Породоразрушающий инструмент

 

Изобретение предназначено для использования в горных и землеройных машинах для оснащения их рабочих органов. Породоразрушающий инструмент изготовлен из стального литья с аморфообразующими элементами и исходной структурой сорбита отпуска. Инструмент включает хвостовик и клинообразную рабочую часть. На передней поверхности рабочей части, имеющей волнообразную форму, расположены электроды-турбулизаторы и стабилизатор с резонатором. На задней поверхности волнообразной формы расположены выкалывающий элемент и фигурный продольный паз со смещенным от продольной оси симметрии рассекателем потока. Глубины прогибов перед и после второй циклоиды передней и задней волнообразных поверхностей различны при различных выполнениях породоразрушающего инструмента. При выполнении инструмента для монолитной породы эти величины составляют соответственно 0,4; 0,75; 0,75 диаметра круга, образующего указанную циклоиду и равного 9-20 мм. При выполнении инструмента для ослабленной массы породы эти величины составляют соответственно 0,6; 1,0; 1,0 диаметра круга, образующего указанную циклоиду и равного 14- 56 мм. Инструмент позволяет повысить скорость разрушения породы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для оснащения рабочих органов горных и землеройных машин.

Известен породоразрушающий инструмент из стального литья с аморфообразующими элементами сорбитной структуры, включающий хвостовик и клинообразную рабочую часть, образованную передней поверхностью волнообразной формы, на которой расположены электроды - турбулизаторы и стабилизатор, боковыми поверхностями, на которых размещены турбулизаторы потока, и задней волнообразной поверхностью, на которой расположены выкалывающий элемент и фигурный продольный паз с ультразвуковым генератором и дополнительными наклонными пазами в диффузорной части. (Смотри, например, патент России N 2001264 от 1993 г. по кл E 21 C 25/38).

Недостатком аналога является то, что невозможна унификация инструмента для эффективного разрушения всех видов пород: песчаника, апатита, железной руды, диабаза, медной руды и т.п., так как инструмент не может подстраивать свою геометрию в ходе эксплуатации к физикомеханическим свойствам разных пород. Во-вторых, взаимодействие пород с повышенной пластичностью: глиной, суглинком, мерзлым и сырых песком, углем, сланцем, а также механометоморфизированной породой - массой ослабленной, например взрывом, приводит к периодическим стопорениям рабочих органов горных машин. Это происходит из-за того, что уплотняющаяся перед инструментом пластичная масса превращается в монокристалл за счет поляризационных процессов. Достаточная же эластичность и пластичность монокристаллов препятствует развитию усталостного малоциклового разрушения от прикладываемых сдвиговых напряжений. К тому же для разрушения пластичных монокристаллов требуется приложение только в критической точке сдвигового напряжения с флуктуацией в 2 - 3^o (Смотри, например, патент СССР N 720174 1979 г. по кл E 21 F 13/08). Так как электроды - турбулизаторы не имеют требуемых габаритов для приложения усилия в критической точке и при этом имеют повышенную изгибную жесткость, не позволяющую прикладывать сдвиговое напряжение с флуктуацией в 2 - 3^o, то машинисты экскаваторов и бульдозеров при стопорении вынуждены периодически изменять угол взаимодействия инструмента с массивом до нового стопорения, обычно через 1,0 - 1,5 м. Опытные машинисты в ходе экскавации и рыхления постоянно изменяют на 2 - 3^o угол взаимодействия, не доводя рабочее оборудование до стопорения. Следовательно уровень техники с точки зрения долговечности недостаточен, так как не обеспечивается унификация, то есть подстройка геометрии инструмента к различным физикомеханическим свойствам пород и не обеспечивается разрушение пластичных монокристаллов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является породоразрушающий инструмент из стального литья с аморфообразующими элементами сорбитной структуры, включающий хвостовик и клинообразную рабочую часть, образованную передней поверхностью волнообразной формы, на которой расположены электроды - турбулизаторы и стабилизатор с резонатором, боковыми поверхностями, на которых размещены турбулизаторы потока, и задней поверхностью волнообразной формы, на которой расположены выкалывающий элемент и фигурный продольный паз со смещенным от продольной оси симметрии рассекателем потока в конфузорной части паза и с ультразвуковым генератором и дополнительными наклонными пазами в диффузорной части фигурного продольного паза. (Смотри, например, патент России N 2052102 от 1996 г. по кл E 21 C 35/38.) Недостатком прототипа является то, что хотя и обеспечивается подстройка геометрии инструмента к физикомеханическим свойствам разрушаемой породы при износе рабочей части инструмента по длине, однако это происходит достаточно медленно. При переходе на взаимодействие с породой отличающийся на 4^o и более по углу внутреннего трения процесс подстройки практически затягивается до выработки полного ресурса инструмента по длине. Несмотря на наличие специфического профиля, а именно выкалывающей поверхности и электрода - турбулизатора, обеспечивающих фокусировку энергии в глубь массива и турбулизацию диспергированной массы в пограничном слое, инструмент периодически переходит с разрушения выколом на разрушение сколом и разрушение резанием. Это связано с тем, что с одной стороны инструмент ковшей экскаваторов и рыхлителей бульдозеров периодически существенно меняют углы взаимодействия: 50 - 70^o с массивом забоя, а именно: при переходе от внедрения - горизонтального участка длиной 2 - 5 м к черпанию - криволинейной траектории экскавации длиной 10 - 12 м или при переходе от заглубления - участка траектории длиной 0,5 - 3,0 м к рыхлителю - горизонтальному участку длиной 20 - 200 м. С другой стороны из-за существенного увеличения изгибной жесткости рабочей части инструмента в процессе ее износа по длине. А это значит рассогласование собственной частоты колебаний рабочей части инструмента с частотой сдвиговых напряжений генерируемых ядром повышенного давления объемного напряженного состояния - ПД (плоской деформации), образующегося перед инструментом. Следствием указанного и является повышение энергоемкости разрушения, а тем самым и уменьшение долговечности инструмента.

Во-вторых, так как породы с коэффициентом крепости по шкале Протодьяконова 0,5 - 7,0 и с углами внутреннего трения от 16 до 38^o предрасположены к образованию пластичных монокристаллов, не говоря уже об механометоморфизированной породе, при работе инструмента происходит периодическое его стопорение. Иными словами, несмотря на весьма высокий уровень техники прототипа по сравнению с уровнем техники аналога, а тем более серийного инструмента с клинообразным профилем, достигнутый прототипом уровень техники недостаточен, так как требуется создание устройства, авторегулирующего изгибную жесткость рабочей части инструмента, для быстрой подстройки геодинамических параметров инструмента к физикомеханическим свойствам разрушаемой породы; а также требуется устройство, обеспечивающее сдвиговые деформации с флуктуацией в критической точке пластичных монокристаллов, образующихся перед инструментом.

Достижение повышенного уровня техники возможно, когда породоразрушаюший инструмент из стального литья с аморфообразующими элементами сорбитной структуры включает хвостовик и клинообразную рабочую часть, образованную передней поверхностью волнообразной формы с глубинами прогибов брахистохрон перед и после второй циклоиды, равных соответственно при взаимодействии с метоморфизированной породой (монолитом): 0,4 и 0,75 диаметра, образующего указанную циклоиду круга δ^*= 9 - 20 мм, в при взаимодействии с механометоморфизированной породой соответственно: 0,6 и 1,0 диаметра, образующего указанную циклоиду круга σ^*_p = 14 - 56 мм, на которой расположен электроды - турбулизаторы, причем первый электрод - турбулизатор выполнен в виде зеркального отражения второй циклоиды высотой, равной диаметру образующего ее круга, то есть соответственно при взаимодействии с монолитом или с ослабленной массой, равного: H_пд.м.= δ^* и H_пд.о.= σ^*_p и ограниченный по длине перпендикуляром с высотой h₁= δ^*, восстановленным от продольной оси симметрии и стабилизатор с резонатором, боковыми поверхностями на которых размещены турбулизаторы потока и задней поверхностью волнообразной формы с глубиной прогиба брахистохроны 0,75 диаметра, образующего вторую циклоиду круга δ^*= 9 - 20 мм при взаимодействии с монолитом и 1,0 диаметра, образующего вторую циклоиду передней поверхности круга σ^*_p = 14 - 56 мм при взаимодействии с ослабленной массой, на которой расположены выкалывающий элемент и фигурный продольны паз со смещенным от продольной оси симметрии рассекателем потока в конфузорной части паза и с ультразвуковым генератором и дополнительными наклонными пазами в диффузорной части фигурного продольного паза.

Сущность изобретения заключается в следующем. Низкочастотное 2 - 8 Гц взаимодействие инструмента с породой, определяемое приводом горной машины, вызывает в породе при фокусировке отраженной ультразвуковой энергии от металла инструмента образование сначала зоны смятия породы, затем ядра повышенного давления и, как следствие, круговой поляризации полярных групп типа: COOH^- и OH^- и, кумулятивной струи, причем последние в свою очередь образуют тороидальные резонаторы и второе ядро повышенного давления. Поляризация уплотняемой массы породы приводит к изменению сцепления гидроксильных групп OH и карбоксильных COOH, определяющих дипольный момент молекул и их высокую механическую прочность, а также приводит к появлению поверхностных волн Рэлея, следствия процессов переупаковки и изменения плотности фаз. Так как соединения полярных групп OH^-, NH^- и COOH^- имеют легкий концевой атом, то в процессе поляризации резко повышается частота колебаний этих соединений. В момент охлопывания кавитационных пузырьков полярных групп, мигрировавших в зону поверхностей скольжения, достигается плазменная частота поглощения 20 - 60 кГц, изменяющая дипольный момент и вызывающая рост амплитуды сдвиговых напряжений в соответствии с теорией Р.Э.Пайерлса. При этом уровень энергии разрывает валентные и ковалентные связи, что дезинтегрирует слой породы толщиной до 2 в зоне поверхностей скольжения - скорлупы уплотненного эллипсоида и тем самым отделяется кусок породы в виде уплотненного эллипсоида от массива забоя, за мгновение до разрушения, представляющего собой объемное напряженное состояние (ПД). В соответствии с последним сдвиговое напряжение будем называть напряжением сдвига-отрыва τ_сд.-o. При повышенной пластичности вместо уплотненного эллипсоида образуется пластичный монокристалл, для разрушения которого высокочастотная вибрация, строго организованная во времени и в пространстве, недостаточна, требуется приложение флуктационного напряжения сдвига-отрыва в критической точке ПД. Для предотвращения образования монокристаллов П.А. Михиревым было апробировано автоматическое управление для периодического изменения угла взаимодействия ковшей экскаваторов с породой. Для обеспечения усталостного малоциклового разрушения породы, в том числе и вязких пластичных монокристаллов путем приложения генерируемого ядром повышенного давления ПД с частотой 1700 - 2700 Гц напряжения сдвига-отрыва, В.М. Берманом был применен объемный гидропривод с гидроаккумуляторами, который растягивал время взаимодействия инструмента с массивом. Существенное снижение величины коэффициента трения-скольжения и перевод трения-скольжения в трение-качение в пограничном слое на инструменте за счет применения циклоидально-брахистохронных поверхностей, обеспечивающих разного рода турбулизацию, также позволяет снизить частоту стопорений. Анализ этого явления показал, что совокупность прогибов определенной глубины и в определенном месте на задней и передней поверхностях рабочей части инструмента является устройство по авторегулированию собственной частоты колебаний за счет изменения изгибной жесткости и приведенной колеблющейся массы путем образования и последующего переноса газообразного металла в слое Кнудсена. Это устройство работает только при рассогласовании генерируемой частоты сдвига-отрыва f_o с собственной частотой f_ин рабочей части инструмента на 5 - 30%. С целью активизации процесса образования раскаленного газообразного металла при наложении высокочастотных модуляций напряжения в скин-слое металла и последующего его переноса в слое Кнудсена, циклоидально-брахистохронный клиновидный профиль рабочей части инструмента был скорректирован. Тонкую же подстройку fs_ин к f_o обеспечило фрезерование металла чередой вихревых колец в диффузоре. В соответствии с изложенным, глубины брахистохрон передней и задней поверхностей были скорректированы таким образом, чтобы резонансная длина инструмента определялась разностью между длиной инструмента до зоны термического ослабления и длинами проекций на продольную ось симметрии отрезков, получаемых между точками брахистохрон передней поверхности контактирующих с касательными, наклон которых к продольной оси симметрии равен , и точками пересечения указанных касательных с касательными к кругам построения носка задней поверхности и к брахистохроне задней поверхности, наклон которых к продольной оси симметрии равен При этом частота пульсаций напряжения сдвига-отрыва, проходящая сквозь турбулизированные слои, накладывается на частотную модуляцию f_ин в скин-слое металла инструмента, что интенсифицирует образование раскаленного газообразного металла на брахистохронах до уровня, позволяющего стабильно авторегулировать изгибную жесткость рабочей части инструмента. Последнее происходит за счет уменьшения высоты сечения рабочей части инструмента в процессе эксплуатации, когда рабочая часть от износа уменьшается по длине. Иными словами отношение средней высоты сечения к длине рабочей части обеспечивается постоянным, в то время, как у серийного инструмента это отношение резко возрастает в процессе эксплуатации. (Справка: технология эксплуатации импортного инструмента регламентирует периодический перемонтаж для замены передней поверхности на заднюю, что в определенной степени исправляет ситуацию).

Предлагаемая геометрия существенно снижает сопротивление внедрению инструмента в массив, обеспечивая стабильное разрушение породы выколом, то есть с минимальной энергоемкостью без стопорных режимов. Для гарантированной работы инструмента без стопорных режимов одновременно предлагается заменить первый электрод - турбулизатор передней поверхности на удлиненный, который при низкочастотных колебаниях инструмента с амплитудой 3 - 5 мм сможет контактировать с флуктуацией в 2 - 3^o с критической точкой образующихся вязкопластичных монокристаллов, что приведет, как минимум, к сдвигу более мелких составляющих частей монокристалла относительно друг друга. Такое нарушение целостности монокристалла в соответствии с законом Г.В.Вульфа резко повышает поверхностную энергию монокристалла и приводит к его растрескиванию с образованием газообразных продуктов дезинтеграции. Условием сдвига в монокристалле является наложение цилиндрической симметрии одноосного сжатия на симметрию монокристалла в точке наиболее устойчивых структур, повторяющихся по Б.М.Лейбову в их геометрическом ряду со знаменателем q^-_o⁶, где q_o = 1,26. А так как минимальный радиус, определяющий глубину скин-слоя поляризационных процессов в монокристалле, R_ПД=0,25·l^*, то критическая точка наиболее устойчивых структур находится на высоте перпендикуляра, восстановленного от продольной оси инструмента, а именно h_⊥= R_пд·q^-_o⁶= δ^*.

Для оптимизации упомянутого удлиненного электрода - турбулизатора следует учитывать, что при его габаритах, по высоте равных H_пд.м.= 51·σ^*_я.м.·Re^-1·λ^-_к¹≃ δ^* или H_пд.о.= 51·σ^*_я.о.·Re^-1·λ^-_к¹≃ σ^*_p в зависимости от объема газообразных продуктов дезинтеграции и диспергированной массы, получаемых при взаимодействии инструмента с монолитом или с ослабленной массой, резко возрастает давление непосредственно перед ним, что повышает вязкость инициированного им турбулентного потока, который обеспечивает интенсивное поглощение полярных групп, являющихся поверхностно-активными веществами (ПАВ). Если ПАВ в обычных условиях мгновенно мигрируют в межзеренное пространство металла инструмента и охрупчивают его поверхностный слой, то указанные габариты по высоте существенно препятствуют этому процессу, одновременно снижая коэффициент сопротивления движению. Перевод ламинарного потока в турбулентный возможен практически для всех известных пород при числах О.Рейнольдса Re > 2300.

Следует отметить, что длина ПД для механометоморфизированной породы, подверженной одноосному сжатию, равна постоянной величине l^* = 0,23684 м, в то время как длина ПД метоморфизированной породы изменяется от 0,21 до 0,15 м в зависимости от угла внутреннего трения, изменяющегося соответственно от 48 до 16^o. Основной величиной, определяющей процесс разрушения и усилие внедрения инструмента в породу, является напряжение сдвига-отрыва. Упомянутая величина, неоднократно определявшаяся на базе преобразованной из декартовых координат в полярные диаграммы: "Нагрузка - Смещение", получаемой при определении ударной вязкости, позволила разработать алгоритм расчета для всех физико-механических параметров разрушаемых пород, требуемых при расчете оптимальной геометрии порордоразрушающего инструмента исходя из двух параметров: угла внутреннего трения и плотности породы. Для более полного понимания сущности изобретения предлагается пример расчета заявляемых параметров на базе указанного алгоритма для коронки рыхлителя бульдозера типа T-35.01 (T-500), взаимодействующего с монолитом апатита, и для зуба ковша экскаватора ЭКГ-10, взаимодействующего с механометоморфизированным апатитом (см таблицу, где ρ^* - угол внутреннего трения породы; α^* - максимальный энергетический угол по Е.З.Позину; β^* - - минимальный энергетический угол внутреннего трения по Е.З.Позину; Z^* - минимальный угол поляризации; γ^* - максимальный угол поляризации ζ^* - вибрационный угол трения; σ_п - коэффициент С.Д. Пуассона; σ^*_п - коэффициент Пуассона в момент разрушения породы по А.Н.Зеленину; l^* - длина плоской деформации - ПД механометоморфизированной породы перед моментом разрушения; h^* - основная высота ПД механометоморфизированной породы; h^** - основная высота ПД метоморфизированной породы; σ^*_я.о - диаметр ядра повышенного давления Ж.В.Буссинеска; σ^*_p - диаметр круга К.Ф.Мора, определяющий предел прочности при растяжении; σ^*_сж.- диаметр круга К.Ф.Мора, определяющий предел прочности породы при сжатии, а также длину ПД метоморфизированной породы; σ^*_я.м - диаметр ядра повышенного давления Ж.В.Буссинеска для метоморфизированной породы; δ^* - диаметр уплотненного вихря турбулизированного слоя или толщина пограничного слоя из диспергированной массы; ∂n^* - толщина захватываемого механометоморфизированного слоя породы или полная высота ПД метаморфизированной породы; τ^*_сд.-oα - вектор сдвига-отрыва при скорости внедрения 0,1 м/с, что соответствует величине вектора сдвига-отрыва при максимальном энергетическом угле; k^*_я - вектор интенсивности шарового тензора гидростатического давления; k^*_σ - вектор интенсивности девиатора напряжений; T^*_э - вектор интенсивности тензора разрушающего напряжения, отражающего совокупность шарового тензора гидростатического давления и девиатора напряжений. (Угол между k^*_я и k^*_σ равен 90^o. При определении механических свойств породы T^*_э.90 берется при ϕ_э = 90^o); ϕ_э - угол между поверхностью внедрения и направлением движения внедряемой поверхности; K^*_м.м - коэффициент механометоморфизма по Т.И.Берман; K^*_cα - коэффициент скорости при α^*; σ^*_c - вектор, определяющий напряжение сцепления; σ^*_пол.- вектор определяющий величину поляризации; ∂V^* - скорость деформации; П^*_c - коэффициент пограничного слоя; П^*_к - коэффициент вязкости подслоя Кнудсена; R^*_p - коэффициент турбулизации; ∂V^*/∂n^* - градиент скорости; L_н.о.с. - средняя длина куска механометоморфизированной породы при разрушении ее сколом; C_ф. - фазовая скорость; L_ср.о.р. - средняя длина куска механометоморфизированной породы, разрушенной резанием; L_н.м.с. - средняя длина куска метоморфизированной породы, разрушенной сколом; L_ср.м.р. - средняя длина куска метоморфизированной породы, разрушенной резанием; f_о. - частота пульсации напряжения сдвига-отрыва, генерируемая ядром повышенного давления Ж.В.Буссинеска на базе эффекта пьезоэлектрострикции по А.В.Берману; f_о. - частота поглощения (излучения) энергии в резонаторе Г.Л.Гельмгольца по Р.Тейлору; F_р. - площадь сечения горлышка резонатора; V_я.г. - объем газа в ядре повышенного давления Ж. В.Буссинеска, образующегося в результате пьезоэффектов на субзернах породы; f_В. - частота изгибных колебаний волновода ПД; f_н.о.с. - низкая частота ПД механометоморфизированной породы при разрушении ее слома; f_ср.о.р. - средняя частота ПД механометоморфизированной породы при разрушении ее резанием; f_н.м.с. - низкая частота ПД метоморфизированной породы при разрушении ее сколом; f_ср.м.р. - средняя частота ПД метоморфизированной породы при разрушении ее резанием; C^*_L.п - скорость продольной ультразвуковой волны в массиве при максимальном сжатии пор, то есть при давлении 50 - 70 МПа по А.В. Берману; T_из. - время, определяющее плотность пульсации излучаемой кинетической энергии; ρ_п - - плотность породы; ν - кинематическая вязкость пограничного слоя из диспергированной массы; μ - динамическая вязкость пограничного ламинарного слоя; τ_сд.-oα - напряжение сдвига-отрыва для разрушения породы по А.В.Берману (уравнение получено на основании условия текучести И.Ньютона); τ_сд.-oα - напряжение сдвига-отрыва для разрушения метоморфизированной породы (Уравнение базируется на плотности излучения кинетической энергии во времени) по А.В.Берману и Д.В.Берману; ω_из - плотность излучения кинетической энергии, колеблющейся по синусоидальному закону, по М.А.Лаврентьеву; ω_из - плотность излучения кинетической энергии по времени при генерации напряжения сдвига-отрыва из ядра повышенного давления по В.М.Берману; k_пер. - коэффициент перехода; σ_сж - предел прочности породы при одноосном сжатии; K_у - коэффициент связи; σ_p - предел прочности породы при растяжении; σ_я.о - предел прочности при сдвиге шаровой поверхности ядра повышенного давления при проворачивании в ПД механометоморфизированной породы; σ_я.м - предел прочности при сдвиге шаровой поверхности ядра повышенного давления при проворачивании в ПД метоморфизированной породы (монолите); δ - предел прочности при сдвиге шаровой поверхности турбулизированного вихря при проворачивании его в ПД метоморфизированной породы; σ_c - напряжение сцепления, по Н. Н.Маслову, совокупность пластичного сцепления, обусловленного водно-коллоидными обратимыми связями и структурного жесткого сцепления обусловленного прочностью цементационно-кристаллизационных связей, необратимых при разрушении; σ_пол - напряжение поляризации формирующее величину сцепления; C^*_L.п - скорость продольной ультразвуковой волны в уплотненном массиве метоморфизированной породы по Ал.Д.Берману; U - скорость сдвига в набегающем потоке; U^* - скорость сдвига в рассеченном несимметрично набегающем потоке по А.В.Берману; C_R - скорость поверхностной волны по Дж.У.Рэлею; E_ст.п. - модуль упругости породы по Т.Юнгу; E^*_g.п - модуль упругости породы перед моментом разрушения или модуль динамической упругости; G_ПД. - модуль сдвига при ПД метоморфизированной породы по Г.М.Авчяну; G^* - модуль сдвига в слое из диспергированной массы при ламинарном течении; K - модуль всесторонней объемной упругости; C_s.п. - скорость поперечной волны в ПД; d^*_a.з - - средний диаметр абразивного зерна, образовавшегося при спекании породы при пьезоэффектах в зоне несмятия в ядре повышенного давления по Д.В.Берману; d^*_c.з - диаметр субзерна породы по Ан.Д.Берману; ν^* - кинематическая вязкость турбулизированного слоя; μ^* - динамическая вязкость турбулизированного слоя; R_e. - число 0, Рейнольдса; λ_к - коэффициент сопротивления движению при трении-качении вихрей турбулизированного слоя по Н.Блазиусу; λ_c - коэффициент сопротивления движению при трении-скольжении по А.Н.Соболевой; T_В.П. - время поглощения электромагнитной энергии; Θ_пд - период релаксации ПД метоморфизированной породы; Θ^* - период релаксации диспергированной массы по Д.К.Максвеллу; f_П.В. - частота пульсации турбулизированных вихрей по О.А.Берман; S_п.н. - поверхность натяжения вихревых колец; l_п.н. - периметр дуги контактирования турбулизированных вихрей в критическом сечении продольного фигурного паза; W_e - число В. Э.Вебера для набегающего потока из диспергированной массы и газообразных продуктов дезинтеграции; W^*_e - число Вебера для набегающего потока, закрученного по спирали; ρ_п.б - плотность породы в кумулятивной струе по Н.Е.Соболеву; ρ_п.б - плотность породы в ядре повышенного давления в соответствии с представлениями Ж.В.Буссинеска; ζ^* - основной угол наклона передней поверхности (наклонной N1) к оси симметрии; 2ζ^* - основной угол наклона задней поверхности (наклонной N2) к продольной оси симметрии; L_1.м.; L_1.о. - расстояние по наклонной N 1 до вершины 1-й циклоиды передней поверхности. В данном случае и далее по тексту первая величина относится к инструменту бульдозера, взаимодействующего с монолитом - метоморфизированной породой, вторая величина относится к инструменту экскаватора, взаимодействующему с ослабленной массой - механометоморфизированной породой; Δl_н.м.; Δl_н.о. - отрезок, отсекаемый перпендикуляром продольной оси от наклонной N 1; L^*_2.м.; L^*_2.o. - отрезок по наклонной N 1 от перпендикуляра продольной оси симметрии до проекции на наклонную N1 вершины 1-й брахистохроны передней поверхности; L_2.м.; L_2.о. - отрезок наклонной N1 до проекции на нее вершины 1-й брахистохроны; L_3.м; L_3.о. - отрезок наклонной N1 до вершины 2-й циклоиды; L^*_3.м.; L^*_3.o. - отрезок наклонной N1 от перпендикуляра продольной оси симметрии до вершины 2-й циклоиды; L_4.м.; L_4.о. - отрезок наклонной N1 до проекции на нее вершины 2-й брахистохроны; L^*_4.м.; L^*_4.o. - отрезок наклонной N1 от перпендикуляра продольной оси симметрии до проекции на нее вершины 2-й брахистохроны; L_5.м.; L_5.о. - отрезок наклонной N1 до зоны термического ослабления; L^*_5.м.; L^*_5.o. - отрезок наклонной N1 от перпендикуляра продольной оси симметрии до зоны термического ослабления; D_Б.; D_Э. - высота посадочного места инструмента, определяющая протяженность зоны термического ослабления; L_6.м.; L_6.о. - отрезок наклонной N1, определяющий оптимальную длину рабочей части инструмента; L^**_4.м.; L^**_4.o. - отрезок продольной оси симметрии до проекции вершины 2-й брахистохроны передней поверхности; L^**_5.м.; L^**_5.o. - - отрезок продольной оси симметрии до зоны термического ослабления; L^**_6.м.; L^**_6.o. - длина рабочей части инструмента; высота верхней части носка инструмента; высота нижней части носка инструмента; h_0.м.; h_0.о. - высота носка инструмента; расстояние между вершиной 2-й брахистохроны передней поверхности до продольной оси симметрии; величина перпендикуляра от продольной оси симметрии до вершины брахистохроны задней поверхности; h_4.м.; h_4.о. - высота сечения инструмента между вершинами 2-й брахистохроны передней поверхности и брахистохроны задней поверхности; h^*_4.м.; h^*_4.o. - высота инструмента в зоне вершины 2-й брахистохроны передней поверхности и задней поверхности с учетом глубины диффузора; высота перпендикуляра от вершины 3-й циклоиды передней поверхности до продольной оси симметрии; величина перпендикуляра, восстановленного от продольной оси симметрии из начала зоны термического ослабления до наклонной N2; h_5.м.; h_5.о. - величина перпендикуляра к продольной оси симметрии в зоне вершины 3-й циклоиды передней поверхности между наклонными N1 и N2; h^*_5.м.; h^*_5.o. - высота сечения в зоне начала термического ослабления; C^*_L.ин.- продольная ультразвуковая скорость в металле инструмента; ρ_ин.- плотность металла инструмента; E^*_ин.- модуль упругости металла инструмента при температуре соответствующей точки П.Кюри (T_к. = +768^oC); P_р.Б. - результирующее максимальное усилие на клыке бульдозера; P_ст.Б. - усилие стопорения бульдозера; P_р.э. - результирующее усилие на блоке ковша экскаватора; P_ст.э. - усилие стопорения на блоке ковша экскаватора; P^*_р.э.- эффективное результирующее усилие на ковше экскаватора; m_т. - масса трактора; m_р. - массы рыхлителя; m_Б. - масса бульдозера; P^*_р.б.- эффективное результирующее усилие на клыке бульдозера; σ_из.- напряжение, определяющее предел прочности металла инструмента при изгибе; σ_в.- предел прочности металла инструмента при растяжении; σ_-01- предел выносливости металла при многоцикловом растяжении с асимметрией цикла 0,2; W_4.К.Б.; W_4.К.Э. - конструктивный экваториальный момент сопротивления сечения инструмента в зоне вершины 2-й брахистохроны передней поверхности; W_4.М.Б.; W_4.М.Э. - максимальный механический момент сопротивления в зоне вершины 2-й брахистохроны передней поверхности; b_4.Б.; b_4.Э. - ширина инструмента в зоне вершины 2-й брахистохроны передней поверхности; W_5.К.Б.; W_5.К.Э. - конструктивный экваториальный момент сопротивления сечения инструмента в начале зоны термического ослабления; W_5.М.Б.; W_5.М.Э. - максимальный механический момент сопротивления в зоне вершины 3-й циклоиды передней поверхности рабочей части инструмента; b_4.Б.Ф.; b_4.Э.Ф - фактическая ширина инструмента в зоне вершины 2-й брахистохроны; W_4.К.Б./W_4.М.Б.; W_4.К.Э./W_4.М.Э. - коэффициент необходимого запаса конструктивной прочности в зоне вершины 2-й брахистохроны; W_4.К.Б.Ф./W_4.М.Б.; W_4.К.Э.Ф./W_4.М.Э. - фактический коэффициент запаса конструктивной прочности; W_5.К.Б./W_5.М.Б.; W_5.К.Э./W_5.М.Э. - коэффициент необходимого запаса конструктивного момента сопротивления в зоне термического ослабления; b_5.Б.; b_5.Э. - минимальная необходимая толщина инструмента в зоне термического ослабления; b_5.Б.Ф.; b_5.Э.Ф. - фактическая толщина инструмента в зоне термического ослабления; W_5.К.Б.Ф./W_5.М.Б.; W_5.К.Э.Ф./W_5.М.Э. - фактический коэффициент запаса конструктивного момента сопротивления в зоне термического ослабления: h_ср.Б.; h_ср.Э. - средняя высота рабочей части инструмента без учета продольного фигурного паза; l_р.д.м.; l_р.д.о. - резонансная длина рабочей части инструмента; Δl_м.б.; Δl_о.э.- сокращаемая длина рабочей части инструмента за счет уменьшения приведенной колеблющейся массы в 1,57 раз, так как чередование максимальных и минимальных конструктивных моментов сопротивления по длине повышает его устойчивость к усталостному малоцикловому разрушению; сокращаемая длина рабочей части инструмента в зоне 1-й брахистохроны передней поверхности за счет оптимальных прогибов, обеспечивающих уменьшение приведенной колеблющейся массы; сокращаемая длина рабочей части инструмента в зоне 2-й брахистохроны передней поверхности; j^*_цик.- величина, определяющая углы между продольной осью симметрии и касательными к 1-й и 2-й брахистохронам передней поверхности; i^*_брах.- величина, определяющая углы между продольной осью симметрии и касательными к образующим кругам носка и брахистохроне задней поверхности; L_7.м.; L_7.о. - отрезок по наклонной N 2 от касательной к брахистохроне задней поверхности до пересечения с перпендикуляром, являющимся одновременно касательной к образующему кругу в конце первой циклоиды передней поверхности; H_1.м.; H_1.о. - величина прогиба 1-й брахистохроны передней поверхности, обеспечивающая максимальное уменьшение колеблющейся массы инструмента; H_4.м.; H_4.о. - величина прогиба 2-й брахистохроны, обеспечивающая максимальное уменьшение колеблющейся массы; H^*_4.м.; H^*_4.o.- величина прогиба брахистохроны задней поверхности, обеспечивающая максимальное уменьшение приведенной колеблющейся массы; b_ср.Б.; b_ср.Э. - фактическая средняя ширина инструмента: J_Б.; J_Э. - экваториальный момент инерции сечения инструмента в зоне начала термического ослабления; C_И.Ж.Б.; C_И.Ж.Э. - изгибная жесткость инструмента; K_1/2; K_2(1/2) - коэффициент приведения, зависящий от формы колебаний; m_Б.; m_Э. - масса инструмента на базе резонансной длины; m^*_б.; m^*_э.- приведенная масса инструмента на базе резонансной длины; ω_ин.б.; ω_ин.э.- циклическая частота колебаний рабочей части инструмента; f_ин.Б.; f_ин.Э. - частота колебаний рабочей части инструмента; q₀ - знаменатель геометрической прогрессии для габаритных размеров кусков разрушенной породы по Б.М.Лейбову; R_ПД. - минимальный радиус, определяющий глубину скин-слоя поляризационных процессов в монокристалле по Г.Н.Соболевой; h_⊥ - габаритный размер по высоте наиболее устойчивых структур, составляющих основной монокристалл; H_ПД.М.; H_ПД.О. - габарит препятствия диспергированной массы по высоте, обеспечивающий устойчивость образования турбулизационного процесса за данным препятствием.

Проведенный поиск по источникам патентной и научно-технической информации показал, что совокупность всех существенных отличительных признаков заявляемого изобретения не известна, следовательно, техническое решение соответствует требованию "Новизна", так как оно не известно из уровня техники.

При определении изобретательского уровня техники поиск информации был осуществлен по указанным источникам.

Необнаруженные известные признаки в совокупности с отличительными признаками заявляемого технического решения соответствует критерию "Изобретательский уровень" из-за существенных отличий.

Возможно достижение высокой степени прогрессивности: увеличение ресурса в 1,6 - 2,3 раза по сравнению с ресурсом прототипа при практически той же себестоимости изготовления, следовательно, изобретение соответствует критерию "Практическая применимость".

Изобретение поясняется чертежами.

Фиг. 1. Общий вид заявляемого изобретения. (Обозначения: верхние цифры относятся к инструменту рыхлителей бульдозеров, взаимодействующих с монолитом пород, нижние - к инструменту ковшей экскаваторов, взаимодействующих с ослабленной массой, 1 - хвостовик, 2 - рабочая часть, 3 - передняя поверхность волнообразной формы, 4 - прогиб H_1.м.= 0,4·δ^*, 5 - прогиб H_1.o.= 0,6·σ^*_p., 6 прогиб H_4.м.= 0,75·δ^*, 7 - прогиб H_4.o.= 1,0·σ^*_p., 8 - брахистохрона N 1 инструмента, взаимодействующего с монолитом, 9 - брахистохрона N 1 инструмента, взаимодействующего с механометоморфизированной массой: 10 - брахистохрона N 2 инструмента, взаимодействующего с метоморфизированной породой, 11 - брахистохрона N 2 инструмента, взаимодействующего с ослабленной массой, 12 - циклоида N 2 инструмента рыхлителя бульдозера, 13 - циклоида N 2 инструмента ковша экскаватора, 14 - диаметр δ^* турбулизированного вихря, 15 - круг, образующий циклоиду N 2 инструмента рыхлителя бульдозера, 16 - диаметр σ^*_p круга Мора, определяющий предел прочности породы при растяжении, 17 - круг, образующий циклоиду N 2 инструмента ковша экскаватора, 18 - первый удлиненный электрод - турбулизатор, 19 - второй электрод - турбулизатор передней поверхности, 20 - третий электрод - турбулизатор, 21 - высота первого удлиненного электрода - турбулизатора при взаимодействии с монолитом породы H_пд.м.= 51·σ^*_я.м./Re·λ_к≈ δ^*, 22 - высота первого удлиненного электрода - турбулизатора при взаимодействии с механоморфизированной массой забоя H_пд.o.≅ 51·σ^*_я.o./Re·λ_к≃ σ^*_p, 23 - высота перпендикуляра, ограничивающая длину первого удлиненного электрода турбулизатора h_⊥= R_пд.·q^-_o⁶, 24 - продольная ось симметрии, 25 - стабилизатор, 26 - резонатор стабилизатора, 27 - боковые поверхности, 28 - турбулизаторы потока, 329 - задняя поверхность волнообразной формы, 30 - прогиб H^*_4.м.= 0,75·δ^*, 31 - прогиб H^*_4.o.= σ^*_p, 32 - выкалывающий элемент, 33 - фигурный продольный паз, 34 - рассекатель потока, 36 - ультразвуковой генератор, 37 - дополнительные наклонные пазы).

Фиг. 2. Профиль рабочей части породоразрушающего инструмента - коронки рыхлителя бульдозера, взаимодействующего с плоско деформированной породой. (Обозначения: 1 - хвостовик, 2 - рабочая часть, 3 - передняя поверхность, 4 - прогиб инструмента рыхлителя бульдозера перед циклоидой N 2, 5 - прогиб инструмента ковша экскаватора перед циклоидой N 2, 6 - прогиб инструмента рыхлителя бульдозера после циклоиды N 2, 7 - прогиб инструмента ковша экскаватора после циклоиды N 2, 8 - брахистохрона N 1 для инструмента бульдозера, 9 - брахистохрона N 1 для инструмента экскаватора, 10 - брахистохрона N 2 для инструмента бульдозера, 11 - брахистохрона N 2 для инструмента экскаватора, 12 - циклоида N 2 для инструмента бульдозера, 13 - циклоида N 2 для инструмента экскаватора, 14 - диаметр δ^* турбулизированного вихря, 15 - круг, определяющий предел прочности при сдвиге шаровой поверхности турбулизированного вихря при проворачивании его в ПД метоморфизированной породы, 16 - диаметр σ^*_p круга Мора, определяющий предел прочности метоморфизированной породы при растяжении, 17 - образующий круг циклоиды N 2 инструмента ковша экскаватора, 18 - первый удлиненный электрод - турбулизатор, 19 - второй электрод - турбулизатор, 20 - третий электрод - турбулизатор, 21 - высота удлиненного электрода - турбулизатора для взаимодействия с монолитом H_пд.м.≃ δ^*, 22 - высота первого электрода - турбулизатора при взаимодействии с ослабленной массой породы H_пд.о.≃ σ^*_p, 23 - высота перпендикуляра, ограничивающего циклоидальную кривую удлиненного электрода - турбулизатора h_⊥= R_пд.·q^-_o⁶, 24 - продольная ось симметрии, 25 - стабилизатор, 26 - резонатор, 27 - боковые поверхности, 28 - турбулизаторы потока, 29 - задняя поверхность волнообразной формы, 30 - прогиб задней поверхности инструмента бульдозера H^*_4.м.= 0,75δ^*, 31 - прогиб задней поверхности инструмента экскаватора H^*_4.o.= σ^*_p, 32 - выкалывающий элемент, 33 - фигурный продольный паз, 34 - ультразвуковой генератор, 37 - дополнительные наклонные пазы, 38 - диффузорная часть фигурного продольного паза, 39 - зона смятия, 40 - профиль ядра повышенного давления генерирующего напряжение сдвига - отрыва в плоско деформированном монолите, 41 - уплотнение в виде эллипсоида, возникающее при плоской деформации в монолите породы, 42 - уплотнение в виде вязкопластичного монокристалла, аналога эллипсоида, возникающего при плоской деформации в механометоморфизированной породе, 43 - диаметр σ^*_я.м. ядра повышенного давления в эллипсоиде ПД, 44 - составляющий монокристалла с наиболее устойчивыми габаритами, 45 - критическая точка у основания монокристалла на высоте минимального габарита наиболее устойчивой составляющей равной, h_⊥ , 46 - профиль ядра повышенного давления, возникающего после частичного растрескивания уплотнения из вязкопластичного монокристалла и генерирующего напряжения сдвига - отрыва, 47 - диаметр σ^*_я.о. ядра повышенного давления, возникающего после частичного растрескивания вязкопластичного монокристалла при плоской деформации, 48 - череда вихревых колец, 49 - турбулизированный слой на передней поверхности, 50 - подслой Кнудсена, 51 - отрезок наклонной N 1, проведенной под углом ζ^* до зоны термического ослабления L_5.м.= 1,5·σ^*_я.м.+0,5·σ^*_сж. для инструмента, взаимодействующего с монолитом, 52 - отрезок наклонной N 1, проведенной под углом ζ^* к продольной оси до зоны термического ослабления L_5.o.= 2·σ^*_я.о.+l^* для инструмента, взаимодействующего с ослабленной массой, 53 - отрезок наклонной N 1 L_4.м.= 1,5·σ^*_я.м.+0,25·σ^*_сж. до проекции на нее вершины второй брахистохроны для инструмента бульдозера, 54 - отрезок наклонной N 1 L_4.o.= 2σ^*_я.о.+0,5·l^* до проекции на нее вершины второй брахистохроны для инструмента ковша экскаватора, 55 - отрезок наклонной N 1 L_2.м.= σ^*_я.м. до проекции на нее вершины первой брахистохроны при взаимодействии с монолитом, 56 - отрезок наклонной N 1 L_2.o.= 1,25·σ^*_я.о. до проекции на нее вершины первой брахистохроны при взаимодействии с ослабленной массой, 57 - угол ζ^*= 0,25ρ^* для построения первой циклоиды, 58 - протяженность зоны термического ослабления для инструмента бульдозера, равная 0,67·Д_Б, 59 - протяженность зоны термического ослабления для инструмента ковша экскаватора, равная 0,67·Д_э, 60 - угол j^*= 3ζ^*, определяющий наклон касательной к первой брахистохроне, 61 - отрезок , на который сокращается резонансная длина инструмента ковша экскаватора за счет оптимальных прогибов, 62 - отрезок , на который сокращается резонансная длина инструмента ковша экскаватора за счет оптимальных прогибов, 63 - угол наклона j^*= 3·ζ^* касательной ко второй брахистохроне, 64 - сокращаемая длина рабочей части инструмента бульдозера при оптимальных прогибах для расчета резонансной длины: 65 - сокращаемая длина рабочей части инструмента ковша экскаватора в зоне второй брахистохроны, 66 - отрезок брахистохроны задней поверхности инструмента бульдозера, 67 - отрезок брахистохроны задней поверхности инструмента ковша экскаватора, 68 - отрезок наклонной N 2, проведенной под углом 2ζ^* к продольной оси симметрии L_7.м.= σ^*_сж., 69 - отрезок наклонной N 2 для инструмента ковша экскаватора L_7.o= 1,5·l^*, определяющий точку контактирования брахистохроны задней поверхности с касательной к ней, 70 - угол i^*= 2ζ^*+β^*, определяющий наклон касательной к брахистохроне задней поверхности, 71 - средняя высота инструмента бульдозера h_ср.Б., определяющая резонансную длину при оптимальных прогибах, 72 - средняя высота сечения инструмента ковша экскаватора, определяющая резонансную длину при оптимальных прогибах, 73 - высота посадочного места D_Б инструмента бульдозера, 74 - высота посадочного места D_э инструмента ковша экскаватора, определяющая протяженность зоны термического ослабления).

Фиг. 3. Диаграмма: "Нагрузка - Смещение", получаемая при испытаниях на ударный изгиб для определения ударной вязкости, преобразованная из декартовых координат в полярные с элементами, определяющими физико-механические свойства породы. Обозначения: 14 - диаметр δ^* вихря, 16 - диаметр σ^*_p круга Мора при растяжении породы, 40 - профиль ядра повышенного давления (ядра Буссинеска) генерирующего напряжение сдвига - отрыва в монолите, 41 - продольный профиль эллипсоида ПД, 43 - диаметр ядра Буссинеска σ^*_я.м. при ПД в монолите, 46 - профиль ядра повышенного давления генерирующего напряжение сдвига - отрыва в ослабленной массе породы при ПД, 47 - диаметр ядра Буссинеска σ^*_я.о. при ПД в ослабленной массе породы, 75 - ось напряжений. 76 - ось деформаций - смещений, 77 - образец Менаже для испытаний на ударный изгиб, 78 - наклеп, 79 - зона обратимого смещения, 80 - зона пластической деформации, 81 - зона зарождения концентратора, упрочнение, 82 - зона развития концентратора, упрочнение, 83 - зарождение усталостной трещины, 84 - зона развития усталостной трещины, 85 - квазихрупкое разрушение образца, 86 - зона долома 87 - α^*= 45°+0,5·ρ^* максимальный энергетический угол, 88 - величина вектора, определяющего напряжение сдвига - отрыва при скорости внедрения 1 м/с, 89 - основной габарит эллипсоида по высоте h^*=0,5·l^* при плоской деформации механометоморфизированной породы, 90 - угол α^*, 91 - величина вектора, определяющего напряжение сдвига - отрыва при скорости внедрения 0,1 м/с, соответствующего напряжению сдвига - отрыва при угле внедрения ϕ_э.= α^*, 92 - диаметр σ^*_сж. круга Мора при одноосном сжатии или длина уплотненного эллипсоида при ПД метоморфизированной породы, 93 - длина уплотненного эллипсоида или частично растреснутого вязкопластичного монокристалла из механометоморфизированной породы при ПД, 94 - величина захватываемого слоя ∂n^* из механометоморфизированной породы, 95 - коэффициент скорости K^*_v.= 1. при скорости внедрения 1,0 м/с, 96 - коэффициент скорости K^*_v.α при скорости внедрения 0,1 м/с, 97 - угол α^*, определяющий коэффициент скорости при 0,1 м/с, 98 - ϕ_э. угол внедрения, то есть угол между направлением внедрения и внедряемой поверхностью. При определении паспорта породы ϕ_э.= 90^o, 99 - вектор интенсивности шарового тензора гидростатического давления k^*_я.90= 0,5σ^*2_сж./l^* при определении паспорта породы, 100 - вектор интенсивности девиатора напряжений k^*_σ.90= 0,5·σ^*2_сж./σ^*_я.о. при определении паспорта породы, 101 - основной габарит уплотненного эллипсоида по высоте h^**=0,25·l^* плоско деформированной метоморфизированной породы.

Породоразрушающий инструмент, изготовленный из стального литья с аморфообразующими элементами сорбитной структуры, включает хвостовик 1 и клинообразную рабочую часть 2, образованную передней поверхностью волнообразной формы 3, с глубинами прогибов H_1.M 4 или H_1.O 5 и H_4.M. 6 или H_4.O 7 брахистохрон 8 или 9 и 10 или 11 перед и после второй циклоиды 12 или 13, равных соответственно при взаимодействии с метоморфизированной породой (монолитом): 0.4 и 0,75 диаметра δ^*= 9 - 20 мм 14, образующего указанную циклоиду 12 круга 15, а при взаимодействии с механометоморфизированной породой, соответственно: 0,6 и 1,0 диаметра σ^*_p = 14 - 56 мм 16, образующего указанную циклоиду 13 круга 17, на которой расположены электроды - турбулизаторы 18, 19 и 20, причем первый электрод - турбулизатор 18 выполнен в виде зеркального отражения второй циклоиды 12 или 13 высотой H_П.Д.М. 21 или H_П.Д.О. 22, равной диаметру 14 или 16 образующего ее круга 15 или 17, то есть соответственно при взаимодействии с монолитом или с ослабленной массой, равного H_пд.м.= δ^* или H_пд.о.= σ^*_p и ограниченного по длине перпендикуляром h_⊥ 23 с высотой h_⊥= δ^* 14, восстановленным от продольной оси симметрии 24, и стабилизатор 25 с резонатором 26, боковыми поверхностями 27, на которых размещены турбулизаторы потока 28, и задней поверхностью волнообразной формы 29 с глубиной прогиба H^*_4.м. 30 или H^*_4.o. 31 брахистохроны, равной 0,75 диаметра δ^*= 9 - 20 мм 14, образующего вторую циклоиду 12 круга 15 при взаимодействии с монолитом, или 1,0 диаметром σ^*_p = 14 - 56 мм 16, образующего вторую циклоиду 13 круга 17 при взаимодействии с ослабленной массой, на которой расположены выкалывающий элемент 32 и фигурный продольный паз 33 со смещенным от продольной оси симметрии 24 рассекателем потока 34 в конфузорной части 35 фигурного продольного паза 33 и с ультразвуковым генератором 36 и дополнительными наклонными пазами 37 в диффузорной части 38 фигурного продольного паза 33.

При взаимодействии инструмента с монолитом породы - метоморфизированной массой перед выкалывающим элементом 32 при углах внутреннего трения ρ^*= 38 - 48^o и коэффициенте крепости по шкале Протодьяконова f_К.П. = 7 - 39 образуется зона смятия 39 с ядром повышенного давления 40 с диаметром σ^*_я.м. 43 и прочие элементы уплотненного эллипсоида ПД 41. При взаимодействии с ослабленной массой а также с монолитом пород с ρ^*= 16 - 38^o и f_К.П. = 0,5 - 7,0 за счет активизации процесса поляризации при одноосном сжатии образуется аналог ПД в виде вязкопластичного монокристалла ПД 42. Разрушение эллипсоидов из уплотненной породы осуществляется закачкой в них энергии при напряжении сдвига - отрыва τ_сд.-oα на частоте f_о, генерируемой ядром повышенного давления 40 с диаметром σ^*_я.м. 43. Разрушение уплотнений в виде вязкопластичных монокристаллов 42 происходит сначала путем сдвига более мелких монокристаллов 44 по плоскостям сцепления в зоне наиболее устойчивых структур - критической точке 45, что образует газообразные продукты дезинтеграции, которые, мигрируя в зону поверхностей скольжения, обеспечивают лавинообразную дезинтеграцию за счет кавитационных процессов. Указанное происходит в связи с тем, что первый электрод турбулизатор 18 удлинен и в связи с этим имеет существенно меньшую изгибную жесткость, что позволяет ему иметь прогиб более 3^o. К тому же на его носке за счет малой площади контакта возможно увеличение напряжения сдвига - отрыва до 4 раз. Далее разрушение частично растрескавшегося вязкопластичного монокристалла 42 происходит путем закачки энергии в него на частоте сдвига - отрыва через ядро повышенного давления 46 с диаметром σ^*_я.о. 47, большим, чем диаметр σ^*_я.м. 43.

Собственная частота f_ин. колебаний рабочей части инструмента за счет авторегулирующего устройства совокупности прогибов: 4, 6 и 30 или 5, 7 и 31 постоянно подстраивается к частоте f_о., генерируемой ядром повышенного давления соответственно 40 или 46 в зависимости от метаморфизма породы и тем быстрее, чем больше их рассогласование. Обычно время грубой подстройки занимает 2 - 4 минуты, точной, за счет фрезерования чередой вихревых колец 48 поверхностной диффузора 38 еще 5 - 10 минут эксплуатации. Поэтому коэффициент полезного действия генерируемой ядром повышенного давления энергии пьезоэлектрострикции более 56%, что обеспечивает разрушение выколом и предотвращает стопорение инструмента. Авторегулирование собственной частоты колебаний рабочей части инструмента происходит вследствие того, что поверхностный слой металла воспринимает через турбулизированный слой 49 диспергированной массы низкочастотный, среднечастотный и высокочастотный диапазон пульсаций сдвиговых напряжений, разрушающих породу, а так как фазовая скорость в известных плоскодеформированных породах практически одна и та же: 1,40 - 1,68 м/с, то амплитудно-частотно-модулированные пакеты сдвиговых напряжений укладываются между вершинами волнообразной поверхности рабочей части 2 инструмента со сдвигом, не превышающим 30%. Иными словами, происходит захват амплитудно-частотно-модулированными пакетами сдвиговых напряжений, разрушающих породу амплитудно-частотных пакетов колебаний инструмента за счет близких фазовых скоростей в ПД и в инструменте и за счет существенно большей их мощности. Модулирование мощной, генерируемой ядром повышенного давления частотой напряжения сдвига - отрыва f_о. и частотой собственных колебаний инструмента амплитудно-частотного пакета в скин-слое металла инструмента со сдвигом по фазе приводит к разогреву поверхностного слоя металла толщиной до 2 и образованию из него раскаленного газа. Движение подслоя Кнудсена 50 увлекает раскаленный газ из металла скин-слоя на передней поверхности 3 в направлении от электрода - турбулизатора 18 к хвостовику 1, а на задней поверхности 29 из диффузорной части 38 к выкалывающему элементу 32. Тем самым изменяется средняя высота рабочей части инструмента, что корректирует перепады изгибной жесткости по длине инструмента. А это в свою очередь изменяет резонансную длину инструмента, а следовательно, и корректирует частоту собственных колебаний инструмента f_ин., подстраивая ее к частоте генерации f_о. напряжения сдвига-отрыва ядром повышенного давления Буссинеска. При закачке определенного количества энергии, когда дезинтеграция скорлупы ПД 41 или 42 толщиной до 2 заканчивается, от массива забоя отделяется кусок породы, напоминающий эллипсоид или растреснутый монокристалл.

Предлагаемое решение повышает долговечность инструмента в 1,6 - 2,3 раза по сравнению с ресурсом прототипа.

Годовой эффект при эксплуатации, например, одного бульдозера типа Т-35,01 (Т-500) за счет применения нового типа инструмента может составить у потребителя до 13 тыс. долларов США. Исходные данные: угол внутреннего трения ρ^* монолита породы 38^o, коэффициент крепости по шкале Протодьяконова 13, рыхление 3 часа в сутки в течение 120 дней в году. Годовая потребность в серийном инструменте: 120 шт. Потребность в инструменте прототипа: 17 шт. /год. Годовая потребность в заявляемом инструменте: 10 шт. При сопоставимой массе инструмента: 22 - 24 кг серийный инструмент отпускается по 130 дол. США / шт., то есть аналогично заявляемому.

Формула изобретения

1. Породоразрушающий инструмент, изготовленный из стального литья с аморфообразующими элементами и исходной структурой сорбита отпуска, включающий хвостовик и клинообразную рабочую часть, образованную передней поверхностью волнообразной формы, на которой расположены электроды-турбулизаторы и стабилизатор с резонатором, боковыми поверхностями, на которых размещены турбулизаторы потока, и задней поверхностью волнообразной формы, на которой расположены выкалывающий элемент и фигурный продольный паз со смещенным от продольной оси симметрии рассекателем потока в конфузорной части фигурного продольного паза и с ультразвуковым генератором и дополнительными наклонными пазами в диффузорной части фигурного продольного паза, отличающийся тем, что глубины прогибов брахистохрон перед и после второй циклоиды передней поверхности и задней поверхности равны соответственно при взаимодействии с монолитом породы: 0,4, 0,75 и 0,75 диаметра, образующего указанную циклоиду круга δ^* = 9 - 20 мм, а при взаимодействии с ослабленной массой породы соответственно 0,6, 1,0 и 1,0 диаметра, образующего указанную циклоиду круга σ^*_p = 14 - 56 мм.

2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что первый электрод-турбулизатор передней поверхности породоразрушающего инструмента выполнен в виде зеркального отражения второй циклоиды передней поверхности высотой, равной диаметру образующего ее круга H_пд.м.= δ^* или H_пд.о.= σ^*_p соответственно, при взаимодействии с онолитом или с ослабленной массой породы, ограниченной по длине перпендикуляром с высотой h₁= δ^*, восстановленным от продольной оси симметрии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9