close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Определение нагруженности гидромеханических резцов струговой установки..pdf

код для вставкиСкачать
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2012. Вып. 2
УДК 622.23.054.2:622.271.64
А.Е. Пушкарев, д-р техн. наук, проф., (4872)-33-31-55,
pushkarev-agn@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.В. Король, канд. техн. наук, ассист., (4872)-33-31-55, kvv-valeri@mail.ru
(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 σсж = 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) d0 = 0,4; 0,6 и
0,8 мм, диаметр канала резца dk = 0,8 мм при толщине стружки h от 10 до 80
мм, шаге резания t = 10, 50 и 75 мм и скорости резания Vp = 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 PZ зависит от целого ряда факторов
[1], основными из которых являются: предел прочности на сжатие σcж, глубина резания (толщина стружки) h, шаг t, давление воды Р0, диаметр канала резца dk, диаметр насадки d0.
146
Геотехнология
Кроме того, на усилие резания PZ также оказывает влияние скорость резания Vp .
Таким образом, изменение PZ определяется действием совокупности указанных факторов, а зависимость PZ = f (σсж, h, t, Р0, d 0 , d k ,
Vp) может быть представлена уравнением вида
PZ = А⋅ σсжВ ⋅ h B ⋅ t B ⋅ P0B ⋅ d 0B ⋅ d kB ⋅ VpB ,
(1)
где σcж – предел прочности на сжатие, МПа, h –толщина стружки, мм, t –
шаг, мм, Р0 – давление воды, МПа, dk – диаметр канала резца, мм, d0 –
диаметр насадки, мм, Vp – скорость резания, м/с. Коэффициенты А, В1 …
В7 , зависящие от σсж, h, t, Р0, d 0 , d k , Vp , определялись методом наименьших квадратов [2–4].
В табл. 1 указаны диапазоны изменения основных факторов процесса резания угля при проектировании струговых установок нового технического уровня.
1
3
2
5
4
6
7
Таблица 1
Диапазоны изменения основных факторов процесса резания угля
при проектировании струговых установок нового технического уровня
Диапазон
изменения
22,8 … 35,8
10 … 80
10 … 80
30 … 70
0,4 … 0,8
1. Основные факторы
σcж – предел прочности на сжатие, МПа
h –толщина стружки, мм
t – шаг резания, мм
Р0 – давление воды, МПа
d0 –диаметр насадки, мм
Часть критериев в процессе экспериментальных исследований не
менялись. К числу неизменяемых факторов относятся dk, Vp.
С учетом постоянства данных факторов выражение (1) будет иметь
следующий вид:
PZ = А⋅ σсжВ ⋅ h B ⋅ t B ⋅ P0B ⋅ d 0B .
(2)
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:
σсж2 ,34 ⋅ h 0 ,87 ⋅ t 0 ,16
Pz = 0,3
.
(3)
d 00.39 ⋅ P00.52
Индекс корреляции для данного выражения R = 0,98, критерий Фишера F = 483,5. Коэффициент вариации опытных данных относительно
1
2
147
3
4
5
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2012. Вып. 2
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
Hmax, Hmin,
Āр
γ
к
Вязкие
Хрупкие
Весьма хрупкие
Рi, где i индекс соответствует режиму
по РТМ 12.47.003 –
74)
υc
υк
σ0
bp
Линейная
Ступенчатая
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)
148
βв ,βн
Нп
Fд
∆рв
Единицы
измерения
м
Н/см
т/м3
–
–
–
м/с
м/с
град
см
град
град
см
м2
P0
см
МПа
d0
мм
Геотехнология
Щелчком курсора на знаке файлa «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
149
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2012. Вып. 2
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 стругконвейера 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 max =
 υк


− 1  ;
H max к  υ с

Fд
(4)
- режим работы системы струг-конвейер – Р3 характеризуется постоянными скоростями, регулируемой толщиной среза и челноковой схемой разрушения и погрузки угля
h max =

 υк

− 1  ;
H max к  υ с

Fд
(5)
- режим работы системы струг-конвейер – Р10.характеризуется постоянными скоростями струга и конвейера и переменной толщиной среза,
челноковой схемой разрушения и погрузки угля
Fд
C 2−1
,
(6)
h max =
H max к C [2 λ (C − 1 ) + C + 1]
где λ= (υк – υс)/(υс + υк), С = υс/υк;
- 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
Fд 
υ 
 1 − к  .
h max =
(7)
υс 
H max к 
Выбор основных параметров резцовой группы исполнительного органа
Минимальная высота струга (см)
Hс min = Нп + 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)
Hс max=(70…80) Hmax.
(9)
Рациональный расчетный шаг расстановки линейных резцов (см)
150
Геотехнология
 7 ,5 ⋅ h i

t шi = 
+ 0 ,3 ⋅ h i + (b p − 2 )  ⋅ k ш ,
(10)
 h i + 0 ,65

где kш – коэффициент учитывающий хрупкопластические свойства угря по
РТМ 12.14.001–77 [5], hi – толщина стружки, см.
Средний расчетный рациональный шаг расстановки линейных резцов (см)
m
t cш =
∑t
шi
i =1
,
(11)
m
где m – количество слагаемых суммы.
Количество линий резания для минимальной (максимальной) высоты струга (шт.)
n min(max) =
H c.min(max)
+1.
t cш
(12)
Уточненный шаг tшу.i принимается по группам резцов (см):
- линейные tшу.i = tшу.л, где
t шу .л =
H c min
;
n min − 1
(13)
- верхние tшу.i = t шу в = 5;
- нижние tшу.i = t шу н = t шу.л – 1.
Ширина среза tср.i в установленном режиме (см):
- для верхнего tср.i = tср в , где
t cр .в = t шу в / 2 + b p / 2 ;
(14)
- для нижнего tср.i = tср н ,
где
t cр .н = t шу н / 2 + b p / 2 ;
(15)
- для линейных резцов tср.i = tср.л определяется как полусумма расстояний до осей соседних резцов.
Расчетная ширина среза tр.i (см):
- для верхнего резца tр.i = tр в= tср в;
- для нижнего резца tр.i = tр н= tср н;
- для линейных резцов в принятой группе tр.i = tр.л ,
где
m
t р .л =
∑ t ср .i
i =1
m
,
где m = nmin – 2.
Предел прочности на сжатие (Мпа)
σсж = 0,6 ⋅ Ар + 50 .
151
(16)
(17)
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2012. Вып. 2
Допустимая толщина стружки hдоп.ГМ для гидромеханических резцов
(мм)
σсж0 ,15
h
(18)
  = 75,23 1,01 0 ,14 0 ,16 .
t р .i d 0 P0
 t p
Методика расчета средних значений сил на резцах струга
Средняя сила резания на остром резце механического стругового
исполнительного органа (Н)
0,35 bp + 0,3
1
(19)
hi t p .i k з .i k ф k cx k от ⋅
Z 0 = 1,1 ⋅ Ap ⋅
(bp + hi ⋅ tg ψ ) k ψ
cos βi
где kψ – коэффициент, учитывающий хрупкопластические свойства угля;
kз.i – коэффициент обнажения забоя; kф – коэффициент, учитывающий
влияние формы передней грани на удельную энергию резания; kсх – коэффициент схемы резания; kот – коэффициент отжима; tgψ – тангенс угла бокового развала,
tg ψ =
(0,45h + 2,3)
i
hi
.
(20)
Коэффициенты kψ, kз.i, kф, kсх и kот определяются в соответствии с
РТМ 12.14.001–77 [5].
Толщина стружки при равных силах резания на механическом и
гидромеханическом резцах (мм)
1.15
 Z 0 ⋅ d 00.39 ⋅ P00.52 

h* = 
(21)
 0 ,3 ⋅ σ2.34 t 0.16  .
сж
p .i 

Сравниваются расчетные величины толщин стружки для механического h* и гидромеханического hдоп.ГМ исполнительного органа:
- при hдоп.ГМ ≥ h* для дальнейших расчетов принимается толщина
стружки hmax = h*;
- при hдоп.ГМ < h* для дальнейших расчетов принимается толщина
стружки hmax = hдоп.ГМ.
Силы резания гидромеханическими резцами (Н)
0 ,87
hi t p0.,i16
(22)
Z i * = 0 ,3σ ⋅ 0 ,39 0 ,52 .
d 0 P0
Средняя отжимающая сила на резце (Н)
Y i = Z i* ⋅ k п ,
(23)
где kп – коэффициент, характеризующий отношение отжимающей силы к
силе резания на остром резце в соответствии с РТМ 12.14.001–77 [5].
2 ,34
сж
Определение средних усилий на гидромеханической резцовой головке
струговых исполнительных органов
Величины равнодействующих средних сил по осям координат (Н)
- для сил резания
152
Геотехнология
PZ .min i = 0 ,95 ⋅ (nmin − 2 ) ⋅ Z л* .i + Z в*.i + Z н* .i
PZ .max i = 0 ,95 ⋅ (nmax − 2) ⋅ Z л* .i + Z в*.i + Z н* .i ,
(24)
где Z л* .i – сила резания на линейном гидромеханическом резце, Н; Z в*.i – сила резания на верхнем гидромеханическом резце, Н; Z н* .i – сила резания на
нижнем гидромеханическом резце, Н;
- для отжимающих сил
PY .min i = 0 ,95 ⋅ (nmin − 2 ) ⋅ Yл*.i + Yв*.i + Yн*.i
PY .max i = 0 ,95 ⋅ (nmax − 2 ) ⋅ Yл*.i + Yв*.i + Yн*.i .
(25)
где Yл*.i – отжимающая сила на линейном гидромеханическом резце, Н; Yв*.i
– отжимающая сила на верхнем гидромеханическом резце, Н; Yн*.i – отжимающая сила на нижнем гидромеханическом резце, Н.
В соответствии с режимом работы струг-конвейера определяется
производительность (т/мин):
- режим Р1

γυ
Q у = 60 F  к − 1  ,
(26)
к  υc

где F – грузопоток на конвейере определяется по формуле, м2
F = nf п + mf в ,
(27)
где ƒп и ƒв – грузопоток при попутном и встречном движении конвейера
соответственно, м2
υc
,
(28)
f п = H max h max к
υс − υк
υc
;
(29)
f в = H max h max к
υс + υк
- режим Р3
Q у = 30 H γ (h в + h п )υ с ,
(30)
где hп – толщина стружки при попутном движении конвейера, м
hп =
F
Hк
 υк


− 1  ,
 υс

hв – толщина стружки при встречном движении конвейера, м

F  υк

hв =
+ 1  ;
H к  υс

- режим Р10
(
γ
h в + h п )(υ с2 − υ к2 )
Q у = 30 F
;
к [2hв (υ с − υ к ) + h п (υ с + υ к )]
- режим Р11
153
(31)
(32)
(33)
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2012. Вып. 2
γ
(34)
υк .
к
Предел прочности на сжатие при равных силах резания на механическом и гидромеханическом резцах (Мпа)
Q у = 60 F
1 ,15
 Z 0 ⋅ d 00.39 ⋅ P00.52 
*
 ,
σсж = 
(35)
0.87 0.16 
0
,
3
⋅
h
t
max p . л 

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.
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.
154
Геотехнология
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
до 1,35 м; плотность угля 1,65 т/м3; 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
155
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
6
Размер файла
467 Кб
Теги
гидромеханических, нагруженности, pdf, определение, резцов, струговой, установке
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа