CC BY
25
© Г.Д. Першин Б.М. Габбасов, 2007
УДК 622. 23. 054. 72
Г.Д. Першин, Б.М. Габбасов
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНОЙ ТЕПЛОТЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ КАНАТНО-АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА В ПРОЦЕССЕ ПИЛЕНИЯ С УЧЕТОМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЕГО НА ВОЗДУХЕ
Температура, возникающая в контактной зоне при алмазно
- абразивном пилении природного камня, в значительной степени влияет на износ и прочность связки инструмента, его режущие свойства, в связи с чем является одним из основных параметров оптимизации процесса резания.
Таким образом, именно в зоне фактического касания возникают физические процессы, обуславливающие силу трения, связанные с ней тепловые явления и абразивный износ рабочего инструмента.
Для оценки температурного режима за счет тепла, выделяемого в процессе резания природного камня канатно-алмазными пилами, выполнены расчеты параметров теплообразования.
Источником тепла на режущей поверхности алмазного инструмента является работа, которая затрачивается на разрушение горной породы и образование тепловых явлений в зоне резания.
Энергия теплопоглощения (работа трения) одного рабочего элемента:
(1)
А = О =и • Рвт •^ І
тр нагр г1 тр п / і кон ’
где цтр - коэффициент трения; иконт, -суммарный путь контакта резания втулки с распиливаемой породой, м;
РПТ = Рп/пет - нормальная нагрузка на алмазный элемент (втулку), Н; Рп = =Бк.ф ип -результирующая нормальная нагрузка гибкого режущего инструмента на породу, Н; ип - контактное напряжение, Па; Бкф=Ь1к-кп - фактическая площадь контакта м2; Ь - диаметр режущей втулки, м; п = к п • і, 11 - количество режу-
вт П к / вт і у
щих элементов (втулок) на длине контакта; 1к - длина контакта инструмента с породой, м; 1ВТ - длина втулки, м;
Так как коэффициент прерывистости режущей поверхности гибкого инструмента равен кп = пвт ■ Іет/Ік , то
Рвт = Ь - 1к 'кп '°п • І = Ь • І и
к П 1 Ік
(2)
~ вт Ип Ік
С учетом (2) окончательно уравнение (1) получим в следующем виде:
Атр Цтр Ъ 1 в\
или через время контактирования и скорость резания
А = ц -Ъ-1 ■ а • Vt,■VP , (3)
тр г*тр вт п к Р ’ ' '
где 4 - время контактирования инструмента с породой, с; Vp- скорость резания, м/с. [4].
На рис. 1 приведена в графическом виде расчетная зависимость (3) аккумулирования теплоты инструментом
Онагр, Дж 120000
Iконт, мин
Рис. 1. График аккумулирования теппоты инструментом во время его непрерывного контактирования с породой
во время его непрерывного контактирования с породой. Расчеты выполнены для: Ь=0,01 м; 1В1=0,01 м; /итР=0,04; <зп=0,2 МПа; иР=40 м/с.
В процессе резания природного камня используются различные способы охлаждения, которые в зависимости от эффективности подвода охлаждения могут создавать среду с коэффициентом теплоотдачи от 16,8 В1/(М2-°С) (для воздушного охлаждения) до 8374 Вт/(м2-С) (при идеальном водяном охлаждении) [1]. Охлаждение на воздухе значительно снижает контактную температуру и интенсивность теплообразования, а, следовательно, и температуру поверхности трения.
Проведем анализ количества теплоты, выделяемого нагретым инструментом, во время прохождения его по воздуху.
Количество теплоты, выделяемое нагретым телом в процессе вынужденного конвективного теплообмена:
Овозд = а • (Тнагр - Тс )' ^ вт ' 1 возд , (4)
где Тнагр - температура поверхности нагретой части инструмента, С; Тс
- температура среды, окружающей нагретое тело, С; БВт = п-Ь -1Вт - площадь поверхности режущей втулки,
м2; 4озд = 1П1Ш - ^ - время нахождения инструмента на воздухе, с; - об-
щее время пиления, с; а=Ми-Л/1Вт - коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции, В1/(М2 С); 2 - коэффициент теплопроводности воздуха В1/(м С° Ми = 0,66 -Не0’5 Рг0’33-критерий подобия, тепловое число Нуссельта; Яе = (УР• 1В1)/у - критерий режима движения, число Рейнольдса; у - кинематическая вязкость воздуха, м^/с; Рг - критерий подобия, тепловое число Прандтля [2].
Произведем расчет количества теплоты при следующих параметрах: температура среды Тс = 0 С; температура поверхности нагретой части инструмента, Тнагр С; время нахождения инструмента на воздухе, 4Озд с (см. предыдущую статью); коэффициенте теплоотдачи конвекцией а = 21,5, Вт/(м2оС); [3]. На рис. 2 и 3 приведены расчетные зависимости количества теплоты выделяемой инструментом в воздух от времени охлаждения и пиления. При этом остаточное количество теплоты в процессе резания:
Qn = Q - Q , (5)
^~П ^~нагр возд ‘ ' '
Из графиков на рис. 4 следует, что остаточное расчетное значение температуры соответствует в конце пиления
tвозд, мин
Рис. 2. График зависимости теплообмена инструмента с воздухом от времени охлаждения
°возбг Дж
мин
Рис. 3. График зависимости теплообмена инструмента с воздухом от времени пиления
второго участка - 420 °С, а в конце участка допиливания - 50 °С. Полученная расчетным путем максимальная остаточная температура не оказывает существенного влияния на стойкость алмазных зерен в связке, так как величина температуры меньше, температуры графитизации алмазов.
Анализируя полученные графики, можно сделать вывод, что значение остаточного количества теплоты в процессе резания Qn изменяется по возрастающей в начальный период пиления, а после прохождения участка стационарного пиления идет по убывающей. Это говорит о том что, охлаждение на воздухе, рабочего
Тнагр С
Рис. 4. График зависимости количества тепла от температуры нагрева рабочего инструмента
инструмента, допустимо без применения охлаждающей жидкости.
Установленные зависимости свидетельствуют о важности оптимизации процессов алмазно-абразивной до-
бычи природного камня, в первую очередь по критерию износа, при которых удельная наработка его будет максимальна.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Черкашин Ю.А. Алмазный инструмент в камнеобработке. - Ташкент: Мехнат, 1987. С. 102 - 103.
2. Луканин В.Н. Теплотехника. - М.: Высшая школа, 1999. С. 312 - 319.
3. Болгарский А.В. Сборник задач по
термодинамике и теплотехнике: М.: Высшая школа, 1972. С. 281.
4. Першин Г.Д., Габбасов Б.М., Теп-
лофизический анализ резания природного камня канатно - алмазным инструментом, ГИАБ, № 4, 2007, с. ЕШЗ
— Коротко об авторах
Першин Г.Д. - профессор, доктор технических наук,
Габбасов Б.М. - инженер, ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет».
lOl
