Стендовые исследования режимов работы дискового инструмента Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 622.232.072:622.023.2

Б. Л. Герике, А. Б. Логов, П. Б. Герике

СТЕНДОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДИСКОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Предварительные замечания При проведении стендовых исследований режимов работы дискового инструмента возможно возникновение случайных и систематических ошибок [4].

Для определения величины погрешности, вызываемой случайными компонентами, и исключения её из результата эксперимента, Р. Дж. Моффет [6] предлагает использовать оценку

0,5

ё 5 і

дх,

2

где

Ж = ііт Кх +АСі Кх

дх, Ах, ^0

Ах,

(1)

коэффициент

чувствительности по параметру х^

дх, - абсолютная погрешность по х,;

5К. - абсолютная погрешность результата эксперимента.

Природа систематической ошибки более проста и объясняется наличием внешних (неучитываемых) факторов при проведении эксперимента,

например, износом режущей кромки. Для исключения систематических ошибок используем рандомизированный план, который позволит систематическое завышение нагрузки вследствие износа лезвия диска равномерно распределить по всему полю, занятому экспериментальными данными. Рандомизация эксперимента и выбор числа промежуточных опытов между репликами осуществлялись с использованием «генератора псевдо-

случайных величин» с равномерным законом распределения.

С увеличением числа опытов при одном уровне режимных параметров растет точность и достоверность получаемого результата [4]. Однако с ростом числа наблюдений возрастает и время, а, следовательно, и стоимость экспериментальной части работы. Поэтому, с учетом класса точности измерительно-регистрирующей аппаратуры, а также погрешности, вносимой квантованием случайной функции, количество реплик было принято равным четырем.

Устройство стенда и методика лабораторных исследований

Проектирование исполнительного органа добывающей поверхностной фрезы (ДПФ), оснащенного дисковым инструментом, способного разрушать массив крепких горных пород, требует проведения исследований для определения:

- рациональных параметров разрушения различных горных пород;

- нагрузок, возникающих при этом на инструменте.

Кроме этих основных задач отдельный интерес представляют исследования по определению:

- влияния геометрических параметров инструмента (диаметра, углов скалывания и притупления режущей кромки) на процесс разрушения;

- параметров модели взаимодействия дисков с разрушаемой средой, пригодной как для моделирования процесса образования осколков, так и для анализа нагруженности приводов резания и подачи ДПФ при различных условиях эксплуатации.

Для решения этих задач был спроектирован и изготовлен стенд (рис. 1).

Блок разрушаемой породы устанавливается и закрепляется на рабочем столе, параметры разрушения при этом задаются перемещением стола в двух плоскостях относительно станины стенда.

Исследуемый инструмент крепится в тензо-метрической головке, перемещаемой вдоль стола с помощью гидроцилиндра. Скорость перемещения тензоголовки, а, следовательно, и скорость взаимодействия инструмента с разрушаемым массивом, задается с помощью дросселя системы регулирования.

Тензометрическая головка предназначена для независимого измерения трех ортогональных составляющих реакции, возникающей на оси дискового инструмента при взаимодействии с разрушаемым массивом. Такая схема измерения позво-

Рис. 2. Продукты разрушения и характер формирования нагрузки при свободном

режиме разрушении песчаника

15

10

/ ,

' У У у

к* /

1Р=40...50мм 1Р=25...35мм \ = 1 5 9.0 мм

10

15

20 1:

У,кН

30

25

20

15

/ / / / / /

у / ./ / /

/ / / / / / / /

/ / / / /

у 1Р=40...50 мм 1Р=25...35мм 1Р=15...20мм

/ /

5 10 15 20 Ким

Рис. 3. Зависимость усилий перекатывания Ъ и внедрения У от глубины резания

821100007

ляет оценить влияние геометрических параметров процесса разрушения на распределение нагрузки на лезвии дискового инструмента, что весьма важно для определения режима работы.

Калибровка тензометрического устройства производилась с использованием универсальной машины с пульсирующей нагрузкой ТМв-бОО. Суммарная погрешность регистрации и интерпретации данных, определенная по выражению (1), не превышает по амплитуде 8%, а по частоте - 10% в низкочастотной (< 25 Гц) области.

Для сопоставления величины и характера нагрузки, формирующейся на инструменте, с характеристиками процесса разрушения (траектория скола, характерный размер отделившегося куска и т.п.) необходимо знание изменения параметров импульса разрушающего усилия не только во временной форме, но и в функции перемещения. Измерение координаты положения дискового инструмента относительно разрушаемого массива осуществляется датчиком смещений.

Для регистрации сигналов, формирующихся на оси дискового инструмента, а также величины давления в гидросистеме и величины перемещения оси использовался аналого-цифровой преобразователь и компьютер на базе процессора Р-1У с тактовой частотой 20 ГГ ц.

Для изучения процесса разрушения крепких

горных пород были изготовлены блоки, представляющие собой куски горной породы, специально обтесанные для удобства расположения и крепления их на столе стенда, которое производилось специальными стальными гидравлическими подушками, исполняющими роль гидравлических клиньев при распоре породного блока.

Лабораторные исследования проводились при разрушении песчаника и диорита, которые характеризуются следующими прочностными показателями (таблица):_______________________________

Литотип предел прочности при одноосном

сжатии асж растяжении ар

Песчаник 61,0 ± 6,7 МПа 5,5 ± 3,3 МПа

Диорит 78,2 ± 9,1 МПа 9,0 ± 1,7 МПа

Дисковый инструмент был изготовлен диаметром 180 и 220 мм. Угол скалывания был принят равным 30°, а угол притупления из условия создания необходимой прочности лезвия - 45°. Твердость ЫЯе = 52...55.

В качестве оценки усилий внедрения У, перекатывания Z и осевого X (при случайном нестационарном процессе формирования нагрузки в одиночном акте разрушения) принято их эффективное (действующее) значение [5]

1Ти 2 , N 2

± I ,Г2<оа »NЕ /2, (2)

и 0 г=1

отражающее энергетические затраты на разрушение (рис. 26).

Для упорядочения экспериментального материала использовался аппарат регрессионного анализа [2]. Анализ качества аппроксимации показал, что погрешность не превышает 8% исходной величины.

Таким образом, применяемая аппаратура и алгоритмы статистической обработки вносят погрешность, искажающую реальные величины не более чем в 1,15.. .1,20 раза, что вполне удовлетворяет требованиям проведения экспериментальных исследований.

ния, когда сильно влияние дополнительной обнаженной поверхности, приводит к возникновению такого напряженного состояния массива, когда максимальная энтропия направлена в сторону дополнительной обнаженной поверхности. Разрушение в этом случае происходит за счёт отрыва и сдвига нагружаемого элемента.

Эффективное скалывание песчаника в сторону обнаженной поверхности удалось осуществить дисковым инструментом при изменении глубины внедрения от 5 до 20 мм и шага разрушения - от 10 до 50 мм. Зависимости усилия внедрения У и перекатывания Z от геометрических параметров разрушения приведены на рис. 3-6.

Регрессионный анализ полигонов распределения показал, что изменение усилий внедрения и перекатывания с увеличением глубины внедрения

Свободное резание

При внедрении дискового инструмента за счёт возникающего напряженно-деформированного

состояния в массиве образуются микротрещины, сливающиеся в макротрещину в направлении максимальной энтропии энергии. Свободное резание, характеризующееся большими значениями глубины внедрения, сопоставимыми с шагом разруше-

подчиняется линейному закону для исследованного диапазона. Максимальные значения, зарегистрированные в эксперименте, составили для усилия внедрения 35 кН, а для усилия перекатывания - 25 кН при глубине внедрения 20 мм и шаге разрушения 50 мм. Отмечается большая интенсивность роста усилия внедрения У по сравнению с компонентой X, что связывается с неодинаковой скоро-

стью приращения проекций площадок контакта с изменением величины внедрения инструмента в массив.

Зависимость компонент нагрузки на оси дискового инструмента от шага разрушения имеет нелинейный характер и хорошо аппроксимируется экспоненциальными кривыми вида Г^р) =а'[1-вхр<-Ыр)], где а и Ь - произвольные постоянные.

Объясняется это тем, что при достижении шагом разрушения величины, при которой рез переходит в блокированный, дальнейший рост параметра tp не приводит к увеличению нагрузки на инструменте, так как при этом на характер взаимодействия дискового инструмента с разрушаемым массивом перестает оказывать влияние дополнительная обнаженная поверхность от предыдущего реза. В режиме блокированного разрушения величина нагрузки на инструменте определяется только глубиной внедрения его в массив [1].

Разрушение диорита производилось только

поперёк слоистости, так как возникающие в этом режиме нагрузки достигают максимальных величин. Из-за отчетливо выраженной слоистости даже при небольшой глубине внедрения (до 5 мм) и большом шаге разрушения (р = 80.100 мм) не удалось получить блокированного реза, так как всегда наблюдалось разрушение сдвигом по плоскостям скольжения.

Характер зависимостей усилий внедрения У и перекатывания X от геометрических параметров разрушения аналогичен закономерностям, проявившимся при разрушении песчаника (рис. 5 и 6).

Максимальные значения нагрузок, зарегистрированные в отдельных опытах, достигали значений 25 и 19 кН для усилий внедрения и перекатывания, соответственно, при шаге разрушения tp = 100 мм и глубине внедрения к = 60 мм. Особенно эффективно скалывание диорита происходило при шаге разрушения tp = 60.100 мм и величине заглубления к = 40.60 мм.

Энергетическая оценка эффективности разрушения песчаника при реализации режима свободного скалывания в сторону обнаженной поверхности показывает, что:

- разрушение песчаника хотя и возможно, благодаря высокой хрупкости (%= 0,09), но только стружками малого сечения (до 10 см2) и при больших (до 11,5 кВт-час/м3) энергетических затратах;

- разрушение диорита с четко выраженной слоистой структурой является достаточно эффективным, о чём свидетельствуют относительно

низкие энергетические затраты (1,5____________4,0

кВт-час/м3) и большие величины снимаемой стружки.

Силовое малоцикловое разрушение

Эффективность режима силового малоциклового разрушения песчаника исследовалась с использованием дисков диаметром 180 и 220 мм. Геометрические параметры клина составляли: угол заострения равен 45° (из условия обеспечения необходимой прочности лезвия), угол скалывания принят равным 33о, а задний угол - 12°. Такое соотношение углов на клине обеспечивает

устойчивое движение инструмента в режиме силового малоциклового разрушения [3].

На рис. 7 показано возникновение макротрещины в массиве песчаника после первого прокатывания дискового инструмента (шаг разрушения 70 мм, глубина внедрения 5 мм). Направление возникающей макротрещины совпадает с направлением внедрения инструмента, глубина трещины незначительна, отделения элемента от массива ещё не произошло.

При повторном проходе дискового инструмента по старому следу с дополнительным заглублением (суммарная величина внедрения И? = 10 мм) наблюдается быстрое прорастание трещины в направлении внедрения диска.

И, наконец, после третьего прохода с суммарной глубиной внедрения диска в разрушаемый

массив И? = 16 мм произошло разрушение песчаника крупным сколом (рис. 8). Характер нагрузки, формирующейся при этом на оси диска, проиллюстрирован осциллограммой, приведенной на рис 8б.

Для оценки потребной нагрузки, необходимой для реализации режима силового малоциклового разрушения с шагом tp = 70 мм и суммарной глу-

Таблица 1

Статистические результаты обработки осциллограмм

Характеристи- ка 1 проход 2 проход 3 проход Суммарная нагрузка

У, кН г, кН X, кН У, кН г, кН X, кН У, кН г, кН X, кН У, кН г, кН X, кН

Среднее значение 13,8 1,7 4,0 16,7 1,3 6,6 17,7 2,2 10

Эффективное значение 16,6 2,2 7,3 20,3 1,8 8,6 21,1 2,8 13,7 33,7 4,0 17,7

Стандарт отклонения 9,2 1,4 6,1 11,4 1,3 5,6 11,5 1,8 9,3

Коэффициент вариации 0,66 0,83 1,51 0,69 1,0 0,85 0,65 0,8 0,93

биной внедрения Н% = 16 мм, воспользуемся выражением (2). Суммирование независимых компонентов нагрузки, полученных в различных опытах, произведем в соответствии с выражением

Таблица 2

Статистические результаты обработки осцил-

реХ =

(3)

N 2 I Ре21

I— 1

Результаты расчетов сведены в табл. 1.

Если сравнить полученные результаты с данными, зафиксированными при свободном разрушении песчаника (рис. 2б и табл. 2), то нетрудно видеть, что силовое малоцикловое разрушение имеет существенные преимущества по энергозатратам.

Суммарные энергетические затраты при силовом малоцикловом разрушении, как следует из сравнения результатов, приведенных в табл. 2.1 и 2.2, меньше примерно в 5 раз необходимых для реализации режима свободного скалывания и составляют Нм = 0,52 кВт-час/м3. Таким образом, нетрудно видеть, что создание предварительного напряженно-деформированного состояния масси-

а)

Z

кН

у / / ^.—1

/ / / / / / / / / / /

/ / / / / / / / /

/ /

12

16 ^

Рис. 9. Зависимости усилия внедрения (а) и перекатывания (б) от суммарной величины заглубления

лограммпри свободном раз] рушении песчаника

Характери- стика У, кН Ъ, кН X, кН

Среднее значение 43,7 12,0 35,3

Эффективное значение 53,3 20,4 41,2

Стандарт отклонения 20,2 11,1 22,1

Коэффициент вариации 0,47 0,92 0,63

ва и использование его при повторном прокатывании дискового инструмента является более рациональным, с энергетической точки зрения, способом разрушения.

Исследование режима силового малоциклового разрушения проводилось с целью определения влияния конструкции дисков на эффективность процесса. По результатам серии опытов, проведённой при шаге разрушения 1р = 70.80 мм, построены регрессионные зависимости величины компонент нагрузки от суммарной глубины внедрения (рис. 9).

Как показали результаты стендовых исследований «катастрофическое» разрушение происходило при суммарной глубине внедрения Н% = 15.20 мм за 2.4 прохода инструмента. Максимальные значения нагрузок, возникающих за один проход инструмента, не превышали 41 и 4 кН для усилий внедрения и перекатывания. Трещина разрушения во всех опытах достигала основания блока и происходило отделение элементов с размерами 1,0x0,08x0,4 м3.

Поскольку в процессе силового малоциклового разрушения песчаника размеры отделившихся кусков определяются не столько параметрами резания, сколько габаритами разрушаемого блока, наличием и направлением естественных трещин, границ раздела, плоскостей скольжения и прочих текстурных неоднородностей, не удалось систематизировать данные для получения зависимостей потребных энергетических затрат от параметров разрушения. Однако оценка энергоёмкости процесса силового малоциклового разрушения песчаника для всей совокупности опытов даёт величины Нм = 0,37.0,71 кВт-час/м3.

Экспериментальные исследования позволили выяснить, что количество повторных проходов и величина заглубления за один проход не оказывают существенного влияния на момент возникновения катастрофического разрушения. Количественной мерой, характеризующей начало катастрофического разрушения, может служить параметр У* = tp /Н* (Н* - критическая величина суммарной глубины внедрения, после достижения которой происходит отделение крупного элемента

40

X

(U

£

&

ф

ч

О

О

20

|—1—I 1

< 0,5

0,5...0,8 0,8...2,0

2,0...4,0 4,0...6,3 6,3.19,0 19,0.31,5 31,5.42,0

Крупность фракции, мм

>42,0

Рис. 11. Фракционный состав продуктов

массива), преодоление которого может трактоваться как достижение уровня напряжений в рассматриваемой области такой величины, при которой будет удовлетворяться один из критериев разрушения. Вариация этого параметра незначительна, среднее его значение по всей группе опытов составляет У*ср = 3,995 при среднем квадратическом отклонении <Уу = 0,587.

Введенные соотношения позволяют выделить статистически однородные процессы, характерные для различных режимов работы дискового инструмента, и разделить область возможных параметров разрушения на зоны, в которых реализуется свободное и силовое малоцикловое разрушение. Такая, в достаточной мере адекватная классификация процесса разрушения может служить основой для построения модели формирования осколков на базе имеющегося экспериментального материала.

Гранулометрический состав продуктов разрушения

Эффективность процесса разрушения может быть оценена на основе анализа фракционного состава продуктов разрушения [7]. Гранулометрический состав, помимо этого, определяет дальнейший технологический процесс переработки полезного ископаемого и, как следствие, цену конечного продукта.

Для оценки состава продуктов разрушения был проведен ситовый анализ, для чего вручную собирались все крупные осколки разрушенной породы, а пылевые фракции - с помощью пылесоса (рис. 10).

Ситовый анализ пылевых фракций с размером частиц менее 0,5 мм был произведен с целью сравнительной оценки различных режимов разрушения на запыленность рабочего пространства

при свободном разрушении песчаника в зоне работы исполнительного органа ДПФ. Со-

Рис. 10. Сбор пылевой фракции продуктов разрушения

поставление результатов ситового анализа продуктов разрушения песчаника (рис. 11 и 12) показало, что при силовом малоцикловом разрушении

выход крупной фракции (+ 42 мм) в 1,35_____2,00

раза больше, а выход штыба и пылевых фракций (- 6,3 мм) - в 1,05 _ 1,55 раза меньше, чем при свободном резании.

Основные итоги и выводы Использованные при лабораторных исследованиях процесса разрушения аппаратура и алгоритмы статистической обработки вносят погрешность, искажающую реальные величины нагрузки на дисковом инструмента не более чем в 1,15__1,20 раза, что вполне удовлетворяет требо-

ваниям проведения экспериментальных исследований.

Лабораторные исследования проводились при разрушении песчаника и диорита, которые относятся к породам, имеющим различные характери-

0

< 0,5 0,5...0,8 0,8...2,0 2,0...4,0 4,0...6,3 6,3...19,0 19,0...31,5 31,5...42,0

Крупность фракции, мм

80

60

40

20

0

>42,0

стики разрушаемости (Хпет = 0,09 и Хдчор = 0,12) и обладающими значительной прочностью (<Упесч =

61,0 МПа и <Удиор = 77,2 МПа).

Регрессионный анализ результатов лабораторных исследований режима свободного разрушения показал, что максимальные значения, зарегистрированные в эксперименте, составили для усилия внедрения Y = 35 кН, а для усилия перекатывания Z - 25 кН при глубине внедрения 20 мм и шаге разрушения 50 мм. Отмечается большая интенсивность роста усилия внедрения Y по сравнению с компонентой Z, что связывается с неодинаковой скоростью приращения проекций площадок контакта с изменением глубины внедрения инструмента.

Энергетическая оценка эффективности разрушения песчаника при реализации режима свободного скалывания в сторону обнаженной поверхности показывает, что:

- разрушение песчаника хотя и возможно, благодаря высокой хрупкости (X = 0,09), но только стружками малого сечения (до 10 см2) и при больших (до 11,5 кВт-час/м3) энергетических затратах;

- разрушение диорита с четко выраженной слоистой структурой является достаточно эффективным, о чём свидетельствуют относительно

низкие энергетические затраты (1,5_____________4,0

кВт-час/м3) и большие величины снимаемой

Рис. 12. Фракционный состав продуктов стружки.

Суммарные энергетические затраты при силовом малоцикловом разрушении песчаника меньше примерно в 5 раз необходимых для реализации режима свободного скалывания и составляют Нw = 0,37_0,71 кВт-час/м3. Отсюда следует, что создание предварительного напряженно-

деформированного состояния массива и использование его при повторном прокатывании дисков является наиболее рациональным, с энергетической точки зрения, способом разрушения.

Ситовый анализ продуктов разрушения песчаника показал, что при силовом малоцикловом разрушении выход крупной фракции (+ 42 мм) в

1,35_2,00 раза больше, а выход штыба (- 6,3 мм)

и пылевых фракций (< 0,5 мм) - в 1,05_1,55 раза

меньше, чем при свободном резании.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Anderson S.J., Morrell P.J., Larson D.A. A laboratory comparision of drag cutting methods in hard rock // Rept. Invest. Bur. Mines US Dep. Inter. - 1987. - N 9086. - p. 1-12.

2. Гайдукевич В. И. Вероятностная обработка осциллограмм электрических величин / В. И. Гайдукевич, А. А. Мельникова. - М.: Энергия, 1972.- 112 с.

3. Логов А. Б. Механическое разрушение крепких горных пород /А. Б. Логов, Б. Л. Герике, А. Б. Раскин. - Новосибирск: Наука, СО, 1989. - 140 с.

4. Джонсон Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке./ Н. Джонсон, Ф. Лион// -М.: Мир, 1981. - 516 с.

5. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: В 2-х томах. Пер. с франц.// - М.: Мир, 1983. - Т.2. 256 с., ил.

6. Моффет Р. Дж. К теории погрешности при однократных замерах // Теоретические основы инженерных расчетов // -М.: Мир, 1982. - Т.104. - Вып.2. - С.204-218.

7. Позин Е. З. Измельчение углей при резании / Е. З. Позин, В. З. Меламед, С. М. Азовцева // -М.: Наука, 1977. - 136 с.

□ Авторы статьи:

Герике Логов Герике

Борис Людвигович Александр Борисович Павел Борисович

- докт. техн. наук, профессор, - докт. техн. наук, профессор, - аспирант ИУУ СО РАН

гл. науч. сотр. ИУУ СО РАН гл. науч. сотр. ИуУ СО РАН