Обоснование параметров и определение нагруженности гидромеханических резцов струговой установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ РеЗЦОВ струговой УСТАНОВКИ

Король Валерия Валерьевна

Тула - 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении Высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) на кафедре геотехнологий и строительства подземных сооружений.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Пушкарев Александр Евгеньевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Лукиенко Леонид Викторович; кандидат технических наук Демин Константин Вячеславович.

Ведущее предприятие: ОАО «ПКИ Крангормаш», г. Новомосковск.

Защита диссертации состоится «___»____________ ________ г. в ___ час ____ мин. на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина 90, учебный корпус 6 , аудитория 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан «___» ___________ ______ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.Б. Копылов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одобренная Правительством Российской Федерации программа перспективного развития угольной отрасли до 2030 года предполагает повышение добычи угля на 40% за счет интенсификации труда и внедрения современной техники и технологии. В этой связи применение струговой выемки является весьма перспективной. К известным достоинствам стругов относится простота конструкции машины, высокая по гранулометрическому составу сортность отделяемого от массива угля и возможность селективной разработки угольного пласта. Однако расширение области применения стругов сдерживается ограниченными возможностями механического способа разрушения прочных углей традиционным резцовым инструментом. Одним из путей решения этой проблемы является оснащение стругов комбинированным гидромеханическим инструментом, выполненным по схеме «струя через резец» и реализующим одновременное воздействие на массив высоконапорных струй воды и механических резцов. Однако процесс работы такого инструмента недостаточно изучен и, как следствие, отсутствуют рекомендации по его конструктивному исполнению. Кроме того, отсутствуют методы определения нагруженности гидромеханических резцов, режимов их работы, расчета установки в целом, что и определяет актуальность работы.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР и ОКР ТулГУ и Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, а также при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2010 гг.)» (рег. №2.2.1.1/3942) и федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (гос. контракт №П1120).

Целью работы являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей процесса разрушения угля гидромеханическими резцами стругов для обоснования их конструктивных и режимных параметров, обеспечивающих повышение эффективности разработки угольного пласта.

Идея работы заключалась в том, что эффективное разрушение прочных углей стругами достигается за счет оснащения исполнительного органа гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец», с учетом выявленных закономерностей формирования нагрузок на инструменте при рациональных конструктивных и режимных параметрах.

В работе использован комплексный метод исследования, включающий научное обобщение и анализ основных результатов ранее выполненных работ в области механического и гидромеханического способов разрушения угля; экспериментальные исследования разрушения массива гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец» в условиях стенда; обработку результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

- наибольшая эффективность разрушения массива гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец», достигается при рациональном отношении диаметра насадки струеформирующего устройства к диаметру канала резца;

- расчет нагрузки на инструменте производится по выявленной зависимости, учитывающей влияние давления воды и диаметра выходного отверстия насадки струеформирующего устройства, толщины стружки, шага резания и физико-механических свойств массива на силовые показатели разрушения массива гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец»;

- установлено рациональное отношение шага резания к толщине стружки, при котором обеспечивается разрушение массива с минимальной энергоемкостью с учетом гидравлических параметров инструмента и прочности массива гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец»;

- расчеты сил на резцах и производительности струга, оснащенного гидромеханическим инструментом, выполненным по схеме «струя через резец», должны производиться на основе метода, учитывающего схему расстановки резцов, гидравлические параметры инструмента и прочности массива.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- экспериментально установлена эффективность применения гидромеханических резцов, выполненных по схеме «струя через резец», на струговых установках, выразившаяся в снижении нагрузок на инструменте при взаимодействии с массивом;

- выявлена взаимосвязь интенсивности снижения нагрузок при взаимодействии с массивом гидромеханических резцов, выполненных по схеме «струя через резец», и отношения диаметра насадки струеформирующего устройства к диаметру канала резца, позволяющая обосновать конструктивное исполнение инструмента;

- установлена закономерность формирования нагрузок на гидромеханических резцах, выполненных по схеме «струя через резец», в зависимости от гидравлических параметров инструмента, толщины стружки, шага резания и физико-механических свойств массива;

- определены рациональные, обеспечивающие минимальную полную энергоемкость процесса разрушения массива, режимы работы гидромеханических резцов, выполненных по схеме «струя через резец», в зависимости от гидравлических параметров инструмента, шага резания и физико-механических свойств массива;

- разработан метод расчета нагрузки на инструменте и машине в целом, а также производительности струговой установки, оснащенной гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец», позволяющий обосновать возможность расширения области применения серийно выпускаемых стругов на более крепкие угли и угли с твердыми включениям.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом проведенных экспериментов; корректной обработкой результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики и подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных величин, с результатами экспериментов, полученными в условиях стенда (средняя величина относительной погрешности не превышает 20%).

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования нагрузок на гидромеханических резцах стругов при их взаимодействии с массивом, в зависимости от гидравлических параметров инструмента, толщины стружки, шага резания и физико-механических свойств массива, что позволяет обосновать конструкцию, выполнить их расчет и расширить область эффективного применения струговых установок.

Практическое значение работы:

- обосновано конструктивное исполнение гидромеханических резцов, выполненных по схеме «струя через резец», для эффективного использования на струговых установках;

- разработана «Методика определения нагрузок на резцах и резцовой головке стругового исполнительного органа, оснащенного гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец»;

- разработана прикладная программа для персональных компьютеров, позволяющая осуществить расчет сил на резцах и машине в целом, а так же производительность струга, оснащенного гидромеханическим инструментом, выполненным по схеме «струя через резец», с учетом схемы расстановки резцов, гидравлических параметров инструмента и физико-механических свойств массива.

Реализация работы. «Методика определения нагрузок на резцах и резцовой головке стругового исполнительного органа, оснащенного гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец» принята Тульским региональным отделением МОО «Академия горных наук» к использованию при проектировании выемочных машин. Кроме того, результаты исследований внедрены в учебные курсы «Горные машины и оборудование подземных выработок» и «Расчет и проектирование горных машин и комплексов» для студентов Тульского государственного университета (ТулГУ), обучающихся по специальности 150402 «Горные машины и оборудование». Программное обеспечение используется при курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение: на ежегодной конференции «Неделя горняка» (г. Москва, 2006 и 2007 гг.);

- на 3-й Международной конференции по проблемам промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2007 г.);

- на III-й магистерской научно-технической конференции ТулГУ (г. Тула, 2008 г.);

- на 3-й Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2010 г.);

- на конференциях молодых ученых и конференциях профессорско-преподавательского состава в ТулГУ (г. Тула, 2008, 2009 и 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей из них 6 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложеных на__ страницах машинописного текста, содержит __ рисунков, __ таблиц, список использованной литературы из ___ наименований и приложения.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ результатов исследований, выполненных А.И. Бероном, А.Б. Голодом, М.Г. Карабановым, А.А. Карленковым, М.А. Лемешко, Б.А. Ошеровым, Е.З. Позиным, Н.И. Сысоевым и другими учеными, позволяет делать вывод о том, что одно из наиболее перспективных направлений развития технологий выемочных работ связано с совершенствованием оборудования струговой выемки. При этом применение струговой выемки осложняется и даже становится невозможным при наличии в пласте крупных крепких включений.

Перспективным направлением развития струговой техники является расширение области применения за счет реализации комбинированного способа разрушения - гидромеханического, обеспечивающего разработку крепких углей и пород повышенной прочности.

Вопросы гидромеханического разрушения горного массива наиболее полно изучены и представлены в работах В.Е. Бафталовского, В.А. Бреннера, Л.Б. Глатмана, Ю.А. Гольдина, И.И. Дорошенко, К.В. Демина, А.Б. Жабина, И.В. Иванушкина, И.А. Кузьмича, И.М. Лавита, В.Г. Мерзлякова, М.М. Миллера, Г.П. Никонова, А.Е. Пушкарева, В.В. Сафронова, С.Е. Харламова, М.М. Щеголевского и других ученых. Анализ возможных схем гидромеханического разрушения позволил установить наиболее предпочтительную, при которой вода высокого давления подается через канал, выполненный в теле резца, непосредственно в зону контакта инструмента с разрушаемым массивом. В настоящее время эта схема, известная как схема «струя через резец», применительно к струговой выемке недостаточно изучена, конструктивное исполнение не обосновано и закономерности формирования нагрузок при взаимодействии с массивом не установлены.

На основании изложенного, а также в соответствии с целью работы, были поставлены следующие задачи исследований:

- определить эффективность использования гидромеханических резцов струга, выполненных по схеме «струя через резец» по сравнению с механическими;

- выявить влияние конструктивных параметров инструмента на эффективность работы и обосновать его конструктивное исполнение;

- установить влияние гидравлических параметров инструмента, прочности массива, шага и глубины резания на формирование нагрузок на гидромеханических резцах;

- установить зависимость нагрузки на гидромеханических резцах струга, выполненных по схеме «струя через резец» от гидравлических параметров инструмента, прочности массива, шага и глубины резания;

- определить рациональные режимные параметры работы гидромеханических резцов струга (шаг резания и толщина разрушаемой стружки), обеспечивающие разрушение массива с минимальной полной энергоёмкостью в зависимости от гидравлических параметров инструмента и прочности массива;

- разработать методику определения нагрузок на инструменте стругового исполнительного органа, оснащенного гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец», для расширения области применения струговой выемки угля.

Процесс разрушения массива гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец», с учетом присущих ему особенностей определяется следующими основными факторами:

параметры схемы разрушения:

- глубина резания (толщина стружки) h, шаг t и скорость резания V_p,

гидравлические параметры инструмента:

- давление воды Р₀, диаметр канала резца d_k, диаметр выходного отверстия насадки струеформирующего устройства (диаметр насадки) d₀ (расход воды Q₀),

физико-механические свойства разрушаемого массива:

- предел прочности на одноосное сжатие - у_cж;

конструктивные параметры:

- соотношение диаметра насадки и диаметра канала резца d₀/d_k.

В качестве основных критериев, характеризующих процесс разрушения массива гидромеханическими резцами, были приняты усилия резания Р_Z, действующие на инструмент, и удельная полная энергоемкость гидромеханического разрушения Е₀, состоящая из удельных затрат гидравлической энергии Е_Г и удельной энергоемкости механического разрушения H_W, которые являются основными показателями при расчете исполнительных органов стругов.

Экспериментальные исследования по установлению закономерностей процесса разрушения угля и горных пород комбинированным инструментом с применением высокоскоростных струй и механического инструмента (резца) производились на стенде. Стенд по принципу действия аналогичен мощному строгальному станку. Базой стенда служила сварная рамная металлоконструкция. Породный блок, предназначенный для разрушения, бетонировался в металлическую форму и крепился на подвижном столе. Перемещение стола осуществлялось двумя мощными гидроцилиндрами в двух координатах в плоскости стенда по направляющим, закрепленным на раме. Стол с закрепленным образцом был оборудован датчиками, регистрирующими усилие резания, и имел возможность горизонтально перемещаться вдоль продольной оси стенда. Подача воды высокого давления через резец в зону его контакта с образцом породы осуществлялась от насоса высокого давления. Приводы подвижного стола позволяли регулировать шаг резания, скорость подачи и глубину разрушаемой стружки. Для регистрации основных механических и гидравлических параметров разрушения пород гидромеханическими резцами, стенд был оборудован измерительной системой и системой обработки данных на базе ПЭВМ.

Рабочая головка породоразрушающего инструмента 1 (см. рис. 1) имела форму тела вращения. На рабочей головке закреплена твердосплавная вставка (керн) 2 с отверстием 7. Струеформирующее устройство выполнено в виде расположенной коаксиально с зазором в продольном канале 5 породоразрушающего инструмента трубки 6 с струеформирующей насадкой 3. Один конец трубки жестко соединен с подводящим коллектором 4. На свободном конце трубки закреплена соосно с соплом насадка 3 с выходным отверстием. Продольный канал в резцедержателе и державка имели цилиндрическую форму. Породоразрушающий инструмент был установлен с возможностью вращения относительно резцедержателя и трубки.

Рисунок 1 - Схема гидромеханического резца, применявшегося при экспериментах на стенде

Исследования, выполненные для установления влияния давления воды на усилия резания при разрушении массива гидромеханическими резцами, проводились на доломите и углецементных блоках с временным сопротивлением одноосному сжатию у_сж = 35,8; 31,2; 27,7; 25,6 и 22,8 МПа. В опытах использовались резцы с диаметром выходного отверстия насадки струеформирующего устройства (диаметр насадки) d₀ = 0,4; 0,6 и 0,8 мм, диаметр канала резца

d_k = 0,8 мм, при толщине стружки h = 10 мм, шаге резания t = 10 и 75 мм и скорости резания V_p = 2 м/с. Давление воды изменялось от 30 до 70 МПа. Кроме этого выполнялись опыты и по механическому разрушению при Р₀ = 0 МПа.

Анализ зависимостей, представленных на рис. 2. показывает, что усилия Р_Z уменьшаются с увеличением давления воды Р₀. Объясняется это тем, что с ростом давления воды Р₀ зона ослабления массива перед резцом в момент, предшествующий сколу, увеличивается за счет возрастания гидродинамического воздействия воды. Такой механизм взаимодействия комбинированного инструмента с угольным массивом согласуется с результатами исследований, выполненных другими авторами.

Рисунок 2 - Зависимость усилия резания P_Z от давления воды Р₀ при у_сж = 27,7 МПа: 1 - при, d₀ = 0,4 мм; 2 - при d₀ = 0,6 мм; 3 - при d₀ = 0,8 мм

разрушение уголь резец струг

Влияния диаметра насадки, определяющего расход воды через резец при постоянном давлении воды Р₀, на усилия резания исследовались при разрушении массива гидромеханическими резцами с диаметром насадки d₀ = 0,4; 0,6 и 0,8 мм и диаметром канала d_k = 0,8 мм. Толщина стружки h составляла 10 мм, шаг резания t = 10 и 75 мм, давление воды Р₀ = 30 и 70 МПа, а скорость резания V_p = 2 м/с. Эксперименты проводились на доломите и углецементных блоках с временным сопротивлением одноосному сжатию у_сж = 35,8; 31,2; 27,7; 25,6 и 22,8 МПа.

Полученные результаты показали, что с увеличением диаметра насадки d₀ усилия резания, действующие на резец, уменьшаются. Снижение усилий можно объяснить тем, что увеличение расхода воды способствует более значительному ослаблению зоны массива, находящейся перед резцом, а также, увеличивается время взаимодействия струи с массивом. Так степень уменьшения усилий Р_Z в зависимости от диаметра насадки d₀ колеблется от 1,1 до 1,9 раза.

Исследования по определению влияния отношения диаметра струеформирующей насадки к диаметру канала резца d₀/d_k на усилие резания Р_Z и удельные энергоемкости разрушения H_W, Е_Г, Е₀ в зависимости от давления воды Р₀ проводились при разрушении доломита и углецементных блоков с временным сопротивлением одноосному сжатию у_сж = 35,8; 31,2; 27,7; 25,6 и 22,8 МПа гидромеханическими резцами с диаметром насадки d₀ = 0,4; 0,6 и 0,8 мм, диаметром канала резца d_k = 0,8 мм, т.е. соотношение диаметров в ходе экспериментов составляло d₀/d_k = 0,5; 0,75; 1, при толщине стружки h = 10 мм, шаге резания

t = 10 и 75 мм и скорости резания V_p = 2 м / с. Давление воды изменялось от 30 до 70 МПа.

Анализ полученных результатов показал, что с увеличением отношения диаметра насадки d₀ к диаметру канала резца d_k от 0,5 до 1 усилие падает во всем диапазоне. При этом можно отметить, что усилие резание снижалось более интенсивно при изменении d₀/d_k от 0,5 до 0,75. Это объясняется тем, что струя, вылетая из насадки, расширяется и при больших диаметрах насадки имеет диаметр больше чем диаметр канала резца. Происходит взаимодействие периферийной области струи со стенками канала, что приводит к ее разрушению и как следствие снижает ее эффективность. Таким образом, область значения d₀/d_k = 0,75 является наиболее рациональной. Анализ экспериментальных данных также показал, что по мере увеличения d₀/d_k полные энергозатраты Е₀ резко снижаются достигая минимальных значений при d₀/d_k = 0,75, что объясняется резким уменьшением механических H_W энергозатрат при малом увеличении гидравлических Е_Г. Однако дальнейшее возрастание d₀/d_k более 0,75 сопровождается ростом полных удельных энергозатрат Е₀. Это вызвано значительным увеличением гидравлических энергозатрат Е_Г, тогда как уменьшение механических энергозатрат H_W становится незначительным.

Анализируя изменение полной удельной энергоемкости разрушения Е₀ с изменением d₀/d_k для разных пород и в интервале изменения давления воды от 30 до 70 МПа можно отметить, что минимальные энергозатраты так же соответствуют d₀/d_k = 0,75. Кроме того, для оценки эффективности увеличения подводимой гидравлической мощности N_г.п. и определения рационального отношения d₀/d_k был проведен анализ интенсивности I уменьшения Р_Z при изменении величины подводимой гидравлической мощности N_г.п.:

(1)

Из анализа экспериментальных данных представленных в табл. 1. видно, что уменьшение усилия резания Р_Z с увеличением d₀/d_k происходит более интенсивно при переходе d₀/d_k от 0,5 к 0,75, чем при переходе от 0,75 к 1.

Таблица 1 - Результаты опытов по оценке интенсивности снижения усилия резания при увеличении подводимой гидравлической мощности

у_сж = 27,7 МПа, при t = 75 мм на интервале d₀/d_k = 0,5 … 0,75 была подведена гидравлическая мощность 1,3 кВт, при этом усилие резания снизилось на 0,62 кН, а при d₀/d_k = 0,75 … 1 гидравлическая мощность увеличивается еще на 1,8 кВт, однако усилие резания снижается только на 0,18 кН. Таким образом, эффективность снижения усилия резания на единицу подводимой гидравлической мощности в интервале изменения d₀/d_k = 0,5 … 0,75 практически во всех сериях проведенных экспериментов выше, чем в интервале изменения d₀/d_k 0,75 … 1.

Оценка влияния прочности массива на силовые показатели процесса разрушения проводилась на доломите и углецементных блоках с временным сопротивлением одноосному сжатию у_сж = 35,8; 31,2; 27,7; 25,6 и 22,8 МПа. В опытах использовались резцы с диаметром насадки d₀ = 0,6 мм, диаметром канала резца d_k = 0,8 мм, при толщине стружки h = 10 мм, шаге резания t = 10, 50 и 75 мм и скорости резания V_p = 2 м / с. Давление воды изменялось от 30 до 70 МПа.

Анализ экспериментальных данных показал, что усилие резания Р_Z с увеличением у_сж возрастает во всем диапазоне увеличения у_сж (см. рис. 3.). Так, например, при росте у_сж от 22,8 до 35.8 для зависимости 1 усилие резания P_Z увеличивается в 1,8 раза, для зависимостей 3 и 5 в 2,2 и 2,8 раза соответственно. Это объясняется меньшим проникновением высоконапорной воды в более прочные породы, т.е. для более прочного массива эффект использования водяных струй для снижения нагрузки на резце менее выражен.

Рисунок 3 - Зависимость усилия резания P_Z от временного сопротивления одноосному сжатию у_сж: 1 - при Р₀ = 30 МПа; 2 - при Р₀ = 40 МПа; 3 - при Р₀ = 50 МПа; 4 - при Р₀ = 60 МПа; 5 - при Р₀ = 70 МПа

Влияние шага резания t на изменение силовых показателей разрушения изучалось при разрушении углецементного блока с временным сопротивлением одноосному сжатию у_сж = 27,7 МПа резцом, диаметр насадки d₀ которого составлял 0,6 мм, диаметр канала резца d_k = 0,8 мм, давление воды Р₀ = 70 МПа, а скорость резания V_p = 2 м/с. Толщина стружки изменялась от 10 до 80 мм, шага резания t = 10, 50, 75 и 80 мм.

Анализ результатов исследований показал, что с увеличением шага резания t усилие резания возрастает для всех значений h (рис. 4.). Интенсивность роста усилия P_Z повышается с увеличением h во всем диапазоне изменения t, что объясняется увеличением площади контакта резца с массивом. Так, например, для зависимости 1 (рис. 4.) при увеличении t от 10 до 80 усилие резания возрастает от 1,06 до 1,60 кН, или на 0,54 кН, а для зависимости 4 - от 4,71 до 6,27 кН, или на 3,50 кН.

Рисунок 4 - Зависимость усилия резания P_Z от шага резания t: 1 - при t = 10 мм; 2 - при t = 30 мм; 3 - при t = 40 мм; 4 - при t = 50 мм; 5 - при t = 80 мм

Для получения количественных зависимостей использовался графоаналитический метод, которых позволил обобщить объем экспериментальных данных с учетом внутренних качественных и количественных связей между параметрами зависимости. Диапазоны изменения основных факторов в ходе экспериментальных исследований процесса разрушения массива гидромеханическими резцами представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Диапазоны изменения основных факторов в ходе экспериментальных исследований

Обработка массива экспериментальных данных методом множественной регрессии позволила получить расчетную формулу для определения усилия резания, действующего на гидромеханический резец, от его гидравлических параметров, прочностных характеристик массива, шага и глубины резания, которая применима для определения силовых показателей процесса резания угля при проектировании струговых установок, оснащенных гидромеханическими резцами:

(2)

Исследования по определению влияния относительной толщины стружки h/t на усилие резания Р_Z и удельные энергоемкости разрушения H_W, Е_Г, Е₀ в зависимости от давления воды Р₀, диаметра насадки d₀, временного сопротивления одноосному сжатию у_сж и шага резания t проводились при разрушении углецементных блоков и доломита с временны сопротивлением одноосному сжатию у_сж = 35,8; 31,2; 27,7; 25,6 и 22,8 МПа. При этом шаг резания принимал значение t = 10 …75 мм, толщина стружки изменялась от 10 до 80 мм, а диаметр насадки d₀ = 0,6 мм, диаметр канала резца d_k = 0,8 мм. Давление воды Р₀ изменялось от 50 до 70 МПа. Значения h/t в опытах принимались от 0,13 до 8.

В результате анализа полученных данные установлено, что при увеличении h/t происходит линейный рост усилия резания, причем большим значениям Р₀ и d₀ соответствуют меньшие значения P_Z, а с ростом у_сж и t усилия резания увеличиваются. Кроме того, с изменением относительной толщины стружки удельная энергоемкость механического разрушения H_W уменьшается по зависимости близкой к линейной. При этом большим значениям Р₀ и d₀ соответствуют меньшие значения H_W, тогда как а с ростом у_сж и t значения H_W увеличиваются. Анализ зависимостей удельных гидравлических энергозатрат Е_Г от относительной толщины стружки h/t показал, что с ростом h/t Е_Г убывает по гиперболическому закону, при этом полная удельная энергоемкость разрушения Е₀ с изменением относительной толщины стружки h/t меняется по параболическому закону с наличием минимума, соответствующего рациональному соотношению между толщиной стружки и шагом резания. Причем с увеличением Р₀, d₀ и t рациональные значения (h/t)_p уменьшаются, а с ростом у_сж увеличиваются.

В результате обработки опытных данных были получены зависимости

Е₀ = f(h/t) при различных Р₀, d₀, у_сж и t вида:

Е₀ = А₁ + А₂(h/t) + А₃(h/t)², (3)

где А₁, А₂ и А₃ - эмпирические коэффициенты.

Анализ полученных зависимостей E₀ = f (h/t) на экстремум и статистическая обработка результатов позволили получить уравнения, отражающие связь между рациональной относительной толщиной стружки и каждым влияющим фактором: давлением воды Р₀, диаметром насадки d₀, шагом резания t и временным сопротивлением одноосному сжатию у_сж.

Совокупное действие указанных факторов может быть представлено уравнением вида

, (4)

где А - эмпирический коэффициент, B₁ … В₄ - коэффициенты зависящие от у_сж, Р₀, d₀, t соответственно, определялись методом наименьших квадратов.

В результате обработки экспериментальных данных методом множественной регрессии получено уравнение, отражающее совокупное влияние гидравлических параметров резца, шага резания, временного сопротивления одноосному сжатию на рациональную относительную толщину стружки:

, (5)

На основании результатов выполненных исследований разработана «Методика определения нагрузок на резцах и резцовой головке стругового исполнительного органа, оснащенного гидромеханическими резцами», реализованная в виде прикладной программы для ПК на объектно-ориентированном языке C# 4.0 (C Sharp - си-шарп) в оболочке Microsoft Visual Studio 2010 для платформы Microsoft .NET Framework. Методика позволяет рассчитать силовые параметры струговых установок, оснащенных гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец» и определить эффективность применения гидромеханических резцов на уже существующих стругах. Так, результаты расчетов с использованием разработанной методики показали, что оснащение серийного струга С700 гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец» позволит расширить область его применения на угли с временным сопротивлением одноосному сжатию 38,7 МПа.

«Методика определения нагрузок на резцах и резцовой головке стругового исполнительного органа, оснащенного гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец» принята Тульским региональным отделением МОО «Академия горных наук» к использованию при проектировании выемочных машин.

Заключение

На основании выполненных исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности формирования нагрузок на гидромеханических резцах при взаимодействии с массивом, позволяющие определить рациональные, с точки зрения обеспечения минимальной энергоемкости резания, конструктивные параметры инструмента и обосновать режимы работы струговой установки, оснащенной гидромеханическими резцами, обеспечивающие повышение производительности и расширение области применения струговой выемки, что имеет большое практическое значение для горной промышленности России.

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Экспериментально установлена эффективность гидромеханических резцов по сравнению с механическими, выразившаяся в снижении нагрузки на инструменте при повышении давления подводимой воды. Так изменение давления воды от 30 до 70 МПа приводит к снижению нагрузки на резцах до 47% .

2. Выявлено, что увеличение диаметра отверстия струеформирующей насадки существенно влияет на снижение нагрузки на гидромеханических резцах. Так увеличение диаметра выходного отверстия насадки струеформирующего устройства от 0,4 до 0,8 мм приводит к уменьшению усилия резания в 1,9 раз.

3. Выполненные исследования позволили определить рациональное отношение диаметра отверстия струеформирующей насадки к диаметру канала резца d₀/d_k = 0,75, при котором обеспечивается минимальная энергоемкость процесса разрушения массива и максимальная интенсивность снижения нагрузки на резцах на единицу подводимой гидравлической мощности.

4. Установлено, что при увеличении временного сопротивления разрушаемого массива одноосному сжатию нагрузка на резце возрастает. Так при увеличении у_сж от 22,8 до 35,8 МПа нагрузка на резце растет в 1.8…2,8 раза.

5. Выявлено, что при увеличении шага резания нагрузка на резце увеличивается, достигая максимума, соответствующего режиму блокированного резания. Так при увеличении шага резания от 10 до 80 мм, нагрузка на резце растет на 28…35%.

6. Получена расчетная зависимость для определения усилия резания на инструменте, реализованном по схеме «струя через резец», с учетом гидравлических и геометрических параметров инструмента, толщины стружки и физико-механических свойств углей.

7. Определены зависимости полных удельных энергозатрат от относительной толщины разрушаемой стружки с учетом гидравлических параметров инструмента, прочности разрушаемого массива и толщины стружки. Получена расчетная формула для определения рациональных значений относительной толщины стружки, обеспечивающих минимальные полные удельные энергозатраты при разрушении массива гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец».

8. Разработана методика определения нагрузок на резцах и резцовой головке стругового исполнительного органа, оснащенного гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец». Показано, что оснащение серийного струга С700 гидромеханическими резцами позволит расширить область его применения на угли с временным сопротивлением одноосному сжатию 38,7 МПа.

9. «Методика определения нагрузок на резцах и резцовой головке стругового исполнительного органа, оснащенного гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец» принята Тульским региональным отделением МОО «Академия горных наук» к использованию при проектировании выемочных машин.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Бреннер В.А., Король В.В., Наумов Ю.Н. К вопросу о применении гидромеханического разрушения в струговых исполнительных органах горных машин // 3-я Международная конференция по проблемам промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики»: Материалы конференции. 22-27 октября 2007 г. / ТулГУ. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. С.62-64.

2. Король В.В. Выбор и обоснование параметров струговой установки для эффективного гидромеханического разрушения углей // 3-я магистерская научно-техническая конференция: Тезисы докладов / ТулГУ, 14-16 мая 2008 года. Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. С.49-50.

3. Король В.В., Пушкарев А.Е. Анализ существующих методик расчета и проектирования гидромеханического исполнительного органа // Изв. ТулГУ. Естественные науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С.246-250.

4. Король В.В., Пушкарев А.Е. Анализ влияния диаметра насадки на усилие резания стругового исполнительного органа // Изв. ТулГУ. Естественные науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С.267-271.

5. Король В.В., Пушкарев А.Е. Влияние отношения диаметра насадки к диметру канала на показатели разрушения в зависимости от гидравлических параметров инструмента // Материалы 3-й Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» / ТулГУ. 8-10 июня 2010 г. Тула: ЗАО «Гриф и К», 2010. С.68-73.

6. Король В.В., Пушкарев А.Е. Определение рациональных параметров разрушения массива гидромеханическими резцами струговых установок // Изв. ТулГУ. Науки о Земле. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С.305-307.

7. Пушкарев А.Е., Наумов Ю.Н., Король В.В. Перспективы развития технологии струговой выемки // Изв.ТулГУ. Естественные науки. Се. «Науки о Земле». Вып. 2. Тула: Гриф и К, 2007. С.210-213.

8. Пушкарев А.Е., Король В.В. О вариантах подвода воды высокого давления к стругам // Изв. ТулГУ. Естественные науки. Сер. Науки о Земле. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. Вып. 5. С.211-213.

9. Пушкарев А.Е., Король В.В. Исследование влияния гидравлических параметров гидромеханических резцов струговых установок на усилие резания // Горное оборудование и электромеханика. 2010. №4. С.10-13.

Размещено на Allbest.ru