Раздел 2
Разработка имитационной математической модели процесса резания породы рабочим
инструментом горных машин
2.1. Экспериментальные исследования процесса резания горных пород
Необходимость в проведении экспериментальных исследований по резанию горных
пород обусловлена отсутствием или недостаточным количеством информации в
научно-технической литературе о CC усилий резания и подачи при резании горных
пород резцами ИО ПК. Эти данные необходимы для идентификации параметров
разработанных моделей и установления их адекватности реальным процессам
формирования нагрузки на резцах ПК.
Экспериментальные исследования процесса резания горных пород производились на
экспериментальном стенде, созданном к.т.н. Семенченко Д.А. на базе
поперечно-строгального станка [41]. Образец породы представлял собой цельный
кусок песчанистого сланца с размерами 0,4 х 0,25 х 0,2 м, (образец 1).
Песчанистый сланец (коэффициент крепости – 5...7 ед. по шкале проф. М.М.
Протодьяконова) выбран как один из распространенных видов горной породы в
проходческих забоях угольных шахт Донбасса (до 35 % ) [42].
Резание производилось тангенциальным поворотным резцом Р32-70, как наиболее
типичным для ПК, по последовательной схеме резания. Породный блок был
неподвижно закреплен на столе станка, а резец совершал прямолинейное
возвратно-поступательное движение. Параметры сечения среза принимались на
уровне: 15 мм для ширины реза t; 5 мм и 10 мм для толщины среза h.
Усилия, формирующиеся при резании породы, измерялись при помощи
двухкомпонентного тензометрического устройства с использованием тензоусилителя
8АНЧ–7М. В качестве регистрирующего устройства использовался светолучевой
осциллограф Н–117. Скорость протяжки фотобумаги осциллографа равнялась 250
мм/с, что в процессе обработки позволяло выявить высокочастотные составляющие
нагрузки на резец.
Результаты экспериментов по резанию горных пород требуют проведения
статистической обработки, то есть определения характеристик случайного процесса
для последующего их использования. Например, статистическая обработка
необходима для подтверждения адекватности разработанной ММ реальному процессу
резания породы.
В ходе статистической обработки экспериментальных данных определялись такие
основные статистические характеристики как МО, СКО, а также гистограммы
распределения частот, оценки корреляционных функций и спектральных плотностей
дисперсий усилий резания и подачи.
Кроме результатов описанного выше эксперимента, для выполнения задач работы
были использованы также результаты экспериментальных исследований по резанию
песчанистого сланца и калийной соли (галито-сильвинитового блока), проводимых
на кафедре «Горные машины» другими авторами.
Осциллограммы усилий резания калийной соли получены к.т.н. И.В. Кутковым при
резании на специальной лабораторной установке [43], созданной на базе
поперечно-строгального станка. Галито-сильвинитовый блок помещался на столе
станка, режущий инструмент крепился в приспособлении для регистрации усилий
резания, оснащенном трехкомпонентным тензодинамометром, позволяющим
регистрировать три составляющие усилия резания. Резание производилось резцом
Д6.22 по последовательной схеме. В качестве измерительной аппаратуры
использовались усилитель ТА-5 и осциллограф Н-115.
Кроме того, использовались осциллограммы процесса резания песчанистого сланца
(образец 2) двух уровней средних значений усилий, полученные к.т.н. Н.Г.
Афендиковым на продольно-строгальном станке [44]. Породный блок устанавливался
на столе, а резец крепился на суппорте станка в трехкомпонентном динамометре
конструкции ИГД им. А.А. Скочинского. Резание производилось по последовательной
схеме с параметрами среза: t=50 мм, h=5 мм и t=40 мм, h=20 мм. В эксперименте
использовался осциллограф Н-105.
Аналого-цифровое преобразование данных производилось при помощи дигитайзера
УВГ–1 (калийные соли и углецементный блок) и программы Digits, разработанной на
кафедре энергомеханических систем ДонНТУ (песчанистый сланец). Статистическая
обработка осциллограмм усилий резания калийной соли, а также усилий резания и
подачи углецементного блока проводилась с помощью программы Statist, созданной
на кафедре горных машин ДонНТУ. При этом по осциллограммам усилий резания и
подачи определялись оценки основных характеристик, приведенные в табл. 2.1.
Результаты экспериментальных исследований использованы при идентификации
параметров модели и оценке их адекватности реальной системе «резец – порода» и
приведены в подразделах 2.4.1 и 2.4.2. Графики оценок взаимно-корреляционных
функций усилий резания и подачи представлены на рисунке 2.2, гистограммы
распределения частот и оценки спектральных плотностей дисперсий усилий резания
и подачи представлены на рисунках 2.11 – 2.14 и 2.23 – 2.26.
Таблица 2.1
Результаты статистической обработки
Вид горной
породы
МО усилия резания, Н
СКО усилия резания, Н
МО усилия подачи, Н
СКО усилия подачи, Н
Калийная
соль
1790
798
6020
2630
Песчанистый сланец
(образец 1)
2980
1360
4550
1520
3620
1390
3620
1010
Песчанистый сланец
(образец 2)
2870
1710
1600
865
7270
3400
3430
1520
2.2. Разработка имитационной математической модели процесса резания горных
пород
При разработке имитационной ММ процесса резания горной породы резцами ПК в
настоящей работе приняты два исходных принципа, определяющих возможность
практического использования модели при проектировании ПК:
1) модель должна в главном соответствовать физике процесса и содержать
минимально возможное число параметров, которые могут быть определены из
- Київ+380960830922