Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
КОРОЛЬ Валерия Валерьевна
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ РеЗЦОВ
струговой УСТАНОВКИ
Специальность 05.05.06 Горные машины
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тула 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении Высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТуГУ) на кафедре геотехнологий и строительства подземных сооружений.
Научный руководитель: доктор технических наук, доцент
Пушкарев Александр Евгеньевич.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
укиенко Леонид Викторович;
кандидат технических наук
Демин Константин Вячеславович.
Ведущее предприятие: Шахтинский институт (филиал) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), г. Шахты.
Защита диссертации состоится л24 января 2012 г. в 12 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина 90, 6-й уч. корпус, ауд. 220.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 300012,
г. Тула, пр. Ленина 92, Ученый совет ТуГУ, факс: (4872) 33-13-05
Автореферат разослан л ___ декабря 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета А. Б. Копылов
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 перспективным направлением. К известным достоинствам стругов относятся 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 ТуГУ 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. номер 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 инструмент 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 равном 0,75;
- расчет нагрузки на гидромеханическом резце, выполненном по схеме струя через резец, производится по установленной зависимости, учитывающей влияние давления воды, диаметра выходного отверстия струеформирующей насадки, толщины стружки, шага резания и прочности разрушаемого массива;
- установлено рациональное отношение шага резания к толщине стружки, учитывающее гидравлические параметры инструмента, выполненного по схеме струя через резец, и прочность массива, при котором обеспечиваются минимальные энергозатраты на разрушение;
- расчеты сил на резцах и производительности струга, оснащенного гидромеханическим инструментом, выполненным по схеме струя через резец, должны производиться с учетом схемы расстановки резцов, гидравлических параметров инструмента и прочности разрушаемого массива.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- экспериментально установлена эффективность применения гидромеханических резцов, выполненных по схеме струя через резец, для струговых установок, выразившаяся в снижении нагрузок на инструменте при разрушении массива;
- выявлена взаимосвязь интенсивности снижения нагрузок на гидромеханических резцах, выполненных по схеме струя через резец, при разрушении массива и отношения диаметра насадки струеформирующего устройства к диаметру канала резца, позволяющая обосновать его конструктивное исполнение;
- установлены закономерности формирования нагрузок на гидромеханических резцах, выполненных по схеме струя через резец, и удельных полных энергозатрат на разрушение в зависимости от гидравлических параметров инструмента, толщины стружки, шага резания и прочностных свойств массива;
- определены рациональные режимы работы гидромеханических резцов, выполненных по схеме струя через резец, в зависимости от гидравлических параметров инструмента, шага резания и прочностных свойств массива, которые обеспечивают минимальную удельную полную энергоемкость процесса разрушения массива.
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 стендовых условиях (средняя величина относительной погрешности не превышает 20 %).
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования нагрузок на гидромеханических резцах, выполненных по схеме струя через резец, при разрушении массива в зависимости от гидравлических параметров инструмента, параметров режима резания и прочностных 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 осуществлять расчет сил на резцах и машине в целом, а также производительности струга, оснащенного гидромеханическим инструментом, выполненным по схеме струя через резец, с учетом схемы расстановки резцов, гидравлических параметров инструмента, параметров режима резания и прочностных 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 (ТуГУ), 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.); 3-й Международной конференции по проблемам промышленности, строительства и энергетики Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2007 г.); III Магистерской научно-технической конференции ТуГУ (г. Тула, 2008 г.); 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.); конференциях молодых ученых и конференциях профессорско-преподавательского состава в ТуГУ (г. Тула, 2008, 2009 и 2010 гг.).
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, изложенных на 153 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 22 таблицы, список использованной литературы из 150 наименований и приложения.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность доктору технических наук, профессору В.А. Бреннеру за идею, которая послужила основой проведения исследований, научному руководителю доктору технических наук, профессору А.Е. Пушкареву за помощь в процессе выполнения работы, а также доктору технических наук, профессору А.Б. Жабину, заведующему кафедрой Геотехнологии и строительство подземных сооружений, доктору технических наук, профессору Н.М. Качурину за постоянное внимание и поддержку, оказанные в ходе выполнения работы, и всем сотрудникам кафедры ГиСПС.
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, Б.Б. Луганцевым и другими учеными, позволяет сделать вывод о том, что одно из наиболее перспективных направлений развития добычной техники связано с совершенствованием оборудования струговой выемки. Однако применение струговой выемки осложняется и даже становится невозможным при наличии в угольном пласте крепких породных включений. В связи с этим для расширения области применения струговых установок целесообразно использование в них гидромеханического способа разрушения, 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, В.Г. Мерзлякова, Г.П. Никонова, И.М. Лавита, М.М. Миллера, А.Е. Пушкарева, В.В. Сафронова, М.М. Щеголевского, С.Е. Харламова и др. Анализ возможных схем гидромеханического разрушения позволил установить наиболее предпочтительную схему, 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 резцов не обосновано и закономерности формирования нагрузок при их 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 механическим инструментом;
- выявить влияние конструктивных параметров инструмента на эффективность работы и обосновать его 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, шага и глубины резания и прочности массива;
- определить рациональные режимные параметры работы гидромеханических резцов струга, обеспечивающие разрушение массива с минимальной 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.
Процесс разрушения массива гидромеханическими резцами, выполненными по схеме струя через резец, с учетом присущих ему особенностей определяется следующими основными факторами:
- параметрами схемы разрушения: глубиной резания (толщиной стружки) h и шагом резания (шагом разрушения) t ;
- гидравлическими параметрами инструмента: давлением воды Р0, диаметром выходного отверстия насадки струеформирующего устройства (диаметром насадки) d0, расходом воды Q0;
- прочностными свойствами разрушаемого массива - пределом прочности на сжатие cж;
- конструктивными параметрами: диаметром канала резца dk и соотношением диаметра насадки и диаметра канала резца d0/dk.
В качестве основных критериев, характеризующих процесс разрушения массива гидромеханическими резцами, были приняты усилия резания РZ, действующие на инструмент, и удельная полная энергоемкость гидромеханического разрушения Е0, состоящая из удельных затрат гидравлической энергии ЕГ и удельной энергоемкости механического разрушения HW, 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 и глубину стружки. Для регистрации основных механических и гидравлических параметров разрушения пород гидромеханическими резцами стенд был оборудован измерительной системой и системой обработки данных на базе ПК.
Гидромеханический резец 1 (рис. 1) имел форму тела вращения. На рабочей головке резца закреплена твердосплавная вставка (керн) 2 с отверстием 7. Струеформирующее устройство выполнено в виде расположенной коаксиально с зазором в продольном канале 5 резца трубки 6 со 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. Гидромеханический резец был установлен в резцедержателе с возможностью вращения относительно трубки. Скорость резания составляла 2 м/с.
Рис. 1. Гидромеханический резец
Исследования, выполненные для установления влияния давления воды на усилия резания при разрушении массива гидромеханическими резцами, проводились на доломите и углецементных блоках с пределом прочности на сжатие 35,8; 31,2; 27,7; 25,6 и 22,8 МПа. В опытах использовались резцы с диаметром насадки 0,4; 0,6 и 0,8 мм, диаметром канала резца 0,8 мм, толщиной стружки 10 мм и шагом резания 10 и 75 мм. Давление воды изменялось от 30 до 70 МПа. Кроме этого выполнялись опыты и по механическому разрушению.
Анализ зависимостей, представленных на рис. 2, показывает, что усилия РZ 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.
Рис. 2. Зависимость усилия резания PZ от давления воды Р0
при сж = 27,7 МПа: 1 Ц d0 = 0,4 мм; 2 - d0 = 0,6 мм;3 - d0 = 0,8 мм
Влияние диаметра насадки, определяющего расход воды через резец при постоянном давлении воды Р0, на усилия резания исследовалось при разрушении массива гидромеханическими резцами с диаметром насадки d0 = 0,4; 0,6 и 0,8 мм и диаметром канала dk = 0,8 мм. Толщина стружки h составляла 10 мм, шаг резания t = 10 и 75 мм и давление воды Р0 = 30 и 70 МПа. Эксперименты проводились на доломите и углецементных блоках с пределом прочности на сжатие 35,8; 31,2; 27,7; 25,6 и 22,8 МПа.
Полученные результаты показывают, 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 РZ 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/dk на усилие резания РZ и удельные энергоемкости разрушения HW, ЕГ, Е0 в зависимости от давления воды Р0 проводились при разрушении доломита и углецементных блоков с пределом прочности на сжатие 35,8; 31,2; 27,7; 25,6 и 22,8 МПа гидромеханическими резцами с диаметром насадки 0,4; 0,6 и 0,8 мм, диаметром канала резца dk = 0,8 мм, т.е. соотношение диаметров в ходе экспериментов составляло d0/dk = 0,5; 0,75; 1 при толщине стружки h = 10 мм и шаге резания t = 10 и 75 мм. Давление воды изменялось от 30 до 70 МПа.
Анализ полученных результатов показывает, что с увеличением отношения диаметра насадки d0 к диаметру канала резца dk от 0,5 до 1 усилие падает во всем диапазоне. При этом можно отметить, что усилие резания снижалось более интенсивно при изменении d0/dk 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/dk = 0,75 является наиболее рациональной.
Анализ экспериментальных данных также показывает, что по мере увеличения d0/dk полные энергозатраты Е0 резко снижаются, достигая минимальных значений при d0/dk = 0,75, что объясняется резким уменьшением механических HW энергозатрат при малом увеличении гидравлических ЕГ. Однако дальнейшее возрастание d0/dk более 0,75 сопровождается ростом полных удельных энергозатрат Е0. Это вызвано значительным увеличением гидравлических энергозатрат ЕГ, тогда как уменьшение механических энергозатрат HW становится незначительным.
Анализируя изменение полной удельной энергоемкости разрушения Е0 с изменением d0/dk для разных пород и в интервале изменения давления воды от 30 до 70 МПа, можно отметить, что минимальные энергозатраты также соответствуют d0/dk = 0,75.
Кроме того, для оценки эффективности увеличения подводимой гидравлической мощности Nг.п и определения рационального отношения d0/dk был проведен анализ интенсивности I уменьшения РZ при изменении величины подводимой гидравлической мощности Nг.п:
. (1)
Из анализа экспериментальных данных, представленных в табл. 1, видно, что уменьшение усилия резания РZ происходит более интенсивно при увеличении d0/dk от 0,5 к 0,75, чем от 0,75 к 1. Так, для сж = 27,7 МПа при t = 75 мм на интервале d0/dk= 0,5 Е 0,75 была подведена гидравлическая мощность
1,3 кВт. При этом усилие резания снизилось на 0,62 кН, а при d0/dk= 0,75 Е 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/dk= 0,5 Е 0,75 практически во всех сериях проведенных экспериментов выше, чем в интервале изменения d0/dk= 0,75 Е 1.
Таблица 1
Результаты опытов по оценке интенсивности снижения усилия резания
при увеличении подводимой гидравлической мощности
сж, МПа | d0, мм | d0/dk | t, мм | РZ, кН | РZ, кН | Nг.п., кВт | Nг.п., кВт | I |
35,8 | 0,4 | 0,5 | 10 | 2,43 | - | 1,02 | - | - |
0,6 | 0,75 | 2,09 | 0,34 | 2,30 | 1,28 | 0,26 | ||
0,8 | 1 | 2,00 | 0,10 | 4,09 | 1,79 | 0,05 | ||
31,2 | 0,4 | 0,5 | 10 | 2,20 | - | 1,02 | - | - |
0,6 | 0,75 | 1,95 | 0,26 | 2,30 | 1,28 | 0,20 | ||
0,8 | 1 | 1,84 | 0,11 | 4,09 | 1,79 | 0,06 | ||
27,7 | 0,4 | 0,5 | 75 | 2,54 | - | 1,02 | - | - |
0,6 | 0,75 | 1,92 | 0,62 | 2,30 | 1,28 | 0,48 | ||
0,8 | 1 | 1,74 | 0,18 | 4,09 | 1,79 | 0,10 | ||
25,6 | 0,4 | 0,5 | 75 | 1,99 | - | 1,02 | - | - |
0,6 | 0,75 | 1,53 | 0,46 | 2,30 | 1,28 | 0,36 | ||
0,8 | 1 | 1,31 | 0,22 | 4,09 | 1,79 | 0,12 | ||
22,8 | 0,4 | 0,5 | 75 | 1,51 | - | 1,02 | - | - |
0,6 | 0,75 | 1,11 | 0,40 | 2,30 | 1,28 | 0,31 | ||
0,8 | 1 | 0,82 | 0,29 | 4,09 | 1,79 | 0,16 |
Оценка влияния прочности массива на силовые показатели процесса разрушения проводилась на доломите и углецементных блоках с пределом прочности на сжатие 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 dk = 0,8 мм, толщина стружки h = 10 мм и шаг резания t = 10, 50 и 75 мм. Давление воды изменялось от 30 до 70 МПа.
Анализ экспериментальных данных показывает, что усилие резания РZ с увеличением сж возрастает во всем диапазоне увеличения прочности (рис. 3). Так, например, при росте сж от 22,8 до 35,8 для зависимости 1 усилие резания PZ 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.
Влияние шага резания t на изменение усилия резания изучалось при разрушении углецементного блока с пределом прочности на сжатие 27,7 МПа резцом, диаметр насадки d0 которого составлял 0,6 мм, диаметр канала dk = 0,8 мм, давление воды Р0 = 70 МПа. Толщина стружки изменялась от 10 до 80 мм, а шаг резания t = 10, 50, 75 и 80 мм.
Рис. 3. Зависимость усилия резания PZ от предела прочности
на сжатие сж: 1 - Р0= 30 МПа; 2 - Р0= 40 МПа;
3 - Р0= 50 МПа; 4 - Р0= 60 МПа; 5 - Р0= 70 МПа
Анализ результатов исследований показывает, что с увеличением шага резания t усилие резания возрастает для всех значений h (рис. 4.). Интенсивность роста усилия PZ 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 мм 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.
Для получения количественных зависимостей использовался графоаналитический метод, который 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.
Обработка массива экспериментальных данных методом множественной регрессии позволила получить расчетную формулу для определения усилия резания, действующего на гидромеханический резец, в зависимости от его гидравлических параметров, прочностных характеристик массива, шага и глубины резания, которая применима для определения силовых показателей процесса резания угля при расчете и проектировании струговых установок, оснащенных гидромеханическими резцами:
Рис. 4. Зависимость усилия резания PZ 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
Таблица 2
Диапазоны изменения основных факторов в ходе экспериментальных
исследований
Основные факторы | Диапазон изменения |
Предел прочности на сжатие, cж, МПа | 22,8 Е 35,8 |
Толщина стружки, h, мм | 10 Е 80 |
Шаг резания, t, мм | 10 Е 80 |
Давление воды, Р0, МПа | 30 Е 70 |
Диаметр насадки, d0, мм | 0,4 Е 0,8 |
. (2)
Исследования по определению влияния относительной толщины стружки h/t на усилие резания РZ и удельные энергоемкости разрушения HW, ЕГ и Е0 в зависимости от давления воды Р0, диаметра насадки d0, предела прочности на сжатие сж и шага резания t проводились при разрушении углецементных блоков и доломита с пределом прочности на сжатие сж = 35,8; 31,2; 27,7; 25,6 и 22,8 МПа. При этом шаг резания принимал значение t =10 Е75 мм, толщина стружки изменялась от 10 до 80 мм, диаметр насадки d0 = 0,6 мм, а диаметр канала резца dk = 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 данных установлено, что при увеличении h/t происходит линейный рост усилия резания, причем большим значениям Р0 и d0 соответствуют меньшие значения PZ, а с ростом сж и t усилия резания увеличиваются. Кроме того, с изменением относительной толщины стружки удельная энергоемкость механического разрушения HW уменьшается по зависимости, близкой к линейной. При этом большим значениям Р0 и d0 соответствуют меньшие значения HW, тогда как с ростом сж и t значения HW увеличиваются. Анализ зависимостей удельных гидравлических энергозатрат ЕГ от относительной толщины стружки h/t показал, что с ростом h/t ЕГ 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 сж увеличиваются.
В результате обработки опытных данных были получены зависимости
Е0 = f(h/t) при различных Р0, d0, сж и t вида
Е0 = А1 + А2(h/t) + А3(h/t)2, (3)
где А1, А2 и А3 - эмпирические коэффициенты, зависящие от давления воды, диаметра насадки, прочности пород и шага резания.
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 пределом прочности на сжатие сж.
Совокупное действие указанных факторов может быть представлено уравнением
. (4)
где А - эмпирический коэффициент; B1 Е В4 - коэффициенты, зависящие от сж, Р0, d0 и t соответственно, определялись методом наименьших квадратов.
В результате обработки экспериментальных данных методом множественной регрессии получено уравнение, отражающее совокупное влияние гидравлических параметров резца, шага резания и предела прочности на сжатие 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, выполненными по схеме струя через резец. Методика реализована 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 рассчитывать силовые показатели струговых установок, оснащенных гидромеханическими резцами, выполненными по схеме струя через резец, и определять эффективность применения гидромеханических резцов на уже существующих стругах. Так, результаты расчетов с использованием разработанной методики показывают, что оснащение серийного струга С700 гидромеханическими резцами, выполненными по схеме струя через резец, позволит расширить область его применения на угли с пределом прочности на сжатие до 28,7 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 процесса резания угольного массива гидромеханическими резцами, выполненными по схеме струя через резец, которые позволяют рассчитать нагрузки, действующие на инструмент, и обосновать его рациональные конструктивные и режимные параметры, обеспечивающие повышение производительности и расширение области применения струговой выемки, что имеет существенное значение для угольной промышленности России.
Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему:
1. Экспериментально установлена эффективность гидромеханических резцов, выполненных по схеме струя через резец, по сравнению с механическим инструментом, выразившаяся в снижении нагрузки при повышении давления подводимой воды. Так, изменение давления воды от 30 до 70 МПа приводит к снижению нагрузки на гидромеханических 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. Определено рациональное отношение диаметра отверстия струеформирующей насадки к диаметру канала резца d0/dk = 0,75, при котором обеспечиваются минимальная энергоемкость процесса разрушения массива и максимальная интенсивность снижения нагрузки на резцах на единицу подводимой гидравлической мощности.
4. Установлено, что при увеличении предела прочности на сжатие разрушаемого массива нагрузка на резце возрастает. Так, при увеличении сж от 22,8 до 35,8 МПа нагрузка на резце повышается в 1.8Е2,8 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 возрастает на 28Е35 %.
6. Получена расчетная зависимость для определения усилия резания на инструменте, выполненном по схеме струя через резец, с учетом гидравлических и геометрических параметров инструмента, толщины стружки и прочностных свойств угольного массива.
7. Определены зависимости полных удельных энергозатрат от относительной толщины разрушаемой стружки с учетом гидравлических параметров инструмента, прочности разрушаемого массива и шага резания. 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 пределом прочности на одноосное сжатие до 28,7 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. Тула, 22-27 октября 2007 г. Тула: Изд-во ТуГУ, 2007. С. 62-64.
2. Пушкарев А.Е., Наумов Ю.Н., Король В.В. Перспективы развития технологии струговой выемки// Изв. ТуГУ. Естественные науки. Вып. 2. Тула: Гриф и К, 2007. С. 210-213.
3. Король В.В. Выбор и обоснование параметров струговой установки для эффективного гидромеханического разрушения углей// III Магистерская научно-техническая конференция: тезисы докладов. Тула, 14-16 мая 2008 года.
Тула: Изд-во ТуГУ, 2008. С.49-50.
4. Король В.В., Пушкарев А.Е. Анализ существующих методик расчета и проектирования гидромеханического исполнительного органа// Изв. ТуГУ. Естественные науки. Тула: Изд-во ТуГУ, 2009. С. 246-250.
5. Король В.В., Пушкарев А.Е. Анализ влияния диаметра насадки на усилие резания стругового исполнительного органа// Изв. ТуГУ. Естественные науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТуГУ, 2009. С. 267-271.
6. Пушкарев А.Е., Король В.В. О вариантах подвода воды высокого давления к стругам// Изв. ТуГУ. Естественные науки. Тула: Изд-во ТуГУ, 2009. Вып. 5. С. 211-213.
7. 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 Тула. 8-10 июня
2010 г. Тула: Гриф и К, 2010. С. 68-73.
8. 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.
9. Король В.В., Пушкарев А.Е. Определение рациональных параметров разрушения массива гидромеханическими резцами струговых установок // Изв. ТуГУ. Науки о Земле. Вып. 1. Тула: Изд-во ТуГУ, 2011. С. 305-307.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям