Автореферат магистерской диссертации

ВВЕДЕНИЕ

       Повышение эффективности подземного способа добычи полезных ископаемых может быть обеспечено на основе внедрения прогрессивных технологий и ускоренного технического перевооружения шахт и рудников на базе создания и широкого применения высокоэффективных средств комплексной механизации.
       На Украине в этом направлении достигнуты значительные успехи. Однако проблема ускоренного создания конкурентоспособных горных машин по-прежнему остается одной из актуальных проблем, стоящих перед ее горным машиностроением. Особенно остро эта проблема стоит в настоящее время, поскольку Украина интегрируется в мировую рыночную экономику как молодая держава.
       Основными машинами современных механизированных комплексов являются выемочные машины (комбайны, струги и агрегаты). От совершенства их конструкций существенно зависят производительность и эффективность их применения.
       В настоящее время принцип действия всех выемочных машин основан на механическом способе разрушения угольного и породного массива режущими инструментами. В силу неоспоримых преимуществ (относительно низкая энергоемкость, возможность применения в любых условиях) этот способ разрушения остается главенствующим и в дальнейшем. Главным элементом большинства добычных горных машин являются исполнительный (разрушающий) орган, осуществляющий отделения угля и породы от массива.
       Высокие требования к техническому уровню современных горных машин, непрерывное увеличение их мощности, производительности, скоростей и других параметров, а также все усложняющиеся условия их работы делают весьма актуальными разработки в области повышения эффективности этих машин на основе их оптимального проектирования исполнительных органов. Вместе с этим до настоящего времени в отрасли сохраняется такое положение, что при создании и совершенствовании горных машин недостаточное внимание уделяется оптимизации исполнительных органов. Существующие методики прогнозирования исходных данных для расчета этих машин и выбора их оптимальных параметров не всегда отвечают современному уровню и не учитывают, в достаточной мере, переходные процессы при формировании усилий на резце при изменении кинематических параметров резца.
       Следует отметить, что изученность особенностей рабочего процесса и закономерностей формирования динамических нагрузок в переходные процессы, существенно определяющих надежность машины и обусловленных изменениями кинематических параметров резца, нельзя признать достаточной. В первую очередь это относится к горным машинам, рабочие процессы которых сопровождаются изменениями во времени заднего угла резания резцов, обусловленные их пространственными перемещениями. Необходимы дальнейшие разработки и экспериментальные исследования для установления закономерностей формирования усилий на резцах с учетом переходных процессов, обусловленных изменением кинематических параметров (заднего, бокового угла), с целью получения зависимостей для задания усилий на резцах при моделировании рабочих процессов машин. Магистерская диссертация направлена на создание стенда для исследований и установления закономерностей формирования усилий на резцах с учетом изменений кинематических углов этих резцов. В ней рассмотрены несколько схем возможных стендов и обоснованно принята схема, позволяющая исследовать влияние кинематических параметров, физико-механических свойств разрушаемого массива, а также толщин и ширин среза на формирования усилий на резце.
       Для обоснованной схемы разработана конструкция стенда и приведено ее описание. Стенд позволяет, используя тензометрические исследования, реализовывать фиксацию составляющих усилий резания при различных параметрах реза, для различных по физико-механическим свойствам пород. Для этой цели разработан тензокулак, являющийся одним из основных элементов стенда.

1.МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВХОДНЫЕ И ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИ ИССЛЕДОВАНИЯХ

        Общие положения.
       Основным способом исследований принят экспериментальный метод, базирующийся на регистрации фактических значений физических величин (деформации тензовала) в тензокулаке стенда. В качестве базового элемента для регистрации физических величин используются фольговые тензометрические датчики. Для измерения величин составляющих реакций на оси тензовала наклеиваются тензодатчики параллельно осям изгиба (вызванным составляющими силами резания Х,У,Z) и соединяются в полумосты. Схема наклейки и коммутации тензодатчиков представлена на рисунке1. Тарировка тензометрического узла стенда производится с помощью специального приспособления. Регистрация угловых и линейных перемещений производится с помощью дополнительных приспособлений, обеспечивающих необходимую точность измерений.
         Методика исследований.
       Известно, что нагрузки на режущем инструменте в силу неоднородности разрушаемого массива должны рассматриваться как случайные, а для их исследования и описания необходимо использовать методы теории вероятностей, математической статистики и теории случайных процессов. Поэтому для установления закономерностей влияния кинематических параметров режущего инструмента на составляющие сил резания целесообразно использовать методику, основными этапами которой являются:
       а) фиксация мгновенных значений составляющих сил резания для различных значений кинематических параметров режущего инструмента, а также других параметров, существенно определяющих нагрузки и эффективность процесса резания;
       б) получение зависимостей составляющих сил резания от кинематических параметров режущего инструмента на основе статистической обработки полученных в результате первого этапа экспериментальных данных.
       Наряду с кинематическими параметрами режущего инструмента параметрами, существенно определяющими нагрузки и эффективность процесса резания, являются показатели физико-механических свойств разрушаемого массива, толщина и ширина среза, задний и кинематический задний углы резания, а также тип резца и степень его затупленности.
       Таким образом, входными параметрами при экспериментальных исследованиях будут:
       -задний и кинематический задний углы резания;
       -показатели физико-механических свойств разрушаемого массива;
       -толщина и ширина среза;
       -радиальный или тангенциальный резцы с различной степенью их затупленности.
       Выходными параметрами будут являться составляющие силы резания:
       Z- сила резания;
       Y- сила подачи;
       Х- боковая составляющая силы резания.

2.РАЗРАБОТКА СТЕНДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ СИЛЫ РЕЗАНИЯ

         Обоснование схемы стенда.
       Одним из первых созданных приборов для определения усилия резания был ПКС-1, сконструированный Гипроуглемашем. Этот прибор состоит из двух основных частей: масляного домкрата, поршень которого заканчивается скалывающим ножом, и электродвигателя с насосом, подающим масло в цилиндр домкрата. По показанию манометра визуально определяется усилие, возникающее при строгании. Толщина среза до 200 мм.
       В ВУГИ разработан прибор ДКС, посредством которого осуществляется резание забоя одиночным резцом в стандартном режиме (с выравненной поверхности). В нем резец закреплен во вращающейся вокруг вертикальной оси державке. Сопротивление угля резанию регистрируется самопишущим устройством, на основе чего определяются следующие показатели этого процесса:
       Z- среднее значение силы резания, кH;
       Н_w- удельная энергия разрушения при резании, кВт*ч/м³.
       При работе прибором определяют также следующие величины, необходимые для расчета исполнительных органов добычных машин: угол «развала» борозды резания с выровненной поверхности, коэффициент неравномерности нагрузки на режущий инструмент, характеризующий кратность перегрузок и число завершенных сколов на единице пути резания. Поскольку все названные показатели изменяются при изменении толщин среза h, прибором можно определить их значения при различных h.
       Резец имеет угол резания 50 градусов, задний угол равен 10 градусам, ширина режущей кромки 20 мм. Державка резца перемещается по высоте распорного домкрата и может быть закреплена в любом положении зажимами. Кроме того, державка свободно вращается вокруг оси домкрата. Резец выдвигается из державки на максимальное расстояние mр=210 мм и может быть закреплен в любом промежуточном положении. Перемещение державки резца по вертикали обеспечивает прорезание различных пачек пласта и позволяет установить требуемое расстояние между повторными прорезами. При вращении державки с резцом в плоскости залегания пласта забой прорезается по дуге. Выдвижение резца из державки позволяет при проведении повторных опытов снимать срезы разной толщины, без перестановки распорного гидродомкрата. Стойка домкрата изготавливается в двух вариантах - для работы на пластах мощностью от 0.6 до 1.5 м. Тяговая лебедка оснащена редуктором, состоящим из червячной пары и винта. Лебедка обеспечивает резание на участке 1.1-1.2 м. Привод лебедки осуществляется от ручного электросверла ЭБР-19. Скорость движения тянущего винта лебедки- 320 мм/мин. Максимальное тяговое усилие - 5 т. Динамометр присоединяется к резцу и ведущему винту лебедки стальными тросами.
       Компанией «Bureau of Mines» разработан переносной линейно режущий стенд, который измеряет и записывает силы, действующие на резец, в процессе его поступательного движения. Для обслуживания прибора хватает двух человек, которые переносят, закрепляют стенд в забое, а также производят испытания стенда и снимают показания.
       Стенд состоит из рамы (рис.2), по направляющим которой может перемещаться рамка с исполнительным органом стенда (тензокулак с механизмом подачи). Режущий вертикально тензокулак перемещается с помощью гидроцилиндра по двум направляющим стойкам. Заглубление резца в пласт осуществляется за счет поворота тензокулака в горизонтальной плоскости при помощи цепной передачи. На тензокулаке устанавливаются тензодатчики, с помощью которых измеряется усилие резания на резце.

Рисунок 2- Рама стенда компании «Bureau of Mines».

1- горизонтальная балка;    2- верхняя сварная рама;    3-нижняя сварная рама;     4- соединяющие распорки;    5- отверстия для штифтов;    6- штифты для регулирования толщины стружки.

       Все возрастающая нагрузка на очистной забой и непрерывное увеличение темпов проходки обуславливает необходимость проектирования выемочных и проходческих комбайнов для заданных условий их использования. Успешное решение той задачи может быть реализовано на основе корректного задания составляющих силы резания на резцах исполнительного органа, адекватно отражающих процесс разрушения горного массива в этих условиях.
       Одной из возможных схем стенда для определения зависимостей составляющих сил резания на резце является схема с вращательным перемещением режущего инструмента (рис.3). Плоскость вращения тензокулака в данном случае параллельна плоскости забоя. Сам стенд состоит из анкера, который забуривается непосредственно в грудь забоя. На анкере крепится хомут с рукоятью, на рукояти может поступательно перемещаться тензокулак (таким образом обеспечивается требуемая толщина среза). Изменение ширины среза обеспечивается за счет смещения хомута вдоль анкера и дальнейшей его фиксацией.
       Достоинством такой схемы является схожая траектория движения резца с резцами, расположенными на коронке исполнительного органа проходческого комбайна.
       Недостатком схемы является невозможность получения переменной толщины среза. В данной схеме необходимо после каждого реза вновь заглублять резец, но при этом все равно толщина стружки остается постоянной, что не в полной мере отражает движения реального исполнительного органа.
       Характерной особенностью следующей предлагаемой схемы стенда является поступательное движение режущего инструмента (рис 4). Общая рама крепится к забою при помощи четырех анкеров, забуренных по её углам. На общей раме стенда крепится рамка. Она имеет возможность перемещаться по направляющим вдоль рамы, тем самым обеспечивая изменение ширины среза. На направляющих рамки крепится каретка с тензокулаком. Перемещение каретки по направляющим рамки позволяет изменять толщину среза.
       Достоинством такой схемы является плавное регулирование скорости резания за счет использования гидропривода.
       Недостаток: получение только постоянной толщины среза и чрезмерно большая металлоемкость конструкции.
       Схемы стендов приведены далее.

Рисунок 3- Схема стенда1.

Рисунок 4- Схема стенда2.

       На основе анализа возможных схем стенда на кафедре ДонНТУ были разработаны две схемы стенда: с непрерывным изменением ширины среза (рис. 5) и с непрерывным изменением толщины среза (рис. 6).
       В конструкцию стенда с непрерывным изменением ширины среза (рис. 5) входит: рукоять 1, на нижнем конце которой закреплен тензокулак 2, оснащенный резцом 3. Верхний конец рукояти шарнирно закреплен на каретке 4, которая может перемещаться по направляющей 5 при помощи гидроцилиндра 6. Для внедрения резца в массив и образования среза с заданной толщиной h, используется гидроцилиндр 6 и упор 7. Прокладки 8 предназначены для изменения значений толщины среза. Для изменений заднего угла резца используют упор 7, имеющий возможность регулирования положения относительно каретки 4. Непрерывность изменения ширины среза обеспечивается поворотом направляющей 5 вокруг оси ОО с последующим закреплением стенда в разрушаемом массиве анкерами 9.

Рисунок 5- Схема стенда с непрерывным изменением ширины среза.

       Конструктивная схема стенда с непрерывным изменением толщины среза представлена на рисунке 6:

Рисунок 6- Схема стенда с непрерывным изменением толщины среза.

       Схема стенда с непрерывным изменением ширины среза по сравнению со схемой с непрерывным изменением толщины среза имеет существенное преимущество: возможность регулировки заднего угла резца, поэтому для дальнейшей детальной разработки выбрана именно эта схема.
       Таким образом, разработана конструкция стенда, позволяющая получать экспериментальные данные о составляющих силы резания для конкретного резца в заданных горно-геологических условиях для различных значений толщины среза при непрерывно изменяющейся ширине среза в требуемом диапазоне, а также для различных значений углов установки резца.

3.ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ТЕНЗОКУЛАК ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ СИЛЫ РЕЗАНИЯ НА РЕЗЦЕ

       Для экспериментального определения фактических зависимостей составляющих сил резания на одиночном резце на кафедре горных машин ДонНТУ был разработан трехкомпонентный тензокулак. Основным требованием при его разработке являлось исключение взаимного влияния составляющих усилия резания друг на друга. На рисунке 7 показана конструкция тензокулака, состоящая из следующих элементов: тензометрический вал 1, втулка закрепления резца 2, втулка закрепления тензокулака 3, устанавливаемый радиальный 4 (или тангенциальный 5) резец, гайки 6.
       Тензометрический вал является одним из основных элементов тензокулака. Правый конец тензовала при помощи гайки 6 жестко фиксируется во втулке 3. На левом конце тензовала устанавливается сменная втулка 2, к которой приваривается резец (4 или 5). Использование сменных втулок позволяет реализовать исследование как с тангенциальными, так и с радиальными резцами с разной степенью их затупленности.

Рисунок 7- Конструкция тензокулака.

       Для преобразования изменений силы резания РZ, а так же усилий, действующих на боковую РХ и заднюю РУ грани резца в электрические сигналы (U_X, U_Y, U_Z), используются тензодатчики (R1...R6), наклеенные на проточках тензовала и соединенные по полумостовой схеме, образующей с балансировочными сопротивлениями R_б мост (рисунoк1).

ВЫВОДЫ

       В автореферате магистерской диссертации рассмотрены несколько схем возможных стендов и обоснована принятая схема, которая позволяет исследовать влияние кинематических параметров, физико-механических свойств разрушаемого массива, а также толщины и ширины среза на формирование усилий на резце.
       Для обоснованной схемы разработана конструкция стенда и приведено ее описание. Стенд позволяет, используя тензометрические измерения, реализовать фиксацию составляющих силы резания при разных параметрах реза для различных по физико-механическим свойствам пород. Для этой цели разработан тензокулак, который является одним из основных элементов стенда.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

       1. Н.С.Сургай, В.В.Виноградов, Ю.И.Кияшко. Производительность очистных комплексов нового технического уровня и пути ее повышения.// Уголь Украины - 2001. - №6. - С. 2-6.
       2. Г.В.Бабиюк, Е.С.Смекалин, Г.В. Ходыревский. Оценка эффективности горнопроходческих работ.// Уголь Украины - 2001 -№ 2-3. С.6-9.
       3. Разрушение углей и пород. Сборник статей/ Под редакцией А.М.Терпигорьева, М.М.Протодьяконова. - М.: Углетехиздат, 1958. - 512 с.
       4. Резание углей / А.И.Берон, А.С.Казанский, Б.М.Лейбов, Е.З.Позин. - М.: Углетехиздат, 1962. - 240 с.
       5. Резание углей / Под общей ред. Берона А.И. - М.: Изд-во литературы по горному делу, 1962. - 439 с.
       6. Позин Е.З., Адамсон А.П., Андреев В.А. Разрушение сланцев инструментами выемочных машин. - М.: Наука, 1984. - 144 с.
       7. Экспериментальные исследования сортности углей при резании с различными параметрами среза и геометрии инструмента / В.Г.Унгефуг, В.П.Зейферт, В.Ф.Орлов// В сб.: Вопросы механизации в горной промышленности, вып. 27.- М.: Недра, 1971.
       8. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. Разрушение тангенциальными инструментами. / Отв. ред. Л.И.Барон/ М., Наука, 1973. -171с.
       9. Семенченко А.К., Кравченко В.М., Шабаев О.Е. Теоретические основы анализа и синтеза горных машин и процесса их восстановления как динамических систем - Донецк: РВА ДонНТУ, 2002. - 302 с.
       10. Семенченко Д.А. Влияние кинематических изменений заднего и переднего углов поворотного резца на формирование усилия подачи// Научные труды ДонГТУ. - 2001. - Вып.27. - С. 340 - 344.
       11. Горбатов П.А., Кондрахин В.П., Кривченко Ю.А. Измерение составляющих усилия резания на резцах горных комбайнов.-Кемерово, КузПИ, 1988. -С.23-28.

© 2005 Лысенко Е.А.
© 2005 ДонНТУ