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.

Мостовые сооружения прерывают земляное полотно дороги своими конструкциями, включающими пролетные строения и опоры. Высота пешеходных мостов определяется соответствующими габаритами приближения, а длина зависит от ширины перекрываемых участков. Пролетное строение перекрывает пространство между опорами, поддерживает все перемещающиеся по сооружению нагрузки и передает их и свой собственный вес на опоры. Опоры воспринимают усилия от пролетного строения и передают их через фундаменты на грунты основания.

Конструкции пролета выполняются из разных материалов, в зависимости от требований, которые применяются различным объектам. Их можно разделить на четыре группы: клееные деревянные конструкции, железобетон, металл и новый сейчас материал – стеклопластик. В данной статье мы рассмотрим 4 этих группы.

Деревянные мосты

Деревянный мост – это мост, пролетные строения которого выполнены из дерева. Дерево – материал, который с древнейших времен применялся в строительстве.

Россия и страны СНГ обладают большими запасами древесины, поэтому после второй мировой войны данный материал достаточно широко применялся при строительстве транспортных сооружений в этих странах. Однако, начиная с пятидесятых годов прошлого века было ограничено деревянное мостостроение в связи с появление новых материалов. В последнее время в Европе стало возрождаться в строительство деревянных мостов. В основном они начали появляться в таких странах как, Германия, Швейцария, Австрия. Успешный опыт проектирования и строительства таких мостов позволяет проектировщикам продвинуться в своей деятельности еще на шаг вперед [1, с.299].

В настоящее время для строительства деревянных пешеходных мостов чаще всего применяют клееные конструкции. Несущими элементами моста являются клееные или клеефанерные конструкции. В качестве опор возможно применение клееных деревянных конструкций, а также бетоны или железобетона. Кроме того, над некоторыми мостами утраивают легкие крыши. В основном, деревянные мосты имеют небольшие. При применении клееной древесины пролеты могут достигать восьмидесяти метров. Согласно нормативным документам изгибаемые элементы пролетов деревянных мостов должны быть изготовлены из дерева 1 сорта, остальные — из дерева 2 сорта. Влажность бревен должна составлять не более 25%, остальных материалов — до 20%.

Применяются такие мосты в местности, где имеются в достаточном количестве запасы сырья древесины. Наиболее удачным будет расположение их в естественном ландшафте, а не в городской среде.

Тип моста определяют исходя из экономических и технических возможностей. Основными системами деревянного моста являются: балочная, балочно-подкосная, с применением сквозных конструкций, висячие.

Балочные системы наиболее просты и удобны в эксплуатации. Главные балки обычно применяют клееными прямоугольными, либо двутавровыми клеефанерными. Поверх главных балок укладывается дощатый настил. Примером применения балочного моста может служить однопролетный пешеходный мост у озера Аммерзее в Германии (рис. 1). Его длина составляет 21 м, ширина 2 м. Пролёт включает в себя две главные балки, к которым по длине через 3 м подвешены поперечные балки. На поперечные балки уложены два прогона, сверху которых находится настил из досок.

Рисунок 1. Поперечное сечение балочного моста у озера Аммерзее в Германии

Для перекрытия пролетов больших размеров используются балочно-подкосные системы. Примером является пешеходный мост через реку Альб в Германии (рис.2). Данный пост является крытым. Пролет состоит из двух балок. Для поддержки несущих элементов моста принята подкосная система со стойками и подкосами.

Рисунок 2. Подкосная система с четырьмя подкосами моста через реку Альб в Германии

Примером моста с применением сквозных конструкций является пешеходный мост через реку Неккар в Германии (рис. 3). Центральный пролет моста имеет 80 м. Поперечное сечение моста равносторонний треугольник, который образовали три связанные друг с другом решетчатые фермы.

Рисунок 3. Мост через реку Неккар в Германии с применением сквозных конструкций

Пешеходный мост в г. Мартигни (Швейцария) – это мост с применением вантовых систем. Длина пролета составляет 28 м, ширина моста 2,5 м. Пролетное строение, которое состоит из двух главных балок, поддерживается двумя парами оттяжек. К этим балкам снизу присоединены поперечные балки, по которым уложен дощатый настил.

Преимущества деревянного мостостроения:

• простота изготовления элементов;
• эстетически привлекательны, отлично вписываются в естественный ландшафт;
• достаточная распространенность древесного строительного материала;
• по сравнению с мостами из других материалов имеют небольшую стоимость;
• срок службы клееных конструкций и антисептированной древесины составляет не менее 50 лет;
• данный материал не оказывает вредного воздействия на окружающую среду;
• дерево, которое пропитано антипиреном имеет 1 группу огнестойкости [2].

Недостатки деревянного мостостроения:

• материал неоднороден по структуре из-за сучков и других пороков древесины;
• непропитанная древесина подвержена горению и гниению;
• невысокий срок службы без антисептирования;
• высокие эксплуатационные расходы;
• не вписываются в городскую окружающую среду.
• не требуется применения таких тяжелых кранов, как для монтажа других конструкций.

Нормативным документом, регламентирующим проектирование и строительство деревянных мостов, является СП 35. 13330.2011, СП 46.13330.2012. 

Железобетонные мосты

Первый пешеходный мост из железобетона был построен в 1975 г. во Франции. Он имел длину 16 и ширину 4 м. Конструктивные формы мостов из железобетона были взяты не только из области мостов, строившихся ранее, но и созданы новые свойственные только ему. Железобетонные балочные мосты появились в конце ХIХ в. Первоначально применяли пролетные строения в виде плоских плит. По мере увеличения длины пролета пролетные строения стали сооружать в виде ребристых плит или балок. До революции в России железобетонное мостостроение развивалось под влиянием зарубежного опыта [3, c.59].

В железобетонных мостах к бетону предъявляются такие требования как, высокая прочность, водо- и газонепроницаемость, морозостойкость и др. Для мостов необходимо применение бетона классов от В20 до В60. Морозостойкость применяется в переделах от 100 до 400. Марка по водонепроницаемости должна быть не ниже W4. Водоцементное отношение должно составлять не более 0,6. Арматура принимается в зависимости от условий работы элементов конструкций. Возводить мосты можно из готовых элементов (что гораздо быстрее), либо бетонировать на месте. Железобетонные мосты из сборных конструкций применяют в основном пролетами до 42 м.

Широкое распространение железобетон получил в средних и малых мостах.

Поперечные сечения железобетонных пешеходных мостов бывают следующих видов: плитной конструкции, ребристого и коробчатого сечения (рис.4).

В большинстве случаев применяют плитную конструкцию. Данная конструкция может быть постоянной и переменной толщины.

Ребристое сечение применяют, когда длина пролета строения значительно больше ширины прохода. При ширине прохода 2-2,5 м задают тавровые и двутавровые поперечные сечения с одной главной балкой. При ширине превышающей 2,5 м устраивают двухребристое поперечное сечение.

Коробчатые сечения применяют в основном в криволинейных пешеходных мостах. Преимуществом данного типа сечения является то, что снизу не будет видно никаких ребер.

Рисунок 4. Типы поперечных сечений железобетонных пешеходных переходов

Существуют следующие схемы пролетного строения:

• балочно-разрезные и балочно-неразрезные, которые обычно монтируют кранами из цельноперевозимых балок;
  
• рамные, выполненные с вертикальными или наклонными стойками;
  
• арочные, закрепленные в монолитных устоях;
  
• с применением гибкой железобетонной лентой, высота которой составляет 1/200 перекрываемого пролета.
  

Примеров железобетонных пешеходных мостов достаточно много не только в Росии, но и за рубежом. Одним из них является пешеходный мост, построенный в Англии в Твикенхеме.

Преимущества железобетонных мостов:

• минимальные затраты на содержание (затраты значительно меньше по сравнению с металлом);
  
• индустриальность и технологичность в изготовлении;
  
• высокий срок службы;
  
• повышенная прочность;
  
• несущие конструкции железобетонных мостов не защищают от атмосферных воздействий.
  

Недостатки железобетонных мостов:

• высокий собственный вес;
  
• продолжительное время производства строительно-монтажных мостов;
  
• отсутствие архитектурной выразительности;
  
• высокая сметная стоимость;
  
• возможность трещинообразования из-за больших внутренних напряжений в конструкции;
  
• при значительной длине пролета увеличивается и строительная высота пролетного строения.
  

Нормативным документом, регламентирующим проектирование и строительство железобетонных мостов, является СП 35. 13330.2011, СП 46.13330.2012.

Металлические мосты

Металлические мосты – это сооружения, у которых пролетные строения и в некоторых случаях опоры выполнены преимущественно из стали.

Массово применять металлические мосты начали с середины XX века. Причиной этого стало использование сварки при производстве элементов мостов. В это же время начали использовать стальные фермы и балочные пролеты. Одновременно разрабатывались нормативные документы для проектирования типовых пролетных строений. Далее разрабатывались различные типовые решения. Начиная с 1955 года появляются новые требования к металлическим мостам, такие как снижение эксплуатационных затрат, эстетический вид и др.

Современные металлические мосты, как правило, выполняют из прокатной стали, которая содержит от 0,1 % до 0,25% углерода. Для мостов в основном применяют мартеновскую (углеродистую сталь) и низколегированную сталь. Мартеновская сталь имеет достаточно высокие механические свойства. Низколегированная стали имеет более легкий вес, чем Мартеновская, но при этом её стоимость будет выше.

Металлические пешеходные мосты имеют следующие системы:

• балочную;
  
• арочную;
  
• подвесную (висячие и вантовые мосты);
  
• подвижную [3, c.103-121].
  

Наиболее часто применяются балочные пешеходные мосты (рис.5). Существуют пролетные строения со сплошными главными балками, а также с главными фермами.

Диапазон перекрываемых пролетов с главными балками колеблется от 10 до 150 м и более. Пролетные строения бывают разрезными, неразрезными, и консольно-балочными. Главные балки используют двутаврового, либо коробчатого сечения. Их высота зависит от многих факторов и составляет 1/15-1/30 пролета. Сейчас металлические мосты устраивают с железобетонной или стальной ортотропной плитой прохожей части.

Рисунок 5. Поперечные сечения балочного металлического моста

За счет включения железобетонной плиты прохожей части снижается расход металла и увеличивается жесткость конструкции.

Пролетные строения с главными балками используют в мостах с длиной пролета от 30-40 м и более. Чаще всего применяют решетчатые фермы с движением поверху. При пролетах больших целесообразно использовать фермы с движением по низу, за счет чего сводится к минимуму строительная высота. Примером применения балочного моста является мост «Багратион» в Москве.

Арочные металлические мосты имеют большое разнообразие конструктивных решений. Главное достоинство таких систем архитектурная выразительность. В мостах со средними и малыми пролетами арки применяют сплошностенчатого сечения. Примером данного моста можно назвать пешеходный мост у Третьяковской галереи через водообводной канал в Москве.

Основой подвесных (висячих и вантовых) пешеходных мостов является система растянутых элементов из высокопрочных стальных канатов или вант. К канатам подвешивают балки жесткости с пешеходной частью. В висячих системах используют неразрезные цельнометаллические балки жесткости двутаврового или коробчатого сечения высотой от 1/100 до 1/300 пролета, а вантовых высотой 1/50-1/120 пролета. Примером может служить мост через р. Урал в г. Атырау.

Подвижные пешеходные мосты – мосты, имеющие подвижные пролетные строения. Видами подвижных мостов являются подъемные, поворотные, наклонные и др. Пример: мост через реку Тайн между Ньюкаслом и Гейтсхедом в Великобритании.

Преимущества металлических мостов:

• отличные механические свойства при разных условиях работы при нагружении;
  
• высокие темпы строительства, так как отдельные элементы собираются на заводах;
  
• высокая индустриальность и монтаж;
  
• за счет относительно малого веса, можно перекрывать большие пролеты даже до 1300 м;
  
• металл для пешеходных мостов хорошо поддается обработке, поэтому можно устраивать различные конструктивные системы;
  
• затраты на содержание ниже чем у деревянных мостов;
  
• срок службы выше чем у деревянных мостов;
  
• сметная стоимость ниже железобетонного мостостроения.
  

Недостатки металлических мостов:

• коррозия металла от действия окружающей среды;
  
• затраты на содержание выше, чем у железобетонных мостов;
  
• срок службы ниже, чем у железобетонных мостов;
  
• большая металлоемкость;
  
• небольшой собственный вес;
  
• сметная стоимость выше деревянного мостостроения [4].
  

Нормативным документом, регламентирующим проектирование и строительство металлических мостов, является СП 35. 13330.2011, СП 46.13330.2012.

Пешеходные мосты из стеклопластика

Стеклопластик – это материал, который состоит из стекловолокна, пропитанного термореактивным связующим. Данный материал предназначен для использования в строительстве взамен традиционных материалов.

Более 15 лет стеклопластик применяют для изготовления различных конструкций. Первый пешеходный мост из стеклопластика построили в 2004 году в микрорайоне Чертаново в Москве [5].

Рисунок 6. Пешеходный мост из стеклопластика в микрорайоне Чертаново в Москве.

В современных условиях стеклопластик применяют совместно с другими материалами, например бетоном или сталью.

Преимущества мостов из стеклопластика:

• небольшой вес материала, за счет чего упрощается монтаж материала;
  
• высокая сопротивляемость воздействию агрессивных сред;
  
• срок службы составляет более 100 лет;
  
• минимальные затраты на содержание;
  
• материал экономически эффективен при длительном сроке службы;
  
• эстетично вписываются в городскую среду;
  
• высокая скорость монтажа;
  
• экономия на опорных частях за счет малого веса пролетного строения.
  

Недостатки мостов из стеклопластика:

• высокая первоначальная стоимость, из – за высоких цен на сырье, индивидуальных проектов мостов и др.;
  
• стеклопластик не дает моментальной выгоды, и окупается через много лет.
  

Примером применения моста из стеклопластика является пешеходный мост в районе платформы «Чертаново» Московской железной дороги построенный в 2004 г.

Конструкции из полимерных материалов нельзя проектировать по тем же методика, что и железобетонные и металлические мосты. Нормативным документ для пешеходных мостов из стеклопластика является ГОСТ Р 54928-2012 «Пешеходные мосты и путепроводы из полимерных композитов. Технические условия».

Выводы

При проектировании пролетного строения пешеходного моста выбор материалов зависит от многих факторов, например, таких как стоимость, строк службы, эксплуатационные расходы, эстетическая привлекательность, собственный вес материала

Таким образом, наименьшую стоимость имеют деревянные мосты, наибольшую -стеклопластиковые. Самый низкий срок службы у деревянных мостов. Наибольшие эксплуатационные расходы имеют деревянные и металлические мосты, наименьшие стеклопластиковые. Лучше всего вписываются в естественный ландшафт деревянные мосты, а остальные в городской. Самый низкий вес имеет стеклопластик, самый высокий железобетон.