Режущие наконечник и инструмент

Режущий наконечник (10) механического экскаватора содержит тело (11), имеющее, по существу,заостренный дальний конец (12), ближний конец (13), расположенный на расстоянии от дальнего конца, и стенку (14), которая расходится наружу от дальнего конца к ближнему концу. Стенка (14) имеет такой профиль, чтобы оказывать неравномерное распределение нагрузки на материал, подвергающийся ударному воздействию режущего наконечника для содействия образованию радиальных трещин в этом материале. В одном варианте стенка (14) имеет профиль,чтобы включать множество ребер (15) и промежуточных областей (16), при этом ребра (15) расположены так, чтобы вызывать более сконцентрированную нагрузку в подвергающемся ударному воздействию материале, чем нагрузка, оказываемая промежуточными областями (16). Чжан Лянчи, Арсекуларатне Джозеф Александер (AU) Медведев В.Н. (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ДЗЕ ЮНИВЕРСИТИ ОФ СИДНЕЙ 016278 Область техники, к которой относится изобретени Изобретение, в общем, относится к способам механической разработки грунтов и требуемому для этого оборудованию, а более конкретно, к режущим инструментам (обычно называемым резцами) для использования в таких процессах. Настоящее изобретение было разработано специально для механических экскаваторов, используемых в горнодобывающей промышленности, и данное изобретение описывается здесь именно в этом контексте. Однако следует понимать, что настоящее изобретение имеет более широкое применение и не ограничено только этим конкретным вариантом применения. Уровень техники Механические экскаваторы, оборудованные резцами, широко используются при выемке скальных пород и угля в горнодобывающей промышленности. Такое оборудование включает проходческие комбайны, комбайны непрерывного действия и длиннозабойные комбайны. Одним из наиболее широко используемых резцов является резец "точечного воздействия" (известный также как конический резец). Наконечник этих резцов, который непосредственно участвует в процессе резания, имеет коническую форму и выполнен из материала высокой твердости, такого как карбид вольфрама. Эти резцы особенно популярны, поскольку они имеют относительно долгий срок службы. Несмотря на популярность резцов точечного воздействия, они, как известно, вследствие инденторного воздействия приводят к образованию большого количества пыли, которую производит на месте удара конический резец, когда он дробит кусок угольной/скальной породы значительного объема. Чрезмерное количество пыли является самой большой проблемой, особенно при подземных угольных разработках, поскольку вредно сказывается на здоровье, приводя к таким недугам как черные легкие (пневмокониоз), самого смертоносного заболевания шахтеров. Обычные меры борьбы с избыточным пылеобразованием, такие как продувание больших объемов воздуха на высокой скорости, распыление воды и установка воздухоочистных скрубберов являются дорогостоящими и недостаточно эффективными. К тому же, помимо того, что резец ударного действия приводит к сильной запыленности, он, как известно,является чрезмерно энергоемким и производит слишком много шума (что может привести к потере слуха шахтеров), и он также приводит к образованию избыточного количества угольной мелочи, которая труднее поддается обработке на заводе, и, следовательно, переработка такого угля становится более дорогостоящей. Раскрытие изобретения Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается режущий наконечник механического экскаватора, содержащий тело, имеющее, по существу, заостренный дальний конец, ближний конец, расположенный на расстоянии от дальнего конца, и стенку, которая расходится наружу от дальнего конца к ближнему концу, при этом стенка имеет такой профиль, чтобы оказывать неравномерное распределение нагрузки на материал, подвергающийся ударному воздействию режущего наконечника для содействия образованию радиальных трещин в этом материале. Принимая во внимание вышесказанное, предлагается усовершенствованный режущий наконечник,который применим к резцам точечного воздействия (имеющим заостренный дальний конец). Описываемый в настоящем изобретении режущий наконечник имеет особую форму профиля для обеспечения неравномерного распределения нагрузки, чтобы способствовать образованию радиальных трещин на подвергаемом ударному воздействию материале. Таким образом, данный режущий наконечник отличается от обычного конического наконечника, который обеспечивает равномерное распределение нагрузки на подвергаемый ударному воздействию материал. Обычному коническому наконечнику свойственно оказание сжимающего воздействия на материал в точке соприкосновения с ним, когда инденторное действие резца вызывает большое количество круглых трещин, и это растрескивание приводит, в свою очередь, к образованию большого количества мелких частиц в таком хрупком материале, как уголь и скальная порода. В отличие от этого, согласно упомянутому выше аспекту настоящего изобретения режущий наконечник выполнен так, чтобы вызывать в материале растрескивание другого характера, с большой вероятностью появления радиальных трещин,что, в свою очередь, способствует выемке больших по размеру кусков породы и также образованию меньшего количества пыли благодаря сокращению количества круглых трещин. Поскольку в этом процессе меньшее количество породы подвергается раздроблению, то энергопотребление в данном случае также снижается, и производится меньше шума, и меньше изнашивается резец/наконечник. В одном из вариантов осуществления режущий наконечник имеет ось, а дальний и ближний концы расположены на расстоянии друг от друга вдоль этой оси. Кроме того, стенка тела наконечника имеет такой профиль, чтобы включать множество простирающихся в осевом направлении ребер и промежуточных областей, расположенных между ребрами. Ребра расположены так, чтобы вызывать более сконцентрированную нагрузку в подвергающемся ударному воздействию материале, чем нагрузку, вызываемую промежуточными областями, обеспечивая тем самым неравномерный профиль нагрузки. Профилирование стенки тела наконечника для получения указанных ребер может принимать различные формы. А именно, ребра могут простираться к ближнему концу тела наконечника, или они могут не доходить до ближнего конца. В предпочтительном варианте осуществления эти ребра простираются до дальнего конца, однако, в другом варианте осуществления, по меньшей мере, некоторые из этих ребер-1 016278 могут не доходить до дальнего конца. Каждое ребро может быть непрерывным или прерывистым, при этом некоторые или все из них могут быть выполнены из множества выровненных более коротких отрезков, которые все вместе образуют простирающееся в осевом направлении ребро. Кроме того, отдельные ребра могут простираться только в направлении оси наконечника, или, в качестве альтернативы, они могут простираться как в осевом, так и в радиальном по отношению к данной оси направлении, так что эти ребра образуют спираль на стенке тела наконечника. В одном из вариантов осуществления, по меньшей мере, некоторые из смежных промежуточных областей взаимно наклонены. В этой конструкции ребра расположены между соответствующими взаимно наклоненными промежуточными участками и образуют кромки на теле наконечника. В другом варианте осуществления смежные промежуточные области могут быть выровнены так, что ребро будет являть собой элемент, разграничивающий плоскости этих выровненных смежных промежуточных областей. В одном варианте осуществления промежуточные области могут действовать в качестве режущей поверхности наконечника. В этой конструкции по меньшей мере одна из промежуточных областей может быть, по существу, плоской по меньшей мере на одном участке этой области. Однако промежуточные области могут быть не только плоскими, а иметь дугообразный профиль по меньшей мере на одном участке их длины. В этой конструкции каждое ребро имеет радиус кривизны значительно меньший, чем соответствующий радиус кривизны дугообразной промежуточной области. Промежуточная область, которая включает дугообразный участок, может быть выпуклой, вогнутой или же иметь более сложную форму, включающую любую комбинацию плоского, вогнутого или выпуклого сечения. В одном варианте осуществления тело наконечника включает по меньшей мере три ребра. В конкретном варианте осуществления тело режущего наконечника имеет ближний конец, который является многоугольным. Кроме того, в другом конкретном варианте осуществления ребра простираются от углов ближнего конца так, что количество ребер соответствует количеству сторон многоугольника. Размеры режущего наконечника могут варьироваться в зависимости от инструмента, в котором данный наконечник используется. В одном варианте осуществления ребра имеют радиус кривизны от 0,1 до 20 мм. Кроме того, стенка тела наконечника или ребер расходится наружу к ближнему концу с углом конусности от 30 до 170. В одном варианте осуществления угол является таким, что во время эксплуатации при ударном воздействии режущий наконечник образует отрицательный передний угол. При этом величина угла конусности тела наконечника, приводящая к отрицательному показателю переднего угла,находится в зависимости от угла наклона, под которым режущий инструмент соприкасается с поверхностью обрабатываемого материала. Однако обычно угол конусности, находящийся в пределах от 100 до 140, может быть достаточным для достижения отрицательного переднего угла. Преимущество отрицательного переднего угла состоит в том, что он может увеличивать сжимающее напряжение, воздействующее на обрабатываемый материал, способствуя, таким образом, его растрескиванию. В одном варианте осуществления дальний конец имеет радиус кончика от 0,2 до 5 мм. Обычно режущий наконечник выполнен с возможностью установки на головку режущего инструмента. В одном варианте осуществления в ближнем конце тела наконечника расположен соединительный элемент для обеспечения этой установки. В одном варианте осуществления соединительный элемент представляет собой выступ, выполненный с возможностью размещения в соответствующем углублении в головке режущего инструмента. В альтернативном варианте осуществления соединительный элемент выполнен в виде углубления, а головка режущего инструмента имеет соответствующий выступ. Обычно режущий наконечник прочно установлен на головке инструмента любыми подходящими средствами, такими как сварка, или же с помощью механических крепежных средств. Такие наконечники выполняются из материала высокой твердости, такого как спеченный карбид вольфрама. Однако для изготовления наконечника также могут использоваться и другие материалы высокой твердости, такие как алмаз, поликристаллический алмаз (PCD), кубический нитрид бора (CBN) и поликристаллический кубический нитрид бора (PCBN), что будет очевидно специалистам в данной области техники. В другом варианте настоящее изобретение относится к режущему инструменту, содержащему корпус головки и режущий наконечник, выполненный согласно любому варианту осуществления, описанному выше, и расположенный на переднем конце этого корпуса головки. В конкретном варианте осуществления режущий инструмент выполнен с возможностью установки в держатель инструмента таким образом, чтобы можно было обеспечить вращение этого режущего инструмента вокруг центральной оси,которая проходит через режущий наконечник. Одно из преимуществ режущей головки, выполненной согласно упомянутому выше варианту осуществления, состоит в том, что она может быть установлена на обычные экскаваторы, которые ранее предназначались для использования с резцами точечного воздействия, имеющими конические наконечники.-2 016278 Краткое описание чертежей Представляется логичным описать далее варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Следует отметить, что особенноcти настоящих чертежей и соответствующее им описание следует понимать как не замещающие собой общие положения предыдущего подробного описания настоящего изобретения. На чертежах фиг. 1 представляет собой схематичный вид режущего инструмента согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; фиг. 2 представляет собой вид сбоку режущего наконечника инструмента, показанного на фиг. 1; фиг. 3 представляет собой вид сверху наконечника, показанного на фиг. 2; фиг. 4 представляет собой вид снизу наконечника, показанного на фиг. 2; фиг. 5 представляет собой схематичный вид еще одного варианта осуществления режущего инструмента, выполненного согласно настоящему изобретению; фиг. 6 представляет собой схематичный вид положения режущего инструмента, показанного на фиг. 1 при ударном воздействии на поверхность материала; и фиг. 7 представляет собой схематичное изображение характера растрескивания хрупкого материала в результате ударного воздействия на него режущим наконечником, показанным на фиг. 2. Подробное описание изобретения На фиг. 1 показан режущий инструмент 50 (известный также как резец) для механического экскаватора. Этот режущий инструмент 50 включает два основных элемента: режущую головку 51 и твердую вставку, называемую режущим наконечником 10, который размещается на переднем конце 52 этой режущей головки 51. Режущий наконечник 10 прочно закреплен на переднем конце 52 режущей головки 51 так, чтобы он мог воспринимать те значительные усилия, воздействию которых подвергается резец при работе. Режущий наконечник может быть припаян твердым припоем к режущий головке, и также он может включать выступ или углубление, который размещается в соответствующем ему по форме углублении режущей головки или выступ в режущей головке. Могут также использоваться и другие варианты закрепления или установки наконечника, включающие съемные механические крепежные средства, которые не выходят за рамки данного описания. Режущий инструмент 50 включает центральную ось CL и является, по существу, симметричным вокруг этой оси. При эксплуатации этот режущий инструмент 50 прикрепляется к держателю резца с возможностью вращения вокруг оси CL, что обеспечивает более равномерное изнашивание режущего наконечника 10. Режущая головка 51 включает увеличенный головной участок, на который устанавливается режущий наконечник, и цилиндрический хвостовик 54, который простирается назад от ближнего конца 55 головки 53. Этот хвостовик 54, имеющий типичную форму, устанавливается в держатель резца, экскаватора таким образом, чтобы не допустить осевого перемещения резца 50, но в то же время позволить ему совершать вращательное движение вокруг оси CL этого резца. При эксплуатации в соответствующие держатели резцов, которые установлены на вращающемся барабане экскаватора, обычно вставляется множество резцов 50. Эти резцы 50 простираются от барабана наружу, и когда барабан вращается, он перемещается по поверхности породы в направлении резания. Таким образом, резцы врезаются в поверхность породы под углом (обычно называемым углом наклона),и при ударном воздействии на породу резец обычно ориентирован так, как это схематично показано на фиг. 6. На фиг. 6 уголнаклона составляет менее 90, обычно порядка 55, тогда как передний уголзависит от углаконусности и угланаклона. В показанном варианте осуществления, поскольку уголконусности режущего наконечника является большим, передний уголявляется отрицательным (то есть,он заходит за линию, перпендикулярную поверхности породы). Хотя отрицательный передний угол не является важным для данного изобретения, он является благоприятным, поскольку улучшает эффективность работы резца. Более подробно форма режущего наконечника 10 показана на фиг. 2-4. В общем, режущий наконечник 10 включает тело 11 наконечника, имеющий заостренный дальний конец 12 и более широкий ближний конец 13. Заостренный дальний конец 12 расположен на центральной оси CL режущего наконечника, которая при работе совпадает с центральной осью CL наконечника режущего инструмента, как это показано на фиг. 1. В одном варианте осуществления дальний конец 12 является, по существу, полусферическим и имеет радиус кончика r1 от 0,2 до 5 мм. Режущий наконечник 10 также включает стенку 14, которая расходится наружу от дальнего конца 12 к ближнему концу 13. В отличие от резцов точечного воздействия, относящихся к предшествующему уровню техники, которые производят равномерное силовое воздействие при динамическом ударе по породе режущим наконечником, эта стенка имеет особый профиль, чтобы оказывать неравномерное силовое воздействие, которое при ударном воздействии способствует появлению радиальных трещин в обрабатываемом материале. В показанном на фиг. 2 варианте осуществления стенка 14 режущего наконечника имеет такой профиль, чтобы включать множество простирающихся в осевом направлении ребер 15,-3 016278 которые проходят от ближнего конца к дальнему концу, и множество промежуточных областей 16, которые расположены между ребрами. Как лучше всего показано на фиг. 3 и 4, ближний конец 13 режущего наконечника 10 приближается по форме к квадрату (с закруглением углов или без закругления) с ребрами 15, проходящими от конечных углов этого квадрата к заостренному дальнему концу 12. При этом режущий наконечник, как таковой, включает четыре ребра 15 и четыре промежуточные области 16 и имеет форму наконечника, несколько похожую на пирамиду с квадратным основанием. Профиль ребра может быть разным в зависимости от заостренности, но обычно он имеет радиус кривизны r2 от 0,1 до 20 мм. При такой конструкции промежуточные области 16 образуют прерывающиеся поверхности тела 14 наконечника. Эти поверхности являются взаимно наклоненными, и ребра 15 образуют углы между смежными поверхностями. Кроме того, хотя эти промежуточные области являются, по существу, плоскими, они могут быть и не плоскими, а скорее изогнутыми и дугообразными на участке от ближнего конца 13 к дальнему концу, как это лучше всего видно в сечении на фиг. 2. При этом величина изгиба промежуточных областей 16 влияет на результирующий передний угол резца, как это показано на фиг. 6. В показанном варианте осуществления промежуточные области выпуклые, чтобы обеспечить угол о конусности на дальнем конце от 120 до 140. Это обеспечивает наконечнику данной формы прочную вершину. Однако геометрическая форма режущего наконечника может быть такой, когда ее угол о конусности имеет более широкий диапазон показателей, чем указанный предел, и обычно может варьироваться от 30 до 170. А также угол конусности режущего наконечника может варьироваться вдоль промежуточных областей к ближнему концу. В показанном варианте осуществления промежуточные области имеют второй угол конусности вблизи ближнего конца тела наконечника,который является меньшим, чем угол конусности на дальнем конце для обеспечения отвода резца и, следовательно, минимизировать износ при резании. Хотя в показанном варианте осуществления промежуточные области показаны в общем выпуклыми, поскольку они выбираются в направлении дальнего конца, в альтернативном варианте осуществления эти области могут быть изогнуты внутрь, чтобы быть вогнутыми в этом направлении. Кроме того,эти вогнутые области могут проходить по ширине каждой области, или же они могут занимать только некоторый участок (обычно срединный участок) этой области. Кроме того, ребра могут быть расположены так, чтобы повторять профиль промежуточных областей, и в показанном варианте осуществления ребра 15 повторяют выпуклость промежуточных областей 16, когда они изгибаются к дальнему концу 12. Однако, изменяя высоту этих ребер вдоль их длины, эти ребра могут быть по-разному сориентированы относительно промежуточных областей, и, соответственно, они могут проходить по прямой линии, могут быть выпуклыми или вогнутыми, независимо от конфигурации имеющихся промежуточных областей (то есть, независимо от того, являются ли эти области плоскими, вогнутыми или выпуклыми). Таким образом обеспечивается больше возможностей для оптимизации формы режущего наконечника относительно его способствования процессу растрескивания и получению эффективных режущих поверхностей и хороших показателей износостойкости. Кроме того, в показанном варианте осуществления режущий наконечник 10 включает соединительный элемент 17, который проходит наружу от ближнего конца 13 тела 11 наконечника (фиг. 2). В показанном варианте осуществления этот соединительный элемент имеет форму укороченного хвостовика,который является цилиндрическим и выполнен с возможностью расположения в соответствующем углублении в переднем конце 52 корпуса головки 51 режущего инструмента. Следует понимать, что конструкция соединительного элемента может иметь и другие формы, известные специалистам в данной области техники. При использовании наконечника такой геометрической формы, которая включает ребра 15, профиль нагрузки на подвергающийся ударному воздействию материал не является равномерным, а именно,ребра наконечника выполнены так, чтобы воздействовать на обрабатываемый материал с большей нагрузкой, чем нагрузка, которую оказывают промежуточные области. Такая более высокая концентрация нагрузки в свою очередь способствует скорее радиальному растрескиванию этого материала, чем круговому растрескиванию, которое преобладает при применении обычных конических наконечников. Пример такого преобладающего радиального растрескивания показан на фиг. 7, где наконечником, имеющим геометрическую форму, показанную на фиг. 2, был нанесен динамический удар по хрупкому материалу 100, вызвав радиальные трещины 101. Это преимущество, заключающееся в возможности изменения характера растрескивания, способствует выемке фрагментов материала большего размера, а также меньшему пылеобразованию благодаря уменьшению кругового растрескивания. Кроме того, наконечник такой геометрической формы, которая показана на фиг. 2, дробит меньше материала, чем обычный конический наконечник, а также потребляет меньше энергии и является менее шумным и более износостойким. Хотя геометрическая форма наконечника, показанная на фиг. 1-4, имеет, по существу, основание в форме квадрата, допускается применение наконечников и другой конфигурации, которые обладают положительно оцениваемой способностью изменения характера растрескивания, о чем указывалось выше. Например, на фиг. 5 показан вариант осуществления, в котором резец 60 включает режущий наконечник 10, имеющий геометрическую форму, включающую пятиугольное основание, что означает наличие у него пяти ребер, а не четырех, как в варианте осуществления, описанном выше.-4 016278 В приведенной ниже формуле изобретения и в приведенном выше описании настоящего изобретения, везде, кроме тех случаев, где контекст предполагает другое значение, слово "содержать" или его формы, такие как "содержит" или "содержащий" используется со значением "включать", то есть для уточнения наличия изложенных признаков, а не для исключения наличия или добавления дополнительных признаков в различных вариантах осуществления настоящего изобретения. В описанные выше части настоящего изобретения могут быть внесены изменения и/или дополнения, не выходящие за рамки объема и сущности настоящего изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Режущий наконечник механического экскаватора, содержащий тело, имеющее, по существу, заостренный дальний конец, ближний конец, расположенный на расстоянии от дальнего конца, и стенку,которая расходится наружу от дальнего конца к ближнему концу, при этом стенка имеет такой профиль,чтобы оказывать неравномерное распределение нагрузки на материал, подвергающийся ударному воздействию режущего наконечника для содействия образованию радиальных трещин в этом материале,причем стенка имеет такой профиль, чтобы включать множество простирающихся в осевом направлении ребер и промежуточных областей, расположенных между ребрами, при этом смежные промежуточные области взаимно наклонены, а ребра, расположенные между взаимно наклоненными промежуточными областями, образуют кромки тела наконечника, которые расположены так, чтобы вызывать более сконцентрированную нагрузку в подвергающемся ударному воздействию материале, чем нагрузку, вызываемую промежуточными областями. 2. Наконечник по п.1, в котором ребра простираются к дальнему концу тела наконечника. 3. Наконечник по п.1 или 2, в котором по меньшей мере одна из промежуточных областей является,по существу, плоской по меньшей мере на одном участке этой области. 4. Наконечник по любому из пп.1-3, в котором по меньшей мере одна из промежуточных областей является дугообразной, а каждое из ребер имеет радиус кривизны, который значительно меньше, чем соответствующий радиус кривизны указанной или каждой дугообразной промежуточной области. 5. Наконечник по любому из пп.1-4, в котором ребра имеют радиус кривизны от 0,1 до 20 мм. 6. Наконечник по п.4 или 5, в котором по меньшей мере одна из промежуточных областей является выпуклой по меньшей мере на одном участке этой области. 7. Наконечник по любому из пп.4-6, в котором по меньшей мере одна из промежуточных областей является вогнутой по меньшей мере на одном участке этой области. 8. Наконечник по любому из пп.1-7, в котором тело наконечника имеет по меньшей мере три ребра. 9. Наконечник по любому из пп.1-8, в котором ближний конец тела наконечника является многоугольным, а ребра простираются от углов ближнего конца. 10. Наконечник по любому из пп.1-9, в котором стенка тела наконечника расходится наружу к ближнему концу и имеет угол конусности у дальнего конца от 30 до 170. 11. Наконечник по любому из пп.1-10, в котором дальний конец имеет радиус кончика от 0,2 до 5 мм. 12. Наконечник по любому из пп.1-11, выполненный с возможностью вращения вокруг оси. 13. Наконечник по п.12, у которого ось вращения проходит через дальний конец. 14. Наконечник по любому из пп.1-13, дополнительно содержащий соединительный элемент, расположенный на ближнем конце тела наконечника и выполненный с возможностью установки режущего наконечника в головку режущего инструмента. 15. Наконечник по п.14, в котором соединительный элемент выполнен в виде выступа, выполненного с возможностью размещения в соответствующем углублении в головке режущего инструмента. 16. Наконечник по п.14, в котором соединительный элемент выполнен в виде углубления, выполненного с возможностью размещения в соответствующем выступе в головке режущего инструмента. 17. Режущий инструмент, содержащий корпус головки, имеющий передний конец, и режущий наконечник по любому из пп.1-16, расположенный на переднем конце. 18. Инструмент по п.17, в котором режущий наконечник установлен на корпусе головки и выполнен из более твердого материала, чем корпус головки. 19. Инструмент по п.17 или 18, в котором он выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси. 20. Инструмент по п.19, в котором ось инструмента проходит через дальний конец режущего наконечника.