Przygotowanie badań stanowiskowych

5. Próby stanowiskowe urabiania niesymetrycznymi narzędziami

dyskowymi

Jak wspomniano w rozdziale drugim, istnieje kilka teoretycznych modeli wyznaczania obciążenia narzędzia urabiającego w zależności od parametrów urabianej skały, jednak ze względu na niejednorodność i anizotropowość materiału skalnego modele te w praktyce przedstawiają wartości mocno przybliżone, bądź wprost niepoprawne. Obserwację tę dla narzędzi dyskowych, szczególnie w wypadku zastosowania modelu Krauzego, udowodniono w pracy [65]. Jak wskazano m. in. w pracach [1,8,12], teoretyczne lub empiryczne modele urabiania dobrze spisują się jedynie dla wąskiego typu skał i niezwykle trudno jest je prawidłowo odnieść do konkretnych zastosowań w projektowaniu maszyn urabiających.

Planując przeprowadzenie procesu projektowania głowicy dyskowej stwierdzono, że estymacja obciążenia działającego na pojedyncze narzędzie, jak również (poprzez superpozycję) na cały organ urabiający jest czynnością kluczową i opieranie się na wzorach przybliżonych nie gwarantuje wystarczającej dokładności wyników. W związku z tym przyjęto odmienną metodę estymacji obciążenia pojedynczego narzędzia – przeprowadzono szereg testów laboratoryjnych, w oparciu o narzędzia urabiające tożsame z wykorzystywanymi w rozwiązaniu przyszłej głowicy dyskowej, jak również zastosowano analogiczny rodzaj materiału urabianego w stosunku do planowanego do zastosowania w badaniach głowicy dyskowej podczas prób poligonowych. Badania te zostały znacząco rozszerzone o komputerowe badania symulacyjne wykorzystujące metodę elementów dyskretnych.

5.1. Przygotowanie badań stanowiskowych

Testy stanowiskowe były wykonywane na zmodyfikowanym stanowisku do badania pojedynczych narzędzi, znajdującym się na wyposażeniu Katedry Maszyn Górniczych, Przeróbczych i Transportowych AGH, schematycznie przedstawionym na rysunku 48. Główną częścią stanowiska jest obrotowy stół 1 wykonany na bazie tokarki karuzelowej. Na obrotowym stole 1 umieszczana jest, specjalnie przygotowana do prób urabiania pierścieniowa próbka skalna 2, natomiast narzędzie urabiające 3 mocowane jest w odpowiednim uchwycie do suportu 4, przesuwającym się poziomo wzdłuż pomostu 5. Pomost przemieszczany jest pionowo wzdłuż słupów 9. Do napędzania stołu obrotowego

1 z zamocowaną próbką skalną zastosowano silnik hydrauliczny 6 typu SOK-400 wraz

59 z wykorzystaniem siłownika hydraulicznego 8, natomiast pomost 5 za pomocą silnika hydraulicznego 7 typu SOK-100 poprzez dwa mechanizmy śrubowe. Konstrukcja stanowiska w takiej postaci przystosowana jest do badania procesu urabiania skał narzędziami skrawającymi na pobocznicy walcowych lub pierścieniowych próbek skalnych.

Rys. 48. Schemat stanowiska do badania pojedynczych narzędzi urabiających [30] (opis w tekście).

Dla potrzeb badań niesymetrycznych narzędzi dyskowych istniejąca postać stanowiska okazała się niewystarczająca, gdyż narzędzie (w analizowanym w niniejszej rozprawie rozwiązaniu głowicy dyskowej) podczas urabiania zamocowane jest do obracającej się tarczy i dynamicznie zagłębia się w próbkę, co nie mogło być technicznie odwzorowane na stanowisku z rysunku 48 – w związku z czym zaistniała konieczność przebudowy tegoż stanowiska.

Przebudowa wymagała opracowania i wykonania specjalnej obrotowej tarczy wraz z podchwytem do jej zamocowania. Na potrzeby prób wykonano pięć kompletów narzędzi dyskowych o różnych średnicach i kątach ostrza (oraz dodatkowo jeden komplet do prób początkowych), jak też sześć sztuk specjalnych pierścieniowych próbek betonowych o podwyższonych parametrach wytrzymałościowych.

60 Założono, że do budowy zespołu tarczy urabiającej z narzędziami dyskowymi zostanie wykorzystany układ napędowy złożony z silnika hydraulicznego typu OMTS 250, przekładni planetarnej typu RR5/OMC oraz łącznik I54-2258, do którego została zamocowana tarcza z badanymi narzędziami dyskowymi oraz czujnik umożliwiający pomiar obciążenia działające na tarczę podczas urabiania. Widok zdemontowanego układu napędowego przedstawiono na rysunku 49.

Rys. 49. Widok zdemontowanego zespołu napędowego - silnik hydrauliczny typu OMTS 250, przekładnia planetarna typu RR5/OMC oraz łącznik I54-2258.

Do zamocowania przedstawionego układu napędowego na stanowisku badawczym wymagane było opracowanie specjalnego podchwytu, mocowanego w miejsce suportu z narzędziem skrawającym (pozycja 4 rysunku 48). Ponadto konieczne było także dobranie czujnika pozwalającego na pomiar obciążenia tarczy z narzędziami dyskowymi przy zachowaniu jej ciągłego ruchu obrotowego – w tym celu założono zastosowanie trójosiowego tensometrycznego czujnika sił i momentów ze zintegrowanym rejestratorem. Czujnik ten stanowił element ograniczający zakres pomiarowy obciążeń działających na narzędzia dyskowe. Cechy funkcjonalne i warunki brzegowe pomiaru dla tego czujnika to:

• Pomiar trzech składowych sił we wzajemnie prostopadłych kierunkach w zakresie do minimum 100 kN,

• Pomiar trzech składowych momentów we wzajemnie prostopadłych płaszczyznach w zakresie do minimum 15 kNm,

61 • Maksymalna szerokość czujnika (bez przyłączy pomiarowych) – 110 mm, • Mocowanie zewnętrzne czujnika - 8 otworów pod śrubę M20, średnica

podziałowa 380 mm,

• Mocowanie wewnętrzne czujnika - 8 otworów pod śrubę M22, średnica podziałowa 110 mm,

• Czujnik musiał umożliwiać pomiar parametrów elementu znajdującego się w ruchu obrotowym.

Po analizie dostępnych rozwiązań stwierdzono, że żaden z producentów nie dysponuje gotowym rozwiązaniem pomiarowym tego typu. W związku z tym na specjalne zamówienie firma ZEPWN J. Czerwiński i wspólnicy z Marek wykonała trójosiowy czujnik sił i momentów CL 16 o założonych powyżej parametrach – został on przedstawiony na rysunku 50.

Rys. 50. Trójosiowy czujnik sił i momentów typu CL 16.

Do współpracy z czujnikiem CL 16 dobrano układ kompaktowego rejestratora umożliwiającego zapis danych mierzonych na karcie SD, jak również zastosowano przenośne źródło zasilania w postaci baterii niklowo-jonowej. Zastosowana częstotliwość próbkowania wynosiła 1 kHz, napięcie zasilania czujnika i rejestratora wynosiło 12 V, a cały układ pomiarowy ważył 850 g. Do układu dołączony został dodatkowy, zewnętrzny enkoder, umożliwiający pomiar kąta obrotu tarczy dyskowej względem nieruchomego układu odniesienia (ramy stanowiska badawczego).

Znając parametry geometryczne czujnika, układu napędowego i tarczy dyskowej, opracowano podchwyt pozwalający na zamocowanie zespołu tych elementów

62 do pomostu trawersy (pozycja 5 na rysunku 48). Ze względu na długość zespołu napędowego, został on zamocowany w podchwycie nie w osi trawersy, a odchylony od tej osi pod kątem 15°. Model stanowiska do badania pojedynczych narzędzi z zamontowanym podchwytem i zespołem napędowym oraz czujnikiem i tarczą z narzędziami dyskowymi pokazano na rysunku 51.

Rys. 51. Model stanowiska do badania pojedynczych narzędzi przystosowanego do prób urabiania obrotową tarczą uzbrojoną w narzędzia dyskowe.

Przekrój modelu podchwytu z zespołem urabiającym przedstawiono na rysunku 52.

63 Podchwyt składa się z dwóch części: nieruchomej 6, mocowanej do pomostu trawersy oraz ruchomej 7, która osadzona jest w części nieruchomej za pomocą dwóch sworzni. Takie rozwiązanie pozwala na korekcję pochylenia osi tarczy φ co 2,5° w zakresie ± 15°, co skutkuje również zmianą kąta przyłożenia α i kąta natarcia γ narzędzia dyskowego. Z częścią ruchomą podchwytu połączony jest silnik 1 i przekładania 2. Moment obrotowy z zespołu napędowego przekazywany jest na ułożyskowany w części ruchomej podchwytu adapter 3. Do adaptera przykręcony jest czujnik sił i momentów 4, połączony śrubami z tarczą dyskową 5. Do adaptera zamocowany został również rejestrator pomiarowy oraz układ zasilania. Zaprezentowany na rysunku 52 model był podstawą do sporządzenia dokumentacji wykonawczej (schematy złożeniowe układu podchwytu zawarto w załączniku II - rysunki II.1 i II.2). Widok podchwytu wraz z układem tarczy dyskowej przedstawiono na rysunku 53.

Rys. 53. Widok układu tarczy dyskowej wraz z podchwytem i czujnikiem CL 16 (poziome ustawienie układu).

Zastosowana tarcza dyskowa umożliwiała zamocowanie narzędzi dyskowych o średnicy maksymalnej wynoszącej 170 mm. W związku z tym, aby przeanalizować wpływ średnicy narzędzia ∅d na obciążenia występujące podczas urabiania zdecydowano się

64 przebadać narzędzia o ∅d = 150, 160 i 170 mm i kącie ostrza β = 40^o. Dodatkowo, dla środkowej wartości średnicy narzędzi (160 mm) zdecydowano się przebadać również wpływ kątów ostrza β równych 35o i 45o. W rezultacie do badań należało przygotować pięć zestawów narzędzi dyskowych. Oprócz tego, przygotowano również szósty zestaw narzędzi o średnicy ∅d = 160 mm i kącie ostrza β = 40^o,przeznaczony do prób wstępnych i ewentualnego uzupełnienia narzędzi uszkodzonych podczas badań. Wszystkie narzędzia wykonano ze stali narzędziowej NZ3. Każde z narzędzi zostało wyposażone w tuleję ślizgową z brązu B101. Przed badaniami każde z narzędzi zostało dokładnie zmierzone oraz zważone; dokonano również pomiarów kształtu dysków metodą skanowania 3D. Rysunek techniczny pojedynczego narzędzia przedstawiono w załączniku II (rysunek II.3), natomiast na rysunku 54 przedstawiono zestawienie wykonanych narzędzi, gotowych do przetestowania na stanowisku badawczym.

Rys. 54. Widok kompletu narzędzi dyskowych przygotowanych do przeprowadzenia prób stanowiskowych.

65 Na rysunku 55 przedstawiono tarczę urabiającą uzbrojoną w narzędzia o średnicy ∅d 170 mm i kącie ostrza β równy 40^o.

Rys. 55. Układ tarczy pomiarowej uzbrojonej w narzędzia dyskowe. Elementami napędowymi ruchomych podzespołów mechanicznych stanowiska są wyłącznie siłowniki i silniki hydrauliczne. Dla prawidłowego zasilania i sterowania pracą tych układów zmodernizowano istniejącą instalację zasilająco-sterującą stanowiska do badania pojedynczych narzędzi. Schemat hydrauliczny układu został przedstawiony w załączniku II (rysunek II.4). Zgodnie z tym schematem, pompę o największym wydatku 2P1 zastosowano do napędu silnika hydraulicznego wymuszającego ruch stołu obrotowego z próbką skalną, natomiast wydatek z pomp 2P2 i 2P3 skierowano do zasilania zespołu napędowego tarczy dyskowej. Pompa 3P1 została wykorzystana do zasilania siłownika i silnika hydraulicznego realizujących odpowiednio poziome i pionowe ruchy podchwytu z tarczą dyskową. Parametry układu pozwoliły na uzyskanie prędkości obrotowej stołu wynoszącej 25 obr/min oraz prędkości obrotowej tarczy dyskowej równej 60 obr/min. Dodatkowo, z uwagi na długotrwały charakter planowanych badań, wykorzystano również chłodnicę oleju hydraulicznego. Ogólny widok płyty czołowej układu agregatu hydraulicznego przedstawiono na rysunku 56.

66 Rys. 56. Widok płyty czołowej agregatu hydraulicznego po przeprowadzonej

modernizacji.

Do prawidłowego zrealizowania prób na zmodernizowanym stanowisku laboratoryjnym koniecznym było wykonanie specjalnych pierścieniowych próbek betonowych z betonu o podwyższonych parametrach wytrzymałościowych (określanego często w praktyce przemysłowej skrótem BWW – beton wysokowytrzymały). Założono, że próbki te zostaną wykonane z betonu specjalnego klasy C80/95, zgodnie z normą [52] (była to najwyższa klasa oferowana dla tego typu próbek w momencie przeprowadzania rozeznania ofertowego). Na potrzeby badań wykonano próbki pierścieniowe o średnicy zewnętrznej 1200 mm, wewnętrznej 500 mm i wysokości 450 mm. Dla każdego z zestawów narzędzi wykonano oddzielną próbkę betonową (w sumie sześć sztuk). Widok stanowiska badawczego z zamocowaną na nim próbką betonową przedstawiono na rysunku 57.

67 Rys. 57. Widok stanowiska do badania narzędzi dyskowych wraz z próbką betonową

o podwyższonej wytrzymałości.

Wykonania próbek betonowych podjęła się firma Ecol-Unicom, Zakład Produkcji Prefabrykatów z Rudy Śląskiej. Firma ta wykonała również z tego samego materiału mniejsze próbki cylindryczne o średnicy i wysokości równych 50 mm do badań weryfikacyjnych wytrzymałości betonu. Kilka z tych mniejszych próbek przedstawiono na rysunku 58.

Rys. 58. Widok betonowych próbek cylindrycznych przygotowanych do badań wytrzymałościowych.

68 Norma [52] zawiera klasyfikację betonów na podstawie ich wytrzymałości w zastosowaniach budowlanych. Zgodnie z tą normą, dla zastosowanej podczas badań klasy betonu C80/95 dla próbki sześciennej o boku 150 mm wytrzymałość charakterystyczna (wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie spełniająca 95% wszystkich testów danego materiału) wynosi 95 MPa, natomiast dla próbek cylindrycznych o średnicy 150 mm i wysokości 300 mm wytrzymałość charakterystyczna wynosi 80 MPa. Jak stwierdzono w licznych publikacjach (min. [3,67]) dla betonu występuje bardzo wyraźny efekt skali (ang. size effect) – tj. wytrzymałość próbki zależy wyraźnie jej rozmiaru; zasadniczo można przyjąć, że dla próbek o mniejszych rozmiarach wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie jest większa. W związku z tym efektem postanowiono przeprowadzić szereg własnych badań próbek zgodnie z metodologią stosowaną przy badaniu skał (według podręcznika [17]), gdyż tego typu oznaczenie właściwości materiału lepiej odzwierciedla parametry procesu urabiania dyskiem niesymetrycznym.

Dla zweryfikowania zakładanej wytrzymałości próbek betonowych na jednoosiowe ściskanie i rozciąganie przeprowadzono badania laboratoryjne na typowej maszynie wytrzymałościowej. Na rysunku 59 przedstawiono widok próbki cylindrycznej zamontowanej w maszynie przed próbą ściskania. Wartości wytrzymałości na rozciąganie wyznaczono na podstawie tzw. próby brazylijskiej (zgodnie z [17]). W każdym z tych testów przebadano dwadzieścia próbek cylindrycznych. Na rysunku 60 przedstawiono widok wybranych próbek zniszczonych podczas testów.

69 Rys. 60. Widok próbek zniszczonych podczas wykonywania testów

wytrzymałościowych: z lewej – próba ściskania, z prawej – próba brazylijska. Analizując wyniki badań stwierdzono, iż próbki charakteryzują się stosunkowo dużym rozkładem wartości zarówno wytrzymałości na rozciąganie, jak i na ściskanie. Histogramy obciążenia wraz z wyznaczonymi na ich podstawie krzywymi rozkładu normalnego przedstawiono na rysunkach 61 i 62. Zestawienie wartości liczbowych wytrzymałości wyznaczonych podczas prób przedstawiono w tabeli I.1 załącznika I.

70 Rys. 62. Rozkład rezultatów próby wytrzymałości betonu uzyskane w próbie

brazylijskiej (pośredniego testu badania wytrzymałości na rozciąganie).

Analizując rezultaty przeprowadzonych testów można łatwo zauważyć, że otrzymana średnia wytrzymałość na ściskanie (równa 97,09 MPa) jest zbliżona do wytrzymałości betonu w danej klasie (95 MPa), jednak nie spełnia kryterium wytrzymałości charakterystycznej. Na uwagę zasługuje stosunkowo duża wartość odchylenia standardowego, równa 13,6 MPa – czyli 14% wartości średniej. Jeszcze większy rozkład wartości zaobserwowano w przypadku prób wytrzymałości na rozciąganie – przy wartości średniej 10,16 MPa odchylenie standardowe równe 4,02 MPa stanowiło 39,5% wartości średniej. Błąd pomiaru, wyliczony metodą różniczki zupełnej, wynosił 1,32 MPa dla próby ściskania i 0,33 MPa dla próby brazylijskiej (z uwagi na zastosowane różne zakresy pomiarowe maszyny wytrzymałościowej). Tak duże wahania wytrzymałości wzięły się z różnego przestrzennego rozkładu ziaren kruszywa w próbkach betonowych. Otrzymane rozkłady świadczą niezbicie, że dla stosunkowo małych próbek materiałów niejednorodnych operowanie pojedynczą wartością wytrzymałości na rozciąganie czy ściskanie jest zawsze pewnym przybliżeniem, tym mniej dokładnym, im bardziej niejednorodna jest próbka. Dodatkowo, otrzymane rozkłady pośrednio sygnalizują o niepewności wartości obciążeń estymowanych podczas prób urabiania – szczególnie w przypadku modeli teoretycznych, w których wartość odpowiedniej wytrzymałości interpretowana jest zwykle ściśle określonym parametrem liczbowym.

71