Экспериментальные исследования по изучению влияния вибрационного воздействия со стороны рабочего органа на разрушаемый материал

© А.Ю. Дмитрак, А.О. Харитонов, 2013

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ВЛИЯНИЯ ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СО СТОРОНЫ РАБОЧЕГО ОРГАНА НА РАЗРУШАЕМЫЙ МАТЕРИАЛ

Приведены сведения по конструктивным особенностям специально разработанного экспериментального стенда для изучения процесса виброрезания угля малой прочности.

Установлено, что для различных физико-механических свойств породы могут быть использованы рабочие органы разных конструктивных исполнений.

In the article resulted taking in features of the experimental stand are provided in article on research of efficiency of vibrocutting of coal of small durability. It is specified that for various working bodies of different designs can be applied to various physicomechanical properties of breed.

Ключевые слова: экспериментальный стенд, уголь, резание, рабочий орган, вибрация, энергозатраты.

Keywords: еxpermental stand, coal, cutting, working body, vibration, power inputs.

В настоящее время на территории России в законсервированном состоянии находится порядка 40 % тонких и сверхтонких пологих пластов угля высокого качества. В связи с рядом факторов, таких как использование недостаточно эффективных технологий добычи угля и несовершенства горнодобывающей техники, выемка угля из тонких пластов остается процессом малорентабельным и высокозатратным. Себестоимость такого угля значительно выше себестоимости угля такого же качества, извлекаемого в более благоприятных условиях. Эти задачи послужили причиной для проведения научно-исследовательской работы по изучению принципиально нового метода добычи, заключающегося в динамическом воздействии на забой со стороны рабочего органа очистного комбайна. Основополагающими факторами эффективности данного метода стали снижение энергоемкости процесса и повышение качества добываемого угля.

3

Рис. 1. Схема экспериментального стенда: 1 - рабочий орган (РО), 2 -электродвигатель привода РО, 3 - карданный вал, 4 - эксцентриковый вал, 5 - шпиндель токарного станка, 6 - станина станка

Конструкция экспериментального стенда, имитирующего работу высокоскоростного выемочного, агрегата представлена на рис. 1.

Стенд (рис. 1) включает в себя рабочий орган (РО) 1, который приводится во вращение электродвигателем 2 посредством карданного вала 3. РО вращается на эксцентриковом валу 4, закрепленном в шпинделе 5, в ступице скольжения. При вращении эксцентрикового вала создаются радиальные колебания РО с заданной амплитудой, равной эксцентриситету вала. Разрушаемый материал был закреплен с помощью специального приспособления на месте резцедержателя с возможностью подачи на рабочий орган с помощью имеющегося электропривода.

Кроме того экспериментальный стенд был оснащен аппаратурой электроснабжения, контроля, управления и регистрации исследуемых параметров. К двигателям РО и вибровозбудителя (эксцентрикового вала) были подключены ваттметры, снимающие необходимые силовые характеристики при различных режимах работы: холостой ход и рабочий режим. Полученные данные регистрировались на компьютере, подключенным непосредственно к измерительной аппаратуре и затем систематизировались.

4

Для обеспечения безопасности эксплуатации стенда на нем была установлена защитная сетка, а для удаления пыли из зоны резания - система аспирации. В процессе эксперимента проводились запись потребляемых мощности и тока на холостом и рабочем режимах работы при различных соотношениях частоты колебаний вибровозбудителя и скорости вращения РО. Замеры параметров осуществлялись при сонаправленном и встречном вращениях эксцентрикового вала и РО. Их относительная частота вращения составляла при сонаправленном движении 0...900 мин"1, при встречном - 1100.2000 мин-1.

Конструкция рабочих органов вибрационного действия со скалывающим элементом (рис. 2) представляет собой диск 0500мм, на котором в определенном положении и с определенной частотой были установлены резцы. Геометрия резцов варьировались в зависимости от физико-механических свойств испытуемого материала. Резцы устанавливались под углом 5-70 к плоскости диска, создавая две линии резания для более эффективного разрушения. Для отделения целика от горного массива в конструкцию был дополнительно введен скалывающий элемент - шарошка, представляющая собой диск диаметром 100мм с углом конуса 15-200 к основанию, жестко закрепленный на диске. Благодаря

Рис. 2. Рабочий орган вибрационного действия со скалывающими элементами

5

воздействию эффекта расклинивания на основание подрезанного целика, являющегося концентратором напряжения, отделение от массива происходит крупными кусками, что является показателем качественного разрушения [1, 3]. В процессе эксперимента на образцах повышенной крепости было установлено, что данный метод разрушения в данном случае является наиболее предпочтительным.

В процессе проведения эксперимента возник интерес к поведению РО не только вибрационного, но и ударного воздействия на целик испытуемого материала. С этой целью были разработаны несколько конструкций РО, которые приведены на рис. 3.

Рис. 3. Рабочие органы ударного действия

6

Часто в исследованиях по резанию угля [2] часто используют искусственные углецементные блоки, в которых однако не моделируется трещиноватость, влияние горного давления и другие факторы. Изготовление углецементного блока или блоков с другой породой трудоемко, долгосрочно и затратно, но не дает преимуществ по сравнению с использовавшимися в наших экспериментах искусственными строительными материалами.

В качестве имитирующего горную породу материала были выбраны и использовались в экспериментальных исследованиях искусственные строительные материалы различной твердости: гипсоблоки, пеноблоки и цементно-песчаные блоки (оСж. = 2,0.15 МПа).

В результате исследований были получены опытные данные по силовым и частотным характеристикам привода рабочего органа, размерам откалываемого материала и т. д., позволяющие судить о положительном эффекте выбранного направления исследований в данной области. Однако, конструктивное несовершенство ударного инструмента, узкий спектр подходящего по крепости материала, ограниченная чувствительность измерительных приборов не всегда позволяли получить желаемые результаты. Это связано с тем, что в экспериментальных условиях практически невозможно смоделировать все физико-технические характеристики породы (прочность, абразивность и т.д.), а так же условия окружающей среды, такие как температура и влажность, соответствующие естественным [2].

С целью изучения влияния на разрушение материала вибраций разной амплитуды были использованы эксцентриковые валы с размером эксцентриситета 1,5, 3,0, 5,0, 7,5 мм. В процессе эксперимента первоначальная подача РО 20 мм/с была снижена до 7 мм/с вследствие недостаточной мощности электродвигателя привода при резании материала прочностью от 10 МПа и выше, что приводило к заклиниванию РО в блоке.

На рис. 4 представлена осциллографическая запись изменения затрачиваемой мощности электродвигателя в рабочем режиме во времени при встречном направлении вращения РО и вибровозбудителя 1800 мин-1, эксцентриситет 3 мм, подача 7 мм/с. На рис. 5 показана осциллограмма изменения мощности во времени в рабочем режиме двигателя РО при отключенном вибровозбуди-

7

теле с частотой вращения 800 мин 1 для пеноблока при той же подаче инструмента.

Ё 1500 £

/

V Т У -Т V .V V V

1

л—

I

J .0' V Л ,v 4,V t,V t,V iV .(У

st>- so ,va- so-

Время. ч:миы:с

Рис. 4. Осциллограмма записи мощности двигателей при вибрационном способе: 1 - привод РО, 2 - привод вибровозбудителя, 3 - суммарная характеристика

Рис. 5. Осциллограмма записи мощности двигателя при безвибрационном способе

8

Энергоемкость процесса резания напрямую зависит от затрачиваемой двигателями мощности. Если для холостого хода (горизонтальный участок диаграммы) безвибрационного способа последняя меньше чем у вибрационного, то при резании она в несколько раз больше. Следовательно, можно сделать вывод, что для достижения максимально эффективного режима работы необходимо свести время холостого хода рабочего органа к минимуму. Приведенные диаграммы дают предварительную оценку исследуемого процесса в энергетическом плане.

В результате экспериментальных исследований на стенде было установлено:

- щелевой способ разрушения полезного ископаемого с применением вибрационного воздействия со стороны рабочего органа на разрушаемый породный массив и отделение кусков угля от целиков скалывающим элементом в совокупности обеспечивают существенное снижение удельных энергозатрат на выемку угля и улучшение сортового состава;

- вибрационный способ разрушения практически одинаково эффективен как для пород низкой, так и средней прочности (2-8 МПа);

- величина удельных энергозатрат при вибрационном резании составила 0,15.0,25 кВт-ч/т, что в 1,5.2,0 раза ниже по сравнению с безвирационном способом.

Полученные результаты стендовых исследований позволяют сделать заключение о перспективности разработки и возможности применения очистных комбайнов с вибрационным способом добычи угля в пластах малой мощности.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Харитонов Антон Олегович - аспирант кафедры «Теоретическая и прикладная механика»

Дмитрак Алексей Юрьевич - аспирант кафедры «Теоретическая и прикладная механика»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бреннер В.А., Кавыршин И.П., Кутлунин В.А. и др. Виброактивное разрушение горных пород проходческими комбайнами. - Тула: Тульский полиграфист. - 2000. - 203 с.

2. Глатман Л.Б., Федунец Б.И., Нистратова Е.Л. Об оценке крепости горных пород. // В кн.: Разрушение углей и горных пород: Науч. сообщ. / ИГД им. А.А. Скочинского. - М.: 1988. - 80 с.

3. Позин Е.З., Меламед В.З., Тон В.В. Разрушение углей выемочными машинами. - М.: Недра, 1984, 285 с.

9