due to intense carbon redistribution. Since a surface layer of substantial thickness is usually susceptible to transformation, the process of transformation of austenite to the structure of “strain martensite” can reverse. This usually occurs when there is insufficient heat removal between the surface layer and the bulk degree of subcooling at least 150 ^{° C} when the metal temperature continues to rise to 600-700 ° ^C. By the way, when the degree of supercooling 150-200 ^C phase are formed, sharply differing in composition : ferrite, almost free of carbon, and cementite, containing up to 6.67% carbon, which leads to the formation of increased microhardness in the columnar structure of dendrites and cracking up to 8-11 mm of the surface layer of "martensite deformation" from stress bending and torsion.

В процессе эксплуатации инструмента, выполненного из металла со структурой "сорбит отпуска": 280-340 НВ (27-36 HRC), то есть с габаритами зерен 2000

, при сдвиговых напряжениях 20-40 МПа и температуре нагрева поверхности до 300^оС происходит практически мгновенное превращение "сорбита отпуска" в "перлит отпуска" (190-250 НВ). Однако затем из-за пластической деформации в слое 0,1-2,0 мм температура поднимается выше Асз (820^оС). Такой высокий нагрев объясняется низкой теплопроводностью сорбита отпуска. При отводе тепла от поверхности инструмента с малой скоростью происходит "естественная нормализация" металла поверхности инструмента, что приводит к образованию структуры аустенита с твердостью 170-210 НВ. Последующий нагрев, образуя дендриты, приводит к интенсивному износу инструмента.During the operation of a tool made of metal with a sorbitol tempering structure: 280-340 HB (27-36 HRC), that is, with a grain size of 2000

At shear stresses of 20-40 MPa and a temperature of the surface heating to 300 ^{° C} is almost instantaneous transformation "holiday sorbitol" in "perlite tempering" (190-250 HB). However, then due to plastic deformation in a layer of 0.1-2.0 mm the temperature rises above the NEA (820 ° ^C). Such high heating is explained by the low thermal conductivity of sorbitol tempering. When heat is removed from the surface of the tool at low speed, a "natural normalization" of the metal of the surface of the tool occurs, which leads to the formation of an austenite structure with a hardness of 170-210 HB. Subsequent heating, forming dendrites, leads to intensive wear of the tool.

Породоразрушающий инструмент, имеющий геодинамический профиль, то есть профиль, который обеспечивает авторегулирование движения пограничного слоя из диспергированной массы разрушаемой породы, выполненный из металла со структурой "сорбит отпуска", как показал опыт эксплуатации, существенно снижает интенсивность износа. Это происходит в связи с тем, что интенсивный отвод тепла вихрями диспергированной массы создает эффект закалки быстро разогретого тонкого поверхностного слоя инструмента выше Ас₃ (830^оС). В результате поверхностный слой инструмента, имеющий структуру "сорбита отпуска", превращается в "мартенсит закалки" с твердостью 55-85 HRC.A rock cutting tool with a geodynamic profile, that is, a profile that provides automatic control of the boundary layer movement from the dispersed mass of the rock being destroyed, made of metal with a “sorbitol tempering” structure, as shown by operating experience, significantly reduces the wear rate. This is due to the fact that the intense heat removal creates vortices dispersed mass quenching effect rapidly heated thin surface layer of the tool above the _Ac3 (830 ° ^C). As a result, the surface layer of the tool, having a tempering sorbitol structure, is transformed into quenching martensite with a hardness of 55-85 HRC.

Так как образующийся слой достаточно тонок, то он и достаточно эластичен, то есть возникающие сложнонапряженные состояния не вызывают образования усталостных трещин. В совокупности это увеличивает существенно долговечность инструмента. Since the formed layer is sufficiently thin, it is also sufficiently elastic, that is, the complex stress states that arise do not cause the formation of fatigue cracks. Together, this increases the tool life significantly.

Совокупность признаков позволяет получить повышенную устойчивость процесса авторегулирования скорости движения диспергированной массы по рабочим поверхностям инструмента, а соответственно и создание, а затем и поддержание повышенной поверхностной твердости в тонком поверхностном слое толщиной 0,1-0,2 мм за счет преобразования "сорбита отпуска" в "мартенсит закалки". Иными словами, достигается увеличение долговечности инструмента за счет обеспечения резкого повышения температуры в поверхностном слое инструмента в процессе эксплуатации с последующим ее интенсивным отводом. The combination of features allows to obtain increased stability of the process of auto-regulation of the speed of dispersed mass movement along the working surfaces of the tool, and, accordingly, the creation and then maintenance of increased surface hardness in a thin surface layer with a thickness of 0.1-0.2 mm due to the conversion of “tempering sorbitol” into "martensite hardening." In other words, an increase in tool life is achieved by providing a sharp increase in temperature in the surface layer of the tool during operation, followed by its intensive removal.

Отличительные признаки не обнаружены в известных технических решениях, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "Существенные отличия". Distinctive features are not found in the known technical solutions, therefore, the proposed technical solution meets the criterion of "Significant differences".

На фиг. 1 представлен профиль породоразрушающего инструмента с: движущимися ослабленными вихрями турбулизированного слоя в хвостовой части инструмента; инициированными вихрями пограничного слоя, поперечным пазом V-образной формы дополнительного выступа передней поверхности; увеличенной под микроскопом структурой "сорбита отпуска" металла, из которой выполнен инструмент; увеличенной под микроскопом в приповерхностном слое исходной структурой "сорбита отпуска", сопрягающейся с образовавшейся структурой "мартенсита закалки"; на фиг.2 вид в плане сверху породоразрушающего инструмента с увеличенной под микроскопом структурой сорбита отпуска с зернистостью 2000 х 10^-10 м, из которой выполнен инструмент по всему объему; на фиг. 3 вид в плане снизу; на фиг.4 зависимость изменения поверхностной твердости от температуры нагрева при выполнении инструмента из различных структур металла, но одинаковом геодинамическом профиле; на фиг.5 экспериментальный образец коронки с геодинамическим профилем для рыхлителя бульдозера, взаимодействующей с массивом забоя.In FIG. 1 shows a profile of a rock cutting tool with: moving weakened vortices of a turbulized layer in the tail of the tool; initiated by vortices of the boundary layer, a transverse groove of a V-shaped additional protrusion of the front surface; enlarged under the microscope structure of the “sorbitol tempering" metal from which the tool is made; enlarged under the microscope in the surface layer the initial structure of "sorbitol tempering", mating with the resulting structure of "martensite quenching"; figure 2 is a top plan view of a rock cutting tool with an enlarged microscope structure of tempering sorbitol with a grain size of 2000 x 10 ^-10 m, from which the tool is made over the entire volume; in FIG. 3 view in plan from below; figure 4 the dependence of changes in surface hardness on the heating temperature when performing the tool from various metal structures, but the same geodynamic profile; Fig. 5 is an experimental sample of a crown with a geodynamic profile for a bulldozer cultivator interacting with a face array.

Породоразрушающий инструмент включает хвостовик 1 и клинообразную рабочую часть 2, образованную передней поверхностью 3 волнообразной формы, на которой расположены выступы 4 каплевидной формы, боковыми поверхностями 5, на которых размещены турбулизаторы потока 6, и задней поверхностью 7 волнообразной формы, причем инструмент выполнен из хромоникельмолибденовой стали, структура которой выполнена из сорбита отпуска 8 с зернистостью 2000 х 10^-10 м при твердости 27-36 HRC по всему объему, при этом передняя поверхность 3 выполнена с дополнительным выступом 9 клиновидной формы, а задняя поверхность 7 выполнена с выкалывающим элементом 10 с фигурным пазом 11, который имеет форму сопла Лаваля, с рассекателем потока 12, с ультразвуковым генератором 13 и с дополнительными наклонными пазами 14, посредством которых внутренняя полость 15 фигурного паза 11 сообщена с соответствующей боковой поверхностью 5, причем рассекатель потока 12 размещен в конфузорной части 16 фигурного паза 11, а ультразвуковой генератор 13 установлен в диффузорной части 17 фигурного паза 11; к тому же, расположенный на передней поверхности 3 дополнительный выступ 9 выполнен с поперечным пазом 18 V-образной формы, длина l которого равна высоте Н дополнительного выступа 9, а глубина h поперечного паза 18 на дополнительным выступе 9 смещена от конца дополнительного выступа 9 на расстояние l, равное высоте Н выкалывающего элемента 10.The rock cutting tool includes a shank 1 and a wedge-shaped working part 2 formed by a wave-shaped front surface 3 on which drop-shaped protrusions 4 are located, side surfaces 5 on which the flow turbulators 6 are placed, and a wave-shaped back surface 7, the tool being made of nickel-chromium molybdenum steel , which is made of sorbitol holiday structure 8 with grit 2000 x 10 ^-10 m and hardness of 27-36 HRC over the entire volume, the front surface 3 is provided with additional height mention 9 is wedge-shaped, and the rear surface 7 is made with a puncturing element 10 with a shaped groove 11, which has the shape of a Laval nozzle, with a flow divider 12, with an ultrasonic generator 13 and with additional inclined grooves 14, through which the internal cavity 15 of the shaped groove 11 is communicated with a corresponding lateral surface 5, and the flow divider 12 is placed in the confuser part 16 of the figured groove 11, and the ultrasonic generator 13 is installed in the diffuser part 17 of the figured groove 11; moreover, an additional protrusion 9 located on the front surface 3 is made with a transverse groove 18 of a V-shape, the length l of which is equal to the height H of the additional protrusion 9, and the depth h of the transverse groove 18 on the additional protrusion 9 is offset from the end of the additional protrusion 9 l equal to the height H of the puncturing element 10.

При работе на повышенных скоростях породоразрушающего инструмента, оснащенного авторегуляторами скорости пограничного слоя, происходит следующее. Так как в разрушаемых массах мерзлых глин, супеси, гравийно-галечного грунта, песчаника, скального грунта находится от 50 до 90 двуокиси кремния, то при рыхлении грунта образуется зона смятия 25 с тороидальным электромагнитным полем, следствием пьезоэффектов на суб.зернах двоукиси кремния. Это в свою очередь за счет эффектов электрострикции и поляризации обеспечивает создание объемного напряженного состояния перед тороидальным резонатором зоной смятия 25. Наличие выступов 4 каплевидной формы при внедрении и выкалывающего элемента 10 при рыхлении породы обеспечивает устойчивость образований из разрушаемой массы, а именно: зоны смятия 25 и объемного напряженного состояния с уплотненными ядрами Буссинеска 24, волноводом и резонаторами, то есть создаются условия для разрушения массива наиболее экономичным способом выколом, вместо разрушения резанием или сколом. When working at higher speeds, a rock cutting tool equipped with auto-regulators of the boundary layer speed, the following occurs. Since in the destructible masses of frozen clay, sandy loam, gravel-pebble soil, sandstone, rocky soil there are from 50 to 90 silicon dioxide, when the soil is loosened, a crushing zone 25 with a toroidal electromagnetic field is formed, due to piezoelectric effects on the sub-grains of silicon dioxide. This, in turn, due to the effects of electrostriction and polarization, ensures the creation of a volumetric stress state in front of the toroidal resonator with a collapse zone 25. The presence of protrusions 4 of a drop-shaped form during penetration and a puncturing element 10 during loosening of the rock ensures the stability of formations from the crushed mass, namely, crush zones 25 and volumetric stress state with compacted Boussinesq 24 cores, a waveguide and resonators, that is, conditions are created for the destruction of the array in the most economical way to puncture, vm There is destruction by cutting or chipping.

Вывод высокочастотной энергии из зоны смятия выступами 4 каплевидной формы и турбулизаторами потока 6, так как они являются одновременно своеобразными электродами, входящими при работе инструмента в наиболее плотную часть электромагнитного поля зоны смятия 25, обеспечивает предотвращение спекания суб. зерен двуокиси кремния, присутствующей в породе, в абразивные зерна с диаметром 0,3-1,2 мм, потому что температура разогрева зоны смятия 25 снижается с 2500-3500^оС до 1400^оС. То есть в процессе эксплуатации обеспечивается "частичная упругогидродинамическая смазка" из "материнской влаги" породы, воздуха абразивных зерен двуокиси кремния и до 80% суб.зерен двуокиси кремния с диаметром частиц 0,01-0,03 мм. Последние считаются отличной смазкой для снижения износа трущихся деталей двигателей внутреннего сгорания.The removal of high-frequency energy from the collapse zone by teardrop-shaped protrusions 4 and flow 6 turbulators, since they are at the same time a kind of electrodes entering the densest part of the electromagnetic field of the collapse zone 25 when the tool is operated, prevents sub sintering. grains of silicon dioxide present in the rock, in the abrasive grains with a diameter of 0.3-1.2 mm, because of crumpling heating zone 25 the temperature is reduced from ^about 2500-3500 C to 1400 ^C. That is, in the operation is ensured "partial elastohydrodynamic grease "from the" mother moisture "of the rock, air of abrasive grains of silicon dioxide and up to 80% sub-grains of silicon dioxide with a particle diameter of 0.01-0.03 mm. The latter are considered an excellent lubricant to reduce the wear of rubbing parts of internal combustion engines.

Турбулизация пограничного слоя из "частичной упругогидродинамической смазки" диспергированной массы в виде череды вихрей 20 и безотрывное их движение обеспечивается за счет волнообразной формы передней поверхности 3. В связи с тем, что суб.зерна двуокиси кремния в зоне смятия 25 нагреваются до 1400^оС, их контактирование в виде вихрей с металлом передней поверхности 3, имеющим исходную структуру "сорбита отпуска", характеризующуюся существенно низкой теплопроводностью по сравнению с теплопроводностью прочих структур, обеспечивает резкий нагрев этой поверхности в зонах контактирования с вихрями свыше 830^оС на глубину до 1,0-2,0 мм. Так как за вихрями образуются зоны отрицательного давления, то обеспечивается и быстрый отвод тепла со скоростью более 400^оС/с.Boundary layer turbulence of "partial elastohydrodynamic lubrication" dispersed weight in a series of vortices 20 and their unseparated movement provided by the undulating shape of the front surface 3. Due to the fact that silicon dioxide sub.zerna crumple zone 25 are heated up to 1400 ^C. their contact in the form of vortices with the metal of the front surface 3, having the initial structure of “sorbitol tempering”, characterized by a significantly low thermal conductivity compared with the thermal conductivity of other structures, provides a sharp heating of the surface in the zones contacting with vortices over 830 ^{° C} to a depth of 1.0-2.0 mm. Since negative pressure zones form behind the vortices, a quick heat removal is also provided at a speed of more than 400 ^° C / s.

При повышенных скоростях рыхления вихри 19 пограничного слоя деформируются, превращаясь в ламинарный поток. Установка дополнительного выступа 9 в хвостовой части передней поверхности 3 с поперечным пазом 18 V-образной формы обеспечивает инициирование турбулизационных процессов в соответствии с теорией "свистка", при этом инициированные вихри 20 предотвращают переход трения качения пограничного слоя к трению скольжения. Тем самым поддерживается быстрый нагрев всех участков передней поверхности 3, контактирующих с раскаленными вихрями, так как последние не успевают охладиться, и обеспечивается вслед за прохождением вихрей интенсивный отвод тепла. При этом поверхностный слой из "сорбита отпуска" толщиной до 0,1-0,2 мм с зернистостью 200 х 10^-10 м превращается в "мартенсит закалки" с зернистостью 2,8 х 10^-10 м, что повышает поверхностную твердость с 27-36 до 70-85 HRC.At increased loosening rates, the vortices 19 of the boundary layer are deformed, turning into a laminar flow. The installation of an additional protrusion 9 in the rear part of the front surface 3 with a transverse groove 18 of a V-shape provides the initiation of turbulization processes in accordance with the theory of "whistle", while the initiated vortices 20 prevent the transition of rolling friction of the boundary layer to sliding friction. This supports the rapid heating of all parts of the front surface 3 in contact with the hot vortices, since the latter do not have time to cool, and an intense heat dissipation is ensured after the passage of the vortices. In this case, the surface layer of “tempering sorbitol” with a thickness of up to 0.1-0.2 mm with a grain size of 200 x 10 ^-10 m turns into a quenching martensite with a grain size of 2.8 x 10 ^-10 m, which increases the surface hardness from 27 -36 to 70-85 HRC.

Периодически в процессе разрушения породы между "развитой фронтальной поверхностью" выкалывающим элементом 10 и поверхностью забоя 21 разрушаемой породы образуется своеобразная щель "щелевое сопло свистка" 22, через которую на заднюю поверхность 7 поступает диспергированная масса 23, испускаемая уплотненным ядром Буссинеска 24 с частотой, близкой к 2000 Гц, под действием эффекта электрострикции зоны смятия 25. Periodically, in the process of rock destruction, between the "developed frontal surface" of the puncturing element 10 and the bottom surface 21 of the rock being destroyed, a peculiar slot "whistle nozzle" 22 is formed, through which dispersed mass 23 enters the back surface 7 emitted by the compacted Boussinesq core 24 with a frequency close to to 2000 Hz, under the effect of electrostriction of the crushing zone 25.

Из-за габаритов и формы щели 22 обусловливается существенное уменьшение протяженности движения диспергированной массы 23 со сдвиговой скоростью, близкой к 250-500 м/с. Кстати, за счет формы и площади выкалывающего элемента 10, обусловливающих геометрию щелевого сопла свистка 22, удается погасить на 10 и более процентов величину сдвиговой скорости. Поступая по задней поверхности 7 в "резонатор свистка" 26 расширяющееся пространство между подошвой забоя и задней поверхностью 7, поток диспергированной массы 23 начинает разрываться и колебаться в вертикальной плоскости парадокс Дюбуа, приводящий к интенсивному увеличению сопротивления движению инструмента и повышенному износу. Due to the size and shape of the slit 22, a substantial decrease in the length of motion of the dispersed mass 23 is caused with a shear rate close to 250-500 m / s. By the way, due to the shape and area of the puncturing element 10, which determine the geometry of the slot nozzle of the whistle 22, it is possible to extinguish by 10 percent or more the shear rate. Entering the expanding space between the bottom of the bottom and the back surface 7 along the back surface 7 of the “whistle resonator” 26, the flow of dispersed mass 23 begins to break and oscillate in the vertical plane of the Dubois paradox, leading to an intensive increase in resistance to tool movement and increased wear.

Формирование движения диспергированной массы 23 конфузором 16 фигурного паза 11, в котором установлен со смещением от продольной оси симметрии на величину Δ (1/40 1/100) H рассекатель потока 12, обеспечивает предотвращение колебаний потока в вертикальной плоскости с отрывом от задней поверхности за счет преобразования поступательного движения потока в движение по спиральной траектории 27 в плоскости, поперечной направлению движения инструмента, с минимальным шагом. Поэтому уже перед выходом из конфузора 16 поток приобретает вид череды вихревых колец 28. Тем самым достигается гашение сдвиговой поступательной скорости на два порядка. Иными словами, обеспечивается более продолжительный по времени контакт раскаленных вихрей из частиц двуокиси кремния с задней поверхностью 7 инструмента с последующим вслед за вихрями образованием разреженных зон, интенсивно охлаждающих (закаливающих) поверхностный слой металла на глубину примерно 0,01 мм, вместо, как на серийных конструкциях, окислительного абразивного изнашивания. The formation of the movement of the dispersed mass 23 by the confuser 16 of the figured groove 11, in which the flow divider 12 is mounted with an offset Δ (1/40 1/100) H from the longitudinal axis of symmetry, prevents flow fluctuations in the vertical plane with separation from the rear surface due to converting the translational motion of the flow into motion along a spiral path 27 in a plane transverse to the direction of movement of the tool, with a minimum step. Therefore, already before exiting confuser 16, the flow takes the form of a series of vortex rings 28. Thus, the shear translational velocity is quenched by two orders of magnitude. In other words, a longer-term contact of hot vortices from particles of silicon dioxide with the back surface 7 of the tool is ensured, followed by the formation of rarefied zones intensively cooling (quenching) the surface layer of the metal to a depth of about 0.01 mm, instead of as on standard ones constructions, oxidative abrasive wear.

Для обеспечения такого движения в конфузорной части 16 фигурного паза 11 предусмотрен специальный подсос за счет дополнительных наклонных пазов 14, соединяющихся с боковыми поверхностями 5, и расширяющейся полости диффузора 17, обеспечивающих предотвращение отрыва череды вихревых колец 28 от задней поверхности 7. В связи с увеличивающимся пространством внутренней полости 15 диффузора 17, в котором происходит прохождение череды вихревых колец 28, предусмотрен ультразвуковой генератор 13, своим действием за счет отражения ультразвуковой энергии потока сжимающий шаг череды вихревых колец 28. Тем самым еще в большей степени обеспечивается движение вихревых колец без отрыва от внутренней полости 15 фигурного паза 11 задней поверхности 7. К тому же при этом обеспечивается углубление за счет фрезерования остывшими к этому моменту вихрями череды вихревых колец 28 внутренней полости 15 диффузора 17. To ensure such movement, a special suction is provided in the confuser part 16 of the figured groove 11 due to additional inclined grooves 14 connected to the side surfaces 5 and the expanding cavity of the diffuser 17, which prevents the series of vortex rings 28 from breaking off from the back surface 7. Due to the increasing space an internal cavity 15 of the diffuser 17, in which a series of vortex rings 28 passes, is provided with an ultrasonic generator 13, by its action due to the reflection of ultrasonic energy the compressive step of the series of vortex rings 28. This ensures an even greater degree of movement of the vortex rings without separation from the internal cavity 15 of the figured groove 11 of the rear surface 7. Moreover, this ensures a recess due to milling by the vortices of the series of vortex rings that have cooled down to this moment 28 the inner cavity 15 of the diffuser 17.

Итак, поддержание поступательной скорости турбулизированных вихрей 19 на передней поверхности 3 хвостовика 1 и снижение поступательной скорости череды вихревых колец 28 на задней поверхности 7 обеспечивают в процессе рыхления на повышенных скоростях образование в тонком поверхностном слое 0,01-0,2 мм металла инструмента из структуры сорбита отпуска 8 структуры мартенсита закалки 20. При этом преобразовании зернистость в поверхностном слое уменьшается с 2000 до 2,8

, что повышает поверхностную твердость с 27-36 до 85 HRC.So, maintaining the translational speed of the turbulized vortices 19 on the front surface 3 of the shank 1 and reducing the translational speed of the series of vortex rings 28 on the rear surface 7 during the loosening process at higher speeds, the formation of a 0.01–0.2 mm metal of a tool from the structure in a thin surface layer tempering sorbitol 8 quenching martensite structure 20. With this transformation, the graininess in the surface layer decreases from 2000 to 2.8

, which increases surface hardness from 27-36 to 85 HRC.

Такое преобразование структуры в тонком поверхностном слое не снижает эластичности этого слоя, то есть не вызывает его охрупчивания в процессе эксплуатации при термоциклировании, и к тому же обеспечивает увеличение ресурса инструмента в 7-10 раз по сравнению с лучшими серийными конструкциями породоразрушающего инструмента. Such a transformation of the structure in a thin surface layer does not reduce the elasticity of this layer, that is, does not cause its embrittlement during operation during thermal cycling, and also provides an increase in tool life by 7-10 times in comparison with the best serial designs of rock cutting tools.

Claims

1. A BREEDING DESTRUCTION TOOL, comprising a shank and a wedge-shaped working part, formed by the front surface of a wave-like shape, on which protrusions of a drop-shaped form are located, the side surfaces on which the flow turbulators are located, and the rear surface of a wavy-shaped shape, characterized in that it is made of chromium-nickel-molybdenum steel, structure which is formed from sorbitol tempering with 2000 grit • 10 ^- ¹ ⁰ m and hardness 27 - 36 HRC in the whole volume, the front surface is formed with an additional with a wedge-shaped protrusion, and the rear surface is made with a puncturing element with a figured groove, which has the shape of a Laval nozzle, with a flow divider, with an ultrasonic generator and with additional inclined grooves, through which the internal cavity of the figured groove is in communication with the corresponding lateral surface, and the flow divider is placed in the confuser part of the figured groove, and the ultrasonic generator is installed in the diffuser part of the figured groove.

2. The tool according to claim 1, characterized in that the additional protrusion located on the front surface is made with a transverse groove of a V-shape, the length of which is equal to the height of the additional protrusion, and the depth of the transverse groove on the additional protrusion is 1/3 of the height of the additional protrusion, the point of maximum depth of the transverse groove on the additional protrusion is offset from the end of the additional protrusion by a distance equal to the height of the puncturing element.