|
|
В результате взаимодействия с
грунтом зубья изнашиваются, уменьшаясь в размерах и изменяясь по форме.
Наибольший износ наблюдается по задней грани зуба и в меньшей степени — по
передней грани и в боковых его частях. Пригодность зуба для дальнейшей работы
определяется его степенью износа по задней грани, в результате которого
уменьшается его длина I, а следовательно, и вылет 1\. Зуб выбраковывают, если
его вылет становится меньше подачи на зуб (длины перемещения ЭТР за время, в
течение которого роторное колесо повернется на угол, соответствующий дуге
между двумя смежными зубьями, расположенными в одном ряду). Несоблюдение
этого условия в эксплуатации ЭТР приводит к быстрому износу ковшей вследствие
взаимодействия их передних кромок с грунтом. Одновременно ухудшаются
энергетические показатели процесса разработки грунта, поскольку кромки ковшей
выполняют весьма невыгодную с точки зрения энергоемкости работу по отделению
грунта от массива лобовым разрушением.
Еще более высокие требования в смысле износа предъявляются
к боковым зубьям. Характер их износа определяется резко выраженной
асимметрией силового взаимодействия зубьев с грунтом. Предельным состоянием
износа боковых зубьев считают такое, при котором- зубья перестают защищать
зубчатые венцы роторного колеса от непосредственного контакта с боковыми
стенками траншеи. Дальнейшая работа с такими зубьями приводит к износу
зубчатых венцов по торцам зубьев и к большим затратам энергии на преодоление
сил трения венцов о боковые стенки. В плотных и мерзлых грунтах может
наступить такое состояние, когда вся энергия двигателя ЭТР будет
расходоваться только на преодоление этих сил.
Под износом принято понимать постепенное поверхностное
разрушение материала взаимодействующих тел, сопровождающееся отделением от
них частиц. Если на трущиеся поверхности попадают мелкие частицы высокой
твердости или одно из сопряженных тел состоит из таких частиц, то получаемый
в результате взаимодействия этих тел износ называется абразивным. В этом
случае износ происходит весьма интенсивно. Его физическая сущность
заключается в том, что твердый абразив в процессе взаимодействия с трущимися
телами оставляет на их поверхности царапины, отделяя таким образом частицы от
этих тел.
Грунты обладают различной степенью абразивности. Это
зависит главным образом от твердости и крупности грунтовых частиц. В наиболее
часто встречающихся песчаных и супесчаных грунтах высокой твердостью обладают
карбиды кремния (800—1100 кгс/мм2 по шкале Вик- керса). Твердость сталей, из
которых изготовляют экскаваторные зубья, составляет 38—42 HRC\so, что
соответствует 360—420 кгс/мм2 по шкале Виккерса.
Чем больше разница по твердости грунтовых частиц и материала
зуба, тем интенсивнее происходит износ последнего.
В результате износа передняя часть зуба получает округлую
форму в продольном сечении и в плане. Форма износа зависит от физико-
механических свойств грунта и содержащихся в нем твердых частиц, от материала
зуба и его ориентации относительно забоя, а также от соотношения скоростей
резания и продольного перемещения (подачи) ЭТР.
Взаимодействие изношенного зуба с грунтом происходит таким
образом, что большая часть грунта отделяется от массива и перемещается далее
по передней грани в ковш, в нижней же части грунт уплотняется задней гранью в
массив. В том и другом случае происходит перемещение грунтовых частиц
относительно зуба. Иная картина наблюдается в промежуточной зоне между
передней и задней гранью. Примыкающие к этой зоне частицы грунта уплотняются
и образуют ядро ( 2.10), которое перемещается в грунте вместе с зубом, как бы
дополняя его [4]. Для продвижения зубьев с уплотненным ядром в грунте
затрачивается больше энергии, чем для продвижения острых зубьев при прочих
равных условиях. Это объясняется главным образом возникновением значительных
по величине сил трения на внешних поверхностях ядра.
Как ;\Ьке отмечалось, на форму износа оказывает влияние
соотношение скоростей подачи и резания. Такое соотношение пропорционально
углу б, который измеряется от нулевого до максимального значения на уровне
оси роторного колеса и выше. Этот угол уменьшает угол резания. При этом
непрерывно изменяются зоны наиболее интенсивного износа поверхности зуба. схема
износа задней грани зуба в предположении, что траектория движения режущей
кромки развернута на плоскость.
Из рассмотренного следует, что износ зубьев оказывает
вредное влияние на работу ЭТР, которое проявляется в двух формах: повышенном
расходе зубьев, а в случае несоблюдения сроков их замены — в повышенном
расходе карманов и ковшей с соответствующими затратами труда на их замену и в
снижении производительности ЭТР вследствие интенсивного роста удельной
энергоемкости процесса копания.
Скорость износа зубьев можно замедлить, если применить для
их изготовления материалы высокой твердости. Однако для применяемых в
настоящее время в машиностроении металлов и сплавов на их основе с повышением
твердости снижаются свойства, характеризующие их стойкость хрупкому
разрушению. Такие материалы в чистом виде не пригодны для изготовления
экскаваторных зубьев, работающих большей частью в тяжелых грунтовых условиях
при ударных нагрузках. Чтобы уменьшить вероятность хрупкого разрушения зуба,
его изготовляют из сталей 60С2 или 40Х, а переднюю грань армируют твердым
сплавом. Такое конструктивное исполнение, однако, не избавляет зуб от местных
выкрашиваний, особенно в зоне режущей кромки.
Характер износа армированного зуба отличается от износа,
рассмотренного ранее. На границе соединения с твердым сплавом основной
материал зуба изнашивается медленнее, чем на других участках его поверхности.
В этой зоне твердый сплав защищает основной материал от износа. При большой
разности твердостей составляющих элементов зуба после начальной приработки
форма его продольного профиля стабилизируется: задняя грань в зоне основного
материала с точностью до угла б совпадает с поверхностью ее следа в забое, а
затупление зуба целиком определяется формой армирующего слоя. В процессе
взаимодействия с грунтом зуб укорачивается, но форма его износа остается
прежней. Такое явление называют эффектом самозатачивания. С энергетической
точки зрения это означает, что удельная мощность разработки грунта остается
постоянной в течение всего времени работы ЭТР до полного износа зубьев.
Использование эффекта самозатачивания явилось предметом
многолетних исследований многих научно-исследовательских и конструкторских
организаций. Работниками ВНИИСТ было предложено несколько составов твердых
сплавов для армирования зубьев путем наплавки, из которых наибольшее
применение имел сплав ВСН-6. До 1965 г. эти наплавки были единственным видом упрочнения зубьев. Однако с расширением области использования ЭТР (с
переходом к круглогодичному строительству трубопроводов и перенесением центра
тяжести строительства на север страны и в районы Западной Сибири, где
основной объем строительных работ выполняется зимой) возникла проблема
массовой разработки мерзлых грунтов. Наплавки ВСН-6 не обеспечивали высокой
долговечности зубьев. В этих сложных географических условиях строительства
доставка грузов и техники весьма затруднена. Все это предопределило
дальнейшие направления развития научно-исследовательских работ по созданию
надежных и долговечных зубьев ЭТР. Были начаты работы одновременно в двух
направлениях: дальнейшее совершенствование твердосплавных наплавочных
материалов (ВНИИСТ) и разработка зубьев, армированных металлокерамическими
твердосплавными пластинами (СКВ «Газстроймашина» и ВНИИ твердых сплавов).
Кардинальное решение проблемы следовало искать в создании таких материалов,
твердость которых была бы равна или выше твердости абразивных частиц грунта —
карбидов кремния. Результатом первого направления была комбинированная
наплавка ВСН-8 f51] с твердостью не менее 55HRC, а результатом второго —
зубья, армированные пластинами из твердого сплава ВК-15 [3, 6]. Твердость
этого сплава составляла 1110 кгс/мм2 (по шкале Виккерса), что несколько выше
твердости кварцевых песков (800—1100 кгс/мм2). Испытания зубьев, армированных
металлокерамическими твердосплавными пластинами ВК-15, и дальнейшая
эксплуатация подтвердили их высокую износостойкость. Скорость износа этих
зубьев в десятки раз меньше скорости износа зубьев, наплавленных электродами
ВСН-6.
Зуб, армированный твердосплавной пластиной, состоит из
основного тела, называемого державкой, и металлокерамической пластины,
припаянной к державке.
При изготовлении зуба особое внимание уделяют режиму его
охлаждения после напайки, обеспечивающему минимальные остаточные напряжения.
Согласно исследованиям, проведенным в СКВ «Газстроймашина» [6, 26], наилучшие
результаты дает применение припоя JT62 с охлаждением после напайки в
индустриальном масле С-45 при температуре 20° С. Если этот режим будет
нарушен, то в соединенных пайкой элементах возникнут остаточные напряжения,
которые, складываясь с рабочими напряжениями в'процессе разработки грунта,
приводят к разрушению твердосплавной пластины.
В эксплуатации эти зубья требуют бережного отношения к
ним. Так, не допускается наносить удары по пластине (например, при установке
зубьев в карманы ковшей) во избежание Появления в пластине микротрещин,
которые приблизят время ее разрушения.
В настоящее время серийно изготовляют зубья трех видов:
для экскаваторов малой и средней мощности ЭТР161, ЭР7АМ, ЭР7П, ЭР7Е, ЭТР204,
ЭТР223 и ЭТР224 первого вида с наплавкой по передней грани электродами ВСН-6
или ВСН-8 ( 2.13, а) и второго вида с пластиной из металлокерамического
твердого сплава ВК-15 ( 2.13,6), для экскаваторов большой мощности ЭТР231,
ЭТР253 — зубья третьего вида, армированные металлокерамнческой твердосплавной
пластиной ВК-15 ( 2.13, в). Толщина наплавленного слоя составляет не менее 6,5 мм, а длина — 55 мм, что соответствует предельному линейному износу зуба. Пластина имеет в плане
в передней части закругленную форму. Толщина ее поперечного сечения
уменьшается в направлении к хвостовику зуба.
|