Авторы:
Бойко Н.Г., Федоров О.В., Мельников В.А.
Аннотация:
В работе дан анализ результатов экспериментального исследования разрушения крепких горных пород инструментом с вращающейся режущей частью.
Актуальность вопроса:
В настоящее время для многих шахт Донбасса характерна разработка пластов сложной структуры, содержащих породные прослойки значительной мощности, имеющих протяженные породные замещения, а также пластов малой мощности, требующих выемки с присечкой вмещающих пород. Режущий инструмент, которым оснащаются исполнительные органы современных очистных комбайнов, не предназначен для разрушения пород крепостью более 5 по шкале проф. Протодьяконова, и в подобных условиях имеет весьма малый ресурс. Поэтому задача создания режущего инструмента, позволяющего производить выемку как угля, так и крепкой породы, является актуальной.
Проблема и ее связь с научными или практическими задачами:
Решением проблемы выемки пластов сложной структуры может стать применение инструмента с вращающейся режущей частью [1]. Особенностью такого инструмента является качение режущей части по забою, что обуславливает многократно меньший износ и, соответственно, больший ресурс работы. Поскольку такой инструмент является принципиально новым, для его создания, а также для определения рациональных значений параметров его работы, схем расположения на исполнительных органах очистных комбайнов, необходимо установить связь между параметрами геометрии и режима работы инструмента, с одной стороны, и силовыми и энергетическими параметрами процесса разрушения, с другой.
Анализ исследований и публикаций:
Данная работа является продолжением исследований [1 - 4], выполненных под руководством д.т.н., проф. Н.Г. Бойко. В работе [1] изучен рабочий процесс разрушения инструментом с вращающейся режущей частью угольного пласта и предложена методика определения рациональных значений параметров инструмента и режима разрушения в этих условиях. В работе [2] описана методика проведения экспериментальных исследований разрушения инструментом с вращающейся режущей частью крепкой породы (песчаника) и приведены некоторые результаты этих исследований.
Постановка задачи:
Поскольку инструмент с вращающейся режущей частью предназначен для работы в условиях пластов, имеющих замещения крепкими породами, следует установить закономерности работы инструмента при разрушении крепких пород. Аналитическое описание процесса разрушения породы инструментами горных машин, ввиду его сложности и многофакторности, представляется практически невозможным. Общепринятым является экспериментально-аналитический метод исследования резания углей и пород. Задача работы – основываясь на экспериментальных исследованиях [2], выявить влияние геометрии инструмента с вращающейся режущей частью и режимных параметров его работы на характер и параметры процесса разрушения породы, а также дать математическое описание этого влияния. Последнее послужит основой для разработки методик расчета геометрии инструмента с вращающейся режущей частью, режимов его работы, силовых и энергетических характеристик процесса разрушения.
Изложение материала и результаты:
Одной из основных задач, решавшихся в ходе экспериментальных исследований разрушения породы инструментом с вращающейся режущей частью, была задача определения рационального шага установки этого инструмента на исполнительном органе машины, т.е. рациональной ширины срезаемой инструментом стружки. Сделать это можно, решая задачу минимизации удельных энергозатрат разрушения породы при условии обеспечения гарантированного разрушения инструментом межщелевого целика (части забоя между линиями резания, разрушение которой обусловлено не геометрией инструмента, а хрупкостью разрушаемого материала). Очевидно, и это подтверждается экспериментом [2], что с увеличением глубины внедрения инструмента в породу, т. е. толщины стружки h, скалывание межщелевого целика происходит более эффективно, инструмент может работать с большей шириной стружки t . Так, при h = 5 мм и t ≥ 15 мм разрушение межщелевого целика практически не происходит, а при h = 15 мм инструмент удовлетворительно разрушает стружку шириной 25…30 мм. При проведении эксперимента фиксировались суммарная длина Lост и средняя ширина tост неразрушенного остатка межщелевого целика (если таковой имелся). В качестве характеристики степени разрушения межщелевого целика принят безразмерный объемный остаток целика где tост и Lост – средняя ширина и суммарная длина остатка межщелевого целика, замеренные в данном опыте; t – шаг резания (ширина стружки); L – длина реза. Анализ зависимости безразмерного объемного остатка целика от безразмерной ширины среза t / h, рис. 1, позволяет определить максимальную допустимую ширину срезаемой стружки, при которой происходит гарантированное разрушение инструментом межщелевого целика. Из полученных зависимостей видно, что стабильное скалывание межщелевого целика происходит при соотношении между шириной t и глубиной h резания t / h ≤ 2,5…3. Следовательно, максимальная ширина стружки tmax, при которой происходит гарантированное скалывание межщелевого целика, может быть определена по зависимости При этом меньшее значение коэффициента в скобках следует брать при больших значениях диаметра инструмента и больших глубинах резания. Удельные энергозатраты разрушения породного массива (киловатт-часов на 1 м отбитой породы) определим по зависимости Графики зависимости удельных энергозатрат W от безразмерной ширины среза t / h приведены на рис. 1. Как видно из графиков, минимум энергозатрат разрушения породного массива инструментом с вращающейся режущей частью имеет место при t / h ≈ 3 … 4, что несколько превышает максимально возможную ширину среза из условия разрушения межщелевого целика. Таким образом, при определении рационального значения шага установки инструмента с вращающейся режущей частью на исполнительном органе машины, следует ориентироваться на зависимость (2). Для анализа влияния на процесс разрушения породы геометрии инструмента с вращающейся режущей частью при проведении эксперимента исследовалось разрушение породного блока инструментом, имеющим следующие геометрические параметры: – диаметр D: 130 мм и 180 мм; – угол заострения δ: 70°, 75° и 80°. Выявлено влияние диаметра инструмента на следующие параметры процесса резания, см. рис. 1: 1) На эффективность скалывания межщелевого целика. Инструмент диаметром 130 мм разрушает межщелевой целик при величине соотношения ширины и толщины стружки t / h до 3, тогда как инструмент диаметром 180 мм - до 2 … 2,5. Это может быть связано с увеличением площади контакта и, как следствие, доли напряжений сжатия в формируемом инструментом объемном напряженном состоянии разрушаемого материала. 2) На величину удельных энергозатрат разрушения породы инструментом. Для инструмента диаметром 130 мм минимум удельных энергозатрат разрушения приходится на значение t / h ≈ 4,5, а для инструмента диаметром 180 мм - на значение t / h ≈ 2,8, при этом минимальные удельные энергозатраты для инструмента диаметром 180 мм на 15…20% ниже, чем для инструмента диаметром 130 мм. Это объясняется, по-видимому, снижением усилия перекатывания при увеличении диаметра инструмента. Существенного влияния угла заострения δ инструмента на выявленные ранее зависимости параметров процесса разрушения не выявлено, рис. 2. Тем не менее, по результатам эксперимента можно сделать вывод о том, что инструмент с меньшим углом заострения более эффективен. При проведении опытов при одинаковых значениях ширины и толщины стружки средняя величина остатка целика для инструмента с δ = 70° была меньше, чем для инструмента с δ = 80°, табл. 1. При этом разница в величине остатка целика более существенна при меньших значениях ширины стружки, что позволяет сделать вывод о том, что для инструмента с меньшим углом заострения граничное значение соотношения ширины и толщины стружки будет больше, см. зависимость (2). При ширине стружки t = 30 мм, что больше граничного значения для скалывания, влияние угла заострения на скалывание межщелевого целика незначительно.
Выводы и направление дальнейших исследований:
В результате обработки экспериментальных данных установлен характер влияния геометрических параметров (диаметра и угла заострения) инструмента с вращающейся режущей частью, а также ширины и толщины срезаемой стружки на величину усилий и удельных энергозатрат разрушения твердой породы. В дальнейшем планируется разработка математической модели формирования усилий резания породы таким 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. Мельников В.А. Обоснование параметров вращающегося режущего инструмента для шнековых исполнительных органов очистных комбайнов: дисс. ... канд. техн. наук: 24.01.13 / Мельников Вячеслав Александрович. – Донецк, 2012. -150 с.
2. Федоров О.В. Влияние параметров резания крепких горных пород инструментом с вращающейся режущей частью на величину усилий разрушения / О.В. Федоров, В.А. Мельников // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Гірничо-електромеханічна». – 2012. - Випуск 2(24)’2012. – С.241-253.
3. 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. - Випуск 23(196). - С.18-26.
4. 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. - Випуск 20(176). - С.3-11.