Авторы:
Бойко Е.Н., Бойко Н.Г., Федоров О.В., Мельников В.А., Федотов Ю.А.
Аннотация:
В работе приведены результаты экспериментального исследования разрушения крепких горных пород инструментом с вращающейся режущей частью, а также описана методика проведения исследования.
Актуальность вопроса:
По мере отработки шахтами Донбасса запасов каменного угля, возникает необходимость разработки угольных пластов, характеризующихся менее благоприятными горногеологическими условиями разработки. В том числе, разрабатываются пласты, имеющие сложную структуру, содержащие породные прослойки значительной мощности, имеющие протяженные породные замещения, а также пласты малой мощности, требующие выемки с присечкой вмещающих пород. Создание такого режущего инструмента, который позволял бы производить выемку как угля, так и крепкой породы существующими очистными комбайнами, является актуальной задачей.
Проблема и ее связь с научными или практическими задачами:
Режущий инструмент, используемый для оснащения исполнительных органов современных очистных комбайнов, предназначен для разрушения либо чистых углей, либо углей с породными прослойками крепостью до 5 проф. М. Протодьяконова. Многие угольные пласты, разрабатываемые шахтами Донбасса, имеют породные замещения. В основном это крепкая горная порода с крепостью не менее 8. Разрушение такой породы существующим режущим инструментом практически невозможно, поскольку из-за большой абразивности породы режущий инструмент довольно быстро выходит из строя – происходит его интенсивный износ. Для разрушения крепких горных пород необходимо иметь такой режущий инструмент, у которого трение скольжения заменено трением качения. Поскольку силы перекатывания инструмента значительно (примерно на порядок) меньше сил трения скольжения, надо полагать, что и износ такого режущего инструмента будет значительно меньше, а ресурс его, соответственно, больше. Перспективным направлением развития режущего инструмента горных машин, позволяющего решить задачу разрушения как углей, так и крепких пород, является создание инструмента с вращающейся режущей частью [1, 2].
Анализ исследований и публикаций:
Большинство исследований в области разрушения углей и пород режущим инструментом горных машин посвящено резцовому инструменту. Экспериментально-аналитический метод описания усилий, формирующихся на гранях резца, предполагает использование интегральных оценок, характеризующих свойства углей и пород применительно к конкретному процессу разрушения. [3, 4, 5] Существующие методики определения усилий резания применимы лишь в случае разрушения угля режущими инструментами традиционных конструкций. Для их использования применительно к режущему инструменту с вращающейся режущей частью, предназначенному для работы как по углю, так и по крепкой породе, в эти методики должны быть внесены существенные коррективы.
Постановка задачи:
Поскольку аналитическое описание процесса разрушения породы инструментами горных машин, ввиду его сложности и многофакторности, представляется практически невозможным, общепринятым является экспериментально-аналитический метод. Для разработки математической модели формирования усилий на инструменте с вращающейся режущей частью, предназначенного для работы как по углю, так и по крепкой породе, методики расчета параметров инструмента и выбора режима его работы, необходимо проведение экспериментальных исследований по разрушению крепких пород при различных параметрах режущего инструмента и режима резания.
Изложение материала и результаты:
Целью экспериментальных исследований является получение данных, необходимых для построения математической модели формирования усилий при разрушении породы вращающимся режущим инструментом и непосредственно для выбора рациональных параметров геометрии режущего инструмента и режима его работы. Необходимо определить экспериментально:1) величину, направление и характер изменения усилия, формирующегося на вращающемся режущем инструменте при разрушении массива пласта, а также влияние на величину этого усилия геометрических и режимных параметров; 2) эффективность скалывания режущим инструментом межщелевого целика при различных геометрических и режимных параметрах. Исследование разрушения породного массива вращающимся режущим инструментом проводится в лабораторных условиях на специально оборудованном стенде на базе продольно-строгального станка модели 7210. В качестве разрушаемого материала используется блок песчаника. Конструкция стенда позволяет изменять, задавать с достаточной точностью и выдерживать в процессе опыта режимные параметры процесса разрушения, что трудноосуществимо в шахтных условиях. Стенд состоит из следующих элементов, рис. 1: станка 1, на суппорте которого установлен тензометрический динамометр 2 со сменным режущим инструментом 3; на столе станка закреплен породный блок. Для установки необходимой толщины и ширины срезаемой стружки суппорт станка с установленным на нем тензометрическим динамометром может перемещаться в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Измерительная схема, рис. 2, обеспечивает измерение и фиксацию трех величин, представляющих собой проекции на взаимно перпендикулярные оси координат суммарного вектора сил, действующих на режущий инструмент. Измерение составляющих усилия осуществляется трехкомпонентным тензометрическим динамометром [6]. Питание тензодинамометра производится напряжением несущей частоты (1 В 5000 Гц) от генератора тензометрической станции ZET 017-U8. Сигналы от тензодатчиков по экранированному кабелю поступают в тензометрическую станцию ZET 017-U8, где происходит их усиление и преобразование в цифровой вид. Далее оцифрованный сигнал по кабелю USB 2.0 поступает в портативную ЭВМ HP G62. Питание аппаратуры осуществляется от блоков питания, включенных в сеть 220 В. Все устройства заземляются. Градуировка измерительной схемы осуществляется в полностью собранном виде путем приложения к тензодинамометру статического усилия, измеряемого пружинным динамометром. Каждый канал градуируется отдельно путем приложения нагрузки параллельно соответствующей оси координат.Стендовый метод исследования процесса разрушения предполагает условия работы режущего инструмента, отличающиеся от условий его промышленной эксплуатации, что обусловило необходимость принятия дополнительных мер по обеспечению представительности условий эксперимента. Режущий инструмент, установленный на исполнительном органе очистного комбайна, в процессе работы находится в сложном движении, являющемся суммой вращательного движения исполнительного органа, движения подачи комбайна на забой, отличающегося значительной неравномерностью, а также качания исполнительного органа в вертикальной плоскости [7]. Столь сложное пространственное движение резца оказывает влияние на режим разрушения, в особенности на толщину стружки, которая за оборот исполнительного органа меняется от нуля до своего максимального значения. Стенд обеспечивает режущему инструменту прямолинейное возвратно-поступательное движение относительно разрушаемого материала. При этом параметры (толщина и ширина) сечения стружки в процессе резания остаются неизменными. Это позволяет получить четкие зависимости усилий резания от режимных параметров, а также исключить влияние последних при изучении зависимостей усилий резания от геометрических параметров вращающегося режущего инструмента. Влияние же быстрых изменений режима резания на формирование усилий на режущем инструменте при таком способе испытаний не может быть зафиксировано. Однако, поскольку уголь и порода являются хрупкими материалами, и поскольку скорость распространения деформаций (равная скорости звука в данной среде) значительно превышает скорость движения инструмента, повидимому, этим влиянием можно пренебречь. Об этом свидетельствует и опыт многочисленных исследований, проведенных в данной области как отечественными, так и зарубежными учеными [7]. Поэтому задачу определения усилий на режущем инструменте в процессе его работы можно свести к двум задачам: определению зависимости величины усилий, действующих на режущий инструмент, от режимных параметров его работы (что можно выполнить в вышеописанных стендовых условиях) и законов изменения этих параметров в реальных условиях эксплуатации инструмента. В качестве модели разрушаемого массива используется блок песчаника. Для определения сопротивляемости блока резанию изготовлен измерительный резец, рис. 3 а, режущая часть которого иден-тична режущей части измерительного резца установок ДКС-1 и ДКС-2.В результате замеров получено среднее значение сопротивляемости породного блока резанию 767 кН/м, рис. 3 б. Вращающейся режущий инструмент представляет собой диск с клиновидным профилем. Поскольку такой режущий инструмент промышленностью не выпускается, разработаны и изготовлены полноразмерные модели, отличающиеся от режущего инструмента с вращающейся частью, предназначенного для промышленного использования отсутствием армирования рабочих поверхностей твердосплавными вставками (так как износ режущего инструмента в процессе стендовых испытаний невелик)..
Выводы и направление дальнейших исследований:
Стендовые исследования разрушения породного блока инструментом с вращающейся режущей частью показали работоспособность данного инструмента, подтвердили гипотезу о том, что разрушение крепких пород происходит «сколами». Установлено, что величина усилия на инструменте зависит от сопротивляемости породы резанию, диаметра инструмента, ширины и толщины срезаемой стружки, а направление действия этого усилия – только от соотношения ширины и толщины стружки. Последняя зависимость показывает наличие двух зон, соответствующих различным режимам работы инструмента – режиму скалывания межщелевого целика и режиму блокированного резания путем раздавливания массива. В дальнейшем планируется разработка математической модели усилий резания породы указанным инструментом, и на основе этой модели – методики определения рациональных значений параметров инструмента и режима его работы, обеспечивающих разрушение как угля, так и крепких пород.
Список литературы:
1. Разрушение крепких горных пород режущим инструментом с вращающейся режущей частью / Н.Г. Бойко, О.В. Федоров, Е.Н. Бойко и др. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія гірничо-електромеханічна. – 2012. – Вип. 23(196). – С. 18-26.
2. Промышленные испытания режущего инструмента с вращающейся режущей частью / Н.Г. Бойко, Е.Н. Бойко, О.В. Федоров, В.А. Мельников // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія гірничо-електромеханічна. - 2010. – Вип. 20(176). - С. 3-11.
3. Влияние физико-механических свойств и анизотропии угля на процесс разрушения его дисковыми шарошками / А.Н. Коршунов, Ф.В. Корчуганов, Д.М. Дергунов, А.С. Шанин // Вопросы механизации горных работ. – 1972. – Вып. 46. – С. 7-10.
4. Герике Б.Л. Исследование возможности отработки трудноразрушаемых пластов / Б.Л. Герике, А.С. Шанин, А.Б. Раскин // Механизация горных работ. – Кемерово: КузПИ, 1975. – Вып. 75. – С. 48-53.
5. Коршунов А.Н. О расчете сил резания и подачи шнекового исполнительного органа узкозахватного комбайна, оснащенного дисковыми шарошками / А.Н. Коршунов, Ф.В. Корчуганов, В.Н. Вернер // Механизация горных работ. – 1973. – Вып. 63. – С. 22-28.
6. Трехкомпонентное тензометрическое устройство: а.с. 1041886 СССР / Я.И. Альшиц, Н.Г.Бойко, А.К. Семенченко и др. – Опубликовано в Б.И., 1983, Бюл. № 34.
7. Бойко Н.Г. Очистные комбайны для тонких пологих пластов / Н.Г. Бойко. – Донецк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2010. – 476 с.