Organ do mechanicznego urabiania skał trudno urabialnych

Transkrypt

1 169 CUPRUM Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud nr 4 (77) 2015, s Organ do mechanicznego urabiania skał trudno urabialnych Krzysztof Krauze 1), Łukasz Bołoz 1) AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Program Badań Stosowanych NR PBS1/B6/0/2012 finansowany przez NCBiR Streszczenie Proces skrawania skał trudno urabialnych nadal przysparza wielu problemów, szczególnie gdy skały te charakteryzują się dużą zawartością krzemionki. Zastosowanie narzędzi skrawających o odpowiednich parametrach konstrukcyjnych i materiałowych oraz zainstalowanie ich w określony sposób na organie urabiającym pozwala na realizację procesu skrawania z wymaganą efektywnością. Oprócz wydajności urabiania na efektywność kluczowy wpływ ma w tym przypadku trwałość oraz niezawodność zastosowanych narzędzi. W artykule przedstawiono wyniki badań procesu urabiania dolomitu i piaskowca organem frezującym, zbrojonym w narzędzia dyskowe. Artykuł prezentuje wyniki osiągnięte podczas realizacji badań w ramach projektu finansowanego z NCBiR [1]. Słowa kluczowe: urabianie skał trudno urabialnych, narzędzia dyskowe, noże stycznoobrotowe, organ dyskowy Cutting head used for mechanical mining of hard rocks Abstract Process of hardly-mined rocks is still trouble-making, particularly if the rocks are characterized with high content of silica. Application of cutting tools possessing suitable structural and material parameters and their proper mounting of the cutting head allow obtaining of targeted mining efficiency. Except mining efficiency, also durability and reliability of the tools used has key influence on the cutting process. Results of examinations of dolomite and sandstone mining process with use of cutting pick armed with disc-shaped tools have been presented in this study. Results described in this study were obtained during realization of the Project financed by NCBiR [1]. Key words: cutting of hardy-mined rocks, disc-shaped cutting tools, disc-type cutting head Wstęp W ostatnich latach obserwuje się znaczne zainteresowanie metodami mechanicznego urabiania skał trudno urabialnych, szczególnie takimi o wysokiej zawartości krzemionki. Skały takie spotykane są między innymi w kopalniach węgla kamiennego i rud metali oraz podczas drążenia tuneli. Obecnie do urabiania skał zwięzłych stosuje się najczęściej noże stycznoobrotowe lub narzędzia dyskowe. Niezależnie od stosowanych narzędzi zazwyczaj napotyka się na bariery, które sprawiają, że urabianie skał jest ekonomicznie nieu-

2 170 zasadnione. W przypadku noży styczno-obrotowych jest to niska trwałość, zwłaszcza w przypadku urabiania skał ściernych. Zalety stosowania narzędzi dyskowych wynikają przede wszystkim z ich wysokiej trwałości. Jednak z uwagi na kierunki działania sił reakcji powstałych w wyniku oddziaływania dysku na caliznę, konieczne jest odpowiednie rozwiązanie węzła łożyskowego dysku. Ograniczenia dotychczas stosowanych metod urabiania narzędziami skrawającymi sprawiają, że dobór narzędzi urabiających do trudnych lub nawet ekstremalnych warunków pracy wymaga podejmowania szeregu badań empirycznych. Ponadto, oprócz pojedynczego narzędzia, istotny jest organ urabiający. Przede wszystkim układ narzędzi na jego powierzchni i jego parametry kinematyczne. Celem badań opisanych w przedmiotowym artykule było określenie możliwości efektywnego urabiania skał trudno urabialnych typu dolomit i piaskowiec organem zbrojonym narzędziami dyskowymi o ostrzach symetrycznych oraz niesymetrycznych. Zastosowane dyski opracowano w ramach badań skał trudno urabialnych pojedynczymi narzędziami, gdzie badaniom poddano narzędzia dyskowe oraz noże styczno-obrotowe, różniące się konstrukcją, geometrią, sposobem mocowania, zastosowanymi materiałami i powłokami, obróbką cieplno-chemiczną oraz przy różnych parametrach kinematycznych i podziałce skrawania [2]. Na podstawie przeprowadzonych badań pojedynczych narzędzi oraz analizy ich wyników sformułowano następujące wnioski [2]: Wyniki badań stanowiskowych narzędzi dyskowych oraz noży stycznoobrotowych pozwoliły na określenie zależności empirycznych pomiędzy wielkościami mierzonymi, takimi jak siła styczna, podłużna i poprzeczna, a parametrami geometrycznymi narzędzi urabiających oraz parametrami procesu urabiania, takimi jak głębokość i podziałka skrawania. W przypadku urabiania narzędziami dyskowymi największy wpływ na wielkość siły stycznej i podłużnej ma średnica narzędzia dyskowego oraz głębokość skrawania. Ocena wizualna zużycia poszczególnych narzędzi dyskowych, a także trwałość węzła łożyskowego dysków wskazują, że najkorzystniejszym rozwiązaniem zalecanym do urabiania skał trudno urabialnych są narzędzia dyskowe o średnicy 140 mm. Wyniki prób stanowiskowych dają podstawy do rozszerzenia zakresu badań w kierunku narzędzi dyskowych o średnicy 140 mm. Proponuje się przeprowadzenie prób z udziałem dysków o kątach ostrza 90 i 45. Trwałość (szybkość zużycia) noży styczno-obrotowych nie rekomenduje tych narzędzi do urabiania skał trudno urabialnych i ściernych. Dlatego też w dalszej kolejności wymagane było opracowanie konstrukcji organu wyposażonego w narzędzia dyskowe, jego wykonanie i przeprowadzenie badań stanowiskowych. 1. Projekt organu urabiającego Organy urabiające, niezależnie od sposobu wykonania, można scharakteryzować parametrami konstrukcyjnymi, kinematycznymi i energetycznymi. Parametry te mają wpływ na ich pracę oraz pracę całej maszyny urabiającej. W analizowanym przypadku brany jest pod uwagę organ zbrojony w narzędzia dyskowe, realizujący proces skrawania. Należy wyraźnie zaznaczyć, że organ ten nie został przewidziany do

3 171 realizacji procesu ładowania. Do parametrów konstrukcyjnych organu zaliczyć można [3]: średnicę, szerokość, czyli jego zabiór, średnicę piasty, układ narzędziowy, sposób mocowania organu. Parametrami kinematycznymi organu są: prędkość skrawania (prędkość obrotowa organu), prędkość posuwu maszyny urabiającej, kierunek obrotów organu. Powyższe parametry decydują o budowie organu urabiającego i jego właściwościach, a prawidłowo dobrane gwarantują poprawną realizację procesu skrawania. Szczególną rolę odgrywa grupa parametrów, wpływająca głównie na proces skrawania, są to: rodzaj narzędzi skrawających, liczba linii skrawania, podziałka między liniami skrawania, podziałka w linii skrawania, rozmieszczenie ostrzy względem siebie (rodzaj skrawu). Oprócz podanych parametrów, istotne są również parametry materiałowe poszczególnych elementów organu oraz moment obrotowy organu przy jego założonej prędkości obrotowej. Wymienione powyżej parametry konstrukcyjne, kinematyczne i energetyczne organu urabiającego w procesie ich doboru muszą spełnić określone wymagania. Do tych wymagań zalicza się uzyskanie założonej: wydajności, trwałości i niezawodności, granulacji urobku i zapylenia, wartości i zmienności obciążenia. Mając na uwadze pracę w niskiej ścianie i urabianie skał trudno urabialnych, o dużej zawartości krzemionki zaproponowano organ urabiający spawany o średnicy około 1,2 m i zabiorze 0,7 m, pracującym z prędkością obrotową 44 obr/min i prędkością posuwu do 1 m/min. Organ, ze względu na niekorzystne własności skał, które ma urabiać, przeznaczony jest do pracy bez zraszania. Parametry kinematyczne wynikały z możliwości stanowiska badawczego, będącego w posiadaniu Katedry Maszyn Górniczych, Przeróbczych i Transportowych AGH, na którym zaplanowano przeprowadzenie prób modelowego organu badawczego. Do zbrojenia modelowego organu badawczego zaproponowano narzędzia dyskowe nienapawane. Przyjęta średnica dysku wynosi 140 mm (na podstawie badań pojedynczych narzędzi), a jego szerokość 68 mm i wynika ona ze sposobu łożyskowania (nośność łożysk tocznych i rodzaj uszczelnienia). Zaproponowano dwa komplety dysków do zbrojenia organu. Przy czym, ze względu na konieczność ochrony uchwytów na tarczy odcinającej, konieczne jest zastosowanie trzech rodzajów dysków jednego typu symetrycznego i dwóch typów niesymetrycznych. Organ w wersji pierwszej zbrojony będzie dyskami symetrycznymi na części walcowej, natomiast niesymetrycznymi przesuniętymi na tarczy odcinającej. Organ w wersji drugiej zbrojony będzie dyskami niesymetrycznymi na

4 172 części walcowej oraz niesymetrycznymi przesuniętymi na tarczy odcinającej. Dysk symetryczny (rys. 1) charakteryzuje kąt ostrza 2β = 90. Dysk niesymetryczny (rys. 2) ma kąt ostrza 2β = 45, przy czym w przekroju jedna krawędź ostrza jest prostopadła do osi (sworznia) dysku i leży w jej płaszczyźnie symetrii. Natomiast dysk niesymetryczny przesunięty (rys. 2) różni się od poprzedniego tym, że jego prostopadła krawędź ostrza przesunięta jest na skraj. Dysk przesunięty, dzięki takiej konstrukcji i odpowiedniemu wychyleniu na tarczy odcinającej, chroni uchwyt przed zużyciem ściernym. Wszystkie trzy rodzaje dysków łożyskowane są w ten sam sposób na dwóch łożyskach stożkowych w układzie X. Łożyska mocowane są pokrywami gwintowanymi, z uszczelnieniami chroniącymi wnętrze dysku przed zanieczyszczeniami. Do mocowania narzędzi na organie zaproponowano dwa typy uchwytów różniące się kształtem. Dwa typy uchwytów wynikają z potrzeby praktycznego sposobu pozycjonowania uchwytów na części walcowej oraz tarczy odcinającej. Zaproponowano również szczególny sposób mocowania dysków w uchwytach. Dyski wkłada się w specjalne gniazda, które dzięki zastosowaniu kwadratu pozwalają na dokładne i pewne pozycjonowanie osi dysku (sworznia). Osie dysków blokowane są kostkami o dobranym kącie zbieżności jednej ze ścianek, co zapewnia kasowanie luzów. Kostki dociskane są śrubami (rys. 5). Zabezpieczenie dysku, zaproponowane w uchwytach mocowanych na tarczy i części walcowej w obydwu konstrukcjach, jest identyczne. Rys. 3 przedstawia oba rozwiązania uchwytów. Uchwyty te mają budowę skrzynkową, gwarantującą dużą wytrzymałość [5, 6]. Rys. 1. Dysk symetryczny o średnicy D d = 140 mm i kącie ostrza 2β = 90

5 173 Rys. 2. Dysk niesymetryczny (po lewej) i niesymetryczny przesunięty (po prawej) o średnicy D d = 140 mm i kącie ostrza 2β = 45

6 174 Ustawienie, jak i pozycjonowanie narzędzi na organie urabiającym (schemat układu narzędziowego) związane jest z konkretnymi warunkami górniczogeologicznymi i maszyną urabiającą. Proces projektowania układu nożowego, często mało doceniany, jest bardzo ważny, ponieważ od niego zależy prawidłowa praca organu urabiającego. Na etapie procesu projektowania układu należy uwzględnić własności urabianej calizny (wskaźnik skrawalności A i kąt bocznego rozkruszania ψ), parametry konstrukcyjne, kinematyczne i energetyczne organu urabiającego, jak również narzędzi skrawających i uchwytów. W konkretnym przypadku opracowywano układ dla organu przeznaczonego do urabiania skał trudno urabialnych typu piaskowiec i dolomit, których własności określono podczas realizacji wcześniejszych prac [4]. Układ narzędziowy, zastosowany do przedmiotowego organu, został przedstawiony na rys. 4. Podziałka skrawania wynosi 30 mm. Organ ma być zbrojony 13 dyskami na części walcowej oraz czterema wychylonymi dyskami na tarczy odcinającej. Rys. 3. Uchwyty do dyskowe na części walcowej organu (po lewej) i na tarczy odcinającej (po prawej) Rys. 4. Rozmieszczenie dysków na organie 2. Plan, metodyka i przebieg badań stanowiskowych Badania zrealizowano na stanowisku laboratoryjnym Katedry Maszyn Górniczych, Przeróbczych i Transportowych AGH w Krakowie do badania procesu urabiania organami frezującymi i wiercącymi. Badania przeprowadzono na sztucznej próbce skalnej, zawierającej bryły piaskowca i dolomitu o spoiwie cementowo-piaskowym.

7 175 Schemat próbek oraz sposobu urabiania przedstawiono na rys. 5. Natomiast rys. 6 pokazuje próbki przygotowane do zalania betonem. Rys. 5. Schemat próbki z piaskowcem i dolomitem v ppop poprzeczna prędkość posuwu, v ppod podłużna prędkość posuwu, n obroty organu Rys. 6. Próbki piaskowca (po lewej) oraz dolomitu (po prawej) przed zalaniem betonem

8 176 Celem badań było określenie możliwości urabiania skał miedzionośnych organem frezującym, wyposażonym w dyski, ocena konstrukcji organu w aspekcie oporów urabiania, trwałości, granulacji urobku i zapylenia. Parametrami zmiennymi, niezależnymi i zadawanymi w czasie badań były prędkość posuwu oraz prędkość obrotowa organu. Natomiast parametrami zmiennymi zależnymi, mierzonymi i rejestrowanymi w czasie badań były moment oporu urabiania, ciśnienia na zasilaniu i spływie siłownika posuwu poprzecznego i podłużnego, granulacja urobku i zapylenie (analiza sitowa wykonana po badaniach). Moment oporu urabiania wyznaczono, opracowując sygnał z momentomierza. Dla przebiegu czasowego tego momentu wyznaczono jego wartość średnią. Siłę oporu podłużnego i porzecznego posuwu bloku skalnego wyznaczono z pomiaru ciśnień w siłownikach. Podczas badań zmieniana była prędkość posuwu za pomocą układu hydraulicznego, natomiast jej pomiar odbywał się czujnikiem przemieszczenia. Prędkość obrotowa była stała. Badania zakończono w momencie, gdy tak jedna, jak i druga próbka zostały zużyte. Łącznie organem urobiono prawie 7 Mg próbki z dolomitem i piaskowcem. Rys. 7 przedstawia organ zbrojony w dyski symetryczne i niesymetryczne przed i w trakcie badań stanowiskowych. Rys. 7. Organ w trakcie badań zbrojony w dyski niesymetryczne (po lewej) oraz symetryczne (po prawej) 3. Analiza wyników badań Analizując wyniki badań, można zauważyć wyraźny wzrost energochłonności procesu, związany ze wzrostem prędkości posuwu oraz zmianą własności mechanicznych urabianych próbek. Dominującą składową siły oporu urabiania organem dyskowym jest siła posuwu podłużnego. W przypadku urabiania piaskowca wartości siły podłużnej dla wszystkich przeprowadzonych prób, z wyjątkiem pierwszej, były do siebie zbliżone. Średnia wartość siły posuwu podłużnego oscylowała w zakresie wartości od 20 kn do 26 kn dla prędkości posuwu próbki 15 mm/min i 20 mm/min.

9 177 W przypadku dolomitu urabianie realizowane było z dużo wyższymi prędkościami posuwu w zakresie od 43 mm/min do 330 mm/min. W tym przypadku zaobserwowano wzrost wartości siły podłużnej, która oscylowała w przedziale od 27 kn do 45 kn. Przebieg zmian wartości momentu oporu urabiania miał podobny charakter, jak w przypadku siły podłużnej. Podczas urabiania dolomitu widoczny jest wyraźny wzrost wartości momentu urabiania dla wszystkich przeprowadzonych prób. W przypadku piaskowca wartość momentu oporu urabiania mieściła się w przedziale od 2,4 knm do 3,5 knm, natomiast dla dolomitu wartość ta kształtowała się w zakresie od 3,7 knm do 5,5 knm. Średnia wartość mocy, jaką rozwijał silnik napędu organu dla wszystkich przeprowadzonych prób, mieściła się w przedziale od około 10 kw do 25 kw. W przypadku urabiania piaskowca średnia wartość mocy dla wszystkich prób wyniosła 13 kw, natomiast w przypadku dolomitu wartość ta wzrosła do 20 kw. Wartości uzyskanych sił, momentów, prędkości posuwu oraz mocy w poszczególnych próbach zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Zestawienie wartości obciążenia organu uzyskanego podczas badań stanowiskowych Nr próby Rodzaj dysku Rodzaj próbki Prędkość posuwu V p,mm/m in Siła styczna F s, N Siła podłużna F pod, N Moment oporu urabiania M o, Nm Moc N o, kw 1 2β = 45 piaskowiec ,5 2 2β = 45 piaskowiec ,4 3 2β = 45 piaskowiec ,7 4 2β = 45 piaskowiec ,4 5 2β = 45 piaskowiec ,9 6 2β = 90 piaskowiec ,5 7 2β = 90 piaskowiec ,8 8 2β = 90 piaskowiec ,7 9 2β = 90 piaskowiec ,0 10 2β = 90 dolomit ,6 11 2β = 90 dolomit ,3 12 2β = 45 dolomit ,8 13 2β = 45 dolomit ,9 14 2β = 45 dolomit ,5 15 2β = 45 dolomit ,9 16 2β = 45 dolomit ,9

10 178 Na podstawie przeprowadzonej analizy wyników badań można stwierdzić, że próby urabiania organem dyskowym próbek piaskowca i dolomitu potwierdziły zalety zastosowania narzędzi dyskowych do urabiania skał zwięzłych, czego dowodem są otrzymane wartości mocy napędu organu zarejestrowane podczas poszczególnych testów. Maksymalna wartość mocy, jaką rozwijał silnik napędu organu, nie przekroczyła 25 kw. Należy podkreślić, że przyrost prędkości posuwu próbki nie przekładał się na proporcjonalny wzrost oporów urabiania organem. Próby urabiania dolomitu prowadzono dla prędkości posuwu od około 3 do nawet 20 razy wyższej niż w przypadku piaskowca, co przełożyło się na wzrost mocy organu urabiającego tylko o około 80%. Stan ostrzy dysków oraz łożysk po badaniach nie wskazywał na ich znaczące zużycie, a tym bardziej uszkodzenie. Wyjątkiem był dysk, który ze względu na poluzowaną pokrywę zablokował się i uległ znacznemu, nierównomiernemu zużyciu. Podczas badań zaobserwowano zużycie ścierne uchwytów na tarczy odcinającej. Analizując formę zużycia oraz miejsce jego wystąpienia, stwierdzono, że uchwyty nie zostały poprawnie przyspawane (niezgodnie z projektem). Podczas badań piaskowca, jak i dolomitu przy wszystkich analizowanych prędkościach posuwu uzyskano pełne wykruszenie calizny. Rys. 8 przedstawia przykładowe zdjęcie calizny po urabianiu organem z dyskami. Na zdjęciu wyraźnie widać linie skrawania oraz pełne wykruszenie powierzchni urabianej próbki. Rys. 8. Calizna próbki po urabianiu organem z dyskami Analizując urobek uzyskany podczas badań pojedynczymi narzędziami można jednoznacznie stwierdzić, że urabianie calizny narzędziami dyskowymi charakteryzuje się znacznie grubszym uziarnieniem niż nożami styczno-obrotowymi. Świadczy o tym procentowy udział klasy ziarnowej < 0,5 mm w całej populacji ziaren, wynoszący 20%, natomiast analogicznie udział ten dla noży styczno-obrotowych wyniósł 46%. Zawartość klasy > 5 mm dla narzędzia dyskowego wyniosła 33%, natomiast dla noża styczno-obrotowego 12%, co potwierdza znaczne różnice w uziarnieniu urobku, na korzyść narzędzi dyskowych.

11 179 Analiza uziarnienia urobku odspojonego od calizny organem dyskowym wykazała grubsze uziarnienie niż przy próbach z pojedynczymi dyskami. Potwierdza to frakcja klasy < 0,5 mm, wynosząca 20%, oraz procentowy udział klasy > 5mm, wynoszący 48% całej populacji ziaren. Analizowano również udział klasy < 0,1 mm, co reprezentuje udział frakcji wdychanych, powstających przy urabianiu. Ilość tej frakcji przy urabianiu organem dyskowym wyniosła poniżej 2%, co jest w pełni zadowalającym wynikiem. Podsumowanie Przeprowadzone badania organów uzbrojonych w narzędzia dyskowe symetryczne i niesymetryczne o średnicy Ø140 umożliwiły wstępną identyfikację obciążenia i parametrów kinematycznych organów nowego typu, a także weryfikację konstrukcji węzłów łożyskowych zastosowanych narzędzi dyskowych. Urabianie organem dyskowym próbek piaskowca i dolomitu potwierdziły zalety zastosowania narzędzi dyskowych do skał zwięzłych, czego dowodem są otrzymane wartości mocy napędu organu zarejestrowane podczas poszczególnych prób. Maksymalne zapotrzebowanie na moc nie przekroczyło wartości 25 kw. Dominującą składową siły oporu urabiania dla organu dyskowego jest siła posuwu (podłużna). Wartość tej siły, podobnie jak wartości momentu oporu urabiania organem, zależne były głównie od prędkości posuwu próbki, która determinowała bezpośrednio głębokość skrawania. Wzrost prędkości posuwu próbki nie przekładał się jednak na proporcjonalny wzrost sił oporów urabiania organem. Nie zaobserwowano znaczącej różnicy w charakterze procesu urabiania w przypadku urabiania organem zbrojonym w narzędzia dyskowe symetryczne i niesymetryczne. Podczas badań zaobserwowano odkręcanie się pokryw dysków. Odkręcenie pokrywy spowodowało zablokowanie dysku oraz jego nierównomierne i znaczne zużycie ścierne. Pokrywy łożysk należy zabezpieczyć za pomocą miejscowego spawu lub wkrętem, tak by mocowanie było pewne, co zapobiegnie blokowaniu dysków w uchwytach. Analiza uziarnienia wykazała korzystną granulację urobku przy zastosowaniu dysków. Analizując różnicę między granulacją urobku między pojedynczymi dyskami a organami oraz odpowiadające im głębokości skrawania, można spodziewać się znacznie większego uziarnienia podczas badań dołowych z większymi głębokościami. Spodziewane zapylenie, szkodliwe dla zdrowia ludzkiego, zostało oszacowane jako niskie, jednak wymagane jest przeprowadzenie badań zapylenia w warunkach dołowych. Analiza wizualna zużycia dysków oraz stanu węzłów łożyskowych świadczy na korzyść badanego rozwiązania. Zaobserwowane zużycie ścierne uchwytów wynika z niepoprawnego ich pozycjonowania i wymaga zweryfikowania konstrukcji organu. Zaproponowane rozwiązanie organu wraz z narzędziami dyskowymi pozwala na efektywne urabianie skał trudno urabialnych, bez konieczności stosowania zraszania. Wyniki badań stanowiskowych przemawiają na korzyść przedmiotowego rozwiązania i po wprowadzeniu podanych modyfikacji zaleca się przeprowadzenie kontrolnych badań stanowiskowych, a następnie serii badań dołowych.

12 180 Bibliografia [1] Krauze K., Bołoz Ł. i inni, Sprawozdanie z realizacji projektu Opracowanie, wykonanie i badania modelu organu do mechanicznego urabiania rud miedzi, projekt PBS1/B6/0/2012. [2] Krauze K., Bołoz Ł., Stopka G., Wydro T., 2014, Wykorzystanie nowych narzędzi skrawających do urabiania skał trudno urabialnych, [w:] Mechanizacja, automatyzacja i robotyzacja w górnictwie, red. Krauze K., Lędziny. [3] Krauze K., 2000, Urabianie skał kombajnami ścianowymi, Wydawnictwo Naukowe Śląsk, Katowice. [4] Krauze K., Bołoz Ł., Wydro T., Tomach T., 2014, Ocena urabialności piaskowca i dolomitu na podstawie badań laboratoryjnych i dołowych, [w:] Mechanizacja, automatyzacja i robotyzacja w górnictwie, red. Krauze K., Lędziny. [5] Krauze K. i inni, Projekt wynalazczy. Polska, nr PL , Górniczy uchwyt dyskowy, [6] Krauze K. i inni, Wzór użytkowy. Polska, nr PL-65549, Uchwyt dysku urabiającego,