Сменные инструменты для гидромолотов

Гидромолоты, как сменный рабочий орган гидравлических экскаваторов, в зависимости от условий работы могут оснащаться различными видами сменных инструментов, отличающихся в основном формой конца, взаимодействующего с обрабатываемым материалом.

Сменный инструмент гидромолота хоть и не является самой дорогой деталью, но в значительной мере определяет эксплуатационную надёжность и производительность.

Форма рабочего конца инструмента определяет его назначение и влияет на производительность гидромолота. Сменный инструмент может быть предназначен для разрушения различных прочных материалов, для уплотнения насыпных грунтов, для забивки в грунт каких либо столбиков, стоек.

Из инструментов для разрушения материалов различают пику, зубило, клин.

Наиболее универсальным инструментом является пика, которая оканчивается либо круглым конусом, либо пирамидой с несколькими гранями, либо плоским торцем (тупая пика).

Последнее время изготовители чаще предлагают четырёхгранную пирамиду, а не круглый конус. При внедрении в породу в зоне рёбер пирамиды в обрабатываемом материале создаются повышенные напряжения, способствующие образованию трещин. Однако изготовителей на придание пике пирамидальной формы толкает не столько ожидаемое повышение производительности гидромолота у эксплуатационщиков, сколько снижение трудоёмкости изготовления.

Если пике придать форму трёхгранной пирамиды, то эффект появления трещин в разрушаемом материале ещё усиливается. Оказалось, что выполнить грани пирамиды на цилиндрическом стержне проще с помощью специальной пилы, чем точить круглый конус на токарном станке. Металлической стружки при отпиливании граней пирамиды образуется гораздо меньше, чем при точении конуса. Интересы потребителей и производителей в данном случае совпадают.

Однако преимущества гранёной пики перед конической по мере износа рёбер 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 инструментом считается пика с плоским концом. Такой инструмент удобнее устанавливать на разрушаемый негабарит, так как он меньше соскальзывает при прижатии молота к объекту работы гидроцилиндрами рабочего оборудования экскаватора.

Но со временем и такой инструмент принимает на конце сферическую форму.

В 80-х годах прошлого века в научно-исследовательском институте горнохимического сырья испытывались инструменты для дробления негабаритов горных пород с рабочим концом, на котором была выполнена не выпуклая, а вогнутая сфера. Во время испытаний было отмечено, что вероятность соскальзывания при установке на точку у такого инструмента гораздо меньше, а эффективность разрушения негабарита не хуже, чем у плоского инструмента. Но широкого распространения инструмент с вогнутой сферой на рабочем конце не получил, вероятно, по технологическим причинам. Изготавливать инструменты с плоским торцем проще, а по мере износа все инструменты принимают форму близкую к выпуклой сфере утрачивая свои первоначальные преимущества.

Инструменты в виде двускосого клина предпочтительнее применять в тех случаях, когда желательно чтобы трещины в обрабатываемом материале распространялись в стороны от лезвия клина, например, при устройстве траншей. Изготавливаются инструменты, у которых лезвие клина располагается как поперёк оси рабочего оборудования, так и вдоль оси.

Клиновой инструмент с углом заострения более 30° обычно называют зубилом.

При рыхлении вязких пород или, например, мёрзлых грунтов наибольшая производительность при прочих равных условиях достигается применением клина с углом заострения 20…30°. Для других видов материалов оптимальная величина угла заострения может отличаться. Для эффективного рыхления мёрзлых грунтов, известняков и других подобных пород рекомендуется сначала организовать забой, а затем, отступая от открытой стенки забоя, забивать инструмент на максимально возможную глубину до образования в грунте трещин. Трещины в грунте образуются легче, если инструмент забит в грунт на некоторую глубину, а его поперечное сечение достаточно велико. Если же диаметр рабочей части инструмента мал, то в грунте образуются лишь отверстия без образования трещин. Инструмент забить в грунт тем легче, чем его масса меньше по сравнению с массой бойка. В случае образования трещин отколовшиеся от массива куски грунта можно откинуть в сторону забоя, используя гидроцилиндры рабочего оборудования экскаватора.

Обычно инструмент эксплуатируется и после того как его конец примет закруглённую форму.

Так, например, на запорожском заводе «Ферросплавов» разрушение негабаритов литейных шлаков осуществлялось с помощью гидромолота модели Д600. Длина рабочей части его нового инструмента, выступающая из буксы, составляет 790 мм. В работе инструменты использовались до тех пор, пока их рабочая длина не уменьшалась примерно до 250 мм. Такая эксплуатация инструментов возможна лишь в том случае, если инструмент не лопнет где-нибудь в средней части до его максимального износа по длине.

При работе инструменты гидромолота испытывают интенсивные ударные нагрузки, которые создают в теле инструмента напряжения сжатия, а в результате отражения ударных волн от концов инструмента и интерференции волн, и напряжения растяжения. К этим напряжениям прибавляются напряжения от радиальных составляющих опорных реакций, от изгибающих моментов, которые могут возникать по разным причинам.

Заводы-изготовители гидромолотов запрещают работать ими как ломом, пытаясь выворачивать куски материала , отделяя их от массива, но на практике такой способ работы часто применяется. В этих случаях инструмент нагружается изгибающим моментом и , если усилия гидроцилиндров экскаватора велики, а поперечное сечение инструмента недостаточно, чтобы выдержать изгибающие напряжения, то инструмент может лопнуть в зоне его выхода из буксы. Иногда потребители, эксплуатирующие гидромолоты, предъявляют претензии изготовителям, уверяя, что они не работали молотом как ломом, а инструмент разрушился в поперечном сечении.

К сожалению, такое тоже возможно и для этого могут быть свои причины. Например, молот устанавливается не вертикально, а под углом к горизонту и при этом прижимается к объекту работы не вдоль своей оси посредством соответствующих гидроцилиндров, а только весом экскаватора. В этом случае инструмент нагружается изгибающим моментом, в его сечениях появляются напряжения изгиба, к которым прибавляются напряжения, возникающие при ударе бойка. Ну и , конечно, поломки инструмента могут быть вызваны и некачественным изготовлением.

Например, если для инструмента неправильно выбран материал или режимы термообработки, если ещё в заготовке не выявлены скрытые дефекты материала, что может иметь место, когда за изготовление этих деталей берутся фирмы, которые плохо знакомы со спецификой работы и эксплуатации гидромолотов.

Другим фактором риска, повышающим вероятность поперечного излома инструмента, является увеличенный зазор между посадочным хвостовиком инструмента и втулками, в которых он перемещается. При изготовлении зазор в этой паре уже должен составлять примерно 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. Но по мере увеличения зазора в паре инструмент и его втулка, растёт и величина изгибающего момента от силы удара.

Обычно изготовители гидромолотов регламентируют предельно допустимую величину зазора, которую не следует превышать в процессе эксплуатации. Фирма KRUPP в составе принадлежностей для обслуживания своих молотов предусматривала специальный шаблон с концами «проход» - «непроход» для контроля величины допустимого износа втулки инструмента.

Какие ещё факторы могут ограничивать долговечность инструмента?

Сменный инструмент гидромолота фиксируется от выпадения из буксы с помощью одного или двух круглых или овальных в сечении пальцев. Эти пальцы половиной своего сечения заходят в пазы, выполненные 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, могут возникать и 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 выпадения из буксы. Так как контакт поверхностей происходит практически в точке, то напряжения смятия достигают критической величины. В результате по краям пазов на инструменте образуются заусенцы, препятствующие свободному перемещению во втулках.

У большинства моделей гидромолотов соударяющиеся торцы бойка и инструмента выполнены плоскими. Обеспечить параллельность соударяющихся поверхностей практически невозможно, в особенности при износе посадочных поверхностей инструмента и его втулок. Поэтому при ударе касание поверхностей соударения происходит не по центру бойка, а по переферии. Часть кинетической энергии бойка, то есть энергии удара, затрачивается на доворот инструмента до такого положения, когда плоскости торцев бойка и инструмента совпадут. В результате нецентрального удара и инструмент и наиболее ценная деталь – боёк нагружаются дополнительными моментами и скалывающими силами. Иногда это приводит к откалыванию кусков от соударяющихся поверхностей бойка и инструмента, что отмечалось даже у гидромолотов, изготовленных самыми известными зарубежными фирмами. В большинстве отечественных конструкций гидромолотов верхний торец инструмента выполнен сферическим. При этом центр сферы располагается в середине опорной поверхности втулок инструмента. При таком исполнении точка касания на плоском торце бойка располагается 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 происходит износ трущихся поверхностей. В гидромолоте модели «Импульс 310», на мой взгляд, применено полезное техническое решение, позволяющее центрировать инструмент по оси молота при его установке на точку работы. У инструмента этого молота имеются две 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, то при прижатии молота к объекту работы, инструмент стремится занять положение по оси буксы. Такое техническое решение способствует повышению ресурса инструмента, хотя на его изготовление расходуется несколько больше материала.

Обычно рабочая часть инструмента на всей длине (за исключением своего конца) выполнена в виде цилиндра. Но, на мой взгляд, рабочую часть целесообразно выполнять в виде конуса, поперечное сечение которого уменьшается в направлении к рабочему концу, то есть 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 по её длине более равномерны. А это значит, что при равных нагрузках конец конического инструмента в результате изгиба при равных напряжениях может отклониться на большую величину без поломки. То есть вероятность того, что лопнет при изгибе, уменьшается.

Помимо различных конструктивных особенностей на прочность и долговечность инструмента существенную роль играет выбор материала, из которого он изготавливается, от правильной термообработки. Материал инструмента должен иметь большой коэффициент ударной вязкости, а его твёрдость, получаемая в результате термообработки, должна быть возможно более высокой. Плотность энергии, то есть величина энергии удара, отнесённая к площади поперечного сечения, должна быть ниже, чем коэффициент ударной вязкости. При этом применяемая сталь должна обладать хорошей прокаливаемостью, чтобы высокая твёрдость обеспечивалась по всему поперечному сечению. Поэтому для изготовления прочных, износостойких инструментов применяются высоколегированные стали, содержащие хром, никель, марганец, ванадий.

Необходимым условием качественного изготовления сменных инструментов гидромолотов является магнитоскопическая или ультразвуковая диагностика материала заготовок и детали после термообработки, которая позволяет выявить наличие скрытых дефектов в виде трещин и раковин. Такие дефекты материала являются концентраторами напряжений, что приводит к преждевременному возникновению усталостных трещин и к излому инструмента.

Качественно изготовленный сменный инструмент при хорошем техническом обслуживании и соблюдении требований руководства по эксплуатации позволит добиться высокой производительности. Но в любом случае для исключения простоев по причине внезапной его поломки при интенсивной эксплуатации гидромолота целесообразно иметь в запасе ещё хотя бы один экземпляр, приобретённый в компании, имеющей положительный опыт изготовления сменных инструментов, в которой работают специалисты по гидромолотам.