Тема 4. Методика расчета и выбор основных параметров дисковых шарошек по условию прочности

Основными вопросами при расчете дисковых лобовых шарошек на прочность являются: определение расчетных нагрузок, расчет опоры, выбор конструктивных параметров диска.

Определение расчетных нагрузок. Средние значения нагрузок X, Y и Z, установленные на экспериментальном стенде. Кратность среднепиковых и максимальных усилий разрушения породы в сравнении со средними также известна (табл. 4.1).

Таблица 4.1 – Кратность среднепиковых и максимальных усилий разрушения породы.

Однако экстремальные нагрузки на шарошках в производственных условиях отличаются от нагрузок, определенных на стенде. На забое могут образовываться целики, при сколе которых возникают большие боковые нагрузки. Экстремальные нагрузки на шарошках могут быть связаны также колебаниями исполнительного органа относительно его оси.

Наличие крепких прослоек или включений, вывалы породы в, забое приводят к тому, что напорное усилие и крутящий момент: комбайна неравномерно распределяются между шарошками.

Анализ поломок шарошек показал, что основным видом поломок дисков являлся односторонний скол лезвия (рис. 4.1, а).

Рисунок 4.1 – Виды поломок и характер напряженного состояния дисков шарошек

При твердости дисков HRC£50 наблюдалось смятие лезвий. Другие поломки дисков объяснялись, низким качеством изготовления.

Для определения величины и направления нагрузок, разрушающих диски, были проведены лабораторные исследования на натурном инструменте и на моделях.

Натурные исследования проводились на дисках лобовых шарошек диаметром 300 мм с углом заострения рабочей части 45° и радиусом скругления лезвия 1,5 мм. Диски были изготовленье из стали 35ХГСА с последующей закалкой до твердости 50 HRC.

Диски нагружались статической нагрузкой на гидравлическом стенде ПГ-100 в специальном установочном приспособлении, которое позволяло изменять высоту контакта h_K диска с пуансоном. Величины разрушающих нагрузок — боковой силы Х_р и напорного усилия Y_р — выбирались так, чтобы воспроизводились характер и величина односторонних сколов дисков, наблюдавшихся в производственных условиях. Результаты экспериментов, показали, что односторонний скол происходил под влиянием боковой нагрузки. Разрушающее значение этой силы не зависело» от напорного усилия и возрастало с увеличением высоты контакта.

Величина напорного усилия оказывала влияние только на «форму скола — размер В (рис. 4.1, б). Зависимость разрушающей боковой нагрузки от высоты контакта диска с моделью забоя характеризовалась степенной функцией:

(4.1)

где Хр — разрушающая боковая нагрузка, Н; h_к — высота контакта диска с моделью забоя, мм. Коэффициент вариации составлял 3,7%.

На моделях из оптически активных материалов было исследовано распределение напряжений в рабочей части дисков. Было установлено, что трещина зарождается в зоне, где растягивающие напряжения достигают максимального значения. Развитие трещины происходит по линии максимальных касательных напряжений (т — п) (рис. 4.1, в). Следовательно, относительная прочность дисков из однородного материала может быть охарактеризована величиной касательных напряжений.

При правильно выбранных параметрах исполнительного органа и комбайна, а также однородном забое нагрузки не должны превышать максимальных значений (см. табл. 4.1).

За счет неравномерности распределения нагрузок на шарошки (неоднородность забоя, вывалы породы, связанные с этим поперечные перемещения исполнительного органа) ориентировочно, с учетом лабораторных данных о прочности дисков, кратность нагрузок следует еще удвоить.

Расчет опор. Для расчета опор необходимо предварительно определить радиальную Р_р и осевую Р_ос нагрузки:

(4.2)

где Zp, Yр, Хр — расчетные соответственно перекатывания, напорные и боковые нагрузки с учетом кратности согласно табл. 4.1.

Затем в зависимости от конструкции шарошки определяют реакции в опорах. Последующий расчет оси и выбор подшипников производят известными методами. Выбор расчетных коэффициентов необходимо производить с учетом значительных кратковременных перегрузок; переменной частоты вращения диска; температуры, нагрева, достигающей 100 °С.

Выбор конструктивных параметров диска. Диаметр диска: целесообразно выбирать из условий обеспечения необходимой прочности опор и создания возможно легкой конструкции. Как показала отечественная и мировая практика, его рациональное значение находится в пределах 250—400 мм. Радиус скругления лезвия r_e должен быть не менее 1,5 мм, так как при меньших радиусах трудно обеспечить должное качество термообработки.

Твердость диска следует выбирать так, чтобы не происходило смятия лезвия и наряду с этим была обеспечена высокая прочность на изгиб (вязкость). Для стали 35ХГСА HRC=50¸55, для вольфрамовых сталей HRC = 57¸58.

При выборе угла заострения щечек d необходимо иметь в виду, что он влияет на прочность лезвия и величины нагрузок.

При оценке напряженного состояния рабочую часть диска в первом приближении можно рассматривать как клиновидную пластинку. Из теории упругости известно, что касательные напряжения в некоторой точке клина, характеризуемой координатами х и у, под действием нагрузки Р, приложенной под углом q к проведенному в расчетной точке радиусу-вектору:

(4.3)

Следовательно, касательные напряжения, влияющие на прочность лезвия, пропорциональны . С другой стороны, с увеличением d растут величины сил Z и Y.

В табл. 4.2 приведены данные сравнительных расчетов для острых шарошек.

Таблица 4.2 - Данные сравнительных расчетов для острых шарошек.

Из табл. 4.2 видно, что увеличение угла заострения оказывает большее влияние на прочность диска, чем на рост нагрузок. Поэтому из соображения обеспечения высокой прочности дисков целесообразно увеличивать угол их заострения. Например, для работы по породам средней крепости можно рекомендовать угол заострения 60°; по крепким породам угол заострения — 75°. Однако окончательный выбор этого угла должен быть согласован с выбором нагрузок, действующих на исполнительный орган и комбайн в целом, а следовательно, и с выбором конструкций последних.

На роторных исполнительных органах угол заострения диска лобовых шарошек следует принимать асимметричным.