ZBS2YTY NAUKOWE PPŁITBGHNIŁI Ś I^ S K IfJ S e r i t t Górnictwo z , 72
________ 1976 Nr k o l« 4-71
Jan usz Ł uszczkiew icz
WIBRACYJNE SKRAWANIE SŁAŁ
S t r e s z c z e n ie . W arty k u le przedstaw iono dotychczasowy s t a n badań w z a k r e sie w ibracyjnego skraw ania s k a ł i ich w ie rce n ia . Omówiono dy
sk retn y sposób przekazywania e n e r g i i skraw anej sk a le i wypływające z te g o k o r z y ś c i.
1 . Wstę p
W związku z k o n ie czn o ścią in t e n s y f i k a c ji procesu skraw ania s k a ł , jedną z możliwych si6tod prov!adzących do tego c e lu j e s t n ałożen ie drgań w ysokiej c z ę s t o t liw o ś c i na n arzęd zie skraw ające p racu jące na za sa d z ie s t a t y c z n e j.
Stw ierdzono, że d z i a ł a ją c na sk a łę obciążeniem s t a tycznym i impulsem dynamicz
nym można zwiększyć e fe k t u r a b ia n ia , przy czym d rga
n ia zw ię k sza ją nie ty lk o sta n n ap rężen ia w s k a le , a le przypuszczać można, że tak że wpływają na w łasn o ści fizykom ęchaniezn3.
Na r y s . 1 przedstaw iono wpływ drgań na prędkość w ie rce n ia . Wpływ drgań okre
ślon y j e s t stosunkiem pręd
k o ś c i w iercen ia z w ib rac ja
mi vw do p ręd k o ści bez drgań vg t . Ze wzrostem czę
s t o t li w o ś c i przy s t a ł e j am
p lit u d z ie drgań , zw iększa s i ę efektywność u ra b ia n ia w ibracyjnego.
2 . Skrawanie w ibracyjne
N arzędzie sk raw ające może drgać w trz ech wzajemnie prosto padłych k ie runkach ( r y s . 2 ) . Praktyczne znaczenie ma jed y n ie kierunek drgań zgodny z kierunkiem skraw an ia. W tym c e lu na n arzęd zie skraw ające nakłada s i ę d rga
O S f g t o f c l l J M M W
R y s. *1. Wpływ c z ę s t o t liw o ś c i drgań narzę
d z ia na względny p rz y ro st p ręd k o ści w ier
cen ia
n i a , których źródłem j e s t gen erator np. z przetwornikiem m agn etostryk cyj- nym. Skraw ając marmur i g r a n it mierzono opory skraw ania z drganiam i i bez drgań ( r y s . 3 a ,b ) przy zmiennej p ręd k o ści i g łę b o k o ści sk raw an ia.
Jako kryterium sku teczn oś
c i drgań p rz y ję to współczyn
n ik pg będący stosunkiem s i ły skraw ania staty cz n eg o do s i ł y skraw ania noża z drga
niami«
/ o
R y s.3 . p rzed staw ia w zrost s i ł y skraw ania ze wzrostem g łę b o k o śc i zarówno d la noża p racu jąceg o s ta ty c z n ie ja k i d la noża z nałożonymi d rga
n iam i. Współczynnik sk u tecz
n o śc i p g zm n iejsza swą war- R y s. 2 . K ieru n k i drgań noża skraw ającego to ś ć ze wzrostem g łę b o k o ści
na za sad z ie s ta t y c z n e j s p a w a n ia . Opory skraw ania n ie z a le ż ą od p ręd k o ści skraw ania noża sta ty c z n e g o , n atom iast w z r a sta ją p rzy nożu d rgającym , s tą d spadek w spółczynnika p s . Przy zmiennej prędkoś
c i skraw an ia i zmiennej g łę b o k o ści skraw an ia, am plituda drgań n ie j e s t w ie lk o śc ią s t a ł ą i sp ad a ze wzrostem oporów skraw an ia. D alsze badan ia wy-
0 1 ,5 3 ,2 x 10-3 Głębokość skraw an ia [m]
R y s. 3 . Wpływ g łę b o k o śc i i p ręd k o ści skraw ania na opory skraw ania 1 - g r a n it , 2 - marmur, g - współczynnik sk u te c z n o śc i --- skraw anie
sta t y c z n e , --- skraw ania z w ibracjam i o c z ę s to tliw o ś c i 18 kHz
Wibracyjne skraw anie s k a ł 139
k a z a ły , że w spółczynnik p B w zrasta za wzrostem am plitudy i c z ę s to tliw o ś c i digań w d łu g ie j potędze zgodnie z z a le ż n o ść ią s
Pb = --- V
S g> o co2 f s i n 2 t d t
16 V s t T gdzieś S - pole p rz e k ro ju poprzecznego w ib ra to ra ,
j - g ę sto ść m a te r ia łu z ja k ie g o wykonano w ib ra to r,
c - prędkość rozch od zen ia s i ę f a l sp ręży sty ch w w ib rato rze , co - c z ę s to ś ć kołowa drgań w ib ra to ra ,
^ - am plituda drgań w ib ra to ra , v p- prędkość posuwu,
T - okres drgań w ib rato ra, t ^ - c z a s w e jśc ia o s t r z a w s k a ł ę .
3 . W iercenie wibrac-y.ine
Kierunek drgań nakładanych na w ie rtło przy w iercen iu sk a ły j e s t pro
sto p a d ły do kierunku skraw ania i zgodny z kierunkiem posuwu ( r y s . 2 ) . Na
ło ż e n ie drgań na n arzęd zie d a je wyniki przedstaw ione na r y s . 4-, Efektyw
ność w ib r a c ji zm n iejsza s i ę ze wzrostem d o cisk u n a rz ę d z ia do s k a ły , k tó rą tłum aczy s i ę zm niejszeniem am plitudy drgań ( r y s . 5 ) . Drugim parametrem p ro cesu drgań po am p litu dzie j e s t c z ę s t o t liw o ś ć ! spada ona n iezn aczn ie ze wzrostem do
c is k u .
W szystkie powyższe rozwa
ż a n ia d otyczyły drgań charak
te ry z u ją cy ch s i ę wysoką czę
s t o t li w o ś c ią drgań , n ato m iast bardzo małą e n e rg ią pojedyn
czego udaru. Z ależn ość pracy jednostkow ej od e n e r g ii udaru ma p rz e b ie g zb liż o c y do h ip e r
b o l i ( r y s . 6 ) . Oznacza t o r że d la małych w a rto śc i e n e r g ii udaru u rab ian ie p rak ty czn ie n ie zach o d zi, gdyż e n e rg ia po- tr iU n M
«fejwt««* [»te/alaj
R y s. 4 . Z ależn ość p ręd k o ści posuwu w ier
c e n ia w marmurze od p rę d k o śc i obrotowej p s - w spółczynnik sk u te c z n o śc i, --- w iercen ie sta t y c z n e , --- w ieroenie z w ibracjam i o c z ę s t o t liw o ś c i 18 kHz. 1 -
d o c isk 1650 N, 2 - d o c isk 2800 N
0 * * « t o t l i * o ś ć | * * ]
R y s. 5 . Z ależność am plitudy drgań w ib rato ra m agnetostrykcyjnego od c z ę sto t liw o ś c i przy w iercen iu piaskow ca z różnym dociskiem
1 _ 4440 U, 2 - 6890 N, 3 - 10300 N
KI
B y s. 6. Zależność pracy jednostkow ej skraw ania od e n e r g ii udaru
jedynczego udaru j e s t zbyt m ała. Aby zm niejszyć energochłonność skraw ania w ibracyjnego n a le iy zwiększyć il o ś ć e n e r g ii przekazywanej sk a le podczas pojedynczego udaru. Przy danej mocy możnta to jed y n ie o siągn ąć drogą obni
ż e n ia c z ę s to tliw o ś c i i zw iększen ia am plitudy. B e a liz u je s i ę to na drodze dyskretnego przekazywania e n e r g ii ( r y s . 7 ) .
Wibracyjne skraw anie s k a ł
Po w łączaniu n ieobciążon ego w ib rato ra am plituda drgań w zrasta i po Den
nym c z a s ie o s ią g a maksimum w a rto śc i w danych warunkach. W tym momencie w w ibratorze nagromadzona j e s t maksymalna i l o ś ć e n e r g ii.
BP = Tl
4L
g d z ie : E - moduł Younga, L - d łu go ść w ib ra to ra ,
S - pole p rze k ro ju poprzecznego w ib rato ra.
t i ,
R ys. 7« “P rzeb ieg am plitudy drgań w dyskretnym przekazywaniu e n e r g ii
10 Om [-]
15 20
R y s. 8 . I l o ś ć urobion ej sk a ły podczas wier
c e n ia z dyskretnym oddawaniem e n e r g ii (1) i wierceniem wibracyjnym (2 ) w fu n k c ji c za
su
E n ergia t a j e s t około d zie
s ię c io k r o tn ie w iększa od p ra c y , k tó rą wykonuje s i ł a wymuszająca d rg an ia w cza
s i e jednego cyklu podozas skraw ania w ibraoyjn ego. W przypadku idealnym , gdy am
p litu d a j e s t maksymalna, o str z e n arzę d zia wprowadza s i ę w kon takt ze s k a ł ą , k tó r a otrzym uje im puls e - ń ergetyczn y. Z t ą chw ilą am plituda spada do minimum, Po przekazan iu e n e r g ii am
p litu d a drgań ponownie w z ra sta , gdyż o str z e n arzę
d z ia zostape wycofane z p rao y , a po c z a s ie T0 na
r z ę d z ie powtórnie wchodzi
w kon tak t ze s k a ł ą . Tym sposobem p raca w ib rato ra sk ła d a s i ę z dwóch okre
sów: okresu grom adzenia e n e r g ii i ok resu przekazyw ania j e j s k a le .
Przeprowadzone eksperymenty w iercen ia otworu o 42 mm [3] w marmurze wi
bratorem drgającym z c z ę s to tliw o ś c ią 2 kHz w ykazały, że i l o ś ć wywierco
n ej sk a ły w c ią g u 20 sekund przy dyskretnym przekazywaniu e n e r g i i, tr z y d z ie sto k r o tn ie przew yższa il o ś ć m a te ria łu pow stałego przy w iercen iu wibra
cyjnym z t ą samą c z ę s t o t liw o ś c ią le c z bez dyskretnego przekazyw ania ener
g i i .
4 . Wnioski
1 . N ałożenie drgań na o str z e sta ty cz n e w kierunku p ręd k o ści skraw ania po
zwala obniżyć 2- 3-k r o tn ie w ielkość s i ł y skraw ania w sk ałach bardzo zw ięzłych.
2 . Skuteczn ość skraw ania w ibracyjnego za le ż y od w łasn o ści fizyknm echanica- nych s k a ł .
3 . Współczynnik sk u te c z n o śc i drgań j e s t w p rz y b liż e n iu p rop orcjon aln y do kwadratu am plitudy drgań . Spada on ze wzrostem g łę b o k o ści i p ręd k o ści skraw ania n a r z ę d z ia .
4 . Dyskretny sposób przekazyw ania e n e r g ii skraw anej s k a le zw iększa ener
g ię pojedynczego udaru oraz zw iększa wydajność skraw an ia.
LITERATOEA
[1] G o relik G .S .: K o le b a n ija i wołny. Moskwa 1950,
[ 2] Jamszczikow W .S., Korobejnikow U .S .: 0 w ysokoczastotnoj w ib r o in te si- f i k a c j i procesow m achaniezeskogo r a z r u sz e n ia skalnych porod.Nowyje f i -
z ic z e s k ie metody ra z r u sz e n ia m ineralnych s r e d , Ie n in g ra d , 1970.
[3] Malczenók W.O., U tkin I . A . : Zwukowyje w ibratory d la b u re n ia . N edra, L en in grad , 1969.
[4] Hżewskij W.W., Jam szczikow W .3., Korobejnikow N .S .: E ezan ie górnych porod p r i n ało ż e n i na in strum ent wysokoczastotnych k o le b a n ij. F iz ik o - teo h n io ze sk ie problemy r a z r a b o tk i poleznyoh iskopajem ych Nr 5 1968.
BHEPAltHOHHOE PE3AHHE nOPOJl
P e s 10 « e
B c ia T te npe,ĄCTaBjiHeica cymeciBjnoąee cax nop cocioairae HCCjie^oBaHnii b oójiacTH BHÓpaąHOHHoro pe3aHHH no por; a nx SypeHaa. H3jiaraeTCK AHCKpeiHHił ono- co6 nepejawH sHepraa pe3aH0ft nopo,ąe a noxB3a, B03HBKaranaa a s btoto.
7/ibraoy.ir.a skraw ania s k a l 143 VIBRATIVE MACHINE CUTTING OP ROCKS
S u m m a r y
In the a r t i c l e h ith e r to p r e v a ilin g in v e s t ig a t io n s s t a t e concerning v i - b ra tiv e machine c u ttin g o f ro ck s and t h e ir d r i l l i n g , has been p re se n te d , The paper d isc u sse d a way o f t r a n s f e r r in g energy o f the machined rock and p r o f i t s comi-.-’ from i t .
