ПЛАСТИНА ИЗ ТВЕРДОСПЛАВНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 1997 года по МПК E21C35/183 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к вставкам из твердосплавного материала для породоразрушающего инструмента горных и строительно-дорожных машин, и может быть использовано при добычных и очистных работах, проводимых преимущественно с помощью струговых установок и угольных комбайнов.

Известен резец для разрушения угля и других горных пород, содержащий рабочую головку и закрепленную на рабочей головке пластину из твердосплавного материала с центральным продольным выступом на ее передней грани (см. например, авторское свидетельство СССР N 495436, кл. E 21 C 35/18, опубл.1976).

Такая геометрия режущей части резца обеспечивает постоянство угла заострения передней и боковых режущих кромок, а также позволяет создавать опережающую поверхность, что позволяет сконцентрировать нагрузку на небольшой поверхности передней грани. Недостатком таких резцов является то, что при разрушении углей и пород на продольном выступе возникают значительные боковые нагрузки, которые приводят к отрыву пластин от рабочей головки, а при применении на стругах к потере их устойчивости и уходу стругов в почву, что не исключает возможности появления аварийной ситуации.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является техническое решение, в котором описана пластина из твердосплавного материала для породоразрушающего инструмента, включающая переднюю грань трапециевидной формы и расположенный на передней грани центральный выступ, имеющий в поперечном сечении клиновидную форму (см. например, авторское свидетельство СССР N 533728, кл. E 21 C 35/18, опубл. 1976).

Известна вставка частично устраняет недостатки описанного выше аналога, но ей присущи следующие недостатки. Вставка по ширине главной режущей кромки имеет угол между передней и задней поверхностями (угол заострения) недостаточный для эффективного резания угля. При этом указанный угол является одинаковым по величине, как на центральном выступе, так и на плоских участках передних плоскостей, сопряженных с гранями центрального выступа и с боковыми гранями пластины. При таких геометрических параметрах пластины на породоразрушающем инструменте возникают значительные силы резания и выемочные машины разрушают уголь при высокой энергоемкости процесса разрушения. В ближайшем аналоге на пластине выполнен по всей ее длине сплошной центральный выступ с постоянной у главной режущей кромки и у ее торцевой грани шириной основания, которая меньше наименьшей ширины передней грани пластины, что уменьшает поперечное опасное сечение пластины и площадь ее торцевой грани. Указанное обстоятельство снижает прочность пластины в целом и прочность ее соединения с корпусом породоразрушающего инструмента, то есть приводит к уменьшению стойкости инструмента в целом. Кроме того, центральный выступ, имея ширину своего основания меньше ширины передней грани пластины, при работе по мере увеличения высоты контакта с разрушаемым материалом его передней грани не обеспечивает увеличения зоны силового воздействия на разрушаемый массив для создания в нем предельного напряженного состояния. Указанный недостаток приводит к образованию в процессе разрушения массива между резцами прочных угольных целиков, то есть осуществляется резание в щели, что заставляет исполнительный орган горной машины (струг) "садиться" корпусом на целик и приводит к невозможности производства дальнейших работ.

Изобретение направлено на решение задачи по созданию такой вставки для породоразрушающего инструмента, которая обеспечивала бы снижение энергоемкости процесса разрушения при одновременном повышении стойкости как вставки, так и инструмента в целом. Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в улучшении условий контакта пластины с разрушаемым материалом.

Поставленная задача решена за счет того, что пластина из твердосплавного материала для породоразрушающего инструмента, которая содержит переднюю грань трапециевидной формы и расположенный на передней грани центральный выступ, имеющий в поперечном сечении клиновидную форму, выполнена с расположенным на ее передней грани пазом, который расположен симметрично относительно продольной оси симметрии пластины, а длина режущей кромки, которая образована пересечением граней центрального выступа, по продольной оси симметрии пластины составляет не менее 0,1 и не более 0,5 от длины пластины по той же оси, при этом поверхности боковых стенок паза и соответствующие поверхности граней центрального выступа образуют два дополнительных выступа клиновидной формы с дополнительными режущими кромками, каждая из которых расположена к продольной оси симметрии под углом, вершина которого ориентирована в направлении к главной режущей кромке, причем ширина основания центрального выступа у торцевой грани пластины равна наибольшей ширине передней грани пластины.

Кроме того, за счет того, что линия пересечения поверхности каждой грани центрального выступа с поверхностью передней грани пластины расположена к продольной оси симметрии пластины под углом, вершина которого ориентирована в направлении к главной режущей кромке.

Кроме того, за счет того, что площадь поперечного сечения паза увеличивается в направлении к торцевой грани пластины.

Кроме того, за счет того, что поверхности стенок паза образуют двугранный угол, ребро которого расположено в вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось симметрии пластины и сопряжено с режущей кромкой, образованной пересечением граней центрального выступа.

Кроме того, за счет того, что ребро двугранного угла, который образует поверхности стенок паза, расположено к опорной грани пластины под углом, вершина которого ориентирована в направлении к торцевой грани пластины.

Кроме того, за счет того, что пластина имеет переменную толщину, которая уменьшается в направлении от главной режущей кромки к торцевой грани пластины.

Такое конструктивное выполнение пластины из твердосплавного материала для породоразрушающего инструмента позволяет снизить силы резания и, как следствие, энергоемкость процесса разрушения, а также повысить прочность, как пластины, так и инструмента в целом, благодаря тому, что пластина выполнена переменной толщины с уменьшением ее от главной режущей кромки к торцевой грани пластины, в результате чего плоские участки передних плоскостей, сопряженные с боковыми поверхностями центрального выступа и боковыми поверхностями пластины, расположены под большим чем участок центрального выступа углом к опорной поверхности пластины с уклоном от главной режущей кромки, образуя положительный передний угол. Кроме того, прочность пластины и стойкость инструмента в целом повышаются за счет того, что ширина основания центрального выступа непосредственно у торцевой грани пластины равна ширине передней грани пластины в этом месте, а поперечное сечение пластины и площадь паянного соединения ее торцевой грани с корпусом инструмента увеличены. При этом выполнение твердосплавной платины с переменной толщиной позволяет снизить технологические внутренние напряжения в ней, повышает прочность и стойкость инструмента в целом, а также снижает расход твердого сплава.

На фиг. 1 изображен породоразрушающий инструмент с пластиной из твердосплавного материала, вид сбоку, на фиг. 2 то же, вид сверху, на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 4 разрез по Б-Б на фиг. 1, на фиг. 5 - разрез по В-В на фиг. 2, и на фиг. 6 разрез по Г-Г на фиг. 2.

Пластина из твердосплавного материала содержит переднюю грань 1, имеющую трапециевидную форму, торцевую грань 2, боковые грани 3, опорную грань 4 и заднюю грань 5. Пересечение передней грани 1 с задней гранью 5 образует главную режущую кромку 6. На передней грани 1 пластины расположен центральный выступ 7, который в поперечном сечении имеет клиновидную форму (фиг. 3). Пересечение граней центрального выступа 7 образует режущую кромку 8. Длина (L) режущей кромки 8 по продольной оси симметрии пластины составляет не менее 0,1 и не более 0,5 от длины (P) пластины по той же оси, то есть соблюдается соотношение 0,1 P <L <0,5 P. Указанное соотношение получено эмпиричекским путем на основании проведенных исследований. Пластина выполнена с расположенным на ее передней грани 1 пазом 9. Паз 9 открыт в сторону торцевой грани 2 и расположен симметрично относительно продольной оси симметрии пластины. Поверхности стенок 10 паза 9 могут иметь любую форму. Поверхность стенок 10 паза 9 и соответствующие поверхности граней центрального выступа 7 образуют два дополнительных выступа 11 клиновидной формы с дополнительными режущими кромками 12. Каждая дополнительная режущая кромка 12 расположена к продольной оси пластины под углом (γ), вершина которого ориентирована к главной режущей кромке 6. Ширина (S) основания центрального выступа 7 у торцевой грани 2 пластины равна наибольшей ширине передней грани 1, то есть длине большего основания трапеции, определяющей форму передней грани 1. Пластина закрепляется, например с помощью пайки (на чертежах не показана) на корпусе 13 породоразрушающего инструмента (фиг. 1 и 2).

Предпочтительно такое конструктивное выполнение пластины, при котором линия 14 пересечения поверхности каждой грани центрального выступа 7 с поверхностью передней грани 1 пластины была бы расположена к продольной оси симметрии пластины под углом, вершина которой ориентирована в направлении к главной режущей кромке 6. При таком варианте конструктивного выполнения пластины ширина основания центрального выступа 7 у главной режущей кромки 6 менее ширины (К) передней грани 1 пластины в том же месте, то есть менее ширины меньшего основания трапеции, определяющей форму передней грани 1. Таким образом центральный выступ 7 в этом случае имеет как в поперечном, так и в продольном своем сечении клиновидную форму. Такое конструктивное выполнение центрального выступа 7 позволяет обеспечить создание растягивающих напряжений в массиве в направлении, перпендикулярном напластованию пласта, что положительно влияет на энергоемкость процесса разрушения массива.

Паз 9 может иметь любую форму. Предпочтительно такое конструктивное выполнение пластины, при котором площадь поперечного сечения паза 9 увеличивается в направлении к торцевой грани 2 пластины. Увеличение площади поперечного сечения паза 9 в указанном направлении может быть получено путем увеличения его глубины и/или ширины по длине пластины. Такой вариант конструктивного выполнения пластины позволяет снизить вероятность заштыбования паза 9 в процессе разрушения массива, поскольку увеличение площади поперечного сечения паза 9 способствует выносу частиц разрушенного материала из его полости.

Целесообразно выполнить паз 9 такой формы, при которой поверхности 10 его стенок образовывали бы двугранный угол, ребро 15 которого было бы расположено в вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось симметрии пластины, и сопряжено с режущей кромкой 8, образованной пересечением граней центрального выступа, то есть ребро 15 и режущая кромка 8 расположены в одной вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось симметрии пластины и являются продолжением друг друга. Такой вариант конструктивного выполнения паза 9 позволяет упростить технологию изготовления пластины и снизить вероятность отклонения корпуса исполнительного органа под действием боковых нагрузок на инструмент.

При описанном выше варианте конструктивного выполнения паза 9 на пластине целесообразно, чтобы ребро 15 двугранного угла, который образуют поверхности 10 стенок паза 9, было расположено к опорной грани 4 пластины под углом (b), вершина которого ориентирована в направлении к торцевой грани 2 пластины. Таким образом осуществляется увеличение площади поперечного сечения паза 9 в заданном направлении.

Кроме того, пластина может быть выполнена с переменной толщиной (H), которая уменьшается в направлении от главной режущей кромки 6 к торцевой грани 2 пластины, что позволяет образовать передний положительный угол (a) (фиг. 5). Дополнительно, выполнение пластины с переменной толщиной (H) снижает технологические внутренние напряжения в ней, повышает прочность и износостойкость инструмента и снижает расход твердого сплава.

Породоразрушающий инструмент с пластиной из твердосплавного материала работает следующим образом.

При фзаимодействии инструмента с разрушаемым материалом первоначально внедряется как индентор, опережающий в направлении резания V_p, режущая кромка 8 центрального выступа 7, которая создает в разрушаемом материале опережающий "вруб". При дальнейшем перемещении инструмента в указанном направлении увеличивается площадь (и высота) контакта передней грани 1 с разрушаемым материалом. Начиная с точки сопряжения режущей кромки 8 центрального выступа 7 с поверхностями 10 стенок паза 9 (с ребром 15) в разрушаемый материал внедряются как инденторы для дополнительных выступов 11 клиновидной формы, дополнительные режущие кромки 12 которых расположены под углом к продольной оси симметрии пластины. В пазу 9, который расположен между дополнительными выступами 11, в процессе внедрения пластины в разрушаемый материал будет осуществляться неполный контакт поверхностей 10 стенок паза 9 с разрушаемым материалом через мелкие частицы разрушенного материала. В результате этого на поверхностях 10 стенок паза 9 возникнут меньшие силы и контактные напряжения, чем на внешних гранях дополнительных выступов 11. На внешних гранях дополнительных выступов 11 возникнут силы, которые будут направлены перпендикулярно к поверхностям внешних граней дополнительных выступов. Составляющие указанных сил будут направлены в противоположные стороны и расположены перпендикулярно к продольной оси симметрии пластины, то есть перпендикулярно напластованию пласта. Указанные составляющие сил создают растягивающие напряжения в разрушаемом материале, что приводит к появлению трещин в разрушаемом материале непосредственно над пазом 9.

Так при разрушении угля инструментом с пластиной из твердосплавного материала описанной конструкции дополнительные выступы 11 с дополнительными режущими кромками 12 как бы разрывают угольные пачки пласта, ослабленные по пластованию и открывают крупные отдельности угля, ослабленные кливажными трещинами. Особенно четко указанный процесс прослеживается при работе резцов струга, которые оснащены пластинами описанной выше конструкции. При работе таких резцов возникают и действуют растягивающие напряжения в разрушаемом угле над пазом 9, что позволяет использовать слабую сопротивляемость угла растяжению, созданию направленных трещин в массиве. Все эти обстоятельства позволяют уменьшить величину сил резания и снизить энергоемкость процесса разрушения, а также повысить прочность и стойкость инструмента.

Сущность изобретения: пластина из твердосплавного материала для породоразрушающего инструмента содержит переднюю грань трапециевидной формы, центрально выступ и паз. Центральный выступ расположен на передней грани и имеет в поперечном сечении клиновидную форму. Паз расположен на передней грани пластины и открыт в сторону ее торцевой грани. Паз расположен симметрично относительно продольной оси пластины. Длина режущей кромки, которая образована пересечением граней центрального выступа, составляет не менее 0,1 и не более 0,5 от длины пластины. Стенки паза и соответствующие грани центрального выступа образуют два дополнительных выступа клиновидной формы. Режущая кромка каждого дополнительного выступа расположена к продольной оси пластины под углом, вершина которого ориентирована в направлении к главной режущей кромке. 5 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Пластина из твердосплавного материала для породоразрушающего инструмента, включающая переднюю грань трапециевидной формы и расположенный на передней грани центральный выступ, имеющий в поперечном сечении клиновидную форму, отличающаяся тем, что она выполнена с расположенным на ее передней грани и открытым в сторону ее торцевой грани пазом, который расположен симметрично относительно продольной оси симметрии пластины, а длина режущей кромки, которая образована пересечением граней центрального выступа, по продольной оси симметрии пластины составляет не менее 0,1 и не более 0,5 от длины пластины по той же оси, при этом поверхности боковых стенок паза и соответствующие поверхности граней центрального выступа образуют два дополнительных выступа клиновидной формы с дополнительными режущими кромками, каждая из которых расположена к продольной оси симметрии пластины под углом, вершина которого ориентирована в направлении к главной режущей кромке, причем ширина основания центрального выступа у торцевой грани пластины равна наибольшей ширине передней грани пластины. 2. Пластина по п.1, отличающаяся тем, что линия пересечения поверхностей каждой грани центрального выступа с поверхностью передней грани пластины расположена к продольной оси симметрии под углом, вершина которого ориентирована в направлении к главной режущей кромке. 3. Пластина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что площадь поперечного сечения паза увеличивается в направлении к торцевой грани пластины. 4. Пластина по одному из пп. 1 3, отличающаяся тем, что поверхности стенок паза образуют двугранный угол, ребро которого расположено в вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось симметрии пластины, и сопряжено с режущей кромкой, образованной пересечением граней центрального выступа. 5. Пластина по п.4, отличающаяся тем, что ребро двугранного угла, который образуют поверхности стенок паза, расположено к опорной грани пластины под углом, вершина которого ориентирована в направлении к торцевой грани пластины. 6. Пластина по одному из пп.1 5, отличающаяся тем, что она имеет переменную толщину, которая уменьшается в направлении от главной режущей кромки к торцевой грани пластины.