Przebieg prób stanowiskowych

Po podłączeniu zasilania hydraulicznego do stanowiska i uruchomieniu układu pomiarowego przeprowadzono wstępne testy pracy układu urabiającego oraz zbadano poprawność rejestracji danych. Po usunięciu niewielkich usterek przystąpiono do realizacji zasadniczej części badań wg założonej metodyki badawczej. Zaplanowano wykonanie badań urabiania betonowych próbek pierścieniowych przy zastosowaniu każdego z wykonanych typów narzędzi dyskowych, dla porównywalnych warunków urabiania (prędkość obrotowa głowicy urabiającej, prędkość obrotowa stołu z urabianą próbką, kąt ustawienia tarczy z narzędziami dyskowymi, głębokość urabiania próbki oraz prędkość przemieszczania się tarczy z narzędziami dyskowymi wzdłuż urabianej próbki pierścieniowej). Badania podzielano na dwie fazy – próby początkowe, mające na celu określenie wartości parametrów urabiania, oraz próby zasadnicze, polegające jak już wspomniano na urabianiu bloków betonowych danym typem narzędzia w wytypowanych warunkach.

W ramach prób początkowych założono w pierwszej kolejności przebadanie wpływu wzajemnego kierunku obrotów tarczy dyskowej i próbki pierścieniowej. Jako niezmienne założono wielkość prędkość obrotową tarczy na poziomie około 60 obr/min oraz prędkość obrotową stołu z próbką pierścieniową na poziomie około 20 obr/min (są to niemal maksymalne wartości prędkości obydwu napędów, jak również wartości najbardziej zbliżone do prędkości stosowanych podczas badań wstępnych, opisanych w rozdziale czwartym).

W dalszej kolejności przebadano wpływ kąta pochylenia tarczy dyskowej φ na efekt urabiania. Przyjęto pięć wartości kąta φ: 0o, 2,5o, 5o , 7,5o i 10o. Założono, że wartość głębokości urabiania (w dalszej części pracy zwanej głębokością wykruszania

d) tarczy z narzędziami dyskowymi będzie zmieniana w zakresie od 10 do 40 mm co 10

mm, natomiast prędkość przemieszczania tarczy wzdłuż urabianej próbki pierścieniowej nie będzie większa niż 10 mm na jeden obrót stołu (ok. 3mm/s). Dane dotyczące obciążenia poszczególnych narzędzi zarejestrowano na rejestratorze przymocowanym do adaptera czujnika CL16; dodatkowo kontrolnie mierzono wartości ciśnień i przepływów w układzie hydraulicznym. Układ pomiarowy zasilany był z wymiennych akumulatorów niklowo-jonowych, co pozwoliło na rejestrację danych w ruchu, bez konieczności wyprowadzenia przewodów pomiarowych i zasilających poza obszar stanowiska.

72 Każda próbka przed rozpoczęciem badań (zarówno początkowych, jak i zasadniczych) była wyrównywana dla zapewnienia jej cylindryczności. Dla każdej serii badań wykonano dokumentacje fotograficzne, z wybranych prób urabiania zarejestrowano nagrania filmowe. Przeprowadzono również obserwacje termowizyjne narzędzi dyskowych po zakończonych próbach urabiania.

• Próby początkowe

Pierwszą czynnością do której przystąpiono było wyrównanie powierzchni próbki betonowej korzystając z dodatkowego zestawu narzędzi urabiających. Kąt pochylenia tarczy dyskowej względem próbki (kąt przyłożenia narzędzia α) wynosił 0o. Jak się szybko okazało, dla takiego ustawienia nie jest możliwe urabianie z małą głębokością wykruszania d (wynoszącą 10 mm lub mniej), gdyż narzędzie dyskowe, na skutek skończonych sztywności tarczy dyskowej i zamocowania próbki betonowej, odgina się od pobocznicy próbki. Na skutek tego stopniowo zmniejsza się głębokość wykruszania, a wierzchołek próbki przybiera kształt stożkowy (rysunek 63).

Rys. 63. Widok próbki pierścieniowej z górną częścią pobocznicy urobioną do postaci stożkowej na skutek zbyt małej głębokości wykruszania d i zbyt małego kąta

przyłożenia narzędzia α.

Dodatkowo zaobserwowano, że z uwagi na prostopadłe ustawienie narzędzi do pobocznicy próbki następuje ich zauważalne ścieranie na powierzchni kontaktu z pobocznicą. Aby zapobiec wymienionym zjawiskom, na cały okres badań stanowiskowych przyjęto dwa założenia:

• minimalna głębokość wykruszania d nie może być mniejsza od 15 mm,

73 Pierwsze z założeń powstało w wyniku obserwacji, że dla głębokości wykruszania większej niż 15 mm narzędzie skutecznie zagłębia się w próbkę betonową i dokonuje odspojenia, a nie ulega ugięciu. Drugie z założeń zostało natomiast oparte o obserwację, że dla kąta przyłożenia narzędzia wynoszącego 5o i więcej nie następuje ścieranie płaskiej powierzchni narzędzia. Drugie z przedstawionych założeń dodatkowo pokrywa się z wytycznymi prof. Jonaka dla noży płaskich przedstawionymi w pracy [20], mówiącymi iż kąt przyłożenia narzędzia powinien wynosić około 6o.

Po wprowadzeniu do układu zmian zgodnie z powyższymi założeniami z powodzeniem dokonano wyrównania próbki betonowej. Jak już wspomniano, czynność tę powtarzano dla każdej z urabianych próbek betonowych. Widok wyrównanej próbki przedstawiono na rysunku 64.

Rys. 64. Widok próbki pierścieniowej po wyrównaniu powierzchni bocznej. Po wyrównaniu próbki wykonano dwa skrawy testowe przy zgodnych i przeciwnych kierunkach obrotu tarczy dyskowej i próbki betonowej. W pierwszym przypadku wartość prędkości względnej narzędzia dyskowego względem próbki jest różnicą wartości prędkości bezwzględnych narzędzia i próbki, natomiast w drugim przypadku – ich sumą. Poprzez analogię do obróbki metali metodą skrawania, pierwszy z przypadków odpowiada frezowaniu współbieżnemu, natomiast drugi – przeciwbieżnemu. Jak się okazało, występowały bardzo duże różnice w przebiegu procesu urabiania z zastosowaniem jednego i drugiego układu kinematycznego. W przypadku zgodnego kierunku obrotu narzędzie dyskowe stosunkowo łagodnie zagłębiało się w próbkę, dokonując wykruszenia fragmentu betonu. W momencie zderzenia się narzędzia z próbką kierunek przemieszczania próbki był styczny do dysku,

74 a więc następował swobodny obrót narzędzia; zagłębianie dysku w próbkę następowało na skutek ruchu obrotowego tarczy dyskowej. W przypadku przeciwnego kierunku ruchu tarczy dyskowej (układu przeciwbieżnego) dochodziło do dość gwałtownego zderzenia próbki i narzędzia w momencie, kiedy kierunki ruchów tych elementów były przeciwne. Skutkowało to generowaniem znacznych obciążeń dynamicznych, niejednokrotnie przewyższających możliwości stanowiska (dochodziło do przekroczenia maksymalnych wartości ciśnień, otwarcia zaworów maksymalnych i zatrzymywania się napędów). Różnice pomiędzy oboma technikami urabiania dobrze obrazuje również kształt próbek uzyskanych podczas procesu urabiania – zostały one przedstawione na rysunkach 65 i 66.

Rys. 65. Widok próbki betonowej urabianej współbieżnie – widoczne bruzdy po kolejnych wykruszeniach.

Rys. 66. Widok próbki betonowej urabianej przeciwbieżnie – charakterystyczna gładka powierzchnia próbki.

75 Z uwagi na fakt, iż podczas urabiania współbieżnego występowały znacznie mniejsze siły obciążeń narzędzi, generowany urobek miał zauważalnie większą granulację, generowane było znacznie mniejsze zapylenie, oraz przede wszystkim na fakt, że kształt próbki urabianej współbieżnie (rysunek 65) wyraźnie odpowiadał śladom po urabianiu powstałym podczas prób wstępnych (rysunek 35), do prób zasadniczego urabiania wybrano kierunek współbieżny. Na skutek urabiania przeciwbieżnego uzyskiwano bardzo gładką powierzchnię próbki, przez co ten typ urabiania zastosowano do wyrównywania bloków betonowych przed testami, stosując ograniczone wartości prędkości obrotowej próbki – rzędu 5 obr/min i minimalną głębokość wykruszania d = 15 mm, w celu zminimalizowania wpływu zjawisk dynamicznych.

W dalszej części prób początkowych zgodnie z przyjętą metodyką dokonano analizy wpływu kąta pochylenia tarczy φ na efekt urabiania (dla kątów 0o, 2,5^o, 5^o , 7,5^o i 10o). Wstępna analiza zarejestrowanych przebiegów pozwoliła stwierdzić, że wraz ze zwiększaniem kąta pochylenia tarczy φ (a tym samym zwiększaniem kąta przyłożenia narzędzia α i zmniejszaniem kąta natarcia γ) rośnie wartość siły bocznej Fb działającej na narzędzie (co jest zjawiskiem niekorzystnym, gdyż na skutek zginania ostrza mogą następować lokalne jego wykruszenia), natomiast maleje wartość siły wciskania narzędzia w skałę Fn. Dokładniejsza analiza sił działających na narzędzie została przedstawiona w dalszej części pracy. W oparciu o te obserwacje próby zasadnicze przeprowadzano przy kącie pochylenia tarczy dyskowej φ równym 5o.

Dokonując próbnego urabiania bloku betonowego stwierdzono, że z parametry stanowiska badawczego pozwalają urabiać próbkę betonową do głębokości wykruszenia d równej 50 mm. Powyżej tej wartości po pierwsze znacznie rosły zarejestrowane podczas urabiania wartości sił (powyżej dostępnego zakresu pomiarowego), po drugie często nie występowało wykruszenie, a jedynie lokalne pękniecie powierzchni próbki. Z tego względu do prób zasadniczych wytypowano cztery głębokości wykruszania d :15, 25, 35 i 45 mm.

• Próby zasadnicze

Zgodnie z zaproponowaną metodyką, przed rozpoczęciem każdej z prób wyrównano powierzchnię boczą próbek wykorzystując zestaw dysków używany podczas testów początkowych - o średnicy ∅d 160 mm i kącie ostrza β 40°. Głębokość wykruszania d podczas tego wyrównywania wynosiła 15 mm; próbkę wyrównywano przy obrotach próbki wynoszących 5 obr/min. w układzie przeciwbieżnym.

76 Podczas zasadniczej fazy urabiania zastosowano prędkość obrotową tarczy na poziomie 60 obr/min oraz prędkość obrotową stołu z próbką betonową na poziomie około 20 obr/min. w układzie współbieżnym. Tarcza dyskowa była pochylona względem pobocznicy próbki pod kątem 5o. Stosowano kolejno cztery głębokości wykruszania: 15, 25, 35 i 45 mm. Widok próbek urabianych z tymi głębokościami przedstawiono kolejno na rysunkach 67, 68, 69 i 70.

Rys. 67. Próbka urabiania przy głębokości wykruszania d = 15 mm, z wykorzystaniem tarczy z narzędziami dyskowymi o średnicy ∅d 160 mm i kącie ostrza β 45°.

Rys. 68. Próbka urabiania przy głębokości wykruszania d = 25 mm, z wykorzystaniem tarczy z narzędziami dyskowymi o średnicy ∅d 160 mm i kącie ostrza β 45°.

77 Rys. 69. Próbka urabiania przy głębokości wykruszania d = 35 mm, z wykorzystaniem

tarczy z narzędziami dyskowymi o średnicy ∅d 160 mm i kącie ostrza β 45°.

Rys. 70. Próbka urabiania przy głębokości wykruszania d = 45 mm, z wykorzystaniem tarczy z narzędziami dyskowymi o średnicy ∅d 160 mm i kącie ostrza β 45°. Jak można zauważyć, podczas urabiania powstawały cykliczne bruzdy na powierzchni próbki, związane z regularnością występowania kolejnych wykruszeń materiału betonowego. Podczas urabiania zaobserwowano, że bez względu na stosowaną głębokość wykruszania (powyżej głębokości d = 15 mm) w miejscu działania dysku tworzyła się

78 niewielka, w przybliżeniu pozioma powierzchnia (półka), umożliwiająca skuteczne dalsze wykruszanie. Widok tej powierzchni przedstawiono na rysunku 71. Stwierdzono również, że kąt wykruszenia był w przybliżeniu stały – mieszczący się w przedziale 20÷30o (w zależności od lokalnego układu ziaren betonu) – nie zaobserwowano zmiany wartości tego kąta od głębokości wykruszania czy geometrii narzędzia.

Rys. 71. Widok poziomej półki i pochylona powierzchnia wykruszenia powstała podczas urabiania.

Podczas urabiania zaobserwowano, że na krawędzi narzędzi dyskowych o kącie ostrza 35 i 40 stopni występowały lokalne uszkodzenia i wyłamania. Widok tego typu uszkodzeń przedstawiono na rysunku 72. Zjawiska tego nie zaobserwowano dla dysków o kącie ostrza 45o.

Rys. 72. Widok wykruszeń na krawędziach dysku. Na rysunku po prawej stronie wykruszenia widoczne na obwodach narzędzi.

79 Granulacja generowanego urobku bardzo silnie zależała od głębokości wykruszania d. W trakcie prób stwierdzono, że zależność ta jest w przybliżeniu kwadratowa. Podobnie jak w przypadku badań wstępnych wykonanych z zastosowaniem głowicy dyskowej, również w tym przypadku uzyskano urobek w postaci ziaren płytkowych. Zdecydowanie największe fragmenty ulegały odspojeniu w pobliżu dolnej krawędzi próbki – ich wymiary liniowe często przekraczały 150 mm, szczególnie w przypadku stosowania narzędzi o średnicy ∅d = 170 mm. Widok tego typu wykruszeń

przedstawiono na rysunku 73.

Rys. 73. Widok wykruszeń o największych rozmiarach, uzyskiwanych w pobliżu dolnej krawędzi próbki.

Podczas badań dokonano również kilku obserwacji termowizyjnych narzędzi dyskowych. Zauważono, że zdecydowanie wyższą temperaturę miały narzędzia, w których utrudniony był swobodny obrót wokół sworznia mocującego, np. ze względu na błędy montażowe – zjawisko to przedstawiono na rysunku 74.

80