Теплофизический анализ резания природного камня канатно-алмазным инструментом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© Г.Д. Першин Б.М. Габбасов, 2007

УДК 622. 23. 054. 72

Г.Д. Першин, Б.М. Габбасов

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕЗАНИЯ ПРИРОДНОГО КАМНЯ КАНАТНО-АЛМАЗНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

Теплофизический анализ позволяет установить область режимов, при которых целесообразно использовать материалы с той или иной степенью температурной устойчивости, но в связи с высокой твердостью, хрупкостью и диэлектрическими свойствами алмазов, а также ввиду весьма малых сечений среза при работе алмазными инструментами, использование экспериментальных методов определения температур на поверхностях инструмента весьма затруднительно.

Поэтому большое значение для анализа процесса алмазной обработки приобретают теоретические методы расчета температур и тепловых потоков в зоне резания.

Средняя температура поверхности трения является важным фактором, определяющим теплофизические и механические свойства фрикционного контакта, а также адгезионное взаимодействие и сопротивление сдвигу тонких поверхностных слоев. Для кратковременных процессов высокоскоростного трения при определении температуры поверхности трения можно воспользоваться линейным дифференциальным уравнением теплопроводности для одномерного (изменяется лишь по оси 21) и постоянного (Я1=сопэ1) теплового потока, направленного в изнашиваемый, скользящий элемент:

д$і

~дГ

■ = а

д$

(1)

Решение уравнения (1) для случая полуограниченного тела при краевых условиях:

$і( гі,0) = 30; -Лі

д$і(0, і)

дгл

= <7і(0, і) ;

= 0; $іК і) =$0

д^К і)

дгі

дает выражение для температурного поля, из которого, если выполняется условие по критерию Фурье, при Рі< 0,2 температура поверхности трения определяется как, [і]:

$(0,і) = $0 +

2 0іуіаі і„

яі\П

(2)

где в0 - температура окружающей среды; Л - коэффициент теплопроводности связки, Вт/М2-°С; аі - коэффициент температуропроводности связки, М/с; ік - время контактирования инструмента с породой, с; -

удельная интенсивность тепловыделения, Вт/М;

Удельная интенсивность теплового потока [і]:

д = Итр -°п-уР, (3)

где /лтр - коэффициент взаимного трения инструмента и породы; сп- контактное давление инструмента на породу, МПа; VP - скорость линейного

Рис. 1. Схема производства вертикального реза

перемещения инструмента относительно разрушаемой породы м/с.

Время контакта алмазно-режущих элементов, канатных пил, в процессе пиления определим по следующей методике согласно результатов работы [2]:

Исходные кинематические зависимости:

- время контакта - 4 = ~ с;

- длина контакта -

V,

4 = кк 1

м;

- время пиления - і = с;

- число циклов контакта -

іїГ ії

і„

N ПИЛ ПИЛ V

и,

1пер _ Н

Кф + 0,5(і +

і - БІП

а

сова

) -

-0,5

і - біп а

сова

где ЬКонт - длина контура гибкого органа, м; 1пер - перемещение канатной пилы по направляющим, от места первоначальной установки, м; Кф = =Ь/Н - коэффициент формы; Ь -длина выпиливаемого блока м; Н -высота выпиливаемого блока, м; О -диаметр шкива м; Vп - скорость перемещения тележки по направляющим, м/с; іц - время одного оборота режущего контура, с.

В процессе отделения монолита, длина линии реза 1К не постоянна и принимает значение от 1К=0 (момент запиловки) до размера, например, полуокружности приводного шкива 1Кмоп & жОш/4 (момент окончания реза). На

схеме (рис. і) можно выделить три стадии проведения вертикального пропила при отделении монолита от массива породы: і - участок запили-вания; 2 - участок стационарного пиления; 3 - участок допиливания.

Первый участок. Время контакта в пределах одного цикла, (рис. 2):

4-1 _ 1_к1_ _

к1 _ V _

р

_ кк • Vп Vр

к!•1

пер.1

Vр

Vр

іп

Г

Vр

Суммарное время контакта при пилении первого участка:

N..

і к _

кк

Vп■Lк

і

2

кк

V2

р

•V I

V П к

N. • ей _

Vр

• N2

ц,

или через время пиления:

V,

п

•I •к

конт к

(і

V*

пил .Г

кк • V,

п

и

• ц

(4)

где

кк _ 1г/1 г

к к . ГI пер . Г

пропорциональности; ґпил г

коэффициент

_ I

пер. Г

1Уи

- время пиления на первом участке, с.

Параметры 1пер.г ; Кг входящие в формулу (4), определяется согласно методики [2].

2

Второй участок, (рис. 2): Время контакта на одном цикле:

k.Г

kk l Г

k пер. Г

VP

VP

t11 = lk .i

VV

P P

Суммарное время контактирования:

tkI = tL • Nu =

kk ' 1 пер.Г

Vp

I-II

N,

tkЧ =f ,ш Lk.i

■г?

г?

X Nu

г?

Рис. 2. График зависимости времени контактирования от количества циклов на различных стадиях распиловки:

I, II, III - стадии распиловки

Суммарное время пиления на третьем участке:

dN = lk.r + kk • j/перГ + 4т) х " VP

Lk

-Vp = где Ыц =

kk!1 • Vn • LoOHT 1 N2

Vp 2 u

Vp

N,,

N„

L.,

kk • 1пер.Г

^^KOLTT 1

• 1с

(5)

П

где tnuM.Cm lпер.Ст !V1

V,

p

KVn^'N

V2

N о =

VP

L,

(t

пил.Г + t пил.Ст

)

П время пиления на втором участке, с; 1пер,ст - перемещение канатной пилы по направляющим, на второй стадии пиления по отношению к распиливаемому монолиту камня:

1 пер.Ст = 0,5(L - Н)

Третий участок, (рис. 2): Время контакта на одном цикле:

111 lki lk.r kk перл (lпер.Г +lст)]

ki = V ~ V ’

p p или после некоторых преобразований

+ III = 1k.Г + kk • (1 пер.Г + 1ст ) tk i =

Решив интеграл получим:

k111 • (1 +1

k \ перГ перСт

J.III = 1к.Г + kk • (1пепГ + 1пепСт) k т пиёлоп'

(/пид.лоп) +

+■

kkII • Vn

л______________М. [(t +1

[Л1,,,,.,/ | L,

2L*

)2 — /2 ] (6)

пил.Г 1 *~пил.Ст1 пил* ’ ' >

К1 =

l — l

k. Г к. Доп

l — (l Г + l С

пер \ пер.Г пер.Ст

- коэффи-

циент пропорциональности;

l — (l Г + l с)

пер пер. Г пер.Ст

t

пил.доп

V

время

П

пиления на третьем участке, с;

п • D,,,

- конечная длина ли-

k .доп

4

нии реза во время допиливания, м.

Ниже представлены зависимости расчетной температуры нагрева инструмента от времени его контактиро-

ИИ/1

t

пил

)

мин

Рис. 3. График зависимости температуры нагрева инструмента от времени его контактирования с распиливаемой породой

(пил. мин

Рис. 4. График зависимости температуры нагрева инструмента от времени пиления

вания, при отделении от массива породы монолита, с размерами ИхЬхБ = 6*12*1,75 м. (Б - ширина монолита). Расчеты выполнены при: скорости подачи Vп = 0,049 м/мин; линейной скорости резания Vp = 40 м/мин; контактного давления инструмента на породу а„=0,2 МПа; диаметре шкива канатной пилы йш=1 м; удельной интенсивности тепловыделения, для различных д1 МВт/м2; коэффициенте

теплопроводности связки Л1 = 125 Вт/(м-°С), [3]; коэффициенте температуропроводности связки а1=3,5-Ю 4 м/с, [3]. Результаты расчетов приведены на рис. 3 и 4.

Установлено (см. рис. 3 и 4), что температура в контактной зоне в зависимости от времени непрерывного резания имеет явно выраженную тенденцию к росту, особенно интенсивному в начальный

период отделения монолита от массива породы.

Особенностью расчетов температуры нагрева гибкого режущего инструмента по разработанной методике, является, условие непрерывного контакта инструмента с породой, в результате чего температура также непрерывно повышается с увеличением времени контактирования. В реальных условиях алмазно-режущая втулка в пределах одного цикла работы, как нагревается,

1. Балакин В.А. Трение и износ при высоких скоростях скольжения. - М.: Машиностроение, 1980. С. 44 - 81.

2. Першин Г.Д., Гуров М.Ю. Математическое моделирование процесса распиловки природного камня канатно - алмазными пилами // Добыча, обработка и при-

так и охлаждается, проходя внекон-тактную зону, по воздуху, с высокой скоростью. Поэтому, в данном случае, суммирование температуры на циклах работы будет существенно отличаться от непрерывного режима контактирования.

Способы и интенсивность охлаждения инструмента, обязательно, должны учитываться в расчетных моделях, и это непременное условие адекватности результатов моделирования с данными практики.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

менение природного камня: Сб. науч. тр. -Магнитогорск, 2002. - С. 39-50.

3. Александров В.А., Мечник В.А., Верхоярный А. В. Изучение нестационарного температурного поля алмазного круга при резании с охлаждением. // Сверхтвердые материалы - 1989. №1. С. 40 - 45.

— Коротко об авторах

Першин Г.Д. - профессор, доктор технических наук,

Габбасов Б.М. - инженер, ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет».

----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. КАНЫ1ША САТПАЕВА

НИЯЗОВА Шамиснур Валиевна Закономерности движения частиц грунтов под воздействием сейсмовзрывных волн 25.00.21 к.т.н.