Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Калакуцкий Алексей Васильевич
ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ КАНАТНОЙ ПИЛЫ
ДЛЯ РЕЗАНИЯ ПРИРОДНОГО КАМНЯ
Специальность 05.05.06 - Горные машины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО
Московский государственный горный университет
на кафедре Теоретическая и прикладная механика (ТПМ МГГУ).
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Бардовский Анатолий Данилович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Попов Юрий Владимирович
кандидат технических наук
Секретов Михаил Валентинович
Ведущая организация: ООО КНАУФ ГИПС НОВОМОСКОВСК
Тульская область, г. Новомосковск
Защита состоится 15 марта 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.09 при Московском государственном горном университете в аудитории Д-251 по адресу:119991, Москва, ГСП-1, енинский проспект, дом 6, E-mail: ud@msmu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.
Автореферат разослан л 14 февраля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук,
профессор Шешко Евгения Евгеньевна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В последние десятилетия возросло потребление блочного камня из мраморных, гипсовых и других пород. В строительной индустрии широко используются плиты из мрамора для облицовки зданий и оформления интерьеров. Гипсовые каменные блоки применяют для возведения стен и внутренних перегородок малоэтажных домов.
Добыча природного камня и его распиловка в зависимости от технологии производства осуществляются канатными пилами с бесконечным движением рабочего органа или дисковыми станками.
Недостатком дискового пиления являются весьма ограниченные размеры блоков, лимитированные диаметром дисковой фрезы. Недостаток канатного пиления с бесконечным движением рабочего органа заключается в его нерациональном использовании, так как канат с размещенными на нем фрезами, алмазными втулками или армированный алмазами контактирует не только с каменным блоком в зоне реза, но и с приводными и обводными блоками распиловочной установки. Работа установки сопровождается частыми обрывами дорогостоящего рабочего органа.
В середине 60-80-х годов прошлого века были разработаны и изготавливались канатные пилы с возвратно-поступательным движением рабочего органа. Концы гибкого режущего органа этих пил соединялись с тяговыми канатами, непосредственно участвующими в передаче тягового усилия от привода пилы. В этом случае дорогостоящий рабочий орган имеет длину в 5-10 раз меньшую, чем у канатной пилы с бесконечным движением режущего органа. Однако эти пилы были сняты с производства из-за частых обрывов гибких звеньев вследствие особенности кинематической схемы привода пилы типа ПП, не обеспечивающей синхронное движение ведущей и ведомой ветвей каната.
В то же время простота рычажно-роликового реверсирующего механизма канатной пилы и наличие режущих элементов на небольшой длине гибкого каната позволят улучшить технико-экономические показатели процесса пиления природного камня за счет синхронизации движения ведущей и ведомой тяговых ветвей каната.
Поэтому обоснование и выбор параметров канатной пилы для резания природного камня за счет установления закономерностей формирования параметров рычажно-роликового реверсирующего механизма с синхронизированным возвратно-поступательным движением тягового каната канатной пилы от скорости ее подачи, кинематических и конструктивных параметров реверсора и физико-механических характеристик природного камня являются актуальной научной задачей.
Целью работы является установление закономерностей формирования параметров рычажно-роликового реверсирующего механизма с синхронизированным возвратно-поступательным движением тягового каната канатной пилы от скорости ее подачи, кинематических и конструктивных параметров реверсора и физико-механических характеристик природного камня.
Идея работы заключается в минимизации нагрузок в канатной пиле для резания природного камня за счет оснащения ее рычажно-роликовым реверсирующим механизмом с корректирующим устройством.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- математическая модель формирования нагрузок при достижении максимального тягового усилия в гибком органе пилы возвратно-поступательного действия, учитывающая скорость подачи, кинематические и конструктивные параметры рычажно-роликового реверсора, тяговых канатов и режущего инструмента, с учетом физико-механических характеристик разрушаемой горной породы;
- для обеспечения синхронного движения тяговых ветвей каната пилы наиболее рациональной является схема механизма рычажно-роликового реверсора с корректирующим устройством в виде взаимодействующих с ведущей и ведомой ветвями спаренных двуплечих рычагов с роликами, контактирующими со специально спрофилированными кулачками;
- для заданного хода режущего органа существует рациональное сочетание геометрических параметров: радиуса водил, диаметра блоков и координат размещения отклоняющих блоков относительно центра вращения водил рычажно-роликового реверсора, обеспечивающее наиболее компактную и наименее металлоёмкую конструкцию пилы.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на применении современных научных методов исследований, включающих:
- аналитические исследования с использованием фундаментальных положений теоретической механики твердого тела;
- математическое моделирование и системный анализ процесса нагружения пилы;
- подтверждение экспериментальными данными результатов, полученными в лабораторных условиях;
- сопоставление расчетных параметров, полученных из аналитических зависимостей, с экспериментальными данными (расхождение между аналитическими и экспериментальными данными укладывается в доверительный интервал с вероятностью 95%, погрешность отклонения не более 15%).
Научное значение работы заключается в разработке математической модели формирования максимального тягового усилия в гибком органе пилы возвратно-поступательного действия в зависимости от режимов резания и физико-механических характеристик горной породы; в определении рационального сочетания геометрических параметров рычажно-роликового реверсора, а также в установлении взаимосвязей между кинематическими, конструктивными и энергетическими параметрами пилы, что является развитием теории резания горных пород канатными пилами.
Практическое значение работы состоит в разработке методики проектирования рычажно-роликового реверсирующего механизма пилы по заданной структурной схеме, обеспечивающего снижение энергоёмкости процесса резания, а также повышение эксплуатационной производительности пилы.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Разработанная методика проектирования рычажно-роликового реверсирующего механизма пилы принята в ООО КНАУФ ГИПС НОВОМОСКОВСК при разработке опытно-промышленного образца пилы возвратно-поступательного действия для добычи ангидрита.
Научная новизна и личный вклад автора состоит в аналитическом описании формирования нагрузок в гибком органе пилы возвратно-поступательного действия в зависимости от конструктивных параметров пилы, режимов резания и физико-механических характеристик разрушаемой горной породы.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и получили одобрение:
- на научных симпозиумах: Неделя горняка-2008, Неделя горняка-2009 , Неделя горняка-2010 (г. Москва, МГГУ) и семинарах горно-механического факультета МГГУ;
- на международной конференции IX Szkola Geomechaniki 2009, октябрь 2009 (Польша).
- на международной конференции л14 Inernational Symposium GEOMECHANICS 2011, октябрь 2011 (Польша).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 в издательствах, рекомендованных ВАК Российской Федерации, и один Патент РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка использованных источников информации из 107 наименований и включает 35 рисунков и 8 таблиц.
Основное содержание работы
Для оценки и выбора наиболее перспективных разработок и дальнейшего совершенствования оборудования для добычи и переработки минерального сырья с помощью гибких режущих органов, в частности канатных пил, были изучены результаты промышленной эксплуатации, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также материалы патентной информации и рекламных данных различных организаций и фирм.
На основании проведенного обзора сделаны следующие выводы:
- наибольшее применение пилы с гибким режущим органом получили во второй половине XX века для выемки крутых пластов угля полосами по восстанию, а также для резания природного камня;
- анализ конструкций приводных систем пил и их гибких режущих органов (ГРО), а также обзор теоретических и эксплуатационных работ, посвященных исследованию процесса резания минеральных пород гибким инструментом, показал, что типы установок пил с возвратно-поступательным движением ГРО весьма энергоёмки и конструктивно несовершенны, а установки с бесконечным движением ГРО имеют следующие недостатки: большой собственный вес и дороговизна режущего инструмента, значительный износ рабочей поверхности шкивов в процессе резания;
- перспективным типом оборудования для резания мягких горных пород может быть установка с конструктивно несложным и простым в эксплуатации механизмом преобразования вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение ГРО и кинематически определенной его подачей на забой;
- по установке такого типа отсутствуют какие-либо исследования по оптимизации её кинематических и конструктивных параметров для различных эксплуатационных условий.
Исследованию работы ГРО и их приводных систем посвящены работы многих ученых, таких как Некрасов Я.Э., Широков А.И., Гойзман Э.И., Степанов Е.А., Горшков В.А., Некрасов П.М., Губин В.А., Жерневский М.В., Сычев Ю.И., Левковский Г.Л., Валуев И.В., Варданян К.С. и др.
В работе Степанова Е.А. представлено описание и исследование наиболее удачной конструкции установки пилы возвратно-поступательного действия с рычажно-роликовым реверсирующим механизмом и найдено частное, но неполное решение задачи синхронизации движения тяговых канатов для однометрового хода ГРО. Неполная синхронизация движения тяговых канатов, обусловленная особенностями кинематики реверсирующего механизма, приводит к появлению скачкообразной нагрузки на пилу в середине хода при запиливании породы и, следовательно, к увеличению вероятности разрыва гибких связей.
Исследования, представленные в данной работе, направлены на создание перспективной конструкции и выбор рациональных параметров канатной пилы возвратно-поступательного действия, обеспечивающих высокую эксплуатационную производительность при снижении энергоёмкости процесса резания на основе установления закономерностей формирования максимального тягового усилия в ведущем канате пилы и зависимостей между кинематическими, конструктивными и энергетическими параметрами пилы.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи исследований:
- оценить влияние несинхронности движения тяговых канатов пилы типа ПП на энергетические показатели работы установки;
- разработать усовершенствованную конструкцию реверсирующего механизма пилы, обеспечивающую синхронизацию движения тяговых канатов;
- провести сравнительные экспериментальные исследования двух моделей пил при резании минеральной породы с обычным и усовершенствованным реверсирующим механизмом;
- разработать методику проектирования усовершенствованного рычажно-роликового реверсирующего механизма пилы для различных эксплуатационных условий.
Решение поставленных задач было в дальнейшем осуществлено путем проведения теоретических и экспериментальных исследований на стенде.
Рычажно-роликовый реверсирующий механизм пилы типа ПП - это сдвоенный механизм, состоящий из двух одинарных, работающих в параллельных плоскостях и противоположных фазах. В схему механизма (рис. 1) входят ведущие звенья - водила 1, расположенные под углом 180 друг относительно друга на общем валу, подвижные (рабочие) блоки 2 , установленные на концах водил, и неподвижные (уравнительные) блоки 3. Непрерывное вращение водил с рабочими блоками сообщает гибкому режущему органу (пиле) 4 возвратно-поступательное движение резания.
Сочетание рычажно-роликового реверсирующего механизма с канатными барабанами 5 дает возможность осуществить движение резания с кинематически определенной скоростью подачи.
Главным требованием к качеству работы данного механизма является условие согласованного движения тяговых ветвей гибкого режущего органа.
Применительно к перемещениям тяговых ветвей (канатов) условие непрерывной самокомпенсации можно записать в виде:
, м. (1)
Для скоростей движения тяговых канатов это условие имеет вид:
, м/с. (2)
Максимальная несогласованность движения тяговых канатов для конкретно заданных рабочих параметров (Smax=1 м, Vр.ср.=0,87 м/с) составляет величину, равную 1,4% от максимального хода пилы.
Исследуем влияние несогласованности движения канатов пилы типа ПП на процесс резания и на формирование максимального тягового усилия в рабочем канате. Известно, что метод расчета тяговых усилий на режущем органе, представляющем собой гирлянду фрез, соединенных отрезками цепи, заключается в общем случае в последовательном определении усилий на каждой фрезе.
Схема сил, действующих на отдельный режущий инструмент (фрезу), показана на рис. 2. Уравнения равновесия сил в проекциях на оси ,, проведенные по касательной и нормали к траектории, и моментов всех сил относительно точки A :
,
, (3)
,
где Тк и Тк-1 - усилия, действующие в ведущем и ведомом отрезнке цепи (Н) ;
Pτ и Pν - усилие подачи и резания на одном режущем веере фрезы (Н);
,
,
h- толщина стружки, снимаемой фрезой; a(Н), c, K (Н/м) - константы, зависящие от крепости породы, сопротивления породы резанию, шага резания, износа режущего инструмента и других факторов; fЦ коэффициент сопротивления резанию породы; i - количество зубьев в одном веере фрезы; РЦусилие нормального давления фрезы на забой кромкой, не участвующей в резании (Н).
Влияние собственного веса режущего органа и динамических воздействий на формирование тяговых усилий в канатах невелико. Поэтому при составлении расчетных схем эти силовые факторы не учитывались ввиду их малости.
После ряда преобразований получено выражение для определения усилия, действующего на участок каната у последней n-й фрезы Тmax=Tn:
, Н , (5)
где Т0- усилие в холостой ветви каната;
,
,
- радиус забоя в начале неустановившегося движения резания; D - диаметр фрезы или высота прорезаемой щели; фЦ длина фрезы; h1, h2,Е.,hn - текущие значения толщин среза для соответствующих фрез.
Работа пилы типа ПП характеризуется несогласованностью движения тяговых канатов, что при запиливании полосы обусловливает дополнительную подачу пилы на забой S. Для конкретного типа пилы ПП (Smax=1 м):
м, (7)
где = t - текущее значение угла поворота водил, - угловая скорость вращения водил.
За один цикл рабочего хода пилы несогласованность хода канатов SПП достигает максимальных значений при угле поворота водил, равном . Следовательно, .
Таким образом, характер изменения усилия в ведущем канате отличается от линейного, а своего максимального значения усилие при запиливании может достичь в середине рабочего хода пилы, т.е. при .
Следовательно, максимальная толщина стружки, снимаемой одним зубком фрезы, работающей посредине забоя, применительно к пиле типа ПП в начале запиливания запишется в виде:
, м , (8)
где Vп - скорость подачи режущего органа на забой, м/с; Е- модуль упругости каната, Н/м2; F- площадь поперечного сечения каната м2; - длина каната от режущего органа до пилы, м.
Окончательно максимальное усилие резания в ведущем канате в начале запиливания полосы при для пилы типа ПП с учетом (8) и ряда преобразований запишется в виде:
, Н, (9)
где ; ; ,
;
.
В работе выполнено сравнение максимальных значений тяговых усилий в ведущем канате в начале запиливания полосы для существовавшего типа пилы ПП-2 (в середине хода пилы) и для пилы с теми же параметрами, но с синхронизированным движением канатов (в конце хода пилы).
Условимся отношение вышеуказанных величин называть коэффициентом превышения усилий Кпр.
Тогда
. (12)
На рис. 3 показаны подсчитанные по формуле (12) кривые зависимости коэффициентов превышения усилий Кпр, вычисленных применительно к конкретным условиям работы пилы типа ПП-2, от длины тяговых канатов для рабочего диапазона подач: 0,1;0,2;0,3 (м/мин) - сплошные линии.
Анализ представленных кривых зависимости коэффициента превышения усилий от длины тяговых канатов для диапазона рабочих подач показывает, установлено, что при пониженных скоростях подач, характерных при резании природного камня, значение Кпр возрастает, следовательно, возрастает и относительная величина максимальных тяговых усилий.
Установлено, что в зависимости от величины подачи в начале работы пилы усилие в тяговом канате при несинхронизированном движении ее ветвей превышает номинальное в 1,5Е.5,2 раза.
Для решения задачи синхронизации движения тяговых канатов предлагается в схему рычажно-роликового реверсирующего механизма ввести устройство в виде кулачкового механизма.
Структурная схема усовершенствованного рычажно-роликового реверсирующего механизма пилы показана на рис. 4.
Реверсирующий механизм, осуществляющий возвратно-поступательное движение тяговых канатов, состоит из двух рычагов 1а и 1б, закрепленных на выходном валу редуктора под углом 180 относительно друг друга. На водилах установлены свободно вращающиеся блоки 2. Имеются две пары уравнительных блоков 3, симметрично расположенных относительно вертикальной плоскости, проходящей через центр вращения водил.
Корректирующее устройство содержит два однотипных корректирующих устройства, каждое из которых состоит из кулачка 4 и двуплечего рычага 5, на коротком плече которого расположен свободно вращающийся отклоняющий блок 6, а на длинном - ролик 7. Кулачок профилируется таким образом, что, при его вращении, заставляет через двуплечий рычаг 5 качаться отклоняющийся блок 6 по определенному закону. Двуплечие рычаги 5 установлены на осях уравнительных блоков 3, расположенных ближе к режущему органу. Рабочие канаты 8 и 9 от точек закрепления с пилой через направляющие блоки (на схеме не показаны) и систему блоков 6, 3 и 2 выводятся к барабанам подачи 10 и закрепляются на них.
Конструктивное исполнение пилы защищено патентом РФ.
Основными кинематическими параметрами механизма реверсора, содержащего в своей структуре спаренные рычаги (водила) и систему подвижных и неподвижных блоков, являются максимальный ход пилы Smax и степень самокомпенсации S (показатель синхронности возвратно-поступательного движения канатов). Сочетание геометрических параметров указаннных звеньев реверсирующего механизма (радиусов водил и диаметров блоков) и геометрическая ориентация системы неподвижных блоков относительно осей вращения водил определяют величины основных киненматических параметров. Очевидно, что создание компактных конструкций пил, использующих в качестве исполнительного механизма реверсирующий механизм, возможно при подборе таких сочетаний вышеуказанных геометрических величин, которые бы позволили реализовать заданное максимальное тяговое усилие на ведущем канате и заданный ход режущего органа при минимальных габаритах. Иначе говоря, необходимо стремиться к созданию общей структурной схемы реверсирующего механизма, в которой оптимальное расположение системы неподвижных блоков относительно оси вращения водил давало бы возможность использовать звенья реверсирующего механизма, имеющие минимальные геометрические размеры, для достижения заданных значений Тmaxзад и Smaxзад. Однако несинхронность движения тяговых канатов в этом случае значительно возрастет, поэтому, несомненно, важный практический интерес представляет исследование характера изменения степени самокомпенсации S при изменении геометрических параметров указанных звеньев.
Габаритные размеры рычажно-роликового реверсирующего механизма определяются радиусом водил (R), диаметром блоков (d), расстоянием между центрами вращения парных уравнительнных блоков и вертикальной плоскостью, проходящей через центр вращения водил (а), расстоянием между центрами вращения уравнительных блоков и горизонтальной плоскостью, проходящей через центр вращения водил (с) (см. рис. 4).
Задача оптимизации габаритов реверсора сводится к определению такой ориентации центров вращения уравнительных блоков относительно центра вращения водил, при которой для фиксированных параметров R и d ход режущего органа достигал бы максимального значения.
Составлена зависимость максимального перемещения режущего органа Smax в одну сторону в функции от конструктивных параметров реверсора R, d, a, c и текущего угла поворота водил . В результате исследований функции Smax=f() на максимум получены рациональные значения координат размещения уравнительных блоков относительно центра вращения водил, определяющих наиболее компактную схему реверсора:
,
.
Сравнивая габаритные размеры реверсирующего механизма пилы типа ПП и выявленного в результате решения оптимизации габаритов данного механизма, обеспечивающие одинаковый однометровый ход режущего органа, можно отметить более чем двукратное уменьшение механизма по длине при незначительном его увеличении по высоте (на 16%).
Величина несинхронности возвратно-поступательного движения канатов найденного механизма реверсора (степень самокомпенсации) определена как разность удлинения ведущего и укорочения ведомого канатов в функции угла поворота водил:
, (14)
где и + - текущие значения длин отрезков ведущего и ведомого канатов.
После проведения ряда преобразований и замены входящих слагаемых соответствующими тригонометрическими функциями получено следующее выражение:
(15)
где
.
В работе проведено исследование степени самокомпенсации от текущих значений угла поворота водил и геометрических параметров реверсора R и d. Установлено, что изменяется плавно при плавном изменении угла поворота водил, достигая максимального значения Smax при =/2; с увеличением диаметра канатных блоков d максимальная степень самокомпенсации Smax уменьшается, причем кривые, изображающие эту функцию, при уменьшении радиусов водил (а значит, и величин хода режущего органа) приобретают более пологий вид; с увеличением радиуса водил почти в такой же пропорции увеличивается и максимальная степень самокомпенсации Smax.
Профилирование кулачка корректирующего устройства возможно после нахождения аналитической связи между углом поворота ведущего звена механизма реверсора и углом поворота коромысла двуплечего рычага =(). Очевидно, что принятое расположение кулачков на валу водил применительно к реверсирующему механизму пилы типа ПП будет оптимальным и для компактных конструкций реверсирующих механизмов, так как число опорных точек не увеличивается (рис. 5).
За счет качательного движения коромысла с блоком 2, создаваемого при своем вращении кулачком 6, взаимодействующего с толкателем 5 двуплечего рычага 4-5 через ролик 7, появляется дополнительная длина каната S, компенсирующая несинхронность движения тяговых канатов S.
Эта длина равна разности длин канатов, огибающих блоки 1, 2 и 3, и подсчитанных для начального положения коромысла (двуплечий рычаг неподвижен) и для текущих значений угла поворота относительно начального положения соответственно:
(17)
Здесь k - длина коромысла 4; b - расстояние между центрами вращения блоков 1 и 3; d - диаметры блоков; 0- угол между коромыслом 4 в его наивысшем положении и линией, соединяющей центры блоков 1 и 3; - текущий угол поворота коромысла.
Выбор параметров корректирующего устройства будет определяться потребной максимальной компенсирующей длиной каната Smax, равной максимальной несинхронности движения тяговых канатов Smax.
Для мощных силовых пил большое значение имеет уменьшение угла перегиба канатов, что способствует увеличению их долговечности и надежности в работе. В этом случае целесообразно направляющие блоки 3 размещать на значительном удалении от механизма реверсора, т.е. b=6Е8 м. Практически прямолинейные участки канатов между блоками 2 и направляющими блоками 3 остаются параллельными своим первоначальным положениям в любой момент поворота двуплечего рычага 4-5.
При проектировании компактного устройства параметр b рекомендуется выбирать по условию некасания компенсирующего блока 2 и блока 3.
. (18)
Углы 0 для рассмотренных выше двух варианнтов исполнения корректирующих устройств определены из условия обеспечения требуемой компенсирующей длины каната при минимальном угле поворота двуплечего рычага .
Приравнивая правые части уравнения (15) и (17), получаем зависимость =(), что дает возможность известными методами построить профили кулачков рычажно-кулачкового корректирующего устройства.
Экспериментальные исследования процесса пиления проводились на модели пилы с рычажно-роликовым реверсом, оборудованным корректирующим устройством (МУПП) и без него (МПП).
Основными задачами экспериментальных исследований явились: установление влияния несинхронности движения тяговых канатов модели пилы типа ПП на процесс резания на примере распиливания ангидритовых плит; исследование процесса резания при использовании усовершенствованной модели пилы, снабженной корректирующим кулачковым устройством; определение формы траектории при резании двумя вариантами исполнения моделей пил; сравнительный анализ полученных результатов.
Экспериментальный стенд (рис.6) включает в себя следующие основные узлы: устройство движения резания 1, устройство движения подачи 17, раму 16, систему отклоняющих блоков 6, 7, 8, тяговый орган 15, режущий орган и объект разрушения. Механизм движения резания состоит из электродвигателя типа КОМ 22/4 мощностью Рдв= 2,8 кВт и числом оборотов nдв= 1500 мин-1, червячного редуктора 4 с передаточным отношением i= 32 и закрепленных на концах выходного вала 3 спаренных кулачков 5, которые, помимо своих основных корректирующих функций (применительно к модели пилы УПП), выполняют роль водил для двух вариантов исполнения моделей пил, что было задумано с целью конструктивного упрощения узла механизма резания.
Кулачки - водила 5 - получают вращение от электродвигателя 1 через втулочноЦпальцевую упругую муфту 2, червячную пару и выходной вал редуктора 3. На раме симметрично вертикальной плоскости, проходящей через центр вращения выходного вала редуктора, расположены две пары уравнительных блоков 7 и 14.
На рис. 6 положения этих блоков соответствуют усовершенствованному варианту модели пилы.
В усовершенствованном варианте модели пилы оси 11 являются общими опорами для блоков 7 и двуплечих рычагов 9. На одном плече (толкателе) двуплечих рычагов закреплен ролик (на рис. 6 не виден), на другом (коромысле) - компенсирующий блок 8. Для обеспечения полной синхронизации движения тяговых ветвей каната в условиях стендовых испытаний в структурную схему модели пилы введена дополнительная пара блоков 10.
Для осуществления движения подачи (подтягивания ветвей каната) модель установки пилы снабжена автономным гидроприводом.
При исследовании процессов резания применительно к двум вариантам моделей установок канатных пил производились измерения тяговых усилий на канатах и мощности, потребляемой электродвигателем привода движения резания.
В качестве измерительного элемента для определения тяговых усилий в канатах использовались тензодатчики, представляющие собой пластину, изготовленную из инструментальной стали, на обеих сторонах которой наклеивались тензометры сопротивления.
Для изучения формы траектории режущего органа при различных вариантах исполнения модели пилы в определенных точках, располагающихся по ширине блока, с помощью масштабной линейки замерялись ординаты перемещения режущего органа.
М. М. Протодьяконовым при исследовании процессов резания рекомендуется принимать показатель точности равным 10Ц35%.
Результаты экспериментальных исследований по определению усредненных значений максимальных тяговых усилий на канате Тmax | ||||||
Тип механизма | Nmax, кВт | Tmax102, H | ||||
Смоделированная длина тяговых канатов , м | ||||||
10 | 20 | 40 | 10 | 20 | 40 | |
МПП | 5,3 | 4,6 | 4,2 | 27,3 | 19,5 | 13,2 |
МУПП | 4,1 | 4,0 | 4,0 | 12,8 | 12,4 | 11,0 |
.
В качестве примера в табл. 1 представлены результаты экспериментальных исследований по определению усредненных значений максимальных тяговых усилий на канате Тmax и мощности Nmax в процессе запиливания блока на моделях пил МПП и МУПП при подаче Vп=0,2 м/с для различных длин тяговых канатов.
Максимальное тяговое усилие на ведущем канате Тmax так же, как максимальная мощность Nmax, (как видно из осциллограмм) для модели пилы МПП приходится на середину рабочего полуцикла, а для модели МУПП - на конец полуцикла.
Результаты сравнительного анализа максимальных тяговых усилий при начальных резах для двух вариантов исполнения моделей установок канатных пил - зависимости коэффициентов превышения усилий от длины тяговых канатов - представлены экспериментальными кривыми на рис. 3. (прерывистые линии). При качественном сопоставлении этих кривых с теоретическими можно заметить вполне удовлетворительную их сходимость (погрешность составляет не более 12 %).
Обращает на себя внимание резкое увеличение мощности модели пилы МПП в течение начальных резов. При включении электродвигателя этой модели наблюдались неоднократные разрывы узлов соединения режущего органа с тяговым канатами, как это было зафиксировано и при эксплуатации угольных и соляных установок пил подобного типа. Очевидно, этот факт следует объяснить суммированием мощностей, затрачиваемых электродвигателем на разгон движущихся деталей пилы и на работу при резании максимально возможной толщины стружки, характерной для работы установки пилы типа ПП.
При работе же модели МУПП разрывов узлов соединения не наблюдалось.
Результаты замеров траекторий движения режущего органа модели МПП и МУПП показали, что длина его пути за один рабочий ход в первом случае больше, чем во втором, при одинаковой производительности резания. Следовательно, и энергоемкость резания для первого случая будет выше, чем для второго.
Траектория движения режущего органа при синхронизированном движении тяговых канатов имеет форму, весьма близкую к форме вытянутого полуэллипса. При несинхронизированном же их движении визуально видны некоторые завалы траектории, которые можно объяснить только неравномерным врезанием фрез в разрезаемый блок.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования пилы типа ПП и её усовершенствованного варианта позволили разработать методику инженерного расчета и проектирования пил такого типа, которая была принята к использованию на предприятии ООО КНАУФ ГИПС НОВОМОСКОВСК при создании технологии резания блоков ангидрита.
Заключение
В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи - разработки комплекса научно-технических мероприятий для обоснования и выбора параметров канатной пилы возвратно-поступательного действия для резания природного камня.
Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации:
- Перспективными канатными пилами возвратно-поступательного действия для резания мягких горных пород являются пилы типа ПП с усовершенствованным рычажно-роликовым реверсором, позволяющим повысить технико-экономические показатели процесса резания.
- Разработана математическая модель формирования нагрузок при достижении максимального тягового усилия в гибком органе пилы возвратно-поступательного действия, учитывающая скорость подачи, кинематические и конструктивные параметры рычажно-роликового реверсора, тяговых канатов и режущего инструмента, с учетом физико-механических характеристик разрушаемой горной породы позволяет оценить влияние несинхронности движения тяговых канатов на процесс резания.
- В зависимости от величины подачи в начале работы пилы усилие в тяговом канате при несинхронизированном движении его ветвей превышает номинальное в 1,5Е5,2 раза.
- При синхронизированном движении тяговых ветвей каната пилы наиболее рациональной является схема механизма рычажно-роликового реверсора с корректирующим устройством в виде взаимодействующих с ведущей и ведомой ветвями спаренных двуплечих рычагов с роликами, контактирующими со специально спрофилированными кулачками.
- Для заданного хода режущего органа существует рациональное сочетание геометрических параметров: радиуса водил, диаметра блоков и координат размещения отклоняющихся блоков относительно центра вращения водил рычажно-роликового реверсора, обеспечивающее наиболее компактную и наименее металлоёмкую конструкцию пилы.
- Величина несинхронности возвратно-поступательного движения тяговых канатов механизма реверсора пилы (степень самокомпенсации) плавно изменяется при равномерном изменении угла поворота водил, достигая максимального значения при угле 900; с увеличением радиуса водил почти в той же пропорции увеличивается и степень самокомпенсации.
- Дополнительная длина каната, компенсирующая текущее значение несинхронности движения тяговых канатов, образуется за счет качательного движения коромысла, создаваемого при своём вращении кулачками, и зависит от длины коромысла, начального угла его установки и диаметра блоков.
- При неустановившейся форме траектории движения режущего органа в течение его одного хода при синхронизированном движении тяговых канатов усилие в ведущем канате и мощность, потребляемая двигателем привода резания, плавно нарастают от нуля до максимума, в то время как при несинхронизированном движении канатов эти силовые параметры имеют два пика - в середине и в конце хода пилы.
- Разработанная методика инженерного расчета пилы с рычажно-кулачковым корректирующим устройством для резания горных пород позволяет осуществлять расчет и выбор рациональных конструктивных и режимных параметров канатных пил такого типа для различных эксплуатационных условий.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1.Калакуцкий А.В. Современное применение гибких режущих органов при добыче полезных ископаемых / А.Д. Бардовский, П.Я. Бибиков, А.В. Калакуцкий// Горный информационно-аналитический бюллетень - 2009.-№ОВ16.-С.489-497.
2.Калакуцкий А.В. Расчет гибкого режущего органа установок возвратно-поступательного действия // Горный информационно-аналитический бюллетень - 2010. - № 3.-С.14-15.
3.Калакуцкий А.В. Исследование характера движения тяговых канатов реверсирующего механизма привода пилы типа ПП / А.Д. Бардовский, А.В. Калакуцкий // Горный информационно-аналитический бюллетень - 2010.- № 5.-С.14-15.
4.Калакуцкий А.В. Исследование кинематики реверсирующего механизма привода пилы с гибким рабочим органом /А.Д. Бардовский, А.В. Калакуцкий // IX Szkola Geomechaniki 2009 - Польша, 2009. - №2.-С.39-49.
5.Калакуцкий А.В. Рычажно-роликовый реверсирующий механизм привода пил типа ПП с гибким режущим органом (Lever-roller reversing the mechanism of a drive of saws of type pp with flexible cutting body) / А.Д. Бардовский, А.М. Керопян, А.В. Калакуцкий // Научный вестник МГГУ. - 2011. - № 8. - C. 18-23.
6.Калакуцкий А.В. Устройство защиты привода канатной пилы от технологических перегрузок (device of protection of a drive of a rope saw from technological overload) Научный вестник МГГУ.-2011.- № 9. - C. 23-26.
7.Калакуцкий А.В. Механизм привода пилы возвратно-поступательного движения режущего органа / А.Д. Бардовский, П.Я. Бибиков, А.В. Калакуцкий // X Szkola Geomechaniki 2011.- Польша.-2011. - №3-С.37-51.
8. Калакуцкий А.В. Усовершенствованный привод пилы возвратно-поступательного действия / А.Д. Бардовский, А.М. Керопян, А.В. Калакуцкий // X Szkola Geomechaniki 2011. - Польша.-2011. - №4.-С.51-57.
9. Калакуцкий А.В. Патент Российской федерации на полезную модель Привод пилы №103567 от 20.04.2011 г. /А.Д. Бардовский, А.М. Керопян, А.В. Калакуцкий.
Подписано в печать 02 февраля 2012 г. Формат 60х90/16
Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №
ОИУП Московского государственного горного университета.
Москва, Ленинский проспект, 6
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям