Горно-режущий инструмент для шахт в настоящее время представлен, главным образом, тангенциальными поворотными резцами, используемыми на проходческих и очистных комбайнах для разрушения нетронутого породного массива и превращения его в поток отдельностей на земную поверхность (рис.1).

Рисунок 1 – Исполнительные органы очистного (слева) и проходческого (справа)  комбайнов, оснащенные резцами

В процессе использования резцы изнашиваются и заменяются новыми. Скорость износа определяется соотношением прочности металла и породного массива. Одна шахта годовой мощностью 6-7 млн. т  потребляет 15-20 тысяч резцов за год, расходуя на их приобретение 5-8 млн. руб. В 2013 году в Российской Федерации было добыто 352 млн.т угля, из них подземным способом 101 млн.т [ 1]. Около 80 % подземной угледобычи России производится в Кузбассе. Ежегодно в шахты Кузбасса спускается порядка 200-250 тысяч резцов. Основными производителями и поставщиками резцов в шахты России являются машиностроительные заводы городов Новокузнецка, Юрги, Копейска, а также зарубежные фирмы-изготовители: Kennametal, Sandnik, Betek [ 2-6].

На рис. 2 представлен жизненный цикл комбайновых резцов на примере шахтного проходческого комбайна КП-21.

Рисунок 2 – Жизненный цикл комбайновых резцов

Для того чтобы шахта получила партию из 100 резцов  для КП-21 (масса одного резца составляет 1 кг) машиностроительный завод закупает на металлургическом комбинате 160 кг прутковой высокопрочной стали. В процессе вытачивания резцов отходы стали составляют порядка 60 кг  или 37 %. Кроме того на токарном резце изнашиваются и уходят в отходы 3-4 сменные твердосплавные пластины.

После изготовления  партия резцов закупается шахтой для последующей передачи на шахтный комбайн (очистной или проходческий). Поступившие на комбайн 100 резцов, по мере износа отработанных, устанавливаются на рабочий орган комбайна и осуществляют разрушение массива в забое. Различие горно-геологических и горнотехнических условий при проведении горных выработок и ведении очистных работ определяет различный расход резцов при их эксплуатации на разных комбайнах. Ежесуточный расход резцов может изменяться  в пределах от 6-8 штук при отбойке угля и до 100-150 штук при использовании в сверхтяжелых условиях, например при отработке прочных песчаников с коэффициентом крепости по проф.М.М.Протодьяконову  f=8-10).

В соответствии с инструкциями по технической эксплуатации резец на комбайне используется до стадии износа твердосплавного элемента, после чего подлежит снятию с исполнительного органа и замене новым резцом. Участок размещения твердосплавного элемента  составляет 15-20 % от массы и длины всей державки. Изношенный резец после снятия никак не восстанавливается по причине отсутствия надлежащих технологий,  а просто выбрасывается.  Попытки сбора резцов шахтами и передачи на переплавку не находят интереса у металлургов вследствие малых объемов металла  и больших транспортных издержек [ 7 ].

Таким образом, лишь  20-30 кг металла  резцов, поступивших на комбайн, используется продуктивно для отбойки горной массы, а оставшиеся после износа 70-80 кг металла поступают в отходы и попросту выбрасываются в забое. Около 5-8 % (а нередко и до 20-25%) резцов теряются вследствие ненадежного крепления. Суммарные отходы металла в  процессах «резцеизготовление-резцепользование» при нынешнем положении дела достигают 80-90%, что свидетельствует о недопустимо низком  уровне ресурсоэффективности в цепи «горное машиностроение-угледобыча» [ 8 ].

Методика исследований

Изучение степени и характера износа резцов шахтных комбайнов проводилось в шахтах Кузбасса и лабораториях Томского политехнического университета. Были обследованы более 15 шахт, исследованы более 1000 резцов, как российских, так и зарубежных поставщиков. На рис. 3 показана динамика степени износа резцов на проходческом комбайне КП-21 в ООО «Шахта Байкаимская» в сентябре 2011г.

Рисунок  3 – Динамика состояний резца в процессе эксплуатации на проходческом комбайне

Крайним слева показан резец в начале эксплуатации при установке на корону комбайна. По мере отбойки горной массы происходит износ твердосплавной вставки и корпуса резца вокруг нее. Состояние твердосплавного элемента перед полным выходом его из строя зафиксировано  на втором резце слева. Третий образец отражает состояние резца в момент утраты твердосплавной армировки. Четвертым резцом показано, что происходит с головкой без армировки при дальнейшей ее эксплуатации. Пятый образец характеризует состояние резца в момент снятия его с короны.

По результатам промышленных испытаний резцов фирмой «Горный инструмент» в очистных забоях шахт Кузбасса получены данные о причинах отказа этих резцов(табл. 1)[ 9].

Таблица 1

Удельный вес видов отказа резцов РШ

Согласно этим экспериментальным результатам, лишь 27 % резцов РШ вырабатывают свой ресурс полностью, перенося его на отбиваемую горную массу. Почти 50% резцов выходят из строя преждевременно, не окупаясь, а 25% – теряются и несут шахтам прямые убытки.

С целью снижения металлоемкости и повышения ресурсоэффективности процесса резцепользования была предложена конструкция резца РЕМ (резец многоразовый), позволяющая использовать державку несколько раз при условии обновления твердосплавного наконечника (армировки) [10]. Для этого была разработана головка со сменной рабочей частью, обеспечивающая быструю замену изношенной детали и возможность применения изделия повторно (рис.  4).

Рисунок 4 – Конструкция многоразового резца со сменной рабочей частью головки

Резец состоит из державки 1 с проточкой 2, головки 3 в виде тела вращения и наконечник 4 из твердосплавного материала. Головка 3 имеет сменную рабочую часть 5, на одном конце которой установлен наконечник, а на противоположном конце выполнен осевой выступ 6. В головке 3 имеется гнездо 7 для размещения осевого выступа 6. На противоположном головке конце державки просверлены отверстия 8, которые служат для установки шплинтов и предотвращения выпадения резца из резцедержателя.

При разработке были решены вопросы формы сменной головки, возможностей крепления ее к резцу, установления оптимальных параметров, исключения самопроизвольного выпадения и т.д.

Результаты испытаний

Испытания резцов многоразового применения были проведены в трех шахтах Кузбасса: «Шахта №12» (г.Киселевск), шахта «Осинниковская» (г.Осинники), шахта «Первомайская» (г.Березовский). Вопреки представлениям о неизбежной быстрой поломке резцов с такой головкой новый инструмент демонстрировал целостность в течение длительных сроков испытаний, как по углю, так и по породам средней крепости. В шахте «Первомайская» разработанные резцы были использованы на комбайне КСП-35 при проведении выработки комбайном по пласту  с присечкой 70% породы, представленной песчаником крепостью f = 10-11 по шкале проф.М.М.Протодьяконова. Даже в таких тяжелых условиях сменные части головок не поломались, не выпали, а служили  до полного износа. Резцы закупаемой марки РС в тот период меняли по 50 штук в смену. Скорость износа головки испытываемого резца РЕМИ при проведении выработки площадью сечения S = 17м² в этих тяжелых горно-геологических условиях представлена на графиках (рис. 5).

Кривая 1 описывает уменьшение длины головки резца с начальных 70 мм, а кривая 2 – показывает суммарный износ головки в процентах нарастающим итогом. Состояние резцов оценивалось по истечении одной (6 часов), двух (12 часов) и трех (18 часов) смен эксплуатации. Из анализа графиков понятно, что продолжительность эксплуатации многоразового резца для возможности его повторного использования в этих условиях.

Рисунок 5 – Скорость износа головки многоразового резца РЕМ

должна составлять порядка 3 смен. Состояние резца после снятия с комбайна  показано на фото (рис. 6).

Рисунок 6 –  Многоразовый резец после эксплуатации на комбайне КСП-35

Сверху видна изношенная сменная часть головки. Ее замена сделала возможным дальнейшую эксплуатацию резца по второму циклу, третьему и т.д. Всего контрольные резцы выдержали 9 циклов эксплуатации, что не является их пределом.  По оценке бригадира  проходчиков, при более внимательном контроле со стороны всех машинистов комбайна и своевременном обновлении головок резцы могли бы использоваться еще несколько  циклов. Расчеты показывают, что переход на оснащение комбайна таким изделием обеспечивает снижение уровня отходности металла в процессе «резцеизготовление-резцепользование» с нынешних 80–90 % до 18 % при пяти циклах  и до 9 % – при десяти циклах использования резца.

Заключение

Сложившиеся технологии производства и эксплуатации  резцов на шахтных комбайнах характеризуются высоким уровнем металлоемкости. Отходы металла в производственной цепи «изготовление-использование» резцов достигают 80-90%, что является расточительным с позиций современных требований к ресурсоэффективности промышленности. Разработанная конструкция резца со сменной рабочей частью головки существенно снижает уровень отходности металла (в 10 раз и более) в рассматриваемых процессах. Рентабельность затрат на предлагаемые резцы превышает 900 %. Разработанный горно-режущий инструмент помимо шахт  может быть выгодным для применения на комбайнах по строительству тоннелей, фрезерованию грунта в карьерах [11], по  ремонту дорожного полотна [12] и аналогичных машинах.

В соответствии со стандартом СТО 70238424.17.220.20.005-2011, для всех устройств передачи информации должна обеспечиваться электромагнитная совместимость. Для этого все устройства связи и телемеханики, должны проходить испытания по электромагнитной совместимости согласно ГОСТ Р 51317.6.5. При электропитании устройств связи и телемеханики от системы собственных нужд по схеме фаза-земля в цепи питания должен быть включен разделительный трансформатор и фильтр питания с полосой запирания от 5 кГц до 5 МГц.

В настоящее время при проектировании систем для энергообьектов стараются использовать проводные интерфейсы передачи информации, такие как Ethernet , RS-485 и через PLC-модем. При подключении разнесенных по объекту систем с питанием от общей сети наиболее интересным является использование PLC-модема, так как передача информации осуществляется по цепям питания и не требует прокладки дополнительных проводов. Передача данных в системах PLC осуществляется  различными типами модуляций. Самыми  распространенными являются: частотная манипуляция (Frequency Shift Keying, FSK), частотная манипуляция с разнесенными частотами (Spread Frequency Shift Keying, S-FSK), двоичная фазовая манипуляция (Binary Phase Shift Keying, BPSK) и ортогональное мультиплексирование с частотным разделением каналов (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). В таблице 1 приведено сравнение различных типов модуляций на основании двух главных критериев – эффективности использования полосы частот и сложности реализации.

Таблица 1 – Сравнение эффективности и сложности реализации в зависимости от типа модуляции.

У использования  проводных интересов очень есть серьезная проблема, это необходимость защиты от помех и электромагнитных импульсов большой мощности которые могут возникать на энергетических объектах. Зачастую такие защиты сложнее, чем сами проводные интерфейсы и уменьшают скорость передачи информации.

Если рассматривать беспроводные технологии, то основным можно считать ZigBee. Рассмотрим особенности использования беспроводного интерфейса на примере ZigBee. Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при малом энергопотреблении поддерживает не только простые топологии сети («точка-точка», «дерево» и «звезда»), но и самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую (mesh) топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Устройства ZigBee должны быть совместимы со стандартом IEEE 802.15.4-2003 беспроводных персональных сетей этот стандарт определяет работу на частотах 2.4 ГГц (в мире, не лицензированная частота), 915 МГц (Американский континент) и 868 МГц (Европа) диапазон ISM. На частоте 2.4 ГГц есть 16 каналов ZigBee. Такие данные дают хорошую возможность применения во многих областях. Но как же быть с помехоустойчивостью, основному требованию на энергетических объектах? Насколько обеспечиваться электромагнитная совместимость для такого типа связи? В теории все должно соответствовать стандартам и иметь достаточный уровень помехоустойчивости. Для  наилучшей оценки устройства должны пройти испытания по электромагнитной совместимости согласно ГОСТ Р 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5:2001) У беспроводных интерфейсов есть явные плюсы, такие как: отсутствие проводов, как следствие меньше наведенных помех, низкое энергопотребление, простота и удобство организации сетей.

Однако есть и минусы, среди них можно выделить следующие: цена оборудования, ограничение по частотам и мощности, ограниченное расстояние без ретрансляторов.

В качестве сравнения двух типов передачи, предлагаю рассмотреть систему оперативных блокировок безопасности «Блокпост-1» изготовления ООО  «НПФ «ЭЛНАП» которая содержит в своем составе PLC-модем и радиомодем с технологией ZigBee. Оба канала дублируют друг друга, что дает возможность сравнения в равных условиях. Комплекс оборудования данной  системы был испытан по электромагнитной совместимости согласно ГОСТ Р 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5:2001)устойчивость к электромагнитным помехам технических средств применяемых на электростанциях и подстанциях. Комплекс оборудования проходил испытания на базе АО «Научно-производственное предприятие «Циклон-тест» (аттестат аккредитации РОСС RU.0001.21МЭ16 по 28.05.2019). По результатам испытаний комплекс соответствует ГОСТу. Нас особо  интересует несколько отдельных пунктов протокола испытаний приведенных в таблице 2.

Таблица 2 – Протокол испытаний комплекса электротехнического оборудования системы оперативных блокировок безопасности «Блокпост—1»

Из протокола можно сделать следующие выводы: оба вида интерфейса прошли испытания на ЭМСи могут быть использованы на электростанциях и подстанциях, что открывает возможность применения их при проектировании приборов и систем для энергетики. У PLC модема в цепь подключения был установлен фильтр и защита от импульсных помех, что усложнило конструкцию. Тогда как ZigBee радио модем не нуждался в дополнительной защите. У беспроводного интерфейса  в энергетике огромный потенциал, по многим показателям они намного лучше, из основных плюсов можно выделить:

1. испытания он прошел без дополнительных мер защиты;
2. он достаточно помехоустойчив;
3. за время испытаний пакеты информации приходили в полном объеме, без искажений;
4. удобны в проектировании и эксплуатации комплексов и систем;
5. не требуют проводов;
6. имеют небольшие габаритные размеры;
7. имеет минимальное потребление;
8. имеет достаточно низкую цену;

Подводя итог можно сказать, что беспроводной интерфейс ZigBee можно рекомендовать как хорошую альтернативу проводным технологиям при проектировании систем для электроэнергетики.