WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Источником тепла на режущей поверхности канатно-алмазного инструмента является работа трения, которая возникает в процессе поверхностного разрушения горной породы. Энергия теплопоглощения от работы трения одним рабочим элементом (алмазно-режущей втулки)

, (4)

где lконт – суммарный путь контакта рабочего элемента с распиливаемой породой, м.

Нормальная нагрузка на рабочий элемент (втулку)

, (5)

где b – диаметр режущей алмазной втулки, м; lвт – длина алмазной втулки, м.

С учетом уравнения (5) выразим уравнение (4) через суммарное время контактирования (tк) и скорость резания (Vр) и получим:

. (6)

В процессе резания природного камня канатно–алмазным инструментом используются различные способы охлаждения, которые в зависимости от эффективности подвода охладителя могут создавать среду с коэффициентом теплоотдачи от 16,8 Вт/(м2°С) (для воздушного охлаждения) до 8374 Вт/(м2°С) (при водяном охлаждении). Охлаждение алмазной втулки воздухом значительно снижает контактную температуру и интенсивность теплообразования, и температуру поверхности трения.

Количество теплоты, выделяемое нагретой алмазной втулкой в процессе вынужденного конвективного теплообмена:

, (7)

где Sвт = blвт – площадь поверхности режущей алмазной втулки, м2; tвозд – время нахождения инструмента на воздухе, с; =Nu/lвт – коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции, Вт/(м2 °С); – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м°С); Nu = 0,66Re0,5Pr0,33 – критерий подобия, тепловое число Нуссельта; Re = (Vр lвт)/ – критерий режима движения (число Рейнольдса); – кинематическая вязкость воздуха, м2/с; Pr – критерий подобия (тепловое число Прандтля).

В результате определения энергий нагрева (6) и воздушного охлаждения (7) представляется возможным расчет остаточного количества теплоты на рабочем элементе канатно-алмазного инструмента:

. (8)

Таким образом, в реальных условиях рабочий элемент канатно-алмазного инструмента в пределах одного цикла работы как нагревается, так и охлаждается, что приводит к аккумулированию теплоты в теле алмазной втулки согласно энергетическому балансу (8), из которого и определяется остаточная температура режущей поверхности алмазных втулок.

С учетом (6) и (7) уравнение (8) запишется в следующем виде:

. (9)

С другой стороны, с учетом уравнения (2) остаточное количество теплоты можно записать:

. (10)

Решая совместно выражения (9) и (10), получим математическую модель для расчета фактической контактной температуры нагрева алмазных зерен:

. (11)

По полученным значениям Тк.ф вычисляются средние температуры нагрева рабочего элемента, влияющие на металлическую связку алмазных зерен:

. (12)

При заданном силовом (n) и скоростном (Vр) режимах резания тепловой поток (q) и контактная температура на поверхности рабочих элементов канатно-алмазного инструмента (11) будут определяться временем контактирования и нахождения в контакте с воздухом, величины которых взаимосвязаны соотношением

. (13)

Определение данной взаимосвязи является необходимым дополнительным исследованием, дающим возможность выявить влияние многих технологических показателей и параметров процесса резания природного камня канатно-алмазным инструментом на его поверхностную и среднюю температуры.

В процессе отделения монолита природного камня от массива горной породы длина контакта канатно-алмазного инструмента lконт (длина линии реза) непостоянна и принимает значение от lконт=0 в момент запиловки до линейного размера, например, полуокружности приводного шкива камнерезной машины в момент окончания реза, т. е. lконтDш/2. На схеме рис.1 выделены три стадии выполнения вертикального (продольного) резания при отделении монолита от массива породы: I – участок запиливания; II – участок стационарного резания; III – участок допиливания.

Рис. 1. Схема стадийности выполнения вертикального
(продольного) пропила

Линейные зависимости изменения времени i -го контакта на данных стадиях резания различны, что следует из рис. 2, поэтому расчет всех кинематических параметров ведется по стадиям с последующим суммированием конечного времени.

Время контактирования канатно-алмазного инструмента с породой на каждой стадии рассчитывалось по формуле

, (14)

где tкi=lкi/Vp – время контакта на i–м цикле, с; lкi – длина контакта на
i–м цикле, м; Nц – количество циклов, соответствующее рассматриваемой стадии резания.

Число циклов контакта определилось по следующему выражению:

, (15)

где tпил=lпер/Vп – время резания, т.е. производства пропила, на рассматриваемой стадии, с; lпер – величина перемещения тележки канатно-алмазной пилы к моменту завершения рассматриваемой стадии, м; Vп – скорость подачи, т. е. скорость перемещения тележки по направляющим, м/с; tц=Lконт/Vр – время одного цикла, с; Lконт – длина контура канатно-алмазного инструмента, м.

С учетом приведенных кинематических соотношений выражение (14) можно записать:

. (16)

Для продольного резания при отделении монолита мрамора размером HLВ=6121,75 м от массива породы зависимость длины контакта канатно-алмазного инструмента от перемещения тележки представлена на рис. 3.

Для интегрирования полученного выражения (16) необходимо согласно стадийности процесса резания записать линейные зависимости изменения длины i–го контакта канатно-алмазного инструмента с распиливаемой породой от времени пиления. Из рис. 3 длина контакта составляет: первого участка lкi=kкIlпер=kкIVпtIпил; второго участка lкi=kкIlпер.I=const; третьего участка lкi=kкIlпер.I – kкIIIVпtIIIпил.

Расстояние перемещения тележки к моменту окончания пиления первого участка lпер.I, а также коэффициенты пропорциональности kкIи kкIII определялись по разработанной проф. Першиным Г. Д. методике расчета геометрических и кинематических параметров процесса резания природного камня канатно-алмазными пилами при отделении монолитов камня различной формы и объемов от массива горной породы.

Итоговые уравнения для расчета времени контакта рабочих элементов канатно-алмазного инструмента от времени пиления имеют вид:

- первый участок: ; (17)

- второй участок: ; (18)

- третий участок:

. (19)

Полученные взаимосвязи между временем контактирования рабочих элементов канатно-алмазного инструмента и временем пиления плоскости отделения монолита камня от массива породы канатно-алмазной пилой включают силовой n и скоростной режим Vр, выраженные через основной показатель процесса резания, характеризующий скорость подачи инструмента на забой:

, (20)

где kН – коэффициент приведения длины контакта к высоте пропила;
kН=7/10 – для продольной плоскости отделения монолита от массива, когда kф=(1,0…2,0); kН=(5/9…2/3) – для поперечной плоскости, когда kф=(0,15…0,4); kф=L/H – коэффициент формы продольной плоскости отделения монолита; kф=B/H – коэффициент формы поперечной плоскости отделения монолита; Ауд – удельная работа распиловки, Дж/м3; рп – коэффициент распиловки породы.

Очевидно, что, отражая интенсивность процесса поверхностного разрушения горной породы, данный показатель влияет на время проходки плоскости отделения монолита. Таким образом, наряду с величиной силового потока q влияние режимных параметров через время пиления и контактирования проявляется на величину остаточной теплоты и конечную температуру нагрева рабочих элементов канатно-алмазного инструмента.

На рис. 4–6 представлены графические зависимости количества тепла, фактической температуры нагрева контактной поверхности рабочего элемента канатно-алмазного инструмента от времени его контактирования, пиления и плотности тепловых потоков при отделении монолита от массива породы.

Построения выполнены: при скорости подачи Vп = 0,049 м/мин; линейной скорости резания Vр = 40 м/мин; контактного давления инструмента на породу n=0,2 МПа; диаметре шкива канатной пилы Dш=1 м; коэффициенте теплопроводности алмаза =146 Вт/(м°С); коэффициенте температуропроводности алмаза =8,310-5 м2/с; удельной интенсивности тепловыделения q1 = 0,32 МВт/м2; температуре среды Тс=0 °С.

Рис. 4. Зависимости количества теплоты от времени резания

Анализируя полученный график (см. рис. 4), можно сделать вывод, что значение остаточного количества теплоты в процессе резания QО изменяется по возрастающей в начальный период резания, а после прохождения участка стационарного пиления идет по убывающей. Это свидетельствует о том, что максимум остаточной теплоты однозначно определяет максимум температуры нагрева рабочих элементов канатно-алмазного инструмента, уровень которой задается величиной теплового потока, связанного с режимными параметрами процесса распиловки, а именно: нормальным давлением инструмента на породу, скоростью резания и условиями взаимного трения системы «порода – инструмент».

Рис. 5. График зависимости фактической контактной температуры нагрева
алмазных зерен рабочего элемента и времени резания от времени
его контактирования

Анализ графика рис. 5 и уравнения (11) показывает, что температура нагрева алмазных зерен рабочего элемента сложным образом зависит от:

- режимных показателей распиловки, теплового потока (q), в который входит как силовой, так и скоростной параметры;

- продолжительности процесса контактирования рабочего элемента с распиливаемой породой, которая в зависимости от площади плоскости отделения монолита от массива и ее формы определенным образом связана со временем резания;

- коэффициента теплоотдачи () рабочего элемента на внеконтактном участке, который повышается с увеличением скорости резания.

На графике (см. рис. 6) через ограничение, при прочих заданных условиях процесса резания, максимальной фактической температуры графитизации алмазных зерен, получена предельная плотность теплового потока, устанавливающая рациональный силовой и скоростной режимные параметры, которые, в свою очередь, дают возможность обосновать предельную скорость подачи канатно-алмазного инструмента на забой, т. е. скорость перемещения канатно-алмазной пилы по направляющим, при которой отсутствует повышение удельного расхода от теплового фактора.

Рис. 6. График зависимости максимальной контактной температуры нагрева
рабочего элемента канатно-алмазного инструмента от плотности теплового
потока при выполнении продольного (верхняя линия) и
поперечного (нижняя линия) пропила

Из выполненных исследований следует, что температура нагрева канатно–алмазного инструмента в процессе резания горных пород зависит от теплового потока в зоне резания, физико–механических свойств системы «горная порода – канатно-алмазный инструмент», геометрии отделяемых монолитов камня от массива и схемы расположения камнерезной машины по отношению к добычному уступу. При этом максимальная температура нагрева соответствует кинематическому условию, при котором время единичного контакта рабочего элемента инструмента с породой по отношению к времени его нахождения на воздухе максимально. В этом заключается сущность первого научного положения.

Третья глава посвящена определению энергосиловых показателей процесса отделения монолитов природного камня от массива породы канатно-алмазным инструментом в зимних условиях без охлаждения водой.

Вода в процессе резания природного камня алмазным инструментом, помимо охлаждения контактной поверхности взаимодействия канатно-алмазного инструмента с породой, выполняет функцию смазки. В результате такой комплексный энергетический показатель процесса, как удельная работа резания повышается, если в зону контакта не подводится вода. При этом возникающие дополнительные силы трения за счет нормального давления шлама на металлическую связку алмазных зерен более интенсивно ее изнашивают, что повышает удельный расход инструмента.

Особенностью резания горных пород канатно–алмазным инструментом является возникновение сил инерции от дна пропила, которые срывают шлам вместе с охлаждающей водой по нормали к траектории перемещения. Поэтому для канатно-алмазных пил, работающих в карьерах, когда угол охвата монолита гибким контуром составляет более 180°, нижняя ветвь (рис. 7, участок а-b и рис. 8, участки b-c, d-e) за счет инерционного срыва не охлаждается водой, подаваемой в зону резания с кровли уступа. Кроме того, с нижней ветви режущего контура охлаждающая жидкость срывается вместе со шламом за счет гравитационных сил. Откуда следует, что нижняя ветвь гибкого режущего контура работает без охлаждения водой.

Оценим прирост удельной работы распиловки без воды по сравнению с ее использованием с учетом рассмотренных особенностей кинематики и динамики резания природного камня канатно-алмазным инструментом при его добыче.

Для относительной формы записи оценку удельной работы можно осуществить по следующей упрощенной зависимости:

, (21)

где Аудв, Аудc– удельная работа распиловки соответственно с использованием воды и без нее, Дж/м3; µРп – коэффициент разрушения породы; µтрв, µтрс – коэффициенты взаимного трения алмазного инструмента и породы соответственно с водой и без нее; д – дополнительный угол охвата, рад.

Анализ экспериментальных данных по царапанию различных горных пород единичным алмазным зерном показывает, что стр/пр>>1 и втр/пр>>1, тогда возможны упрощения формулы (21):

, (22)

где k=трс/трв.

Введенный в энергосиловой анализ коэффициент k=трс/трв дает возможность обоснованно и достаточно достоверно использовать результаты стендовых испытаний по определению удельной работы распиловки различных горных пород дисковым алмазным инструментом для канатно-алмазных пил. При этом условием испытаний является, при одинаковом силовом и скоростном режимах, резание образцов природного камня с применением воды и без нее. Полученный прирост удельной работы сухого резания образцов камня по отношению к резанию с водой и будет характеризовать увеличение сил трения, когда отсутствует эффект смазки в присутствии воды.

Для определения энергосиловых характеристик процесса пиления природного камня с применением воды и без нее был спроектирован и собран испытательный стенд. Основной целью эксперимента является сравнение энергосиловых показателей процесса распиловки алмазным дисковым инструментом в зависимости от силовых режимных параметров. Для распиливания образцов природного камня применялся алмазный сегментный инструмент АПДС 250. Стенд позволял варьировать следующие параметры процесса распиловки: контактное давление инструмента на породу n=0…17 МПа; глубину пропила h=0…70 мм; частоту вращения выходного вала n=1750…3950 мин-1.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»