Исследование и расчет дискового фрезерного рабочего органа

УДК 621.879.48:621.914.2 © С.Б. Алиев, Б.Д. Сулеев, 2018

Исследование и расчет дискового фрезерного рабочего органа

Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-11-32-34 -

АЛИЕВ Самат Бикитаевич

Доктор техн. наук, профессор, старший научный сотрудник ИПКОН РАН, 111020, г. Москва, Россия, е-mail: alsamat@gmail.com

СУЛЕЕВ Бахтияр Даниярович

Докторант кафедры «Транспортная техника и логистические системы» Карагандинского государственного технического университета, 100024, г. Караганда, Республика Казахстан, e-mail: culeev_bahtiyar@mail.ru

В настоящее время организация земляных работ в строительстве и горном деле, а также проектирование и эксплуатация машин для разработки грунта являются актуальной задачей и требуют тщательного и всестороннего исследования. Целью статьи является установление зависимостей, необходимых для разработки методики расчета дисковых фрезерных рабочих органов. В статье рассмотрены работы зарубежных исследователей в области проектирования новых конструкций, определения сил, а также других параметров, действующих на дисковые фрезы в процессе их работы. Авторами рассмотрена кинематика движения дискофрезерного рабочего органа, определены угловая скорость вращения дискового рабочего органа, длина дуги фрезерования, перемещение рабочего органа по осих, скорость вращения и время одного оборота дискового рабочего органа. Рассмотрены силы, действующие на резец, исследована математическая модель на-гружения фрезерного рабочего органа при установившемся и неустановившемся режимах работы. Определены коэффициенты динамичности и параметры режима работы машины. Ключевые слова: грунт, вскрыша, конструкция, дисковая фреза, резание грунта, нагружение, резец, коэффициент динамичности.

ВВЕДЕНИЕ

Разработка мерзлых и прочных грунтов осуществляется в следующих отраслях производства, эксплуатации и строительства: открытая разработка месторождений полезных ископаемых (карьеры); городское коммунальное хозяйство; строительство зданий и сооружений, а также щелевых фундаментов. Одним из основных рабочих органов, применяемых в названных работах, является дисковая фреза. Рассмотрим исследования авторов в области создания и эксплуатации дисковых рабочих органов.

ДИСКОВЫЙ ФРЕЗЕРНЫЙ РАБОЧИЙ ОРГАН

В статье [1] представлены исследования взаимодействия грунтов и машин в лабораторных условиях, исторические предпосылки, концепции прошлых и настоящих исследований, будущих направлений. Рассмотрены следующие параметры: сила, необходимая для подъема и подачи инструмента в забой, вертикальные и боковые силы на инструментах. Авторами [2] предлагается новая модель для прогнозирования нормальных и движущих сил, действующих на дисковые фрезы, разработанные компанией ВПдт, путем модификации эмпирической модели. Для дисковых фрез параметрами предлагаемой модели являются диаметр диска, радиус кромки резания. Группой авторов [3] разработана конструкция машины, позволяющая разрабатывать траншею глубиной до 1 м и шириной до 30 см, определены базовые значения мощности привода и количества оборотов рабочего органа. Целью исследования автора [4] было изучение влияния режима резания, глубины резания и скорости подачи на уровень потребляемой мощности при резке гранита с помощью дисковых пил. Исследования в данной области техники нашли отражение в работах авторов [5, 6, 7, 8, 9, 10].

Учеными кафедры «Строительные и дорожные машины» Карагандинского государственного технического университета была разработана машина с дисковым фрезерным рабочим органом [11], позволяющая разрабатывать траншеи для фундамента глубиной до двух метров и вскрышу в мерзлых и прочных грунтах. Общий вид машины и рабочего органа представлен на рис. 1.

Дисковый фрезерный рабочий орган (ДФРО) выполняет сложное движение, состоящее из двух простых: по оси х (перемещение рабочего органа осуществляется движением базового тягача), и вокруг точки О (вращение рабочего органа осуществляется за счет применяемого в конструкции машины цевочного зацепления). Применение цевочного зацепления в конструкции ДФРО предоставляет возможность передачи большего крутящего момента и усилия на рабочий орган, а также фрезерования по всей его длине, учитывая, что диаметр рабочего органа равен 2,8 м. Такое решение позволяет использовать разработанный рабочий орган взамен роторных. Кинематика движения рабочего органа представлена на рис. 2.

В установившемся режиме работы фрезы усилие подачи Q будет равно сопротивлению перемещения по оси у. Рассмотрено нагружение при установившемся режиме движения. Сопротивление резанию Р определяется через параметр «удельное сопротивление грунта резанию» В [11]. При вращении фрезы сопротивление пере-

мещению ДФРО Ти сила Q (усилие подачи) прямо пропорциональны площади вдавливания фрезы S, числу резцов и удельному сопротивлению вдавливания. Объединив показатели в одну систему уравнений, получим следующее выражение:

Р = B  h  i;

<Т = Рг = Р h  cosф-i;

Q = S - i - ^ вд

При работе ДФРО возможны периоды неустановившегося режима движения. Это может происходить при внезапном ослаблении или упрочнении грунта, в случае если величина удельной силы В примет следующие условия:

B1 < B < б2 где: B1 и B2 - соответственно меньшее и большое удельное сопротивление грунта.

В случае неустановившегося движения:

mX" = T + P  sin ф;

JEH = M - PR ;

myH = P  cos ф - mg + Q,

где: 3- момент инерции.

В третьем уравнении системы (1) вертикальное усилие 0> имеет знаки (±), так как оно реагирует на движение вертикальной силы в обратном направлении. Индекс н обозначает неустановившийся режим, а ну - неустановившийся режим по оси у. Интегрируя уравнения системы 1, получим систему уравнений 2:

X= = T_l + Psin^ + с,. m m

XH =

Tt2 Pt2 sin ф

Mt

У = юн = —+ ^ + К

J

m PRt J

+ Ct + с2;

= Vy =

P cos фt Qt

-gt + + K¿

mm

Уну

P cos фt2

,2- Qtt

Рис. 1. Общий вид машины и рабочего органа

/////////////////у//////,•</,-,

P

Рис. 2. Схема движения и нагружения рабочего органа (фрезы): ф, ю - соответственно угол поворота и угловая скорость вращения фрезы; х, V - соответственно перемещение и скорость движения фрезы по горизонтали; ed - расстояние (часть диаметра фрезы) от верхней точки фрезы до дневной поверхности; И - толщина срезаемой стружки; Н - глубина резания;Ь - дуга вращения; Ь* - кривая резания; Я - радиус фрезы; Рх, Qф,Мф - соответственно сопротивление перемещению рабочего органа по оси х, сопротивление перемещению по оси у и вращению рабочего органа; Т - тяговое усилие; Мр - крутящий момент, создаваемый фрезой; Q - усилие подачи

Это уравнение является уравнением соответствия, и только его выполнение делает систему 2 системой. По физическому смыслу уравнение 3 является уравнением неразрывной среды. При разработке методики расчета режима работы рабочего органа необходимо выполнение условия, описанного уравнением 3. Из анализа уравнения 3 определены коэффициенты динамичности:

ТН + BHhb sin ф T + Bhb

K Мн + BHhb .

к, = -

m

- gt¿ + — + Klt + K2 m

0;

где: С,, С2,1, К,, К2 - произвольные постоянные. При (=

X = Хп, ю„ = ю; У= V, V = 0; X = Н.

0 ' Н Н ну ну

Приравнивая величину Р по всем уравнениям, получим следующее выражение:

кду =

М - Bhb mg + BHbh cos ф - Q mg + BHbh cos ф

P =

(Vh - V)m t sin ф

- T = (-

m„-ю- M %

Rt

_) J=bym . (3) t cos ф t cos ф

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные уравнения, описывающие зависимости, являются базой для разработки методики расчета рабочего органа. Методика расчета учитывает значения тягового усилия, скорости движения базового трактора, угловой скорости вращения и усилия вдавливания ДФРО в грунт.

m

н

Список литературы

1. Overview of soil-machine interaction studies in soil bins / A.A. Ozoemena, B.B. Uzoejinwaa, A.O. Ezeamaa, A.P. Onwualub, S.N. Ugwua, C.J. Ohagwua // Soil and Tillage Research. January 2018. Vol. 175. Pp. 13-27.

2. Deniz Tumac, Cemal Balci. Investigations into the cutting characteristics of CCS type disc cutters and the comparison between experimental, theoretical and empirical force estimations // Tunneling and Underground Space Technology. January 2015. Vol. 45. Pp. 84-98.

3. Delesa Kajela, Hirpa G. Lemu. Design and modelling of a light duty trencher for local conditions // Advances in Science and Technology Research Journal. March 2018. Vol. 12. Pp. 303-311. doi: 10.12913/22998624/85661.

4. Murat Yurdakul. Effect of cutting parameters on consumed power in industrial granite cutting processes performed with the multi-disc block cutter // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. June 2015. Vol. 76. Pp. 104-111.

5. Yevhen Kovalyshen. Analytical model of oscillatory disc cutting // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. July 2015. Vol. 77. Pp. 378-383.

6. Il'ja Tsipurskij. Method to Increase the Coupling Force in a Construction Machine / MATEC Web of Conferences

117, 00172 (2017), XXVI R-S-P Seminar 2017, Theoretical Foundation of Civil Engineering. doi: 10.1051/matecco-nf/201711700172.

7. Leila Hashemiana, Mohammad Rezaeib, Alireza Bayat. Field and laboratory investigations on pavement backfilling material for micro-trenching in cold regions // International Journal of Pavement Research and Technology. July 2017. Vol. 10. Pp. 333-342.

8. Kravets S., Vasilchuk A., Romanovskiy A. Pipe layer with disc backfilling / international conference Technical sciences: modern issues and development prospects scope academic house B&M publishing, 2013. Pp.123-126.

9. Курилов Е.В., Фурманов Д.В. Разработка дорожного асфальтобетона дисковым свободновращающимся инструментом // Механизация строительства. 2014. № 8. С. 4-7.

10. Кадыров А.С., Курмашева Б.К. Математическая модель движения фрезерного рабочего органа для проходки траншей / Международная научно-практическая конференция «Наука и ее роль в современном мире», Караганда, Болашак-Баспа, 29 января 2010. С. 169-171/

11. Кадыров А.С. Проектирование бурильных и фрезерных машин. Караганда: РИО «Болашак Баспа», 2011. 220 с.

COAL MINING EQUIPMENT

UDC 621.879.48:621.914.2 © S.B. Aliev, B.D. Suleev, 2018

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 11, pp. 32-34 Title

STUDY AND CALCULATION OF THE DISK-MILLmG TOOL DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-11-32-34 Authors

Aliev S.B.', Suleev B.D.2

1 Research Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences (IPKON RAS), Moscow, 111020, Russian Federation

2 Karaganda State Technical University, Karaganda, 100024, Republic of Kazakhstan

Authors' Information

Aliev S.B., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Senior Researcher, tel.: +7 (495) 360-89-60, e-mail: alsamat@gmail.com Suleev B.D., Doctoral Candidate of the "Transport technology and logistic systems" department, tel.: 8 (708) 343-33-66, e-mail: culeev_bahtiyar@mail.ru

Abstract

At present, the organization of earthworks in construction and mining, as well as the design and operation of machines for soil development is an urgent task, and requires a thorough and comprehensive study. The purpose of the paper is to establish the dependencies necessary for the development of a method for calculating disk-milling tools. The paper examines the work of foreign researchers in the field of designing new structures, determining forces, as well as other parameters acting on disk mills in the process of its operation. The authors consider the kinematics of the movement of the disk-milling tool, the angular velocity of rotation of the disk working body, the length of the milling arc, the displacement of the working member along the x axis, the rotation speed and the time of one revolution of the disc working body are determined. The forces acting on the cutter considered, the mathematical model of loading of the milling tool is investigated under steady and unsteady operating modes. The coefficients of dynamism and the parameters of the operating mode of the machine are determined.

Keywords

Soil, Overburden, Design, Disk-milling, Ground cutting, Loading, Cutter, Coefficient of dynamism.

References

1. Ozoemena A.A., Uzoejinwaa B.B., Ezeamaa A.O., Onwualub A.P., Ugwua S.N. & Ohagwua C.J. Overview of soil-machine interaction studies in soil bins. Soil and Tillage Research, January 2018, Vol. 175, Pp. 13-27.

2. Deniz Tumac & Cemal Balci. Investigations into the cutting characteristics of CCS type disc cutters and the comparison between experimental, theoretical

and empirical force estimations. Tunneling and Underground Space Technology, January 2015, Vol. 45, Pp. 84-98.

3. Delesa Kajela & Hirpa G. Lemu. Design and modelling of a light duty trencher for local conditions. Advances in Science and Technology Research Journal, March 2018, Vol. 12, Pp. 303-311. doi: 10.12913/22998624/85661.

4. Murat Yurdakul. Effect of cutting parameters on consumed power in industrial granite cutting processes performed with the multi-disc block cutter. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, June 2015, Vol. 76, Pp. 104-111.

5. Yevhen Kovalyshen. Analytical model of oscillatory disc cutting. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, July 2015, Vol. 77, Pp. 378-383.

6. Il'ja Tsipurskij. Method to Increase the Coupling Force in a Construction Machine / MATEC Web of Conferences 117, 00172 (2017), XXVI R-S-P Seminar 2017, Theoretical Foundation of Civil Engineering. doi: 10.1051/matec-conf/201711700172.

7. Leila Hashemiana, Mohammad Rezaeib & Alireza Bayat. Field and laboratory investigations on pavement backfilling material for micro-trenching in cold regions. International Journal of Pavement Research and Technology, July 2017, Vol. 10, Pp. 333-342.

8. Kravets S., Vasilchuk A. & Romanovskiy A. Pipe layer with disc backfilling. International conference Technical sciences: modern issues and development prospects scope academic house B&M publishing, 2013, Pp. 123-126.

9. Kurilov E.V. & Furmanov D.V. Razrabotka dorozhnogo asfal'tobetona diskovym svobodnovrashchayushchimsya instrumentom [Development of road asphalt concrete using disc free-rotating tool]. Mekhanizatsiya stroitel'stva - Mechanization of Construction, 2014, No. 8, Pp. 4-7.

10. Kadyrov A.S. & Kurmasheva B.K. Matematicheskaya model' dvizheniya frez-ernogo rabochego organa dlya prokhodki transhey [Mathematical model of trenching milling end-effector movement]. International scientific and practical conference"Science and its role in the modern World". Karaganda, RIO"Bolashak Baspa" Publ., January 29, 2010, Pp. 169-171.

11. Kadyrov A.S. Proyektirovaniyeburil'nykh ifrezernykhmashin [Design of drilling and milling machines]. Karaganda, RIO "Bolashak Baspa" Publ., 2011, 220 p.

34

НОЯБРЬ, 2018, "УГОЛЬ"