Index of /rozprawy2/11432

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. St. Staszica w Krakowie. WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ I ROBOTYKI KATEDRA MASZYN GÓRNICZYCH, PRZERÓBCZYCH I TRANSPORTOWYCH. Rozprawa doktorska. Projekt i badania głowicy kombajnu chodnikowego wyposażonej w narzędzia dyskowe mgr inż. Paweł Mendyka. Promotor pracy: dr hab. inż. Krzysztof Kotwica, prof. AGH. Kraków 2018.

(2) Składam serdeczne podziękowania: •. Moim rodzicom, Teresie i Antoniemu Mendykom, za możliwość kształcenia i nieustające, bezwarunkowe wsparcie,. •. Promotorowi tej rozprawy, dr hab. inż. Krzysztofowi Kotwicy, za nieocenioną pomoc merytoryczną, cenne uwagi edytorskie i niezmierzoną cierpliwość,. •. Dr inż. Piotrowi Gospodarczykowi, za przekazaną wiedzę o technice, górnictwie i wszystkim innym co w życiu istotne,. •. Dr inż. Grzegorzowi Stopce, za udzielone wsparcie merytoryczne,. •. Prof. dr hab. inż. Antoniemu Kalukiewiczowi, za stworzenie warunków umożliwiających realizację niniejszej rozprawy.. 2.

(3) Spis treści Streszczenie ............................................................................................................. 5 Wykaz wykorzystanych oznaczeń i skrótów........................................................... 9 1.. Wprowadzenie – geneza podjęcia tematu .................................................... 12. 2.. Opis tematyki badawczej – analiza stanu techniki ....................................... 14. 2.1.. Urabianie skał zwięzłych symetrycznymi narzędziami dyskowymi .... 14. 2.2.. Urabianie skał zwięzłych niesymetrycznymi narzędziami dyskowymi. metodą tylnego podcinania……………………………………………………………..16 2.3. zwięzłych 3.. Przemysłowe zastosowania narzędzi dyskowych do urabiania skał …………………………………………………………………………20 Cel i teza pracy oraz założona metodyka badawcza..................................... 36. 3.1.. Cel i teza pracy ...................................................................................... 36. 3.2.. Założona metodyka badawcza .............................................................. 37. 4.. Badania wstępne ........................................................................................... 41. 4.1.. Przebieg badań wstępnych .................................................................... 44. 4.2.. Analiza wyników przeprowadzonych testów........................................ 50. 4.3.. Wnioski z przeprowadzonych badań wstępnych .................................. 56. 5.. Próby stanowiskowe urabiania niesymetrycznymi narzędziami dyskowymi ……………………………………………………………………………...58. 5.1.. Przygotowanie badań stanowiskowych................................................. 58. 5.2.. Przebieg prób stanowiskowych ............................................................. 71. 5.3.. Analiza wyników badań stanowiskowych ............................................ 80. 5.4.. Podsumowanie wyników badań stanowiskowych ................................ 93. 6.. Badania symulacyjne procesu urabiania pojedynczym narzędziem ............ 94. 6.1.. Modelowanie próbki betonowej ............................................................ 95. 6.2.. Symulacyjne próby urabiania ................................................................ 99. 6.3.. Podsumowanie przeprowadzonych badań symulacyjnych ................. 120. 7.. Badania symulacyjne układu narzędzi dyskowych .................................... 123 3.

(4) Koncepcja układu narzędzi dyskowych i rozwiązania konstrukcyjnego. 7.1.. głowicy urabiającej ....................................................................................................... 123 7.2.. Kinematyka przyjętego rozwiązania głowicy dyskowej ..................... 129. 7.3.. Środowisko symulacyjne do badania głowicy dyskowej .................... 132. 7.4.. Przebieg badań symulacyjnych ........................................................... 137. 7.5.. Określenie założeń dla projektu konstrukcyjnego głowicy dyskowej. 147. 8.. Opracowanie postaci konstrukcyjnej głowicy z narzędziami dyskowymi . 148. 8.1.. Kombajn chodnikowy współpracujący z głowicą urabiającą ............. 148. 8.2.. Projekt układu przeniesienia napędu ................................................... 151. 8.3.. Przygotowanie modeli 3D głowicy z narzędziami dyskowymi .......... 154. 8.4.. Badania korpusu głowicy urabiającej metodą elementów skończonych ………………………………………………………………………..162 Analiza stateczności kombajnu chodnikowego z zamontowaną głowicą. 8.5. dyskową 9.. ………………………………………………………………………..168 Próby poligonowe głowicy z narzędziami dyskowymi .............................. 174. 9.1.. Przygotowanie prób poligonowych..................................................... 174. 9.2.. Przyjęty plan badań ............................................................................. 187. 9.3.. Przebieg prób poligonowych............................................................... 191. 9.4.. Rewizja stanowiska badawczego po badaniach poligonowych .......... 205. 9.5.. Analiza. wyników. pomiarów. zarejestrowanych. podczas. prób. poligonowych ………………………………………………………………………..212 9.1.. Podsumowanie badań poligonowych .................................................. 227. 10. Wnioski końcowe i dalsze perspektywy rozwoju konstrukcji ................... 231 10.1.. Spełnienie celu i potwierdzenie tezy pracy ......................................... 231. 10.2.. Dalsze perspektywy rozwoju konstrukcji ........................................... 235. Bibliografia .......................................................................................................... 238 Załączniki ............................................................................................................ 244. 4.

(5) Streszczenie Rozprawa doktorska „Projekt i badania głowicy kombajnu chodnikowego wyposażonej w narzędzia dyskowe” związana jest z problematyką mechanicznego urabiania skał zwięzłych w kopalniach podziemnych. Genezą podjęcia tematu jest ogólnoświatowa tendencja poszukiwania mechanicznych metod efektywnego urabiania skał zwięzłych, jako alternatywnych dla stosowanych obecnie powszechnie metod wykorzystujących materiały wybuchowe. Rozprawa została podzielona na dziesięć rozdziałów. W rozdziale pierwszym – geneza podjęcia tematu - oraz rozdziale drugim – opis tematyki badawczej – zawarto wybrane informacje dotyczące aktualnego stanu techniki w dziedzinie mechanicznego urabiania skał zwięzłych oraz przedstawiono przykładowe rozwiązania maszyn realizujących taki proces, ze szczególnym uwzględnieniem rozwiązań wykorzystujących narzędzia dyskowe. Szczególną uwagę poświęcono rozwiązaniu głowicy dyskowej kombajnu chodnikowego, zaprojektowanej i badanej w Katedrze Maszyn Górniczych, Przeróbczych i Transportowych AGH. Na podstawie przeprowadzonej analizy stanu techniki w rozdziale trzecim sformułowano cel i tezę pracy oraz nakreślono metodykę badawczą, zakładającą przeprowadzenie doświadczeń laboratoryjnych i symulacyjnych, przygotowanie projektu i fizyczne wykonanie głowicy dyskowej oraz jej weryfikację w warunkach poligonowych. Pierwsza część badań, opisana w rozdziale czwartym, dotyczyła prób wstępnych istniejącego rozwiązania głowicy dyskowej, przeprowadzonych w ramach posiadanej aparatury i możliwości technicznych. Kolejna faza badań dotyczyła prób laboratoryjnych urabiania niesymetrycznymi narzędziami dyskowymi, opisanymi w rozdziale piątym; próby te zostały rozszerzone o badania symulacyjne prowadzone z wykorzystaniem metody elementów dyskretnych, opisane w rozdziale szóstym. Na podstawie wyznaczonego podczas tych badań modelu obciążenia narzędzia dyskowego przeprowadzono, w oparciu o wybraną konfigurację przestrzenną zespołu urabiającego, symulacje dynamiczne pracy głowicy dyskowej, posiane w rozdziale siódmym. Symulacje te pozwoliły oszacować obciążenia działające na głowicę z narzędziami dyskowymi podczas urabiania oraz dobrać wymaganą moc napędów na potrzeby prób poligonowych. W dalszej części badań opracowano postać konstrukcyjną głowicy dyskowej, co zostało opisane w rozdziale ósmym. Wspólnie z partnerem przemysłowym ustalono,. 5.

(6) że głowica zamontowana będzie na kombajnie chodnikowym Famur FR 250. Do przygotowania. projektu. wstępnego. układu. przekładni. głowicy. dyskowej. zastosowano program Autodesk Inventor Professional. W oparciu o parametry geometryczne tychże przekładni przygotowano ich modele trójwymiarowe, a następnie zamodelowano. pozostałą. część. głowicy. dyskowej. i. wysięgnika. kombajnu. chodnikowego. Przygotowane modele zweryfikowano metodą elementów skończonych, wykorzystując obciążenia wyznaczone podczas symulacji dynamicznej. Ostatnią fazą prac konstrukcyjnych była analiza stateczności kombajnu chodnikowego podczas urabiania. Po zakończeniu prac projektowych ich wyniki w postaci modeli 3D zostały przekazane partnerowi przemysłowemu – firmie Famur S.A., która korzystając ze swojego doświadczenia dokonała niezbędnych modyfikacji projektu i wykonała na tej podstawie konstrukcję prototypową. Ostatnim. etapem. badań. głowicy. dyskowej. były. próby. poligonowe,. przeprowadzone na specjalnie przygotowanym bloku betonowym o podwyższonej wytrzymałości, opisane w rozdziale dziewiątym. Na potrzeby badań opracowano specjalne. algorytmy. sterujące. przemieszczaniem. ramienia. głowicy. wraz. z zabezpieczeniami przed uszkodzeniem głowicy na skutek zatrzymania napędu obrotu tarcz oraz na skutek nadmiernej dynamiki urabiania skutkującej przekroczeniem dopuszczalnego poziomu drgań konstrukcji. Podczas badań zweryfikowano wpływ kierunku i wartości prędkości obrotowych napędu obrotu korpusu i tarcz dyskowych, zbadano zależność pomiędzy zapotrzebowaniem mocy i obciążeniem napędu a prędkością obrotową tarcz, zweryfikowano wpływ prędkości przemieszczania ramienia kombajnu na proces urabiania, potwierdzono możliwość urabiania w kierunku pionowym oraz przeprowadzono próby zawrębiania trzema metodami: bocznie, prostopadle i równolegle do próbki. Szczególnie istotnych danych dostarczyły badania wpływu zabioru. głowicy na proces. urabiania.. Fazę. tę. podsumowano. przedstawiając. najkorzystniejsze parametry pracy głowicy dyskowej wyznaczone podczas prób. Rozprawę zakończono porównaniem w rozdziale dziesiątym osiągniętych parametrów eksploatacyjnych głowicy z narzędziami dyskowymi z alternatywnymi metodami urabiania skał zwięzłych, na podstawie czego potwierdzono przyjętą tezę pracy. Przedstawiono również przyszłościowe kierunki rozwoju konstrukcji, mające na celu zwiększenie trwałości narzędzi dyskowych oraz osiągnięcie większej wydajności urabiania.. 6.

(7) Abstract Doctoral disertation entilted „The design and examination of roadheader head equipped with disc tools” is related to the problems of mechanical mining of hard rocks in underground mines. The genesis of the topic is a worldwide tendency in the search for mechanical methods of effective mining of hard rocks as an alternative to currently used methods that use explosives. The work has been divided into ten chapters. In the first chapter - the genesis of the topic - and the second chapter - a description of the research scope - contains information about the current state of technology in the field of mechanical mining of hard rocks and presents selected machines realizing such a process, with particular attention to solutions using disc tools. Reference is also made to the theoretical models of mining with disc tools found in the literature. Particular attention was paid to the solution of the disc head, designed and tested in the Department of Mining, Dressing and Transport Machines of AGH. On the basis of the analysis of the state of the art, the third chapter formulates the goal and thesis of the work and outlines the research methodology, assuming laboratory and simulation experiments, preparation of the disc head design and its verification in field conditions. The first part of the research, described in the fourth chapter, concerned initial tests of the existing disc head solution carried out as part of the equipment and technical capabilities. The next phase of the research concerned laboratory tests of mining with asymmetrical disc tools described in chapter five; these tests have been extended by simulations using the discrete element method described in the sixth chapter. On the basis of the disk tool load model determined during these tests, dynamic simulations of the disk head operation were performed based on the selected spatial head configuration of the cutting head. These simulations made it possible to estimate the loads acting on the head during mining and to select the required drive power for the purposes of polygonal tests. In the further part of the research, the construction form of the disk head was developed, which is described in chapter eight. Together with the industrial partner, it was determined that the head will be mounted on the supporting structure of the Famur FR 250 roadheader. The Autodesk Inventor Professional program was used to prepare the preliminary design of the disk head gear system. Based on the geometric parameters of these gears, their three-dimensional models were prepared, and then the remaining part of the disk head and the head of the heading machine harvester were modeled. The. 7.

(8) prepared models were verified using the finite element method, using the loads determined during dynamic simulation. The last phase of construction works was the stability analysis of the heading machine during mining. After the completion of design works, their results in the form of 3D models were passed to the industrial partner – Famur S.A., which, using its experience, made the necessary modifications to the design and made a prototype construction on this basis. The last stage of the disk head testing were field tests carried out on a specially prepared concrete block with increased strength. For the needs of the research, special algorithms were developed to control the movement of the head arm in the feedback loop, with protection against head damage due to stopping disc rotation drive and due to excessive mining dynamics resulting in exceeding the permissible level of construction vibrations. During the tests, the influence of the direction and speed values of the rotational drive of the body and disk discs was verified, the relationship between power demand and drive load In function of rotational speed of discs was examined, the influence of the speed of moving the combine arm on the mining process was verified, the possibility of mining in the vertical direction was confirmed and three methods were tested : laterally, perpendicular and parallel to the sample. Particularly relevant data were provided by studies on the impact of head pickup on the mining process. This phase was summarized by presenting the most favorable performance parameters of the disk head determined during the tests. The dissertation was finalized by comparing, in the tenth chapter, the achieved operating parameters with alternative methods of hard rock mining, based on which the accepted thesis of the work was confirmed. The future directions of the development of the structure are also presented, aimed at increasing the durability of disk tools and achieving greater efficiency of mining.. 8.

(9) Wykaz wykorzystanych oznaczeń i skrótów a – współczynnik rozszerzalności termicznej [1/K], α – kąt przyłożenia narzędzia[o], β – kąt ostrza narzędzia[o], b – szerokość części narzędzia dyskowego zagłębionej w skałę [mm], Cp – ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu [J/Kg*K], d – głębokość wykruszania [mm], DEM -Metoda Elementów Dyskretnych (od ang. Discrete Element Method), Δσ – zmiana sumy naprężeń głównych [Pa], 𝛿 – krzywizna próbki [m-1], ∅d – średnica narzędzia dyskowego [mm],. ξt – chwilowy kąt obrotu tarczy dyskowej [o], f - współczynnik technologii pracy głowicy [bezwymiarowy], Fb – siła boczna działająca na narzędzie dyskowe [N], Fn – siła wciskania narzędzia w skałę [N], Fp – siła poprzeczna na krawędzi narzędzia [N], Fs – siła styczna działająca na narzędzie dyskowe [N], Fw – siła wychylania ramienia kombajnu [N], γ – kąt natarcia [o], g - średni rozmiar ziarna urobku [mm], 𝜑 – kąt pochylenia tarczy dyskowej [o], hd – wysokość przekroju części narzędzia dyskowego zagłębionej w skałę [mm], h – wysokość wrębu (szerokość w przypadku urabiania pionowego) [m], km – współczynnik termoplastyczności [bezwymiarowy], 𝑘𝑏𝛿. – współczynnik normalizacji siły bocznej względem krzywizny próbki. [bezwymiarowy], 𝜑. 𝑘𝑏 – współczynnik normalizacji siły bocznej względem kąta pochylenia narzędzia [bezwymiarowy], 𝑘𝑏s – współczynnik normalizacji siły bocznej względem odległości od poprzedniego wykruszenia [bezwymiarowy], 𝑘𝑛𝛿 – współczynnik normalizacji siły wciskania względem krzywizny próbki [bezwymiarowy],. 9.

(10) 𝜑. 𝑘𝑛 – współczynnik normalizacji siły wciskania względem kąta pochylenia narzędzia [bezwymiarowy], 𝑘𝑛s – współczynnik normalizacji siły wciskania względem odległości od poprzedniego wykruszenia [bezwymiarowy], 𝑀𝑘 – Moment obrotowy napędu obrotu korpusu [Nm], 𝑀𝑡 – Moment obrotowy napędu obrotu tarcz z narzędziami dyskowymi [Nm], Nel - liczba elementów dyskretnych wchodzących w skład pojedynczego ziarna [bezwymiarowa],. nk – prędkość obrotowa korpusu głowicy dyskowej [obr/min], nw – prędkość obrotowa wychylania ramienia głowicy dyskowej [obr/min], np – prędkość obrotowa pochylania ramienia głowicy dyskowej [obr/min], nt – prędkość obrotowa tarczy głowicy dyskowej [obr/min], 𝑛𝑡0 – prędkość obrotowa tarcz dyskowych przy zablokowanym obrocie korpusu głowicy [obr/min],. nw – prędkość obrotowa ramienia wychylania głowicy dyskowej [obr/min], p1 – ciśnienie w części nadtłokowej silnika hydraulicznego [MPa], p2 – ciśnienie w części podtłokowej silnika hydraulicznego [MPa], PBM – model/metoda cząstek związanych (od ang. Particle Bonded Model/Method), 𝑃𝑘 – Moc napędu obrotu korpusu [kW], PRM - model/metoda Model/Method),. cząstek. zastępczych. (od. ang.. Particle. Replacement. 𝑃𝑡 – Moc napędu obrotu tarcz dyskowych [kW], 𝑃𝑤 – Moc napędu wychylania ramienia kombajnu [kW], 𝜙 - kąt tarcia wewnętrznego skały [o], rd – promień narzędzia dyskowego [mm], Rr – Wytrzymałość skały na rozciąganie (na podstawie próby brazylijskiej) [Pa], Rc - Wytrzymałość skały na ściskanie (wyznaczane na podstawie próby jednoosiowego ściskania) [Pa], rpr – promień próbki [mm], rk – promień korpusu głowicy dyskowej [m], RMS – (od ang. Root Mean Square) wartość średniej kwadratowej, rp – ramię pochylania głowicy dyskowej [m], Rs – Wytrzymałość skały na ścinanie [Pa], 10.

(11) rt – średnica tarczy dyskowej [m], rw – ramię wychylania głowicy dyskowej [m], ρ – gęstość ciała [kg/m3], S – podziałka kruszenia narzędziami dyskowymi symetrycznymi [mm], s – umowna odległość od poprzedniego wykruszenia [bezwymiarowa] 𝜃 – kąt tarcia urabianej skały o powierzchnię natarcia narzędzia [o],. θk – chwilowy kąt obrotu korpusu głowicy dyskowej [o], T – temperatura ciała [K], q – przepływ medium hydraulicznego zasilającego silnik obrotu korpusu [dm3/min.], UCS – test jednoosiowego ściskania (od ang. Uniaxial Compresive Strength), xd – zagłębienie narzędzia dyskowego w skałę (kierunek normalny do płaszczyzny przyłożenia) [mm], vd – prędkość zagłębiania narzędzia dyskowego w skałę (kierunek normalny do płaszczyzny przyłożenia) [mm/s], 𝑣𝑔 – prędkość liniowa przemieszczania końca ramienia głowicy [m/s]. Vd – objętość narzędzia dyskowego [m3], Vel – objętość elementów dyskretnych wchodzących w skład pojedynczego ziarna [mm3], 𝑉̇ – wydajność urabiania głowicy dyskowej [m3/h.],. Z – zagłębienie głowicy dyskowej w caliznę skalną (zabiór) [mm], W pracy korzystano z jednostek poszczególnych parametrów i zmiennych zgodnie z układem SI, w tym z dopuszczonych przedrostków wielokrotności tych jednostek oraz z jednostek pochodnych. W celu zwiększenia czytelności i zrozumiałości pracy, wykorzystano również kilka jednostek nie należących do tego układu, a powszechnie stosowanych w praktyce technicznej, zaakceptowanych do stosowania przez Generalną Konferencję Miar i Wag (fr. Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM), w tym przede wszystkim z minut (min), godzin (h), ton (t), stopni (o),. obrotów na minutę. [1/min]; ten ostatni parametr dla czytelności i uniknięcia pomyłek, zgodnie z powszechną praktyką oznaczany jest w pracy jako [obr/min.].. 11.

(12) 1. Wprowadzenie – geneza podjęcia tematu Jednym z istotnych zadań górnictwa podziemnego jest konieczność wykonywania znacznej liczby wyrobisk udostępniających i eksploatacyjnych w skałach zwięzłych. Trudności urabiania tego typu skał stanowią obecnie jeden z głównych czynników ograniczających wydobycie rud metali metodą podziemną. Ogólnie metody urabiania skał zwięzłych można podzielić na metody mechaniczne oraz metody wykorzystujące materiały wybuchowe. Biorąc pod uwagę bezpieczeństwo pracy górników oraz możliwość równoległej realizacji podstawowych operacji górniczych bezpośrednio wpływających na czasochłonność wykonywania wyrobiska, to jest urabiania, ładowania i odstawy urobku oraz, w niektórych przypadkach, również zabezpieczenia wyrobiska odpowiednim typem obudowy, metody mechaniczne są obecnie preferowane wszędzie tam, gdzie ich wykorzystanie pozostaje ekonomicznie uzasadnione [23,24]. Zarówno w górnictwie odkrywkowym jak i podziemnym za wskaźnik możliwości technicznych i opłacalności ekonomicznej wykorzystania mechanicznych metod urabiania dla danej skały przyjmuje się maksymalną wartość testu wytrzymałości skały na jednoosiowe ściskanie [20,42], powszechnie w literaturze światowej określanego testem UCS. Wyniki takiego testu są ściśle powiązane ze zwięzłością skały, np. poprzez liniową relację ze wskaźnikiem zwięzłości Protodiakonowa [31,32]. W górnictwie odkrywkowym niższe koszty jednostkowe urabiania przy wykorzystaniu materiałów wybuchowych w stosunku do metod mechanicznych uzyskuje się już dla skał o wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie przekraczającej 20 MPa [22], natomiast w górnictwie podziemnym jest to wartość rzędu 80-120 MPa; często umownie przyjmuje się wartość 100 MPa [23,24]. Wyjątkiem jest zastosowanie maszyn do drążenia tuneli, mogących efektywnie pod względem technicznym i ekonomicznym urabiać skały o zwięzłości do 240 MPa [62], jednak z uwagi na specyfikę pracy i duże początkowe koszty inwestycyjne są to maszyny o ograniczonym zastosowaniu w typowym górnictwie podziemnym. W niniejszej pracy przyjęto konwencję (często spotykaną w literaturze, m. in. w [23,24]), że skały o wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie wyższej od 90 MPa określane będą ogólnie terminem skał zwięzłych. Mechaniczne urabianie skał realizowane jest zwykle przy wykorzystaniu techniki frezowania narzędziami skrawającymi (obecnie najczęściej są to noże styczno-obrotowe, rzadziej noże promieniowe [35]), stosowanymi jako osprzęt kombajnów ścianowych i chodnikowych, lub w przypadku maszyn tunelowych metodą quasi-statycznego. 12.

(13) miażdżenia z wykorzystaniem symetrycznych narzędzi dyskowych [37] stosowanych przez tunelowe maszyny wiercące TBM (ang. Tunnel Boring Machines) typu gripper. Ograniczeniem wykorzystania narzędzi skrawających jest ich bardzo szybkie zużycie ścierne podczas frezowania skał zwięzłych, często wykazujących znaczne właściwości abrazywne [4]. Konieczność wygenerowania i przeniesienia dużych sił stycznych i normalnych, wysoki koszt narzędzi oraz przerwy technologiczne związane z ich wymianą są powodem ekonomicznej nieopłacalności urabiania skał o wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie powyżej 100 MPa metodą frezowania [23]. Znacznie mniejsze zużycie ścierne wykazują natomiast narzędzia dyskowe, z uwagi na odmienną technikę urabiania – zamiast skrawać kolejne warstwy skały, narzędzia dyskowe poprzez quasistatyczny docisk powodują propagację pęknięć w strukturze skalnej, a w konsekwencji jej rozspojenie [37]. Wadą tej metody jest z kolei konieczność wygenerowania bardzo dużych sił docisku (średnio o rząd wielkości większych niż w przypadku procesu frezowania [37]), co skutkuje znacznymi rozmiarami maszyn, koniecznością ich stabilizacji i rozpierania w czasie pracy oraz ograniczoną mobilnością (przykładowo, promień skrętu typowych stosowanych obecnie maszyn typu TBM jest nie mniejszy niż 250 metrów [5]); z tego względu urabianie poprzez quasi-statyczne miażdżenie w warunkach górniczych wykorzystuje się niemal wyłącznie do wykonywania głównych chodników i upadowych udostępniających złoże [63]. Aby przynajmniej częściowo rozwiązać problem mechanicznego urabiania skał zwięzłych na potrzeby górnictwa podziemnego, badacze z Akademii Górniczo-Hutniczej pod kierunkiem dr inż. Piotra Gospodarczyka podjęli szereg prac badawczych (opisanych m. in. w [14,26,27]) związanych z adaptacją tzw. metody tylnego podcinania (zwanej również metodą Wohlmeyera) w zmodyfikowanej głowicy urabiającej powszechnie stosowanego w górnictwie podziemnym ramionowego kombajnu chodnikowego. Koncepcja takiej głowicy opiera się na wykorzystaniu niesymetrycznych narzędzi dyskowych umieszczonych na obrotowych tarczach osadzonych w obracającym się niezależnie korpusie [38,64]. W niniejszej pracy podjęto próbę modelowego i doświadczalnego wyznaczenia parametrów technicznych tego typu innowacyjnej głowicy, pozwalających na efektywne technicznie (biorąc po uwagę parametry docelowej maszyny) oraz technologicznie (uwzględniając czas drążenia wyrobiska i jego wymiary) wykonywanie wyrobisk udostępniających i eksploatacyjnych w skałach zwięzłych, jak również przebadanie prototypowej konstrukcji w warunkach poligonowych.. 13.

(14) 2. Opis tematyki badawczej – analiza stanu techniki Jak wskazano w genezie podjęcia tematu, zasadniczym tematem i celem niniejszej pracy jest zaprojektowanie i przeprowadzenie badań innowacyjnej głowicy kombajnu chodnikowego, wyposażonej w narzędzia dyskowe. Aby móc przystąpić do fazy projektowej, należało możliwie dokładnie przeanalizować istniejący stan techniki i dotychczasowe badania dotyczące omawianego zagadnienia. Szczególnie istotne było przeanalizowanie. danych. dotyczących. prognozowanych. obciążeń. narzędzia. urabiającego, gdyż informacja ta, poprzez ekstrapolację na podstawie przyjętej technologii pracy i parametrów kinematycznych całego układu urabiającego, pozwala określić. sumaryczne. obciążenie. i. zapotrzebowanie. mocy. projektowanej. głowicy dyskowej.. 2.1. Urabianie skał zwięzłych symetrycznymi narzędziami dyskowymi Aby móc określić obciążenie narzędzia dyskowego podczas procesu urabiania, konieczne jest wstępne przyjęcie określonej postaci geometrycznej tego narzędzia oraz parametrów kinematycznych jego pracy. Jak wspomniano w rozdziale pierwszym, typowym narzędziem dyskowym wykorzystywanym do rozkruszania skał zwięzłych są narzędzia symetryczne, wykorzystywane w kombajnach TBM, szczególnie typu gripper (maszynach rozpieranych o ociosy skalne, w odróżnieniu od maszyn urabiających odpychających się od segmentowej obudowy betonowej, np. typu EPB - ang. Earth Pressure Ballance lub typu mixshield). W związku z tym zasada pracy symetrycznego narzędzia dyskowego zostanie omówiona w pierwszej kolejności, jako punkt wyjścia do rozważań nad procesem urabiania skał narzędziami dyskowymi. W celu dezintegracji struktury skały zwięzłej, narzędzie symetryczne jest wtłaczane w caliznę skalną z dużą siłą (przekraczającą 100 kN [59]), powodując powstawanie w skale wielu pęknięć rozłożonych radialnie, o wspólnym początku w pobliżu miejsca działania narzędzia. Zakładając równoczesne bądź następujące po sobie działanie na skałę kilku tego typu narzędzi oddalonych w stosunku do siebie o odległość zwaną podziałką kruszenia S, następuje połączenie się pęknięć radialnych na kierunku zbliżonym do prostopadłego do kierunku zagłębiania symetrycznych narzędzi dyskowych. Takie połączenie powoduje wykruszenie fragmentu skały (zwanego często „czipem”, od ang. chip) o szerokości równej podziałce kruszenia, co przedstawiono na rysunku 1. Bardzo często do tego typu urabiania wykorzystuje się narzędzia o w przybliżeniu płaskiej powierzchni kontaktu dysku ze skałą (tzw. narzędzia CCS – 14.

(15) ang. Constant Cross Section). Spowodowane jest to obserwacją, że narzędzia o ostrej krawędzi skrawającej w praktyce bardzo szybko ulegają stępieniu, po czym wraz z ich dalszym zużywaniem następuje coraz większy wzrost oporów urabiania; dodatkowo w początkowej fazie pracy narzędzia z trójkątnym przekrojem krawędzi ostrza są podatne na wyłamywanie się fragmentów ostrza, tworząc tym samym zaczątek do blokowania się dysku w caliźnie skalnej, a w dalszej kolejności do udarowego uszkodzenia całego narzędzia. Narzędzia CCS, dzięki równomiernemu zużywaniu i mniejszej podatności na wyłamywanie ostrza lepiej sprawują się w praktyce, kosztem zwiększenia wymaganych sił urabiania o około 30% [59].. Rys.1. Schemat metody urabiania skał zwięzłych dyskami symetrycznymi [23]. W pracy [59] przedstawiono wzory empiryczne, pozwalające dla zadanych warunków urabiania określić wartości sił działających na poszczególne symetryczne narzędzia dyskowe. Warto przytoczyć zawarte w tej publikacji dane dotyczące zestawu narzędzi dyskowych, a tym samym końcowych parametrów maszyny urabiającej – zostały one zestawione w tabeli 1. Tabela 1. Parametry robocze przykładowej pełnoprzekrojowej tarczy urabiającej ([59]). Parametr Wytrzymałość skały na ściskanie (test UCS) Wytrzymałość skały na rozciąganie (test brazylijski) Kąt ostrza narzędzia Szerokość krawędzi ostrza Średnica narzędzia Podziałka wykruszania Głębokość zagłębienia narzędzia Ilość narzędzi w tarczy urabiającej Średnica tarczy Wymagana siła docisku narzędzia Wymagana siła styczna narzędzia Siła boczna działająca na narzędzie. Wartość 105 MPa 9 MPa 180O (CCS) 12,5 mm 435 mm 75 mm 5 mm 28 3,45 m 121 kN 123 kN 13,3 kN. 15.

(16) Tabela 1. Parametry robocze przykładowej tarczy urabiającej – ciąg dalszy: Parametry tarczy urabiającej Wymagana siła nacisku tarczy Wymagany moment obrotowy tarczy Wymagana moc napędu obrotu tarczy Średni postęp drążenia Uzyskana wydajność drążenia. Wartość 3,4 MN 385 kNm 585 kW 2 m/h 18,5 m3/h. Porównując dane zestawione w tabeli 1 z parametrami powszechnie stosowanych w górnictwie kombajnów chodnikowych, teoretycznie zdolnych urabiać skały o wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie wynoszącej 105 MPa, np. kombajnu FR 250 lub R-2000 firmy Famur S.A. [9] można zauważyć, że urabianie narzędziami symetrycznymi wymaga około dwa razy większej zainstalowanej mocy urabiania przy czterokrotnie mniejszej powierzchni wykonywanego wyrobiska. Ta cecha, w połączeniu z brakiem możliwości dostosowania kształtu przekroju drążonego chodnika oraz ograniczona możliwość zmiany kierunku drążenia są przyczyną obecnego braku praktycznego wykorzystania tego typu maszyn do eksploatacji górniczej. Pomimo tego, wykorzystanie symetrycznych narzędzi dyskowych w inwestycjach tunelowych udowodniło, że mechaniczne urabianie skał zwięzłych jest technicznie możliwe oraz pozwoliło wskazać jakie korzyści i ograniczenia są związane z tym procesem.. 2.2. Urabianie skał zwięzłych niesymetrycznymi narzędziami dyskowymi metodą tylnego podcinania Szukając alternatywnego rozwiązania maszyny urabiającej, pozwalającego zachować mobilność kombajnu chodnikowego oraz możliwość mechanicznego urabiania skał o wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie równej lub większej 100 MPa zwrócono uwagę na metodę tylnego podcinania, zwaną też metodą Wohlmeyera. Metoda ta oparta została o obserwację, że w pobliżu krawędzi skały wartości sił wciskania narzędzia niezbędne do odspojenia fragmentu calizny są znacznie mniejsze niż miałoby to miejsce w przypadku poprzednio opisywanej metody quasi-statycznego kruszenia; dodatkowo, wymagane w tym wypadku jest tylko jedno narzędzie. Poprzez sukcesywne wykruszanie kolejnych fragmentów skały można urobić całą szerokość założonej powierzchni, a następnie przesunąć linię odspajania i przystąpić do wykruszania kolejnej warstwy. Zaadoptowanie niesymetrycznych narzędzi dyskowych do wykorzystania w metodzie Wohlmeyera (metodzie tylnego podcinania) niesie za sobą szereg korzyści. Po pierwsze, narzędzia te ze względu na swoją asymetrię i jednostronne zamocowanie, przy niewielkim odchyleniu płaszczyzny narzędzia od kierunku wtłaczania (zwiększeniu 16.

(17) kąta przyłożenia) eliminują ryzyko kolizji dysku lub jego mocowania z nieurobioną skałą. Po wtóre, dzięki możliwości swobodnego obrotu, narzędzie dyskowe zużywa się równomiernie, jak również zmniejszeniu ulegają wartości sił stycznych wymaganych do przemieszczenia narzędzia w miejsce kolejnego wykruszenia. Po trzecie, w porównaniu z narzędziami skrawającymi, niesymetryczne narzędzia dyskowe posiadają znacznie większą objętość ulegającej zużyciu części czynnej, co znacząco zwiększa czas efektywnej eksploatacji pojedynczego narzędzia. Graficzne porównanie konwencjonalnego urabiania dyskiem symetrycznym i metody tylnego podcinania dyskiem niesymetrycznym przedstawiono na rysunku 2.. Rysunek 2. Porównanie procesu urabiania dyskiem symetrycznym oraz procesu tylnego podcinania narzędziem niesymetrycznym [40]. Metoda tylnego podcinania narzędziem niesymetrycznym stanowi podstawę pracy innowacyjnej głowicy dyskowej opisywanej w kolejnych rozdziałach niniejszej rozprawy. Parametrem kluczowym przy stosowaniu tej metody jest głębokość 17.

(18) wykruszania (oznaczona literą d). Jest to odległość pomiędzy punktem przyłożenia ostrza dysku do materiału skalnego a powierzchnią swobodną (rysunek 3). Podobnie jak ma to miejsce w przypadku narzędzi skrawających, dla dysków niesymetrycznych pracujących zgodnie z metodą tylnego podcinania można określić wartości kątów przyłożenia α, ostrza β oraz natarcia γ – zostały one schematycznie zaznaczone na rysunku 3. Istotnymi parametrami kinematycznymi opisującymi proces tylnego podcinania są zagłębienie narzędzia w skałę (oznaczane w dalszej części jako xd – przemieszczenie na kierunku działania siły wciskania Fn) oraz prędkość zagłębiania narzędzia (oznaczana w dalszej części pracy jako vd).. Rys. 3. Narzędzie dyskowe podczas tylnego podcinania warstwy skalnej; d – głębokość wykruszania, α, β, γ – kąty: przyłożenia, ostrza oraz natarcia [9,20]. W literaturze można znaleźć kilka teoretycznych modeli urabiania, znajdujących zastosowanie do opisu procesu urabiania dyskiem niesymetrycznym. W przypadku dwuwymiarowym występują pewne analogie pomiędzy urabianiem narzędziem dyskowym a klinem niesymetrycznym. Tego typu urabianie opisuje np. klasyczny model Evansa [54,60]. Model ten zakłada występowanie parametru szerokości ostrza b, który w przypadku narzędzia dyskowego jest parametrem zależnym od głębokości zagłębienia narzędzia w skałę zgodnie z zależnością: 𝑏 = 2√2𝑥𝑑 𝑟𝑑 − 𝑥𝑑 2 cos(α) [m],. (1) 18.

(19) gdzie: b – szerokość części ostrza narzędzia zagłębionej w skałę [m], rd – promień narzędzia dyskowego [m], xd – zagłębienie narzędzia w skałę na kierunku normalnym do powierzchni skały [m]. Model. Evansa. dla. niesymetrycznego. narzędzia. zakłada,. że. α = 0o .. Uwzględniając powyższe, wymagana siła urabiania wyraża się zależnością [54]:. 𝐹𝑑 =. 1 𝜋 2 2 1 𝜋 1− sin2( 2 −𝛾+𝜃). 2𝑥𝑑 ∙𝑏∙𝑅𝑟 ∙sin ( −𝛾+𝜃). [N],. (2). gdzie: Rr – wytrzymałość skały na rozciąganie [Pa], 𝜃 - kąt tarcia urabianej skały o powierzchnię natarcia narzędzia. Innym często spotykanym w literaturze modelem (m.in. [51,54]) jest model Nishimasu, dla którego wymagana siła urabiania wyraża się zależnością: 𝐹𝑛 = 𝑛. 2. cos 𝜙. 𝑛 +1. 𝑅𝑠 ∙ 𝑥𝑑 ∙ 𝑏 ∙ 1−sin(𝜙+𝜃− 𝛾) [N],. (3). gdzie: nn – współczynnik rozkładu naprężenia [bezwymiarowy], Rs – Wytrzymałość skały na ścinanie [Pa], 𝜙 - kąt tarcia wewnętrznego skały. Wytrzymałość na ścinanie Rs, wykorzystywana w modelu Nishimasu, nie jest typowym parametrem wytrzymałościowym. wyznaczanym dla skał; podobnie. stosunkowo rzadko określa się kąt tarcia wewnętrznego skał 𝜙. Parametry te mają kluczowe znaczenie w przypadku mechaniki gruntów i teorii Coulomba – Mohra, o którą swoje wzory oparł Nishimasu. Autor ten zaproponował dwie zależności, pozwalające wyznaczać wartości wytrzymałości na ścinanie Rs oraz kąta tarcia wewnętrznego 𝜙 skał na podstawie znanych wartości wytrzymałości na ściskanie Rr i rozciąganie Rc [51]:. 𝑅𝑠 =. 𝑅𝑐 ∙𝑅𝑟 2√𝑅𝑟 (𝑅𝑐 −3𝑅𝑟 ). 𝑡𝑔𝜙 =. [Pa],. 𝑅𝑐 2 −4𝑅𝑠 2 4𝑅𝑐 ∙𝑅𝑠. .. (4) (5). Nishimasu zaleca wartość współczynnika nn wyliczać według zależności [51]: 𝑛𝑛 = 11,3 − 0,18𝛾 .. (6). 19.

(20) W literaturze dotyczącej procesu urabiania narzędziami dyskowymi można znaleźć również model urabiania Krauzego [33,34], jednak model ten został opracowany głównie dla urabiania węgla i w przypadku skał zwięzłych prezentuje mocno zawyżone wartości, co zostało udowodnione w pracy [65], w związku z czym nie będzie on w niniejszej rozprawie szerzej omawiany. W pracy [65] przedstawiono natomiast znacznie bardziej adekwatny model empiryczny autorstwa Roxborough’a i Philipsa (opisany szczegółowo w [18,61]), który w porównaniu z danymi doświadczalnymi wykazał znaczną korelację. Model ten zakłada, że wartość siły normalnej Fn urabiania jest proporcjonalna do rzutu przekroju narzędzia dyskowego na płaszczyznę normalną do powierzchni skały i wytrzymałości skały na jednoosiowe ściskanie [18,61]: 𝐹𝑛 ≅ (ℎ𝑑 ∙ 𝑏) ∙ 𝑅𝑐 , [N]. (7). gdzie: hd - wysokość przekroju części narzędzia dyskowego zagłębionej w skałę [m]. Parametr wysokości hd, podobnie jak wcześniej szerokość b, może zostać opisany jako funkcja wartości zagłębienia narzędzia w skałę 𝑥𝑑 : ℎ𝑑 = 𝑥𝑑 ∙ 𝑡𝑔 (𝛼 + 𝛽),. (8). Po podstawieniu (1) i (8) do (7) model Roxborough’a i Philipsa dla narzędzia dyskowego wyraża się zależnością: 𝐹𝑛 ≅ 2𝑅𝑐 𝑥𝑑 √2𝑥𝑑 𝑟𝑑 − 𝑥𝑑 2 cos(𝛼) 𝑡𝑔 (𝛼 + 𝛽).. (9). Przedstawione modele pozwalają w przybliżeniu oszacować wymagane wartości sił urabiania 𝐹𝑛 przy skrawaniu, posiadają jednak kilka wad. Po pierwsze, żaden z modeli nie odnosi się bezpośrednio do narzędzia dyskowego, którego objętość części zagłębionej w skałę stanowi najczęściej paraboliczny wycinek stożka. Pod drugie, proces urabiania niesymetrycznym narzędziem dyskowym znacznie bardziej opiera się na wykruszaniu i odłupywaniu fragmentów skalnych niż ich stopniowemu skrawaniu. Dodatkowo, teoria Nishimasu oparta została o hipotezę Coulomba – Mohra, dobrze odwzorowującą mechanikę gruntów, jednak jej zastosowanie w stosunku do skał daje często rezultaty obarczone znacznym błędem [10,41].. 2.3. Przemysłowe zastosowania narzędzi dyskowych do urabiania skał zwięzłych Występowanie dużych sił reakcji działających na poszczególne narzędzia dyskowe stawia określone wymagania konstrukcji maszyny urabiającej, tak aby zdolna była ona przenosić wypadkową sił pochodzących od wszystkich narzędzi, w jakie 20.

(21) uzbrojony jest organ urabiający. Konieczność zapewnienia wymaganych wartości siły posuwu, stateczności maszyny oraz wymaganej sztywności i wytrzymałości elementów konstrukcyjnych wpływa na to, że typowa maszyna urabiająca musi posiadać dużą masę i gabaryty, jak również często wymagane jest zastosowanie układu rozporowego na czas urabiania. Jak wspomniano już wcześniej, zastosowanie symetrycznych narzędzi dyskowych. jest. korzystne. w. przypadku. organów. urabiających. kombajnów. pełnoprzekrojowych typu TBM wykorzystywanych przy drążeniu tuneli, a w górnictwie – do wykonywania upadowych udostępniających złoże; trwają prace nad adaptacją tego typu maszyn do budowy szybów [29]. Duże nakłady inwestycyjne, konieczność wykonywania wyrobisk o przekroju okrągłym, konieczność wykonywania wyrobisk w przybliżeniu prostych (ew. o dużym promieniu skrętu, rzędu kilkuset metrów), długi i złożony montaż i demontaż tego typu maszyn oraz konieczność stosowania obudowy z segmentów betonowych (w przypadku tarcz urabiających) powoduje, że użycie kombajnów pełnoprzekrojowych typu TBM na potrzeby górnictwa w innych zastosowaniach niż udostępnianie złoża z powierzchni jest mocno ograniczone. Wymienione trudności spowodowały, że obecnie poszukuje się innych metod mechanicznego urabiania skał z wykorzystaniem narzędzi dyskowych niż metoda quasistatycznego kruszenia. Jedną z takich aplikacji jest zastosowanie organu urabiającego uzbrojonego w narzędzia dyskowe zamontowanego na ramionowym kombajnie chodnikowym. Rozwiązanie takie umożliwiałoby wykorzystanie wszystkich zalet kombajnów chodnikowych (stosunkowo niewielkie rozmiary, duża mobilność, zdolność do wykonywania wyrobisk o zadanym przekroju) z możliwością urabiania skał zwięzłych. Tego typu rozwiązanie było testowane w amerykańskim uniwersytecie Colorado School of Mines w Denver, w stanie Colorado, USA [1]. Aby zmniejszyć wartości sił urabiania zastosowano dyski symetryczne o stosunkowo niewielkiej średnicy 125 mm. Największym problemem okazało się techniczne rozwiązanie łożyskowania dysków o zmniejszonej średnicy, co krytycznie wpływało na trwałość narzędzi przy ich dużym obciążeniu. W trakcie badań opracowano kilka rozwiązań węzła łożyskowego tego typu narzędzi dyskowych; widok jednego z nich, opisanego w patencie [7], wyposażonego w dwa łożyska stożkowe, przedstawiono na rysunku 4.. 21.

(22) Rys. 4. Rozwiązanie łożyskowania narzędzia dyskowego o niewielkiej średnicy z wykorzystaniem łożysk tocznych [7]. Tego typu łożyskowanie narzędzi dyskowych zastosowano również w opatentowanym rozwiązaniu świdra do wiercenia otworów w twardych formacjach skalnych ([11]), również autorstwa badaczy z Colorado School of Mines. Rozwiązanie to pokazano na rysunku 5.. Rys. 5. Zastosowanie łożyskowanych mini narzędzi dyskowych w świdrze do wiercenia w skałach zwięzłych [11]. 22.

(23) Dalsze prace prowadzone w Colorado School of Mines pod kierownictwem Laurenta Ozdemira, znanej postaci w dziedzinie urabiania skał zwięzłych, zakładały implementację narzędzi dyskowych o stosunkowo niewielkiej średnicy na organie zbliżonym do głowicy typowych kombajnów górniczych [1]. Koncepcję takiego rozwiązania przedstawiono na rysunku 6. Opracowano również projekt techniczny organu urabiającego, na podstawie którego wykonano egzemplarz prototypowy. Model tego organu przedstawiono na rysunku 7.. Rys. 6. Koncepcja organu z mini narzędziami dyskowymi symetrycznymi do selektywnego, mechanicznego urabiania skał zwięzłych [1].. Rys. 7. Model organu z małymi narzędziami dyskowymi [1]. 23.

(24) Na potrzeby prób prototypowego organu z narzędziami dyskowymi opracowano i wykonano w Colorado School of Mines specjalne stanowisko badawcze. Model tego stanowiska przedstawiono na rysunku 8, natomiast widok pracującej głowicy dyskowej podczas prób urabiania bloku piaskowca pokazano na rysunku 9. Rezultaty przeprowadzonych prób były w opinii wykonawców zadowalające, brak jednak szczegółowych danych na ten temat.. Rys. 8. Model stanowiska badawczego wykonanego w Colorado School of Mines do prób urabiania skał zwięzłych z wykorzystaniem głowicy dyskowej [1].. Rys. 9. Widok stanowiska badawczego w Colorado School of Mines podczas prób urabiania piaskowca z wykorzystaniem organu z narzędziami dyskowymi [6]. Jak wskazano w podrozdziale 2.2, szczególnie obiecującą pod kątem wykorzystania w maszynach górniczych techniką urabiania skał zwięzłych jest technika tylnego podcinania (niem. hinterschneiden, ang. under-cutting), ze względu na znacznie mniejsze wymagane siły urabiania niż w przypadku wykorzystania metody quasi24.

(25) statycznego kruszenia. Przykład maszyny wykorzystującej tą technikę, opracowanej oraz wykonanej przez firmę Wirth, pokazano na rysunku 10. W technologii pracy wykorzystywanej przez tę maszynę wykonywany jest w pierwszej kolejności wielkośrednicowy otwór w osi wyrobiska, który następnie jest sukcesywnie poszerzany na zewnątrz przez zespół czterech narzędzi dyskowych zabudowanych na wychylnych ramionach. Schemat poszerzania takiego otworu oraz widok narzędzi dyskowych podczas pracy przedstawiono na rysunku 11.. Rys. 10. Przykład maszyny wykorzystującej technikę tylnego podcinania, opracowanej i wykonanej przez firmę Wirth [40]. Rys. 11. Widok niesymetrycznych narzędzi dyskowych podczas pracy maszyny wykorzystującej technikę tylnego podcinania [40].. 25.

(26) Zastosowanie tego typu maszyny w praktyce wymagało wykonania w osi wyrobiska otworu o dość dużej średnicy, co komplikowało proces urabiania i znacznie obniżało tempo drążenia wyrobiska. Aby wyeliminować konieczność wykonywania otworu centralnego, firma Wirth zmodyfikowała rozwiązanie konstrukcyjne maszyny, osadzając ją na podwoziu gąsienicowym oraz dodatkowo stabilizując w czasie pracy za pomocą rozpór hydraulicznych. Maszyna ta została oznaczona jako MTM (od ang. Mobile Tunel Miner). Maszyna MTM posiada niezależnie sterowane cztery ramiona, wyposażone w niesymetryczne narzędzia dyskowe. Schemat urabiania przodka tego typu rozwiązaniem przedstawiono na rysunku 12, natomiast widok wykonanej wersji prototypowej pokazano na rysunku 13. Na rysunku 14 przedstawiono wyrobisko wykonane przy pomocy wykorzystaniu prototypowej maszyny MTM.. Rys. 12. Schemat urabiania przodka maszyną MTM, wykorzystującą technikę tylnego podcinania [40].. Rys. 13. Widok maszyny MTM firmy Wirth na podwoziu gąsienicowym wykorzystującej technikę tylnego podcinania [40]. 26.

(27) Rys. 14. Widok wyrobiska wydrążonego maszyną MTM firmy Wirth [40]. Inne rozwiązanie maszyny, opracowanej i wykonanej w firmie Wirth pod nazwą TBE 500/1440 H-HST, bazujące na wcześniej wykonanym w osi wyrobiska otworze wielkośrednicowym przedstawiono na rysunku 15. Jest to maszyna do drążenia wyrobisk o przekroju wyłącznie kołowym, wyposażona w sześć ramion, na których przemieszczają się promieniowo narzędzia dyskowe niesymetryczne. Powoduje to podczas obrotu tych ramion wyłupywanie calizny skalnej od środka na zewnątrz. Widok głowicy urabiającej bez centralnego elementu wiercącego przedstawiono na rysunku 15, natomiast widok maszyny podczas urabiania w przodku pokazano na rysunkach 16 i 17.. Rys. 15. Schemat głowicy urabiającej kombajnu TBE 500/1440 H-HST firmy Wirth, wykorzystującej technikę tylnego podcinania [40]. 27.

(28) Rys. 16. Widok kombajnu TBE 500/1440 H-HST firmy Wirth, wykorzystującego technikę tylnego podcinania [40].. Rys. 17. Widok w kombajnu TBE 500/1440 H-HST podczas urabiania przodku wyrobiska [40]. 28.

(29) Urabianie skał metodą tylnego podcinania zaadoptowano również w maszynie Fullfacer firmy Atlas Copco, wykonanej w dwóch odmianach – mniejszej, oznaczonej jako mini, oraz większej, oznaczonej jako midi. Maszyna ta różni się od maszyny firmy Wirth rozwiązaniem głowicy urabiającej – wykorzystano tutaj stosunkowo dużą tarczę urabiającą uzbrojoną w narzędzia skrawające na jej obwodzie. Widok głowicy oraz wykonanego wyrobiska za pomocą kombajnu Fullfacer pokazano na rysunku 18. Maszyny tego typu były wykorzystywane głównie do drążenia wyrobisk odwadniających o kształcie owalnym w skałach wapiennych w górach Kalifornii [42]. Wyrobiska te były wykonywane bez obudowy zabezpieczającej.. Rys. 18. Widok zasady działania głowicy oraz wykonanego wyrobiska za pomocą kombajnu z głowicą frezującą firmy Atlas Copco typu mini Fullfacer [42]. Inne. rozwiązania. wykorzystujące. niesymetryczne. narzędzia. dyskowe. zaproponowały firmy Robbins oraz Voest Alpine, które opracowały konstrukcje maszyn wyposażonych we frezujące głowice dyskowe. Rozwiązania te przedstawiono na rysunkach 19 i 20. Należy tu jednak zwrócić uwagę, że obie te maszyny, podobnie jak konstrukcje MTM czy Fullfacer, wymagają dla poprawnej pracy stabilnego rozparcia o skały otaczające celem przeniesienia sił reakcji urabiania. Maszyna firmy Robbins nie wyszła poza obszar prac badawczych, natomiast kombajn opracowany przez firmę Voest Alpine pod nazwą ARM 1100 z powodzeniem urabiał zwięzłe skały podczas eksploatacji rud platyny w kopalniach RPA oraz wykazał swoją przydatność do urabiania rud miedzi w warunkach polskich kopalń KGHM „Polska Miedź S.A” [69]. Na podstawie przeprowadzonych wstępnych prób urabiania w kopalni 29.

(30) O-ZG „Polkowice-Sieroszowice” uzyskano zadowalającą wydajność; zauważonym mankamentem maszyny była jednak jej mała efektywność ładowania, szczególnie biorąc pod uwagę istniejący w tej kopalni system odstawy. Maszyna ARM 1100 urabiała furtą o wysokości 1,1 m, co pozwoliło na wydobycie rudy o średniej zawartości miedzi na poziomie 3,74%; wydajność urabiania sięgała 16 Mg/h [69].. Rys. 19. Widok kombajnu z dyskowa głowicą frezującą firmy Robbins [44].. Rys. 20. Widok kombajnu ARM 1100 firmy Voest Alpine [45].. 30.

(31) Pozytywne rezultaty zastosowania niesymetrycznych narzędzi dyskowych do urabiania skał zwięzłych uzyskano również podczas szeregu badań prowadzonych w różnych instytucjach naukowych, w tym w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Podczas badań niesymetrycznych narzędzi dyskowych, przeprowadzonych na specjalnym stanowisku do badania pojedynczych narzędzi urabiających, poddano próbom trzy zestawy narzędzi dyskowych o średnicy 160 mm i kącie ostrza 30°, 40° i 50° w dwóch wariantach zamocowywania: z osią narzędzia prostopadłą do powierzchni urabianej próbki oraz osią odchyloną od tej płaszczyzny o kąt 15°. Widok wykorzystanych narzędzi przedstawiono na rysunku 21 [13].. Rys. 21. Widok niesymetrycznych narzędzi dyskowych o średnicy 160 mm o osi prostopadłej oraz odchylonej o 15° [13]. Podczas badań mierzono wartości sił działających na narzędzia, energochłonność procesu oraz granulację urobku. W przypadku niesymetrycznych narzędzi dyskowych o średnicy 160 mm wartości siły bocznej Fb, siły docisku Fn oraz siły stycznej Fs były zależne od kąta ostrza β i sposobu ustawienia narzędzia względem urabianej próbki. Dla osi obrotu narzędzia ustawionej prostopadle do powierzchni próbki uzyskiwano wartości sił większe nawet o ponad 40% niż w przypadku narzędzia z osią odchyloną od pionu o około 15°. Widok omawianych narzędzi podczas urabiania po pobocznicy próbki betonowej przedstawiono na rysunkach 22 i 23. Dla ustawienia narzędzia z osią odchyloną od pionu o około 15° wartości sił dość znacznie wzrasta wraz ze zwiększaniem głębokości urabiania d. Różnice pomiędzy wartościami sił dla głębokości urabiania 10 mm i 15 mm wynosiły do 25%. Głębokość urabiania 15 mm była największą 31.

(32) analizowaną podczas prób. Zmierzona w tym przypadku wartość siły bocznej Fb sięgała 46 kN, siły stycznej Fs 4,2kN, a siły docisku Fn 10 kN, dla narzędzia dyskowego o kącie ostrza β = 30° i dla próbki o wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie rzędu 40 MPa. W przypadki narzędzi dyskowych o kącie ostrza β = 50° zanotowano wartości siły bocznej Fb do 51 kN, siły stycznej Fs do 6,8kN i siły docisku Fn do 14 kN.. Rys. 22. Widok narzędzia dyskowego o średnicy 160 mm i o osi odchylonej o 15°podczas urabiania po pobocznicy próbki betonowej [13].. Rys. 23. Widok narzędzia dyskowego o średnicy 160 mm i o osi prostopadłej do próbki podczas urabiania po pobocznicy próbki betonowej [13]. 32.

(33) Istotnym kierunkiem badań nad adaptacją metody tylnego podcinania do zastosowania w rozwiązaniu głowicy urabiającej kombajnu chodnikowego był szereg badań prowadzonych pod kierunkiem dr inż. Piotra Gospodarczyka. Zespół badaczy opracował patent [15], opisujący rozwiązanie głowicy urabiającej kombajnu chodnikowego wyposażonej w narzędzia dyskowe osadzone na obrotowych tarczach (rysunek 24). Jak wskazują autorzy, narzędzia dyskowe w trakcie pracy poruszają się ruchem złożonym, realizując koncepcję urabiania zbliżoną do tylnego podcinania [28].. Rys. 24. Koncepcja głowicy wyposażonej w narzędzia dyskowe [28] : 1 - korpus, 2 - wał zewnętrzny, 3 - węzeł łożyskowy tarcz, 4 - tarcza dyskowa, 5 - narzędzie dyskowe, 6 – wał wyjściowy, 7 – wał wewnętrzny, 8, 9 – stożkowa przekładania zębata. W pracach autorów patentu [15] głowica urabiająca dyskowa posiada „złożoną trajektorię ruchu”. Uściślając, to nie trajektoria głowicy jest złożona, ale ruch poszczególnych narzędzi dyskowych – stanowi on złożenie ruchu obrotowego tarcz z narzędziami dyskowymi, ruchu obrotowego korpusu głowicy i ruchów wychylania (pionowego i poziomego) ramienia głowicy. W takim układzie siła normalna urabiania Fn (zwana w dalszej części pracy siłą wciskania narzędzia w skałę) stanowi wypadkową sił pochodzących od napędu głowicy oraz napędu tarcz dyskowych, podczas gdy siła styczna Fs jest wymuszana jedynie przez napęd obrotu tarcz dyskowych. Siła boczna Fb działająca na narzędzie dyskowe jest w znacznej części równoważona przez siłowniki wychylania ramienia głowicy oraz sztywność konstrukcji. 33.

(34) Na podstawie koncepcji opisanej w patencie [15] powstała praca doktorska [65], której autor zaproponował techniczne rozwiązanie tego typu układu z wykorzystaniem wałów pośrednich (co pozwala na mimośrodowe ustawienie tarcz narzędziowych bez konieczności wykonywania przekładni o zębach łukowych). Model wirtualny tego typu głowicy przedstawiono na rysunku 25 (za [65]).. Rys. 25. Model 3D głowicy dyskowej przedstawiony w pracy [65]. 1 – korpus głowicy, 2 - wał zewnętrzny, 3 – tarcza dyskowa, 4 – wał centralny, 5,6 – pierwszy stopień przekładni (walcowy ), 7,8 – drugi stopień przekładni (kątowy), 9 – wał tarcz dyskowych, 10 – łącznik głowicy z ramieniem kombajnu chodnikowego, 11 – wspornik nośny – nieruchomy, 12 – łożysko wału centralnego, 13 – łożysko wału zewnętrznego, 14 – przekładnia obrotu korpusu (przełożenie 1:6), 15 – silnik hydrauliczny. Prototypowa konstrukcja głowicy urabiającej została zabudowana na kombajnie KR 150 oraz przebadana w firmie Remag S.A. Na rysunku 26 przedstawiono widok kombajnu z głowicą dyskową podczas urabiania bloku betonowego, natomiast na rysunku 27 pokazano postać uzyskanego urobku.. 34.

(35) Rys. 26. Kombajn KR 150 wraz z prototypową głowicą dyskową podczas prób w firmie Remag S. A. [65].. Rys. 27. Postać urobku uzyskana podczas urabiania bloku betonowego głowicą dyskową [65]. Do najważniejszych wniosków z badań opisanych w pracy [65] należało stwierdzenie, że tego typu głowica może z powodzeniem urabiać skały zwięzłe (przebadano urabianie betonu o wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie dochodzącej do 90 MPa). Proces urabiania przebiegał poprzez stopniowe odłupywanie fragmentów skały, a nie przez jej frezowanie. Najkorzystniejsze wartości prędkości obrotowych tarcz dyskowych nt określono na mieszczące się w zakresie od 60 do 100 obr/min., przy wartości prędkości obrotowej korpusu głowicy nk rzędu 20 obr/min. Do badań wykorzystano wyłącznie silniki hydrauliczne. Wymagana wartość momentu obrotowego napędu tarcz wyniosła 2500 Nm, a maksymalna badana głębokość wykruszania d wyniosła 50 mm. Zapotrzebowanie mocy głowicy z narzędziami dyskowymi oszacowano na 100 kW. 35.

(36) 3. Cel i teza pracy oraz założona metodyka badawcza W niniejszym rozdziale sformułowano tezę i cel rozprawy doktorskiej, jak również krótko omówiono przyjętą metodykę badawczą umożliwiającą realizację założonego celu.. 3.1. Cel i teza pracy W oparciu o analizę literatury i dotychczasowych badań w dziedzinie urabiania skał zwięzłych metodą tylnego podcinania, w tym szczególnie obiecujących wyników prac dra Stopki (opisanych w [65]) stwierdzono, że zastosowanie głowicy dyskowej zamocowanej na znanej konstrukcji kombajnu chodnikowego jest obiecującym kierunkiem rozwoju mechanicznych metod urabiania skał zwięzłych. W oparciu o to spostrzeżenie sformułowano tezę niniejszej pracy doktorskiej:. Teza pracy: Istnieje możliwość doboru parametrów konstrukcyjnych i roboczych głowicy wyposażonej w asymetryczne narzędzia dyskowe w sposób zapewniający efektywne urabianie skał zwięzłych. Aby udowodnić tak postawioną tezę, należy w oparciu o metody naukowe i dostępne możliwości techniczne dokonać doboru zakresów pracy odpowiednich parametrów, a następnie przeprowadzić badania głowicy urabiającej kombajnu chodnikowego. wykonanej. i pracującej. zgodnie. z. założonymi. wymaganiami.. Na tej podstawie sformułowano cel pracy:. Cel pracy: Celem pracy jest dobór parametrów konstrukcyjnych i roboczych głowicy urabiającej kombajnu chodnikowego wyposażonej w asymetryczne narzędzia dyskowe w oparciu o metody badawcze, wykonanie rzeczywistego prototypu głowicy dyskowej oraz jej weryfikacja w warunkach poligonowych. Precyzując terminy zawarte w tezie, za parametry konstrukcyjne przyjęto wszystkie cechy postaci konstrukcyjnej głowicy dyskowej, w tym szczególnie postać zastosowanego narzędzia dyskowego, jak również rodzaj i moc zastosowanych napędów głowicy. Za parametry robocze przyjęto zarówno parametry kinematyczne urabiania (w szczególności prędkości obrotowej poszczególnych napędów), jak również 36.

(37) zastosowaną metodę sterowania głowicą dyskową czy przyjętą głębokość zawrębienia głowicy w caliznę skalną Z. Parametry konstrukcyjne wynikają zatem z założeń projektowych i jako takie nie są modyfikowalne w trakcie pracy układu, natomiast parametry robocze mogą być zmieniane podczas przeprowadzanych testów w celu osiągnięcia najkorzystniejszego rezultatu urabiania. Pod pojęciem efektywnego urabiania skał zwięzłych rozumie się urabianie spełniające równocześnie trzy założenia: •. warunkiem sine qua non, jak w przypadku każdej maszyny roboczej, jest nie uleganie konstrukcji trwałym odkształceniom ani innego typu uszkodzeniom podczas urabiania, za wyjątkiem normalnego zużycia elementów roboczych,. •. drugim wymaganym warunkiem jest zapewnienie wydajności urabiania na poziomie porównywalnym (tego samego rzędu wielkości) co urabianie z wykorzystaniem materiałów wybuchowych w kopalniach podziemnych,. •. trzecim warunkiem jest zapewnienie możliwości wykorzystania proponowanego rozwiązania głowicy urabiającej przy stosowanej obecnie technologii i organizacji wydobycia skał zwięzłych, co sprowadza się w praktyce do możliwości kształtowania dowolnego przekroju poprzecznego wyrobiska, możliwości prowadzenia odstawy urobku systemem ciągłym lub cyklicznym oraz do ograniczenia sił reakcji przenoszonych przez konstrukcję podczas urabiania do poziomu nie wymagającego rozparcia maszyny. Równoczesne spełnienie powyższych założeń pozwala przyjąć, że kombajn. wyposażony w głowicę dyskową może stanowić alternatywę dla metod strzałowych, powszechnie stosowanych w górnictwie skał zwięzłych (m. in. rud metali), bez konieczności reorganizacji funkcjonowania całego systemu wydobywczego.. 3.2. Założona metodyka badawcza Aby zrealizować postawiony cel pracy, założono jeden etap wstępny oraz cztery etapy zasadnicze prac badawczych, przy czym etap czwarty miał za zadanie weryfikację opracowanej konstrukcji głowicy urabiającej: •. Etap wstępny – przeprowadzenie badań wstępnych z wykorzystaniem istniejącego rozwiązania głowicy z narzędziami dyskowymi,. •. Etap I – określenie modelu obciążenia działającego na pojedyncze narzędzie dyskowe,. 37.

(38) •. Etap II – przyjęcie wstępnej struktury głowicy dyskowej oraz wyznaczenie wymaganego zapotrzebowania mocy i nominalnych wartości prędkości napędów,. •. Etap III – przeprowadzenie analiz konstrukcyjnych i opracowanie postaci wykonawczej głowicy urabiającej,. •. Etap IV - przetestowanie głowicy urabiającej w warunkach poligonowych, z wykorzystaniem przemysłowego kombajnu chodnikowego.. Wszystkie założone etapy badań zostaną pokrótce omówione w dalszej części tego rozdziału. •. Etap wstępny badań. Pierwszym zaplanowanym etapem badań było skorzystanie z możliwości dalszego przetestowania głowicy urabiającej opisanej w pracy [65], w oparciu o posiadaną aparaturę badawczą i istniejącą infrastrukturę poligonową. Badania te miały charakter wstępny; ich celem było wskazanie głównych kierunków badawczych, określenie szacunkowego zakresu parametrów pracy głowicy urabiającej oraz identyfikację potencjalnych problemów i trudności mogących wystąpić podczas badań zasadniczych. Badania były prowadzone, podobnie jak w pracy [65], na poligonie doświadczalnym firmy Remag S. A. w Katowicach, z wykorzystaniem kombajnu typu KR 150. Podczas badań mierzono wartości ciśnień i przepływów we wszystkich przyłączach. silników. i. siłowników. hydraulicznych,. jak. również. wysuwy. (przemieszczenia tłoczysk) poszczególnych siłowników. •. Etap I – określenie modelu obciążenia działającego na pojedyncze narzędzie dyskowe. Z uwagi na stwierdzoną w pracy [65] ograniczoną praktyczną przydatność modeli teoretycznych (np. opisanych wzorami (2) i (3)), w ramach badań prowadzonych w ramach niniejszej rozprawy zdecydowano się na przeprowadzenie własnych testów pozwalających wyznaczyć model obciążenia pojedynczego narzędzia dyskowego podczas procesu urabiania. Podejście takie jest zalecane m. in. w pracach [8,12]. Założone badania składały się z dwóch faz – doświadczalnej i symulacyjnej. W fazie doświadczalnej, w oparciu o specjalnie przygotowane do tego celu stanowisko badawcze, założono przeprowadzenie testów urabiania próbek betonowych o możliwie wysokiej zwięzłości (deklarowana przez producenta klasa betonu to C80/100, przeprowadzono. również. własne. testy. potwierdzające. wysoką. wytrzymałość. wykorzystanej próbki). Przyjęto przebadanie pięciu zestawów narzędzi dyskowych,. 38.

(39) o trzech różnych kątach ostrza i trzech wymiarach średnic. Przy pomocy każdego z zestawów zaplanowano urobienie próbki betonowej z czterema głębokościami wykruszania. Podczas badań mierzono wartości obciążeń działających na narzędzia dyskowe. Badania. laboratoryjne,. z. uwagi. na. ich. kosztowność. i. uciążliwość. (m. in. generowany hałas, zapylenie i drgania budynku laboratorium) były prowadzone w ograniczonym zakresie. Aby rozszerzyć liczbę analizowanych przypadków, założono wykonanie kalibracji wirtualnego modelu urabiania wykonanego w środowisku symulacyjnym DEM (ang. Discrete Element Method – metoda elementów dyskretnych), w oparciu o wyniki prób laboratoryjnych, a następnie przeprowadzenie testów wirtualnych. Pozwoliło to znacząco rozszerzyć zakres zaplanowanych badań do dwudziestu pięciu wariantów narzędzi, badanych podczas urabiania z pięcioma różnymi głębokościami wykruszania d dla każdego z wariantów. Dodatkowo założono przebadanie. wpływu. zaokrąglenia. powierzchni. próbki,. bocznej. odległości. od poprzedniego wykruszenia oraz wpływu kąta przyłożenia narzędzia α na wartości sił urabiania. Podczas symulacji przyjęto kinematyczne wymuszenie ruchu dysku. Danymi wyjściowymi pierwszego etapu badań były wartości sił działających na pojedyncze narzędzie. dyskowe. w. szerokim. zakresie. parametrów. zarówno. narzędzia,. jak i procesu urabiania. •. Etap II - przyjęcie wstępnej struktury głowicy urabiającej oraz wyznaczenie wymaganych mocy i prędkości napędów. Przed przystąpieniem do wyliczania wymaganej mocy napędów głowicy urabiającej na podstawie opracowanego modelu obciążenia należało wstępnie założyć schemat konstrukcji i parametrów pracy przedmiotowej głowicy. Na tym etapie konieczne było wzięcie pod uwagę zarówno wymagań zawartych w tezie niniejszej pracy (trwałość konstrukcji, wymagana wydajność, zachowanie stosowanej obecnie technologii prowadzenia wydobycia), jak również możliwości produkcyjnych i finansowych wykonawcy głowicy. Rozmawiając z różnymi producentami maszyn górniczych stwierdzono, że jedynym. w Polsce. partnerem. przemysłowym,. dysponującym. odpowiednim zapleczem do wykonania zakładanego typu głowicy i umożlwiającego wykorzystanie do prób poligonowych przemysłowego kombajnu chodnikowego była firma Famur S.A. z Katowic. Po przyjęciu wstępnej postaci głowicy spełniającej założone wymagania i możliwej do fizycznego wykonania, należało wyznaczyć wymaganą moc napędów 39.

(40) w oparciu o superpozycję sił działających na układ urabiający. Zmiennymi wejściowymi dla tego etapu projektowego były parametry sił działających na pojedyncze narzędzia podczas urabiania, wyznaczone w etapie I. Badania wykonano metodą symulacji komputerowej, z wykorzystaniem środowiska symulacji dynamicznej. Na podstawie wyników przeprowadzonych analiz sformułowano założenia i warunki brzegowe dla projektu wykonawczego głowicy dyskowej. Dodatkowym rezultatem analiz było wyznaczenie. najbardziej. obciążonych. stanów. całej. głowicy. dyskowej,. wykorzystywanych w etapie trzecim do weryfikacji wytrzymałościowej konstrukcji. •. Etap III - przeprowadzenie analiz konstrukcyjnych i opracowanie postaci wykonawczej głowicy urabiającej. Dla założonych warunków brzegowych, w tym wyznaczonych symulacyjnie wymagań zapotrzebowania mocy i nominalnych prędkości obrotowych elementów ruchomych, dobrano strukturę układu przeniesienia napędu głowicy urabiającej. W oparciu o analizy symulacyjne z wykorzystaniem metody elementów skończonych zweryfikowano wytrzymałość korpusu i konstrukcji nośnej układu. Określono również parametry kombajnu chodnikowego przeznaczonego do przeprowadzenia prób poligonowych, wraz z analizą stateczności całego zespołu urabiającego. Opracowane dane konstrukcyjne przekazano inżynierom partnera przemysłowego, który dostosował je do swoich możliwości technicznych i wykonał rzeczywistą, prototypową konstrukcję głowicy dyskowej. •. Faza weryfikacyjna – badania poligonowe. Weryfikacja działania głowicy dyskowej, wykonanej na podstawie danych z fazy projektowej, polegała na przeprowadzeniu testów urabiania bloku betonowego o dużej zwięzłości w warunkach poligonowych. Podczas prób wytypowano do rejestracji między innymi wartości chwilowe i średnie takich parametrów jak zapotrzebowanie mocy, prędkości obrotowe i obciążenia poszczególnych napędów, wysuw siłowników obrotu i pochylenia wysięgnika kombajnu, ciśnienia i przepływy w układzie hydraulicznym, jak również przyspieszenia drgań korpusu głowicy urabiającej i ramienia kombajnu. Plan badań zakładał przebadanie wpływu poszczególnych parametrów roboczych (takich jak np. prędkość przemieszczania ramienia kombajnu czy prędkość obrotowa tarcz dyskowych) na obciążenia napędów, uzyskiwaną wydajność urabiania oraz amplitudę drgań konstrukcji (pośrednio świadczącą o dynamice procesu). Na podstawie wyników pomiarów określono możliwości eksploatacyjne kombajnu chodnikowego z głowicą dyskową oraz wskazano kierunki dalszego rozwoju omawianej konstrukcji. 40.

(41) 4. Badania wstępne Jak zasygnalizowano w rozdziale 3, badania wstępne wykonywane były z wykorzystaniem tej samej głowicy urabiającej co w przypadku badań opisywanych w pracy [65]. Podobnie jak w przypadku tamtych badań, głowica została zamontowana na kombajnie typu KR 150. Jednym z głównych analizowanych zagadnień było zbadanie wpływu kąta ustawienia narzędzia dyskowego względem tarczy dyskowej na proces urabiania. Zbadano trzy warianty tego ustawienia – pod kątami pochylenia osi narzędzia równymi 45 i 90 stopni w stosunku do powierzchni tarczy oraz w przybliżeniu równolegle (z zachowaniem pięciu stopni odchylenia osi dysku względem osi tarczy). Widok modeli narzędzi dyskowych wraz z odpowiednimi uchwytami przedstawiono na rysunku 28, natomiast widok tarczy urabiającej wyposażonej w narzędzia ustawione pod kątem 90 stopni przedstawiono na rysunku 29.. Rys. 28. Widok narzędzi dyskowych w uchwytach umożliwiających zamocowanie narzędzia pod różnym kątem względem tarczy (90o, 45o, -5o).. Rys. 29. Tarcza dyskowa z narzędziami prostopadłymi. 41.

(42) Podczas badań zastosowano silniki hydrauliczne zarówno do napędu obrotu tarcz urabiających, jak również na potrzeby obrotu korpusu głowicy - z tego względu parametrami mierzonymi była różnica ciśnień Δ i wartości przepływów na każdym z napędów, różnice ciśnień na siłowniku wychylania oraz na siłowniku pochylania ramienia kombajnu i wysuw tychże siłowników. W sumie wykorzystano osiem czujników ciśnienia, dwa przepływomierze oraz dwa magnetorezystancyjne czujniki przemieszczenia. Dane pomiarowe były zbierane za pośrednictwem rejestratora połączonego z komputerem przenośnym. Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rysunku 30.. Rys. 30. Układ pomiarowy wykorzystywany podczas prób wstępnych: 1 – silnik hydrauliczny obrotu tarcz, 2 – silniki hydrauliczne obrotu głowicy, 3 – siłownik wychylania poziomego ramienia głowicy, 4 – siłownik pochylania pionowego ramienia głowicy, 5 – czujniki ciśnienia, 6 – przepływomierze, 7 – czujniki przemieszczenia (wysuwu) siłowników, 8 – układ zasilania czujników, 9 – rejestrator pomiarowy, 10 – komputer przenośny połączony z rejestratorem. Jak już wskazano, podczas badań wykorzystano ten sam kombajn i głowicę urabiającą co w przypadku badań opisanych w pracy [65]. Skorzystano również z bloku betonowego o porównywalnych parametrach wytrzymałościowych, umiejscowionego na terenie firmy Remag S.A.. Gwarantowana przez producenta wytrzymałość bloku na jednoosiowe ściskanie wynosiła 50 MPa, co zostało potwierdzone poprzez pomiar 42.

(43) z wykorzystaniem. młotka. Schmidta.. Widok. urabianego. bloku. betonowego. przedstawiono na rysunku 31. Na rysunku 32 przedstawiono kombajn z głowicą urabiającą przygotowany do przeprowadzenia badań.. Rys. 31. Widok bloku betonowego przed próbami doświadczalnymi – minimalna wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie równa 50 MPa.. Rys. 32. Kombajn KR 150 z głowicą urabiającą przed przeprowadzeniem prób – wariant z dyskami ustawionymi pod kątem 45o względem tarczy. 43.