Определение нагруженности гидромеханических резцов струговой установки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.23.054.2:622.271.64

A.Е. Пушкарев, д-р техн. наук, проф., (4872)-33-31-55, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),

B.В. Король, канд. техн. наук, ассист., (4872)-33-31-55, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ РЕЗЦОВ СТРУГОВОЙ УСТАНОВКИ

Произведен анализ серии экспериментов. Разработана расчетная методика определения усилия резания на гидромеханическом резце струга и производительности машины при разрушении угля и горных пород.

Ключевые слова: струг, гидромеханическое разрушение угля и пород, гидравлические параметры.

С целью оценки эффективности оснащения серийной струговой установки гидромеханическим инструментом были проведены экспериментальные исследования по установлению влияния гидравлических параметров на усилие резания при разрушении массива гидромеханическими резцами. Эксперименты проводили на доломите и углецементных блоках с пределом прочности на сжатие асж = 35,7; 31,2; 27,7; 25,6 и 22,8 МПа [1].

Выбор доломита и угля в качестве объекта разрушения обусловлен тем, что эти породы являются характерными представителями угольного массива и твердых включений на угольных шахтах.

В опытах использовались резцы с диаметром выходного отверстия насадки струеформирующего устройства (диаметр насадки) С0 = 0,4; 0,6 и 0,8 мм, диаметр канала резца (к = 0,8 мм при толщине стружки И от 10 до 80 мм, шаге резания ? = 10, 50 и 75 мм и скорости резания Ур = 2 м/с. Давление воды изменяли от 30 до 70 МПа.

Для обобщения экспериментальных данных был принят за основу экспериментально-статистический метод, который предусматривал графоаналитический анализ опытных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики. При исследовании процесса эксперименты планировались таким образом, чтобы можно было последовательно получить качественную и количественную оценку различных влияющих параметров (факторов) и условий. Наибольший практический интерес представляет получение обобщенных зависимостей, позволяющих с известной степенью точности рассчитывать усилие резания на гидромеханическом резце струга при различных условиях.

Известно, что усилие резания Р2 зависит от целого ряда факторов [1], основными из которых являются: предел прочности на сжатие асж, глубина резания (толщина стружки) И, шаг давление воды Р0, диаметр канала резца (к, диаметр насадки (0.

Кроме того, на усилие резания Р7 также оказывает влияние скорость резания Ур .

Таким образом, изменение Р7 определяется действием совокупности указанных факторов, а зависимость Р7 = /(осж, И, г, Р0, d0, Ур) может быть представлена уравнением вида

Р7 = А стВ1 • ИВ2 • гВ • Р0В4 • d0B5 • dкВб • УВ, (1)

7 сж 0 0 к р ? V/

где асж - предел прочности на сжатие, МПа, И -толщина стружки, мм, г -шаг, мм, Р0 - давление воды, МПа, dk - диаметр канала резца, мм, d0 -диаметр насадки, мм, Ур - скорость резания, м/с. Коэффициенты А, В1 ... В7 , зависящие от осж, И, г, Р0, d0, dk, Ур , определялись методом наименьших квадратов [2-4].

В табл. 1 указаны диапазоны изменения основных факторов процесса резания угля при проектировании струговых установок нового технического уровня.

Таблица 1

Диапазоны изменения основных факторов процесса резания угля при проектировании струговых установок нового технического уровня

1. Основные факторы Диапазон изменения

0ож - предел прочности на сжатие, МПа 22,8 ... 35,8

И -толщина стружки, мм 10 ... 80

г - шаг резания, мм 10 ... 80

Р0 - давление воды, МПа 30 ... 70

а0 -диаметр насадки, мм 0,4 ... 0,8

Часть критериев в процессе экспериментальных исследований не менялись. К числу неизменяемых факторов относятся dk, Ур.

С учетом постоянства данных факторов выражение (1) будет иметь следующий вид:

Р7 = А стВ1 • ИВ2 • гВ3 • Р0В4 • dв^ (2)

7 сж 0 0 V /

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 нового технического уровня:

2,34 1 0,87 ,0,16

(г • И • г

р = 0 3 —1-[— (3)

2 d °-39 р 0.52 • ^

а 0 • Р0

Индекс корреляции для данного выражения Я = 0,98, критерий Фишера ^ = 483,5. Коэффициент вариации опытных данных относительно

расчетных Квар= 15,7 %, что указывает на удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных и позволяет рекомендовать полученную формулу для расчета нагруженности гидромеханических резцов струговой установки.

Для автоматизации выбора основных параметров резцовой группы, расчета средних значений сил на резцах и определения средних усилий на гидромеханической резцовой головке исполнительного органа струговых установок разработана программа на объектно-ориентированном языке C# 4.0 в оболочке Microsoft Visual Studio 2010 для платформы Microsoft .NET Framework.

Алгоритм программы «Расчет гидромеханического струга» имеет следующий вид.

1. Формируется информационный блок исходных данных для выбора основных параметров резцовой группы, расчета средних значений сил на резцах и определения средних усилий на гидромеханической резцовой головке исполнительного органа струга по РТМ 12.14.001-77 и РТМ 12.47.003 - 74 (табл. 2).

Таблица 2

Блок исходных данных по РТМ 12.14.001-77 и РТМ 12.47.003

Параметры

Обозначение

Единицы измерения

Диапазон мощности разрабатываемых пластов Сопротивляемость пласта резанию Плотность угля

Коэффициент разрыхления угля Хрупко-пластические свойства угольного пласта

Режим работы системы струг-конвейер

Скорость струга Скорость конвейера Угол резания

Ширина режущей части резца Схема расстановки резцов

Угол установки верхнего и нижнего резца к направлению подачи струга

Высота погрузки угля на конвейер Допустимый грузопоток на конвейере

Превышение верхнего резца над корпусом резцовой головки струга

Давление воды

Диаметром выходного отверстия насадки струеформирующего устройства (диаметр насадки)

4

У к

Вязкие Хрупкие Весьма хрупкие Р1, где I индекс соответствует режиму по РТМ 12.47.003 -74)

«о «к

Ьр

Линейная Ступенчатая

вв А

Нп

Рд

4>в P0

м Н/см

см

м2

di

H max, H mim

3

Щелчком курсора на знаке файла «Program.exe» вызываются формы программного модуля, показанные на рис. 1.

а

б

Рис. 1. Формы программного модуля Program.exe: а - общий вид информационного блока исходных данных, б - информация о программе

Затем присвоенные значения параметров из табл. 2 вводятся в соответствующие ячейки окна Расчет гидромеханического струга. Используя эти значения, программа производит расчет в приведенной ниже последовательности.

2. Блок расчета по разработанной методике.

В соответствии с выбранным режимом работы системы струг-конвейера определяется допустимая величина стружки, (м):

- режим работы системы струг-конвейер - Р1. характеризуется постоянными скоростями струга, конвейера и толщиной среза, челноковой схемой разрушения и погрузки угля

h = F-

H к

/ л

-1

u

; (4)

шах \ с /

- режим работы системы струг-конвейер - Р3 характеризуется постоянными скоростями, регулируемой толщиной среза и челноковой схемой разрушения и погрузки угля

F

h = д

H к

г \

u

—^ -1

; (5)

шах с

- режим работы системы струг-конвейер - Р10.характеризуется постоянными скоростями струга и конвейера и переменной толщиной среза, челноковой схемой разрушения и погрузки угля

¥ С2 - 1

Ь =-д--г-7е-Г-й , (6)

шах Ншах к С [21(С- 1)+ С + 1] ^

где (и - ис)/(ис + ик), С = ис/ик;

- режим работы системы струг-конвейер - Р11. Он характеризуется постоянными скоростями струга и конвейера, переменной толщиной среза, челноковой схемой разрушения и погрузки угля, двумя паузами струга для получения грузопотока на конвейере, состоящего попеременно из одного встречного или попутного слоя

F

h - д

H к

г

1-U

u

. (7)

max \ су

Выбор основных параметров резцовой группы исполнительного ор-

гана

Минимальная высота струга (см)

Нс min = Н + 4,8-Hmin'hmax + ^рв, (8)

где hmax принимается в соответствии с выбранным режимом работы системы струг-конвейер по формулам (4) - (7) (см). Максимальная высота струга (см)

H max=(70 ... 80) Hmax. (9)

Рациональный расчетный шаг расстановки линейных резцов (см)

7 5 • к

* . = —:-+ 0,3 • к + (Ь - 2 ) • к , (10)

01 к + 0,65 1 ' р У ш ^ 7

_ 1 * _

где кш - коэффициент учитывающий хрупкопластические свойства угря по РТМ 12.14.001-77 [5], к; - толщина стружки, см.

Средний расчетный рациональный шаг расстановки линейных резцов (см)

т

Е * ■

^^ Ш1

* = —, (11)

сш 7 V У

т

где т - количество слагаемых суммы.

Количество линий резания для минимальной (максимальной) высоты струга (шт.)

= Н ст1П(тах) + 1 (12) тт(тах) * • V /

сш

Уточненный шаг *шу.; принимается по группам резцов (см): - линейные *шу.1 = *шу.л, где

*шу.л = ; (13)

п.

тш

- 1 '

- верхние *ШуЛ = * Шув = 5;

- нижние *шу.1 = * шу н = * шу.л - 1.

Ширина среза *ср.; в установленном режиме (см):

- для верхнего ^ = *ср в , где

* = * / 2 + Ь/ 2; (14)

ср. в шу в р ? ^ '

- для нижнего *ср.1 = *ср н , где

г = г / 2 + Ь/ 2; (15)

ср .н шун р ? ^ '

- для линейных резцов *ср.; = *ср.л определяется как полусумма расстояний до осей соседних резцов.

Расчетная ширина среза *р.1 (см):

- для верхнего резца *р.1 = *р в= *ср в;

- для нижнего резца = *р н= *ср н;

- для линейных резцов в принятой группе *р.1 = *р.л , где

т

Е * ■

ср .1

*р.л = -- , (16)

т

где т = Птт - 2.

Предел прочности на сжатие (Мпа)

а = 0,6 • А + 50. (17)

сж > р V '

Допустимая толщина стружки кдопГМ для гидромеханических резцов

(мм)

( и ^ а0 '15

7 = 75'2^1,0^с^р0,16 ■ (18) V 1 Ур грл !0 Р0

Методика расчета средних значений сил на резцах струга

Средняя сила резания на остром резце механического стругового

исполнительного органа (Н)

— 0,35 Ь + 0,3 1

70 = 1,1 • А----р-:— Ы к кф к к--— (19)

0 ' р (Ьр + к • % у) к у 1р1 з-1 ф сх от со в

где ку - коэффициент, учитывающий хрупкопластические свойства угля; кз.. - коэффициент обнажения забоя; кф - коэффициент, учитывающий влияние формы передней грани на удельную энергию резания; ксх - коэффициент схемы резания; кот - коэффициент отжима; tgy - тангенс угла бокового развала,

(0,45 к. + 2,3)

% ¥ = ——. (20) к

Коэффициенты ку, кз1, кф, ксх и кот определяются в соответствии с РТМ 12.14.001-77 [5].

Толщина стружки при равных силах резания на механическом и гидромеханическом резцах (мм)

к* =

/ \ 1-15

7 • !039 • Р052 и0 10

(21)

р. О 2- 34 ,0. 16

0,3 • СТ I .

у сж р. 1 у

Сравниваются расчетные величины толщин стружки для механического к* и гидромеханического кдопГМ исполнительного органа:

- при кдопГМ > к* для дальнейших расчетов принимается толщина стружки ктах = к*;

- при кдоп.ГМ < к* для дальнейших расчетов принимается толщина стружки ктах = кдоп.ГМ.

Силы резания гидромеханическими резцами (Н)

к °,87г 0 Д6

7. * = 0,3 а2,34 •-1—Р^-. (22)

1 ' сж ^0,39р0,52 4 7

а 0 Р0

Средняя отжимающая сила на резце (Н)

^ = 71* • кп, (23)

где кп - коэффициент, характеризующий отношение отжимающей силы к силе резания на остром резце в соответствии с РТМ 12.14.001-77 [5].

Определение средних усилий на гидромеханической резцовой головке струговых исполнительных органов

Величины равнодействующих средних сил по осям координат (Н)

- для сил резания

P7 = 0,95-(n . -2)-Z*.+ Z*.+ Z*

7.mm i ' \ mm / л.1 b.i h.i

P7 = 0,95-(n - 2)-Z* + Z* + Z* ,

7.max 1 f \ max / л.1 в.1 h.i ?

(24)

где Z *1 - сила резания на линейном гидромеханическом резце, Н; Z * 1 - сила резания на верхнем гидромеханическом резце, Н; Z\ - сила резания на нижнем гидромеханическом резце, Н;

- для отжимающих сил

PY = 0,95-(n . -2)-Y' + Y' + Y*

Y.min 1 7 \ min / л.1 в.1 h.i

PY = 0,95 -(n - 2)- Y' + 7' + Y'.. (25)

Y .max 1 7 \ max / л.1 в.1 н.1 V /

где Y\ - отжимающая сила на линейном гидромеханическом резце, Н; Yb*1 - отжимающая сила на верхнем гидромеханическом резце, Н; Yh*1 - отжимающая сила на нижнем гидромеханическом резце, Н.

В соответствии с режимом работы струг-конвейера определяется производительность (т/мин):

- режим Pi

Q = 60 F У-

у к

и.

V u c

1

где ¥ - грузопоток на конвейере определяется по формуле, м

¥ = п{ + т{ ,

^ п ^ в ?

где /п и /в - грузопоток при попутном и встречном движении конвейера соответственно, м2

/п

/в = H

Н max hmax К

u

u - u

с к

u.

max max

к

u с +u к

режим P3

Q = 30 H y(hB + hn )u(

где кп - толщина стружки при попутном движении конвейера, м

h

F

Нк

^ -1

V u с

hB - толщина стружки при встречном движении конвейера, м

режим Р

10

Q = 30 F

h

У

F

u

—^ +1

V u с ,

H к

h + hn )(u 2 -u 2)

к [2h (u - u ) + h (u + u )1

L в \ с к / п \ с к / J

(26)

(27)

1

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

режим Р

11

qу = 60 F

к

(34)

Предел прочности на сжатие при равных силах резания на механическом и гидромеханическом резцах (Мпа)

/ Л 1.15

Z ■ d 039 • P0 52 ^0 U0 10

0.3 ■ h 0 871016

* = H^o—, (35)

сж ^ ^ h 0.87^0.16 ? V /

max p. л J

где hmax - принимается в соответствии с выбранным режимом работы системы струг-конвейер по формулам (4) - (7), мм.

3. Блок результатов

После присвоения значений параметрам исходных в соответствующих ячейках окна Расчет гидромеханического струга нажимают «Рассчитать». Полученные результаты имеют вид, представленный на рис.2.

к

касчеггидромеханического струга

Параметры пласта

шя

Мощность разрабатываемого пласта максимальная Hmax. м Мощность разрабатываемого пласта минимальная Нгт м Сопротивляемость пласта резанию Др, Н/см

1,35 Плотность угля у^т/мЗ 0,85 Коэффициент разрыхления угля к Характеристика пласта по

1,65

Параметры системы «струг-конвеер» Режим работы j р11

▼ | Скорость струга ис, м/с

1,95 j Скорость конвейера ик, м/с

Параметры резцов

Угол резания линейного, верхнего, нижнего резца Ширина режущей части линейного, верхнего, нижнего резца Ьр

36 Форма линейного, верхнего.

нижнего резца

i

Проектные параметры системы струг-конвейер

Схема расстановки резцов Ступенчатая

-

Угол установки резца к направлению подачи струга верхний рв

25: нижний Рн

Высота погрузки Нп, см

Допустимый грузопоток на конвейере Ffl, м2

Превышение верхнего резца над корпусом резцовой головки струга, принимается равной 2-5 см Орв

_Ш

0,276

Гидравлические параметры CHCTeMt Давление воды Р0. МПа

Диаметром выходного отверстия насадки струеформирующего устройства (диаметр насадки) d0, мм

CMctefafci стр^г-конвейер- Р11-. 5м ¿гарактерйсуется-ггбстоянным^ скоростями L i р'[[ d i- конвейера переменной толщиной срёзз;

чеШркбврй Скеьарй разрушения и погрузки угля jEi-hvR паузами стругадлч получения груоспсггрка на конвейере, состоящего попеременно из

синего встречного или пспчтмого СЛОЯ

ft* 3. 8 см.

Qy - 11 423 т/мин

ВрИШ-Зсм.

, ревн ::ед. . [ hrPcr Ы4.СМ:. см h-б.си | ^-7,см М.СВ

Pzmirv ИИ 2Б1ВН ЗТЩ2.Н 37187 Н ¡Й524 11 4И62Н>

F'zrr а:- 28027 Н 35ЭЭ8 Н ,4371 ОН 51224 Н 3857В Н 85792 Н

1 ', rri'l W тез н 14875Н 17ЕЙЗН 1Э1К.Н-

ШёШ/ 11211 Н 14399 Н 17484 Н 2043(3 Н 23430 Н 28317 Н

Рис. 2. Результаты работы программы

В окне результатов отражается характеристика выбранного режима работы струг-конвейер, интервал изменения стружки, установившаяся производительность струга, а также расчетная величина толщины стружки и временное сопротивление одноосному сжатию при равных силах резания на механическом и гидромеханическом резцах. Кроме того, в этом окне отражены изменения равнодействующих сил резания и отжима при изменении толщины стружки для минимальной и максимальной высоты струга.

Так, на рис. 2 представлено окно результатов расчета струга С700 оснащенного гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец» для условий Донецкого угольного бассейна: мощность пласта

3

до 1,35 м; плотность угля 1,65 т/м ; сопротивляемость пласта резанию 3000 Н/см.

В результате анализа выполненного расчета видно, что в связи с тем, что на гидромеханическом резце нагрузка ниже, чем на механическом появляется возможность использовать серийный струг, оснащенный гидромеханическими резцами на более твердые угли или угли с породными включениями и пропластками. Так, из примера, представленного на рис 2, видно, что область применения струга С700 может быть расширена до 28,7 МПа, тогда как паспортная область применения этого струга ограничивается сопротивляемостью пласта резанию 3000 Н/см, что соответствует пределу прочности на сжатие 23 МПа. Важно отметить, что для струга, оснащенного гидромеханическими резцами, при переходе на более крепкие угли равнодействующие сил резания не превысят допустимых усилий на серийном струге с механическими резцами.

Список литературы

1. Пушкарев А.Е., Король В.В. Исследование влияния гидравлических параметров гидромеханических резцов струговых установок на усилие резания // Горное оборудование и электромеханика. 2010. С. Вып. 4. 10-13.

2. Венецкий И.Г., Кильдищев Г.С. Теория вероятности и математической статистики. М.: Статистика. 1975. 264 с.

3. Маркович Э.С. Курс высшей математики с элементами теории вероятности и математической статистики. М.: Высшая школа. 1972. 285 с.

4. Математическая статистика/ В.А. Иванова [и др.] М.: Высшая школа. 1981. 371 с.

5. РТМ 12.14.001-77 Машины очистные. Струговые установки. Расчет сил на резцах струга. Методика. М.: Минуглепром СССР. 1977. 49с.

A.E. Pushkarev, V. V. Korol

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ РЕЗЦОВ СТРУГОВОЙ УСТАНОВКИ

The series of experiments were analyzed. Calculation method dependence of cutting force on the hydro-mechanical tool and capacity of plough for the destruction of coal and rocks was deduced.

Key words: plough, hydra-mechanical destruction of coal and rocks, hydraulic parameters.

Получено 12.11.12