Лабораторный стенд для исследования прямоугольного и косоугольного резания фрезой торфяных монолитов
LABORATORY STAND FOR STUDY OF RECTANGULAR AND OBLIQUE CUTTING WITH CUTTER OF PEAT MONOLITHS

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к оборудованию для исследования работы фрезерных рабочих органов горных торфяных машин.
Известен стенд для испытания рабочих органов землеройных машин (RU №2429459, G01M 13/00, опубл. 20.09.2011), содержащий опорную раму, тензометрическую головку с закрепленным на ней рабочим органом для разрушения образца грунта с упорами для его фиксации и привод головки, имеющий двигатель и редуктор с выходным валом, на котором закреплена звездочка, связанная со звездочкой ведущего вала цепной передачи привода. Также стенд снабжен механизмом поперечной подачи образца грунта, включающим несущую плиту, установленную на четырех подшипниках скольжения, каждый из которых прикреплен к нижней поверхности несущей плиты основанием вверх. Подшипники попарно сопряжены с двумя параллельными цилиндрическими направляющими, концы которых жестко закреплены в опорах, смонтированных на нижней балке опорной рамы стенда. Кроме того, в средней части несущей плиты, на ее нижней поверхности, установлен ходовой механизм, выполненный в виде втулки, на внутренней поверхности которой нарезана резьба, взаимодействующая с резьбовой частью рукоятки, а цилиндрическая часть рукоятки установлена в опоре нижней части рамы с возможностью вращения в ней.
Однако недостатками стенда являются невозможность регулирования скорости резания и осуществления косоугольного резания опытных образцов монолитов.
Также известна лабораторная фрезерная установка (Лабораторный практикум по торфяным машинам / М.В. Мурашов, Л.О. Горцакалян, Л.Н. Самсонов и др., под ред. С.Г. Солопова, 1974), состоящая из вертикальной, жестко заделанной в пол колонны. На колонне вверх-вниз перемещается плита винтом со штурвалом. На плите установлен электродвигатель, приводящий во вращение фрезу через муфту и промежуточный вал. Рядом с колонной проходит рельсовый путь, по которому перемещается тележка с торфом. Тележка приводится в движение тросом от электродвигателя через две коробки передач и лебедку и имеет 12 скоростей. Установка оснащена пусковой и регулирующей аппаратурой, прибором для измерения тока и напряжения, а также тахометром для измерения скорости вращения фрезы.
Однако недостаток установки заключается в отсутствии современных средств цифрового тензометрирования и невозможности проведения косоугольного фрезерования.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является создание стенда для фрезерования торфяного монолита под различными углами установки фрезы с возможностью фиксации результатов опытов на цифровом тензометрическом оборудовании.
Техническим результатом является снижение потерь торфа при фрезеровании за счет возможности установления и определения рационального угла установки фрезы в диапазоне от 0 до 45°, расширение технологических возможностей за счет повышения точности снятия энергетических характеристик фрезы.
Поставленная проблема решается и указанный технический результат достигается тем, что лабораторный стенд для исследования прямоугольного и косоугольного резания фрезой торфяных монолитов, который состоит из жестко заделанной в пол колонны, с перемещающейся по ней плитой с установленным электродвигателем, приводящим во вращение фрезу через муфту и промежуточный вал, и рельсового пути, по которому перемещается тележка с торфяным монолитом, приводящаяся в движение тросом от электродвигателя через две коробки передач и лебедку, дополнительно снабжен механизмом поворота плиты, установленным на торце колонны и представляющем собой ось, вокруг которой может поворачиваться плита с фрезой и приводом на угол от 0 до 45°, который определяется по угломерной шкале с возможностью фиксации в заданном положении, S-образным тензодатчиком и цифровой тензостанцией-анализатором.
Механизм поворота плиты представляет собой приваренную во внутреннюю полость торца колонны металлическую пластину с отверстием, к которой болтом крепится площадка со штурвалом, позволяющим регулировать положение площадки в вертикальной плоскости, изменяя, тем самым, глубину и угол фрезерования.
Крепление площадки со штурвалом к колонне на один болт позволяет поворачивать площадку вместе с испытываемой фрезой и ее приводом на необходимый угол, осуществляя, тем самым, как прямоугольное, так и косоугольное фрезерование опытных образцов грунтовых монолитов. Фиксация плиты с фрезой на колонне осуществляется двумя рым-болтами, которые предотвращают ее проворачивание во время фрезерования образца, а изменение угла поворота - угломерной шкалой с ценой деления 5°.
Лабораторный стенд оснащен S-образным тензодатчиком и цифровой тензостанцией-анализатором, которая позволяет проводить фиксацию и анализ для различных частот сигналов в реальном времени.
S-образный тензодатчик выполнен в виде скобы и позволяет фиксировать деформацию в зависимости от усилия.
Наличие цифровой тензостанции-анализатора позволяет аналоговый сигнал, который поступает от S-образного тензодатчика, переводить в цифровой, отражать его на экране монитора в виде таблиц или графиков и статистически обрабатывать этот результат, что позволяет находить рациональные режимы фрезерования с позиции минимальной энергоемкости.
Оснащение стенда цифровой тензометрической аппаратурой, которая с высокой точностью и интервалом до 0,001 с позволяет дискретно снимать нагрузочные характеристики и статистически их обрабатывать, расширяет функциональные возможности установки.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема лабораторного стенда для исследования прямоугольного и косоугольного резания фрезой торфяных монолитов, на фиг. 2 представлена схема лабораторного стенда для измерения момента сопротивления фрезерованию, на фиг. 3 представлена схема крепления пластины в тело колонны, на фиг. 4 представлена схема колонны с угломерной шкалой и болтом фиксатором, на фиг. 5 представлен пример графика для угла установки фрезы в положении 0°, на фиг. 6 представлена зависимость энергоемкости фрезерования от угла установки фрезы в плане.
Лабораторный стенд для исследования прямоугольного и косоугольного резания фрезой торфяных монолитов состоит из вертикальной колонны 1 с изображенной на ней угломерной шкалой, плиты 2, которая перемещается винтом 3 со штурвалом 4. На плите смонтирован электродвигатель постоянного тока 5, который приводит во вращение фрезу 6 через муфту 7 и промежуточный вал 8.
Рядом с колонной проходит рельсовый путь 9, по которому перемещается тележка 10 с закрепленным на ней торфяным монолитом 11. Тележка приводится в движение лебедкой 12 с тросом 13 от электродвигателя 14 через две коробки передач 15 и 16 с нейтральными передачами и редуктор 17.
К тензостанции-анализатору 18 подключен S-образный тензодатчик 19, один конец которого через тягу шарнирно закреплен к плите, а другой - шарнирно связан с жестко прикрепленным к статору двигателя 20 двуплечим рычагом 21. Фреза соединена с валом 22 ротора электродвигателя 23. Статор электродвигателя установлен на балансирных опорах 24.
Лабораторный стенд для исследования прямоугольного и косоугольного резания фрезой торфяных монолитов работает следующим образом.
По колонне перемещается плита, на которой установлен электродвигатель привода вращения фрезы через муфту и промежуточный вал. На расстоянии 0,5 м проложен рельсовый путь, по которому перемещается тележка с торфяным монолитом. Тележка приводится в движение электролебедкой с тросом от электродвигателя через две коробки передач. При фрезеровании торфяного монолита фрезой возникает момент сопротивления, который стремится повернуть статор двигателя в направлении противоположном вращению фрезы. Статор двигателя удерживается от поворота S-образным тензодатчиком, один конец которого через тягу шарнирно закреплен к плите, а другой конец шарнирно связан с жестко прикрепленным к статору двигателя двуплечим рычагом. Второй, свободный конец двуплечего рычага используется для тарирования устройства в случае необходимости.
Цифровая тензостанция-анализатор передает на S-образный тензодатчик сигнал в виде постоянного напряжения. Под воздействием момента сопротивления S-образный тензодатчик деформируется, что ведет к возникновению в диагоналях тензометрического моста S-образного тензодатчика выходного напряжения. Выходное напряжение передается на цифровую тензостанцию-анализатор, где переводится в цифровой сигнал и отображается на экране монитора в виде таблиц, или непрерывного графика нагрузки (по желанию оператора) (фиг. 5, фиг. 6). Для статистической обработки сигнала цифровая тензостанция-анализатор снабжена специальной программой, позволяющей определять математическое ожидание, среднее квадратичное отклонение и дисперсию. На основе анализа этих данных, полученных при разных режимах фрезерования, можно выявлять режимы, являющиеся рациональными с позиции минимальной энергоемкости.
Полученные записи сигналов в файлах программного обеспечения цифровой тезостанции-анализатора представляются в виде непрерывных графиков, с корректировкой их по ширине экрана таким образом, чтобы анализу подвергался момент «чистого фрезерования», а не приближение монолита к фрезе и выбег фрезы после фрезерования (фиг. 6).
Полученные графики обрабатывают и по каждому варианту использования определяют среднюю величину упругого усилия F.
р
Реактивный момент на статоре двигателя М определяют по следующей формуле:
где L - длина плеча двуплечего рычага, равная 0,3 м; F - упругое усилие, возникающее в S-образном тензодатчике, фиксируемое с помощью цифровой тензостанции-анализатора.
Для угла установки фрезы 0° среднее значение величины упругого усилия F=0,0188 Н.
3
3
ф
ф
Удельный расход энергии на фрезерование А, Дж/м определяют как отношение мощности N, Вт и секундной производительности аппарата Q, м/с:
-1
где ω - угловая скорость вращения фрезы, с; В - ширина фрезы, м; Н - глубина фрезерования, м; w - скорость движения тележки с монолитом, м/с.
-1
Угловую скорость вращения фрезы, с, вычисляют по числу оборотов в минуту n, фиксируемого тахометром:
-1
Результаты вариантов расчета удельного расхода энергии при определенном угле установки фрезы представлены в таблице 1. Скорость движения тележки с монолитом составляет w=0,381 м/с, глубина фрезерования Н=0,008 м, ширина фрезы В=0,15 м, число оборотов в минуту равно 1000 об/мин, угловая скорость вращения фрезы ω=104,57 с.
Таким образом, лабораторный стенд для исследования прямоугольного и косоугольного резания фрезой торфяных монолитов позволяет проводить и исследовать прямоугольное и косоугольное резание торфяных монолитов, а наличие S-образного тензодатчика и цифровой тензостанции-анализатора расширяет его функциональные возможности: быструю настройку аппаратуры, автоматическое выведение сигнала на экран монитора и производить статистическую обработку сигнала.
Лабораторный стенд для исследования прямоугольного и косоугольного резания фрезой торфяных монолитов создан и находится в Тверском государственном техническом университете на кафедре «Технологические машины и оборудование».