Введение
Выбор рациональных режимных параметров бурения шпуров и его поддержание на этом уровне это сложная техническая задача по установлению сочетания регулирующих параметров [5]. Решить такую задачу не представляется возможным без знания закономерностей, отражающих взаимосвязи между основными параметрами режима бурения. Из-за сложности процесса взаимодействия резца с разрушаемой породой эти закономерности традиционно устанавливаются путем физического моделирования.
Физическое моделирование – это метод экспериментальных исследований различных физических явлений, основанный на изучении этого явления на масштабной модели. Проведение физического моделирования на моделях меньших масштабов дает возможность значительно ускорить экспериментальные исследования при большем их объеме [1].
Цель исследования
Целью физического моделирования режимных параметров бурения шпуров с наложением на инструмент осевых и моментных импульсов являлось установление закономерностей, отображающих влияние импульсов осевого усилия и импульсов крутящего момента на скорость бурения. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: произведен обзор существующих конструкций стендов для исследования режимов бурения горных пород; разработана конструкция стенда для исследования режимов бурения горных пород, позволяющая накладывать на инструмент осевые и моментные импульсы; разработана методика проведения экспериментальных исследований.
Материал и методы исследования
Для реализации физического моделирования режимных параметров бурения шпуров нами были проанализированы существующие стенды для исследования режимов бурения горных пород, основанные на использовании токарно-винторезных и вертикально-сверлильных станков, а также специально изготовленные стенды [4]. Однако все известные стенды позволяют проводить исследования режимов бурения только во вращательном режиме или вращательно-ударном (с наложением осевых импульсов). По этой причине нами была разработана оригинальная конструкция стенда для исследования режимов бурения горных пород, позволяющая накладывать на инструмент осевые и моментные импульсы [6]. На конструкцию стенда получено положительное решение о выдаче патента на изобретение [7].
Для проведения экспериментальных исследований режимов бурения горных пород был применен метод рототабельного центрально-композиционного планирования (РЦКП), позволяющий в сравнении с другими (D-оптимальными, ортогональными) предсказывать значения выходной величины с одинаковой точностью во всех направлениях на одинаковом расстоянии от центра плана. Получение математической модели, проверку значимости ее коэффициентов, проверку на адекватность и исследование модели проводили в соответствии с методикой РЦКП, изложенной в источнике [3].
Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены цементно-песчаные образцы диаметром 63 мм. Контактная прочность образцов определялась по методу Л.И. Барона и Л.Б. Глатмана [2] на прессе ПСУ-10. В качестве породоразрушающего инструмента использовалась уменьшенная в 4 раза модель углепородного резца БИ-741А.
Экспериментальные исследования
Для проверки сходимости экспериментальных данных, полученных на нашем стенде для исследования режимов бурения горных пород, была проведена группа контрольных экспериментов во вращательном режиме бурения. Контрольные эксперименты, проведенные при бурении цементно-песчаных образцов с контактной прочностью Pk = 500-600 МПа, моделью резца БИ-741А при осевом усилии 550 Н и частотах вращения 200-500 об/мин, показали удовлетворительную сходимость результатов (рис. 1). При обработке результатов экспериментов были использованы известные методы математической статистики.
Иследование влияния моментных импульсов на скорость бурения проводилось в диапазоне частот вращения 200-360 об/мин и частот моментных импульсов 2200-4000 имп/мин. Указанные диапазоны значений моментных имульсов выбраны исходя из рекомендаций рационального угла поворота инструмента между ударами [1].
В результате проведения исследования влияния моментных импульсов на скорость бурения по методу РЦКП была получена следующая математическая модель:
где nв – частота вращения инструмента, об/мин; nми – частота моментных импульсов, имп/мин.
Статистическую оценку значимости коэффициентов модели проводили по критерию Стьюдента, а проверка математической модели на адекватность выполнялась по критерию Фишера. После проверки адекватности математической модели на уровне значимости α = 0,05 можно с вероятностью не менее 95% считать, что полученная модель адекватно описывает рассматриваемое явление. По полученной математической модели построен график поверхности (рис. 2) и сделаны срезы этой поверхности (рис. 3).
Исследованием установлено, что наложение моментных импульсов на инструмент дает прирост скорости бурения и имеет линейный характер. По мере увеличения частоты вращения инструмента интенсивность приращения скорости бурения снижается, что объясняется снижением удельной подачи инструмента.
Иследование влияния частоты осевых импульсов на скорость бурения проводилось в тех же диапазонах, что и предыдущем случае. В результате проведения исследования влияния осевых импульсов на скорость бурения была получена следующая математическая модель:
,
где nв – частота вращения инструмента, об/мин; nои – частота осевых импульсов, имп/мин.
Оценку значимости коэффициентов математической модели и проверку на адекватность проводили по тем же критериям и на том же уровне доверительной вероятности, что и предыдущую. По полученной математической модели построен график поверхности (рис. 4) и сделаны срезы этой поверхности (рис. 5).
Анализ полученных зависимостей показал, что наложение осевых импульсов на инструмент дает больший прирост скорости бурения, чем наложение моментных импульсов, и имеет нелинейный характер. По мере увеличения количества импульсов на один оборот резца интенсивность приращения скорости бурения увеличивается. При увеличении частоты вращения инструмента интенсивность приращения скорости бурения снижается.
Выводы
1. Применение физического моделирования режимных параметров бурения шпуров с наложением на инструмент осевых и моментных импульсов позволяет сократить количество опытов в эксперименте без снижения достоверности получаемых результатов и оценить совместное влияние двух факторов на скорость бурения.
2. Результаты экспериментальных исследований влияния осевых и моментных импульсов на скорость бурения показывают, что их наложение на инструмент повышает скорость бурения, причем наложение осевых импульсов повышает скорость бурения в большей степени, чем наложение моментных импульсов. При этом увеличение частоты вращения приводит к снижению интенсивности приращения скорости бурения, а частота осевых импульсов, наоборот, к увеличению скорости бурения. Частота моментных импульсов влияет на скорость бурения по линейной зависимости.
3. Установленные зависимости свидетельствуют о целесообразности применения машин мехатронного класса для бурения шпуров, т.е. машин, самостоятельно определяющих режимные параметры, включающие моментные и осевые импульсы в сочетании с частотой вращения инструмента с целью повышения их производительности.
Рецензенты:
Глебов Н.А., д.т.н., профессор кафедры «Мехатроника и гидропневмоавтоматика» Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова, г.Новочеркасск.
Луганцев Б.Б., д.т.н., генеральный директор ОАО «Шахтинский научно-исследовательский и проектно-конструкторский угольный институт», г.Шахты.