Сменный инструмент гидромолота
Типы конструкций и факторы влияющие на долговечность инструмента

Гидромолоты как сменный рабочий орган гидравлических экскаваторов в зависимости от условий работы можно оснащать разными видами сменного инструмента, различающимися в основном формой наконечника, взаимодействующего с обрабатываемым материалом.

Конус, пирамида, плоскость

Форма рабочего наконечника определяет назначение инструмента и влияет на производительность гидромолота. Сменный инструмент может предназначаться для разрушения различных прочных материалов, для уплотнения насыпного грунта, забивки в грунт столбов, свай и стоек (рис. 1 и 2). Инструмент для разрушения материалов бывает в форме пики, зубила, клина.

Наиболее универсальным инструментом является пика, которая оканчивается либо круглым конусом (рис. 3), либо пирамидой с несколькими гранями (рис. 4), либо плоским торцом. Последнее время изготовители чаще предлагают четырехгранную пирамиду, а не круглый конус. При внедрении в породу в зоне ребер пирамиды в обрабатываемом материале возникают повышенные напряжения, способствующие образованию трещин. Изготовителей на придание пике пирамидальной формы толкает не столько желание повысить производительность гидромолота, сколько снизить трудоемкость изготовления. Оказалось, что выполнить грани пирамиды на цилиндрическом стержне проще с помощью специальной пилы, чем выточить круглый конус на токарном станке. Металлической стружки при отпиливании граней пирамиды образуется меньше, чем при вытачивании конуса. Интересы потребителей и производителей в данном случае совпадают. Однако преимущества граненой пики перед конической по мере износа ребер и вершины пирамиды постепенно утрачиваются – конец пики приобретает форму, похожую на сферу. Тем не менее инструмент в виде пики рекомендуется для разрушения бетонных конструкций и дорожных покрытий, каменной или кирпичной кладки.

Для дробления негабаритов горных пород, значительное количество которых образуется при добыче полезных ископаемых буровзрывным способом, наиболее подходящим считается пика с плоским концом. Такой инструмент удобнее устанавливать на разрушаемый негабарит, так как он меньше соскальзывает при прижатии молота к объекту воздействия гидроцилиндрами рабочего оборудования экскаватора. Впрочем, со временем рабочая кромка и такого инструмента принимает сферическую форму. В 1980-х годах в Научно-ис­следовательском институте горнохимического сырья испытывали инструмент для дробления негабаритов горных пород с рабочим наконечником в форме не выпуклой сферы, а вогнутой. Во время испытаний было отмечено, что вероятность соскальзывания при установке на точку у такого инструмента гораздо ниже, а эффективность разрушения негабарита не хуже, чем у плоского инструмента. Тем не менее широкого распространения инструмент с вогнутой сферой на рабочем наконечнике не получил по технологическим причинам. Изготавливать инструмент с плоским торцом проще, а по мере износа весь инструмент принимает форму, близкую к выпуклой сфере, утрачивая первоначальные преимущества.

Инструмент в виде двускосого клина предпочтительнее применять в случаях, если желательно, чтобы трещины в обрабатываемом материале распространялись в стороны от лезвия клина, например, при устройстве траншей. Изготавливают инструмент, у которого лезвие клина расположено как поперек оси рабочего оборудования, так и вдоль оси. Клиновой инструмент с углом заострения более 30° обычно называют зубилом. При рыхлении вязких пород (рис. 5) или, например, мерзлых грунтов (рис. 6) наибольшая производительность при прочих равных условиях достигается в случае применения клина с углом заострения 20…30°. Для других видов материалов оптимальный угол заострения может быть иным. Для эффективного рыхления мерзлых грунтов, известняков и других подобных пород рекомендуется сначала организовать, а затем, отступая от открытой стенки забоя, забивать инструмент на максимально возможную глубину до образования в грунте трещин. Трещины в грунте образуются легче, если поперечное сечение инструмента достаточно большое. Если же диаметр рабочей части инструмента мал, то в грунте образуются лишь отверстия без образования трещин. В случае образования трещин отколовшиеся от массива куски грунта можно откинуть в сторону забоя рабочим оборудованием экскаватора.

Гидромолот не лом!

Обычно инструмент эксплуатируют и после того, как его наконечник примет закругленную форму. Например, на Запорожском заводе ферросплавов разрушение негабаритов литейных шлаков вели с помощью гидромолота модели Д600 (рис. 7). Длина рабочей части его нового инструмента, выступающая из буксы, 790 мм. В работе инструмент использовали до тех пор, пока его рабочая длина не уменьшалась примерно до 250 мм. Такая эксплуатация инструмента возможна лишь в том случае, если инструмент не разрушится где-нибудь в средней части (рис. 8) до его максимального износа по длине.

При работе инструмент гидромолота испытывает интенсивные ударные нагрузки, создающие в теле инструмента напряжения сжатия, а в результате отражения ударных волн от наконечника инструмента и интерференции волн – и напряжения растяжения. К этим напряжениям добавляются напряжения от радиальных составляющих опорных реакций, от изгибающих моментов, которые могут возникать по разным причинам. Заводы – изготовители гидромолотов запрещают работать ими как ломом (рис. 9), пытаясь выворачивать куски материала, отделяя их от массива, однако на практике такие приемы работы часто применяются. В этих случаях на инструмент воздействует изгибающий момент, и если усилия гидроцилиндров экскаватора большие, а поперечное сечение инструмента недостаточное, чтобы выдержать изгибающие напряжения, инструмент может лопнуть в зоне его выхода из буксы.

Бывает, что потребители, эксплуатирующие гидромолоты, предъявляют претензии изготовителям, уверяя, что они не работали молотом как ломом, а инструмент разрушился в поперечном сечении. К сожалению, такое также возможно, и на это могут быть свои причины. Например, молот устанавливают не вертикально, а под углом к горизонту, и при этом он прижат к объекту работы не вдоль своей оси посредством соответствующих гидроцилиндров, а лишь массой экскаватора. В этом случае на инструмент действует изгибающий момент, в его сечениях появляются напряжения изгиба, к которым добавляются напряжения, возникающие при ударе бойка.

Еще одним фактором риска, повышающим вероятность поперечного излома инструмента, является увеличенный зазор между посадочным хвостовиком инструмента и втулками, в которых он перемещается (рис. 10). При изготовлении зазор в этой паре уже составляет 0,5…1 мм. Меньше исходный зазор делать не следует из-за опасности заклинивания инструмента во втулке. Дело в том, что зазор должен быть достаточным для удаления из него неизбежных продуктов естественного износа этой нагруженной пары. При прижатии гидромолота к объекту работы инструмент в пределах зазора неизбежно отклоняется от геометрической оси молота. Если это отклонение мало, то изгибающий момент от силы, возникающей при ударе бойка по инструменту, также невелик. По мере увеличения зазора в паре инструмент и его втулка растет и величина изгибающего момента от силы удара. Обычно изготовители гидромолотов регламентируют предельно допустимый зазор. Фирма Krupp в составе принадлежностей для обслуживания своих молотов предоставляла специальный калибр для контроля допустимого износа втулки инструмента.

Чтобы инструмент служил дольше

Какие еще факторы могут ограничивать ресурс инструмента? Сменный инструмент гидромолота фиксируется от выпадания из буксы одним или двумя круглыми или овальными в сечении пальцами (рис. 11). Эти пальцы половиной своего сечения заходят в пазы на боковых сторонах инструмента. При перемещении инструмента относительно буксы плоскости пазов скользят по поверхности пальцев. При ударе бойка помимо продольных и изгибающих нагрузок, действующих на инструмент, возникают крутящие моменты. Эти моменты образуются от поперечных не­уравновешенных сил, приложенных к краям лезвия клина или неравномерно изношенной пики. Инструмент, поворачиваясь вокруг своей оси, краями плоскостей пазов упирается в пальцы, фиксирующие от выпадания из буксы. Так как контакт поверхностей происходит практически в точке, напряжения смятия достигают критической величины. В результате по краям пазов на инструменте образуются заусенцы, препятствующие свободному перемещению во втулках. Для уменьшения эффекта образования заусенцев края пазов обычно закругляют, а диаметр инструмента в зоне пазов несколько уменьшают, чтобы образовавшиеся заусенцы не препятствовали демонтажу из буксы. И все же периодически следует инструмент извлекать из буксы и удалять заусенцы шлифовальной машинкой.

На большинстве моделей гидромолотов соударяющиеся торцы бойка и инструмента выполнены плоскими. Обеспечить параллельность соударяющихся поверхностей практически невозможно, особенно при износе посадочных поверхностей инструмента и его втулок. Поэтому при ударе касание поверхностей соударения происходит не по центру, а по периферии. Часть кинетической энергии бойка, т. е. энергии удара, затрачивается на доворот инструмента до такого положения, когда плоскости торцов бойка и инструмента совпадут. В результате нецентрального удара и инструмент, и наиболее ценная деталь – боек нагружаются дополнительными моментами и скалывающими силами. Иногда это приводит к откалыванию кусков от соударяющихся поверхностей бойка и инструмента. В большинстве отечественных конструкций гидромолотов верхний торец инструмента выполнен сферическим. При этом центр сферы располагается в середине опорной поверхности втулок инструмента. В таком исполнении точка касания на плоском торце бойка расположена практически в центре, а диаметр пятна контакта меньше диаметра нижнего торца бойка. При таком техническом решении сколы сколы на бойке и инструменте не наблюдались.

В конструкциях гидромолотов чаще всего ограничение верхнего положения инструмента в буксе предусмотрено при упоре его верхнего торца или заплечика, расположенного несколько ниже, в ограничитель в буксе. В оте­чественных моделях ГПМ-120, СП-71, МГ-300, «Импульс 300М», СП-62 инструмент опирается на нижний торец буксы своим буртиком, выполненным на рабочей части. При установке молота на точку и его прижатии гидроцилиндрами рабочего оборудования экскаватора инструмент неизбежно отклоняется в сторону в пределах зазора и прижимается частью поверхности посадочного хвостовика к поверхности втулки. Радиальная составляющая силы прижатия инструмента к втулке, умноженная на коэффициент трения, есть сила трения, на преодоление которой затрачивается часть энергии удара. Чем больше эта сила, тем быстрее изнашиваются трущиеся поверхности. В гидромолоте модели «Импульс 310», на мой взгляд, применено полезное техническое решение, позволяющее центрировать инструмент по оси молота. У инструмента этого молота имеются опорные конические поверхности: одна на буртике немного ниже верхнего торца, а вторая на буртике на рабочей части, который упирается в нижний край буксы. Так как опорные поверхности выполнены коническими, при прижатии молота к объекту работы инструмент стремится занять положение по оси буксы (рис. 12). Такое техническое решение способствует повышению ресурса инструмента.

Обычно рабочая часть инструмента по всей длине (за исключением наконечника) выполнена в виде цилиндра. Однако, на мой взгляд, рабочую часть целесообразно выполнять в виде конуса, поперечное сечение которого уменьшается в направлении к рабочему наконечнику, т. е. к острию. Во-первых при заглублении конуса в обрабатываемую породу возникают большие радиальные силы, способствующие возникновению трещин в разрушаемом материале. Во-вторых, конический инструмент легче извлекать из отверстия в грунте, чем цилиндрический. В-третьих, масса конического инструмента меньше, чем масса цилиндрического такой же длины. И, наконец, при нагружении конического инструмента изгибающим моментом напряжения в его рабочей части более равномерно распределяются по длине, а это означает, что при равных нагрузках наконечник конического инструмента в результате изгиба может отклониться на бо'льшую величину без поломки. То есть вероятность того, что инструмент лопнет при изгибе, уменьшается.

Помимо различных конструктивных особенностей на прочность и долговечность инструмента существенно влияют выбор материала, из которого он изготовлен, и то, насколько правильно выполнена термообработка. У материала инструмента должен быть большой коэффициент ударной вязкости, а его твердость, достигаемая в результате термообработки, должна быть как можно более высокой. Применяемая сталь должна обладать хорошей прокаливаемостью, чтобы высокая твердость обеспечивалась по всему поперечному сечению. Поэтому для изготовления прочных, износостойких инструментов применяют высоколегированные стали, содержащие хром, никель, марганец, ванадий.