CC BY
26
© A.A. ОстановскиЁ, M.A. Васин, 2014
УДК 622. 23. 054. 54
А.А. Остановский, M.A. Васин
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ АДАПТИВНОГО ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
Изложен новый подход к анализу процесса резания горных пород, для адаптивного режущею инструмента, или для исполнительных органов угледобывающих машин, имеющих адаптивную структуру.
Ключевые слова: адаптивные структуры, горная техника, резание угля, резание пород, выемочные машины.
Одним из перспективных направлений совершенствования рабочих процессов при подземной добыче угля и при ведении подготовительных выработок буровзрывным способом является использование различных механизмов с адаптивной структурой, обладающих свойствами непрерывного регулирования собственных характеристик, автоматичностью и адаптивностью режимов работы. Адаптивность структуры проявляется в её способности придавать горным машинам свойства автоматического регулирования за счет дополнительной степени подвижности отдельных механизмов этих машин. Такая структура компенсируется динамической связью через рабочий процесс, например через обрабатываемый объект. Механизмы с адаптивной структурой обеспечивают:
• автоматическое регулирование режима работы в зависимости от условий рабочего процесса, физико-механических свойств обрабатываемого объекта, состояния рабочего органа (инструмента), удаления продуктов разрушения и т. д.;
• максимальное использование и рациональное распределение установленной мощности между исполнительными органами;
• высокую надежность автоматизации рабочего процесса без применения сложной электроники.
Адаптивные структуры наиболее целесообразно использовать в тех механизмах и машинах, где необходимо постоянно перестраивать режим работы в соответствии со стохастически изменяющимися параметрами технологического процесса.
Особенностью рабочего процесса взаимодействия рабочего инструмента горных машин, взаимодействующего с разрушаемыми угольными пластами и горными породами, характеризуются с таким изменяющимися параметрами технологического процесса как сопротивляемость резанию угля и пород, наличием в них твердых породных включений и другими переменными факторами.
Поэтому современный этап развития горной техники состоит в создании более совершенного и надежного очистного и проходческого оборудования, основываясь на новых подходах к данной проблеме. И здесь весьма перспективным техническим решением является использование в различных операциях использовать инструмент и устройства, принцип работы которых основан на адаптивной
В В
3
4
5 6
Рис. 1. Конструкция адаптивного резца: 1 - головка державки; 2 - державка; 3 кулак; 4 - вставка внутренняя; 5 - эластичная вставка; 6 - наружная обойма
схеме взаимодействия их с обрабатываемым объектом.
Одним из путей реализации адаптивных структур механизмов и режущего инструмента в горной технике является разработанная конструкция адаптивного резца (рис. 1, 2), [1].
Наличие упругой эластичной вставки 5 в предлагаемой конструкции рез-
ца позволит достигнуть необходимых микроперемещений резца (в пределах 1^2 мм) при встрече на пути резания твердых включений, что позволит снизить силовой импульс воздействия на режущую пластинку комбайнового зубка и этим самым повысить устойчивость его работы и долговечность.
Особенностью взаимодействия адаптивных резцов с разрушаемым материалом (объектом) будет такой процесс резания, такая взаимосвязь между подачей и резанием, когда энергия, подводимая к резцу само распределяется между взаимно перпендикулярными составляющими, которые принято в резании углей определять как составляющая резания — Ъ и составляющая подачи — У. При этом подразумевается, что резец перемещается в направлении составляющей Ъ, и механически ограничен от других перемещений, за исключением микроперемещений, обусловленных люфтами, из-
ТТТ7ТТТ777?
77777777/
¿Шр^
Рис. 3. Модель адаптивного процесса резания
гибом державки, нежесткостью опоры и направляющих (рис .3).
Приведенная модель приближена к экспериментальной установке для исследования адаптивного резания. Резец имеет податливость по вектору действия силы резания — Z, так что это усилие связано с усилием подачи по вектору Y. При этом резец имеет возможность микроперемещаться по направлениям обеих векторов, и этим достигается автоматическое распределение составляющих усилий резания и подачи в зависимости от изменения характеристик разрушаемого материала.
Процесс разрушения материала с помощью адаптивного резца характеризуют автоматическим изменением параметров резания с целью минимизация диссипации подводимой к резцу энергии. Даже если бы уголь и вмещающие породы имели постоянные характеристики по длине линии резания, процесс периодичности сколов проявился бы в изменении соотношения Z/Y, т. к. резец разрушает материал с переменной глубиной.
После крупного скола высота материала перед передней гранью снижается порой до нуля. Периодичность и чередование сколов малых и больших размеров при резании угля носят случайный характер.
Для описания адаптивного процесса резания, рассмотрим фазы разрушения на различных стадиях стружкообразования (отделения элементов):
1-я фаза. Под действием сил, приложенных к резцу и его надвижении в направлении резания, в разрушаемом материале создаются объёмные напряжения. Форма и интенсивность изостат в материале определяются неоднородностью материала и различной его деформируемостью в главных, исследуемых направлениях по оси Ъ и У, совпадающих с линиями действия соответствующих составляющих. Как известно, кливажность, трещиноватость, сопротивляемость разрушению от сжатия, от отрыва реальных углей имеют случайную направленность и проявляются в направлениях Ъ и У по-разному.
Усилие подачи У можно представить выражением:
Y = fi( PI, цу, Ey, Fy3),
(1)
где
py,
y Ey, Fy3 — соответственно
, е, Г3
контактная прочность, модуль упругости, модуль деформируемости, проекция площадки затупления резца на плоскость перпендикулярную оси У.
Индекс У соответствует приведенным характеристикам в направлении оси этой оси.
При силовом резании удельное сопротивление и объём деформиро-
ванного материала под площадкой затупления, в значительной степени определяется самой величиной этой площадки, контактной прочностью материала, и не зависит от переднего угла резания, угла заострения (если задний угол const) и в незначительной степени зависит от заднего угла.
При адаптивном резании это удельное давление и деформация под площадкой резания зависят от физических явлений, происходящих на передней грани резца. Действительно: согласно исследуемой модели Z = Y.
Поэтому усилие сопротивления движению резца в направлении по передней грани резца можно представить функциональной связью:
Z1= f2(S, czyp, Tzy, uz, Ez). (2)
или с учетом сопротивляемости трения по задней грани резца:
Z = f2(S, Cp, т, Uz, Ez) + fs(Y) (3)
Решающим фактором формирования нагрузки по передней грани является явление отрыва. В работах [2, 3] этому физическому явлению при резании уделяется особое внимание. Именно степень реализации этого вида разрушения и определяет эффективность резания.
Перечисленные факторы в рассматриваемой фазе взаимодействия резца с разрушаемым материалом по задней грани и условиями разруше ния перед передней гранью, какое-то мгновение находятся в равновесии.
При адаптивном резании это равновесие может быть описано следующими функциональными связями: Z1 = Y1;
fi(Pyk, цу, Ey, Fy3 ) = f2(S, cp, т, uz, Ez) + + f3. (4)
где Z1, Y1 — мгновенные значения составляющих сил резания Z и пода чи Y.
2-я фаза. Перемещение резца в направлении резания вызывает дробление перед остриём режущей кромки
под площадкой затупления и воспринимает сопротивление отрыву элемен та разрушаемого материала передней гранью.
По всем граням резца задней, боковой (если они контактируют) и передней проявляется сопротивление трению.
В направлении движения резца сформировано усилие близкое к критическому для отрыва (отделения) элемента угля: упругопластические деформации максимальные, объёмное напряжение в материале перед передней гранью, сформированы, напряжение растяжения стр, напряжение сдвига т — близки к предельным. Одновременно в направлении подачи сформировано усилие сопротивления по оси «У».
Дальнейшее микроперемещение резца приводит к скачкообразному процессу (фаза 3), описываемому тремя состояниями:
А) ЫРук, цу, Еу, Руз) > £2(5, [Ср^],[ тz], Ez) + £з(У1) (5)
Б) ЫРук, цу, Еу, Руз) < £2(5, [Ср],[ т], Ez) + £з(У1) (6)
С) ЫРук, цу, Еу, Руз) = £2(5, [Ср],[ т], Ez) + £з(У1) (7)
3-я фаза. Первое состояние (А) соответствует следующим физическим явлениям при разрушении: совокупное проявление прочностных качеств [5сж], [т], [ср] — упруго пластических деформаций, геометрии резца и сил трения стали следствием превышения предела прочности по передней грани на отделение элемента разрушения, в то время как контактное давление, в данной точке разрушаемого материала, под задней гранью резца не превысило предельного значения контактной прочности.
Второе состояние (В) характеризуется превышением удельного давления под задней гранью резца кон-
тактной прочности разрушаемого материала. Резец совершает микро перемещение по оси У, сминая площадкой затупления материал. Такое микроперемещение будет сопровождаться увеличением сжимающих деформаций под задней гранью с увеличением значения функций т. е. увеличением сопротивления подаче У.
Третье состояние (С) соответствует приближению к предельным значениям по передней грани и по задней грани одновременно. Скол перед передней гранью происходит одновременно с микровдавливанием материала в направлении подачи, величина этого микровдавливания может быть больше или меньше в зависимости от функции в конкретной точке разрушения.
Таким образом, механизм взаимодействия при классическом резцовом способе разрушения объекта, используемый на современных выемочных машинах, отличен от механизма взаимодействия при адаптивном резании и требует подтверждения теоретических выводов (1—7) на основе промышленных испытаниях их опытных образцов. Для этого для каждого из изготовленных опытных образцов
адаптивных резцов перед их испытаниями в шахтных условиях производилось определение в лабораторных условиях фактических значений податливости (микроперемещения) вершины резца относительно державки в направлениях действия сил резания Ъ и У. Это даст возможность производить объективную оценку в сравнении с работоспособностью типовых резцов (зубков) ЗР4-80, устанавливаемых на добычном комбайне К10зМ.
На данный период времени промышленные испытания изготовленных шести комбайновых резцов с адаптивным принципом действия были проведены на шахтах им. М.П. Чиха и «Ростовская» ЗАО «Гуковуголь», которые устанавливались на струговой установке СН06 и добычном комбайне 1К10зМ.
Выявленные в результате испытаний адаптивных резцов конструктивные недостатки после небольшой доработки планируется испытать их на других шахтах ЗАО «Гуковуголь» с целью возможности организации выпуска резцов с адаптивным принципом взаимодействия с разрушаемым массивом большей партии.
1. Горнорежущий инструмент. Пат. 2307932. Рос. Федерация: МПК E21C 25/ 18. - Заявл. 22.02.2006; опубл. 10.10.2007, Бюл. № 28
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Основы теории выемочных машин. Солод В. И. и др. 1972 г., - 260 с.
3. Резание угля. Е.З. Позин, В.А. Казан-сий, и др. Гортехиздат, 1978, - 364 е.. ШИЛ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Остановский A.A., кандидат технических наук, доцент; Васин M.A., кандидат технических наук, доцент
Шахтинский институт (филиал) ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)», е-шай:Б1игд1:и<ШБтр1.ги
UDC 622. 23. 054. 54
THEORETICAL ASPECTS OF ADAPTIVE PROCESS FOR ROCK CUTTING
Ostanovsky A.A., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor Vasin M.A., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor
Shahtinskii Institute (branch) Federal State Budget Educational Instution "South Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)", e-mail:siurgtu@itsinpi.ru
The author dwells on a new approach to the analysis of rock cutting by an adaptive cutting tool or by executive elements of coal cutting machines with an adaptive structure.
The adaptive structures are the most expedient in mechanisms and machines that are to be permanently adapted to stochastically changing parameters of process flows.
One of the ways of implementing the adaptive structure in mechanisms and executive elements of a mining machine is the developed design of the adaptive cutter.
The article describes the model of the adaptive cutting test installation. The cutter possesses yield along the cutting force vector Z, so that this force is associated with the cutting thrust along the vector Y. The cutter can micro-displace along the both vectors, which allows self-distribution of cutting force and cutting thrust components depending on characteristics of a cut material.
Key words: adaptive structure, mining machinery, coal cutting, rock cutting, stoping machines.
REFERENCES
1. RF Patent No. 2307932. Rock Cutting Tool. Byulleten izobretatelya—lnventor's Bulletin, 2007, No.
28.
2. Solod V.I. et al. Fundamentals of Theory of Winning Machines, 1972. 260 p.
3. Pozin E.Z., Kazansky V.A. et al. Coal Cutting. Gosgortekhizdat. 1978.
A
- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОРГАНИЗАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ ФИРМ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
(997/02-14 от 04.12.13, 9 с.)
Бобков А.П., кандидат технических наук, доцент,
Калашникова И.А., доцент,
Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова, http://www.rea.ru
STATISTICAL ANALYSIS OF ORGANIZATIONAL DEVELOPMENT OF FIRMS: CURRENT STATE AND DEVELOPMENT DIRECTIONS
Bobkov A.L., Kalashnikova I.A.
