CC BY
20
УДК 622.331.002.5
А.Л.Яблонев
ЦИФРОВОЕ ТЕНЗОМЕТРИРОВАНИЕ ПРИ ЛАБОРАТОРНОМ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ ТОРФЯНОЙ ЗАЛЕЖИ
Поскольку тензометрирование является одним из основных методов снятия нагрузочных характеристик с трансмиссий торфяных машин, а весьма большой класс добывающей техники работает по принципу фрезерования, в Тверском государственном техническом университете было принято решение реставрировать и модернизировать фрезерную лабораторную установку, оснастив ее современными средствами цифрового тензометрирования. Оригинальная конструкция установки позволяет фиксировать момент сил сопротивления фрезерованию, который преобразуется в энергоемкость процесса и коэффициент сопротивления резанию. В качестве регистратора сигналов применяется цифровая тензостанция Zet 017-Т8, оснащенная S-образным тензодатчиком PST и соединенная с ноутбуком, оснащенным программным обеспечением ZetLab. Сигнал от тензодатчика поступает на тензостанцию и отображается на экране монитора в реальном времени в виде осциллограммы или таблицы (возможно наложение одного на другое). Запись сигнала происходит в автоматически создаваемые файлы программного комплекса ZetLab. Данный комплекс по команде проводит статистическую обработку всего сигнала, или выбранной его части, определяя математическое ожидание, среднее квадратическое отклонение и другие статистические характеристики. Дискретность получаемого сигнала изменяется от 0,001 до 1 с. Все это намного упрощает и, одновременно, повышает точность результатов исследований.
Ключевые слова: торфяная залежь, фрезерование, тензометрирование, тензодатчик, тензостанция, фрезерная установка, обработка данных.
Введение
На основании принятого в 2016 г. изменения в Федеральный закон «Об электроэнергетике», торф, как местное топливо, отнесен к возобновляемым источникам энергии. Впервые за последние 40 лет значение разработки торфяных месторождений приобрело стратегический смысл в энергетической политике государства, что дает возможность надеяться на преодоление отставания современной России в объемах добычи и
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-1-0-182-189
переработки торфяного сырья от Финляндии и Ирландии [1]. Хотя, следует уточнить, что совокупный объем добычи торфа этих двух стран в 2014 г. был почти в 15 (!) раз меньше объемов добычи России в 1970 и 1988 гг. (по данным НП «Росторф»).
Важное значение в механизме реализации Федерального закона играет подготовка высококвалифицированных кадров для торфяной отрасли и научные исследования, проводимые на совре-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 1. С. 182-189. © А.Л. Яблонев. 2018.
менном высокотехнологичном уровне, предполагающие не только теоретические разработки, но и комплексные полевые и лабораторные экспериментальные работы. Последние дают возможность получить весьма точные данные о технологических и кинематических параметрах, нагрузках на рабочих органах, необходимом запасе прочности торфяных машин. Работа большого класса торфяных добывающих машин основана на принципе фрезерования. Поскольку одним из основных методов получения характеристик нагруженности элементов фрезерных машин является тензомет-рирование, то цель настоящей работы заключается в воссоздании исследова-тельско-испытательной лабораторной модели фрезерной установки, оснащенной современными средствами цифрового тензометрирования и обработки опытных данных.
Предпосылки для решения
проблемы
Создание физических лабораторных моделей и предварительные экспериментальные работы с ними во многом упрощают процесс полевых испытаний, поэтому ученые и инженеры широко применяют данный путь развития [2—4]. Не обошла эта тенденция стороной и кафедру «Торфяные машины и оборудование» Тверского государственного технического университета, в лаборатории которой в свое время были представлены многие модели рабочих органов добывающих торфяных машин, большая часть которых была оснащена системами аналогового тензометрирования, состоящими из тензодатчиков, источников постоянного тока с функцией усилителей, осциллографов или самописцев [5, 6].
Все эти модели были разработаны на основе представления о торфяной залежи, как упруго-пластичной среде,
механические свойства которой сильно изменяются в зависимости от плотности и влажности [7]. Однако с течением времени (начиная с 1958 г.), установки начали постепенно приходить в негодность, ветшать. Относится это и к существовавшей в лаборатории фрезерной установке, когда-то весьма успешно применявшейся в практике научных исследований и учебном процессе [8]. Причем основная проблема, которая коснулась практически всех установок — выход из строя самописцев и ламповых усилителей. Техника уже устарела морально и физически, требовала замены и модернизации. Поэтому наряду с реставрацией и механической модернизацией лабораторных моделей, было решено оснастить их системой современного цифрового тензометрирования [9]. Одной из первых на повестке дня оказалась фрезерная установка.
Описание воссозданной лабораторной фрезерной установки, краткая теория вопроса определения энергоемкости фрезерования
Основой лабораторной фрезерной установки (рис. 1) является вертикальная жестко заделанная в пол колонна 3. По колонне вверх-вниз винтом 1 со штурвалом 2 перемещается плита 6. Один оборот штурвала перемещает плиту вверх или вниз на 4 мм. На плите смонтирован электродвигатель постоянного тока 7, приводящий во вращение фрезу 16 через муфту 8 и промежуточный вал 9. Рядом с колонной проходит рельсовый путь 10, по которому перемещается тележка 17 с закрепленным на ней монолитом торфа 4. Тележка приводится в движение тросом 5 от электродвигателя 11 с частотой вращения ротора 950 об/мин через две коробки передач 12 и 13, редуктор 14 с передаточным отношением I = 3,75, лебедку 15, и имеет благо-
-—I_!_I =D3
Рис. 1. Схема лабораторной фрезерной установки
Рис. 2. Привод фрезы лабораторной установки
даря этому, 8 скоростей — от 0,111 до 0,571 м/с. Система тиристорного электропривода позволяет изменять частоту вращения фрезы от 500 до 2500 об/мин. Фотография привода фрезы установки представлена на рис. 2.
Установка оснащена пусковой и регулирующей аппаратурой, тахометром для измерения частоты вращения фрезы, S-образным тензодатчиком PST Loadcell, тензостанцией-анализатором ZET 017-Т8
которая может применяться в широком диапазоне исследований и позволяет: проводить узкополосный спектральный анализ для различных частот сигналов в реальном масштабе времени и сигналов, взятых из записей; измерять постоянную и переменную составляющие сигналов, записывать их в файл с временной привязкой; регистрировать сигналы (вводить в память оцифрованные значения сигнала, с последующей записью на накопитель).
Тензостанция может быть использована автономно или в составе автоматизированных систем в испытательных и контрольно-измерительных комплексах, в системах управления технологическими процессами а также для научно-технических исследований. Блок тензо-станции-анализатора содержит восемь входов для подключения датчиков и может одновременно обрабатывать сигналы со всех входов. С помощью USB-разъемов тензостанция подключается к компьютеру. Все данные в реальном времени анализатор передает в прог-
раммный комплекс ZetLab, установленный на персональном компьютере (ноутбуке) [9].
Фреза 1 (рис. 3) соединена с валом 2 ротора электродвигателя 3. Статор электродвигателя 4 установлен на ба-лансирных опорах 5 и удерживается от поворота силой упругости S-образного тензодатчика PST 7, один конец которого через тягу шарнирно закреплен к плите (поз. 6 рис. 1), а другой шарнирно связан с жестко прикрепленным к статору двигателя двуплечим рычагом 6. Второй, свободный конец, двуплечего рычага используется для тарировки устройства в случае необходимости.
Момент сил сопротивления фрезерованию Мф преодолевается электромагнитным моментом, действующим на ротор со стороны статора М :
Мф = М . р (1)
ф р 4 '
Реактивный электромагнитный момент Мр стремится повернуть статор в направлении, противоположном направлению вращения ротора. Таким образом, на тензостанцию Zet 017-Т8 передается изменяющееся, вследствие деформации S-образного тензодатчика, напряжение (рис. 4).
Из рис. 4 следует, что реактивный момент на статоре двигателя Мр легко может быть найден по следующей формуле:
Мр = LF, (2)
где L — длина плеча двуплечего рычага, м; F — упругое усилие, возникающее в тензодатчике, Н, фиксируемое с помощью тензостанции Zet 017-Т8.
Удельный расход энергии на фрезерование А, Дж/м3 — отношение мощности N , Вт к секундной производительности аппарата Q , м3/с [10]:
A = N^/Q<p = (Мф®)/BHw,
(3)
где ш — угловая скорость вращения фрезы, с-1; В — ширина фрезы, м; Н — глубина фрезерования, м; w — скорость
IZZZZZZZZZ
Рис. 3. Схема устройства для измерения момента сопротивления фрезерованию
поступательного движения тележки с монолитом, м/с.
Угловая скорость вращения фрезы, с-1, находится по числу оборотов в минуту п, фиксируемого тахометром:
ш = пп / 30. (4)
Сопротивление,связанное с непосредственным разрушением фрезеруемого торфа, называется коэффициентом сопротивления резанию Кр. Большое влияние на него оказывают кинематические параметры фрезерования [10] и реологические свойства монолита [11]. Коэффициент сопротивления резанию (Н/см2) при фрезеровании подсчитывается так:
K =
A -
yv
2 Л
V
• 10-
(5)
где А — удельный расход энергии при фрезеровании, Дж/м3; у — плотность торфа в монолите, кг/м3; V — скорость, получаемая торфом при фрезеровании, м/с.
Рис. 4. Фиксация реактивного момента через сопротивление датчика PST: 1 — двуплечий рычаг; 2 — статор электродвигателя; 3 — корпус подшипника вращения статора электродвигателя; 4 — тензодатчик PST; 5 — плита
4
Скорость, сообщаемая торфу в процессе фрезерования, зависит от скорости резания ур, формы резца, физико-механических свойств фрезеруемого торфа и вычисляется по формуле:
V = ЦУ
(6)
где п — поправочный коэффициент, зависящий от формы резца и свойств торфа.
Для фрез послойно-поверхностного фрезерования скорость резания можно вычислять так [10]:
V = V ± w, (7)
р o ' к '
где vo — окружная скорость фрезы по концам ножей, м/с; м — скорость поступательного движения тележки с монолитом, м/с.
Знак «+» ставится при встречном фрезеровании, а знак «—» — при попутном.
Методика проведения экспериментов на лабораторной фрезерной установке, оснащенной средствами цифрового тензометрирования
Опыты и исследования проводятся следующим образом. Монолит, вырезан-
ный из торфяной залежи 4 с заданными качественными характеристиками (вид залежи, плотность, влажность, предельное напряжение сдвига) помещается в специальный короб и закрепляется на тележке 16. Винтом 1 со штурвалом 2 выставляется начальная глубина фрезерования. Коробками передач 12 и 13 устанавливается необходимая скорость передвижения тележки 16 (рис. 1).
Определяется ширина фрезы В. Тен-зометрическая станция Zet 017Т8 переводится в режим «измерения». Включается электродвигатель вращения фрезы; потенциометром выставляется необходимая частота ее вращения, фиксируемая тахометром. По формуле (4) вычисляется угловая скорость вращения фрезы. Включается электродвигатель привода лебедки. При соприкосновении торфяного монолита с ножами фрезы в статоре двигателя привода возникает реактивный момент Мр, который будет стараться повернуть статор в сторону, противоположную направлению вращения фрезы. Переменная составляющая данного мо-
Рис. 5. Представление сигнала при тензометрировании в виде графика 186
мента (упругое усилие в тензодатчике Р) фиксируется и записывается тензостан-цией, которая может отражать сигнал в табличной форме, в виде непрерывного графика изменения сигнала и в виде совмещения первого со вторым. Сигнал записывается в реальном времени и, в случае представления его в виде графика, по горизонтальной оси откладывается реальное время, а по вертикальной — значение усилия в тензодатчике (рис. 5). Частота опроса тензостанцией датчика и фиксация результатов задается в меню настроек и может изменяться от 0,001 до 1 с.
В случае необходимости, предусмотрена функция инверсии показаний. Коэффициент усиления входного сигнала также устанавливается в меню настроек и может составлять 1, 10, 100.
Первый опыт не является показательным и проводится с целью выравнивания поверхности монолита. Затем тележка с монолитом возвращается в исходное состояние, устанавливается необходимая глубина фрезерования, включается привод лебедки и опыт повторяется. Результаты записываются в один или несколько файлов, создаваемых программным комплексом.
Анализ сигналов, статистическая
обработка
После окончания записи, программный комплекс 7еИаЬ переводится в режим обработки сигнала, который позволяет определить минимальное и максимальное значение, математическое ожидание, среднее квадратическое отклонение и другие статистические характеристики упругого усилия, возникающе-
го в тензодатчике. Кроме того, при сравнении характеристик от двух сигналов, может быть рассчитана их взаимная корреляция. Причем, путем изменения масштаба записи, как по вертикальной, так и по горизонтальной оси, анализ возможен как всего записанного сигнала, так и выделенной его части, границами которой служат размеры окна дисплея.
По формулам (2), (3) и (5) определяются основные энергетические характеристики процесса фрезерования. Причем дополнительно, по широкоизвестным зависимостям [10], может вычисляться подача фрезы на один нож и средняя толщина срезаемой стружки.
Для анализа процесса фрезерования и выявления влияния на энергоемкость фрезерования различных параметров, рассматриваются зависимости А = До); А = Дм); А = ЦН) и другие.
Заключение
Возможность изменения скоростей вращения фрезы и передвижения тележки в широких пределах, а также наличие нескольких легкосъемных моделей фрез с различными ножами (штифтовыми, ленточными, проходными, чашечными, плоскими) позволяет проводить исследования в значительных диапазонах изменяющихся параметров. Новая, цифровая система тензометрирования, смонтированная на установке, гораздо более информативна и чувствительна к изменяющемуся сигналу, чем старая, аналоговая, основанная на применении ламповых усилителей, самописцев и осциллографов. А возможность математической обработки сигналов намного упрощает процесс исследований [12].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Korpi J. A New Peat Production concept — Results of the Development Work During 2004— 2007 // Proceedings of the 13-th International Peat Congress. Tullamore, Ireland, 8—13 June 2008. Vol. 1. pp. 120—122.
2. Wang J. X., Le Doux C. B. & Li Y. X. Modeling and Validating the Grabbing Forces of Hydraulic Log Grapples Used in Forest Operations // International Journal of Forest Engineering. 2005. Vol. 16, no. 2. pp. 77-85.
3. Михайлов А. В., Таранов А. Г., Шишлянников Д. И. Вильчатый грейфер для селективной выемки торфяного сырья // Известия вузов. Горный журнал. — 2016. — № 1. — С. 16—21.
4. Яблонев А.Л., Крутов Ю. В. Лабораторное оборудование для изучения взаимодействия жестких и пневматических колес машин с торфяной залежью // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2014. — № 11. — С. 172—175.
5. Макаров Р. А., Ренский Л. Б. и др. Тензометрия в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1975. — 288 с.
6. Мехеда В. А. Тензометрический метод измерения деформаций. Учебное пособие. — Самара: СГАУ, 2011. — 56 с.
7. Rees D. Basic Engineering Plasticity. An Introduction with Engineering and Manufacturing Applications. 1-st edition. Butterworth: Heinemann, 2006. 528 p.
8. Волков В. С., Коровицын Л. Ф., Самсонов Л. Н. и др. Лабораторный практикум по торфяным машинам. — Калинин: КПИ, 1986. — 91 с.
9. Яблонев А.Л., Крутов Ю.В. Применение средств современного цифрового тензо-метрирования при исследовании нагруженности элементов торфяных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 8. — С. 100—205.
10. Самсонов Л. Н., Синицын В. Ф. Торфяные машины и комплексы: Учебник для вузов. Ч. 3. — Тверь: ТТГТУ, 2001. — 140 с.
11. Mainardi F., Spada G. Creep, Relaxation and Viscosity Properties for Basic Fractional Models in Rheology // The European Physical Journal. Special Topics. 2011. Vol. 193. pp. 133—160.
12. Яблонев А.Л., Скориков А. Ю., Белоусов А. М. Лабораторное оборудование для исследования характеристик фрезерования торфяной залежи / Материалы 12-й международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики», Тула, 2—3 ноября 2016 г. Т. 1. — Тула: ТулГУ, 2016. — С. 187—195. птш
КОРОТКО ОБ АВТОРE
Яблонев Александр Львович — доктор технических наук, доцент, профессор, e-mail: [email protected], Тверской государственный технический университет.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 1, pp. 182-189.
A.L. Yablonev
DIGITAL STRAIN GAUGING IN LAB TEST OF PEAT SURFACE MINING PROCESS
Strain gauging is one of the basic methods of load rating of peat cutter transmission, and very many mining machines use the principle of cutting. For these reasons, it has been decided to restore and modernize a lab cutting facility and to equip it with the modern digital strain gauging tools at the Tver State Technical University.
The original design of the facility allows recording the cutting resistance force moment that is converted to the process energy intake and the cutting resistance factor. The signals are recorded by the digital strain gauging station Zet 017-T8 fitted with an S-shaped strain gauge PST and connected with a notebook with the ZetLab program support. The signal of the strain sensor is sent to the strain gauging station and displayed in real time in the form of an oscillogram or a table (the both can be combined). The signal is downloaded in the automatically created files in ZetLab.
The program support carries out statistical processing of the signal or its part under command, and determines the mathematical expectation, standard deviation and other statistical characteristics.
Discreteness of the the signal varies from 0.001 to 1 s. This greatly simplifies calculation and simultaneously improves the test data precision.
Key words: peat bed, surface cutting, strain gauging, strain tensor, strain gauging station, surface cutter, data processing.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-1-0-182-189
AUTHOR
YablonevA.L., Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor, Professor, e-mail: [email protected], Tver State Technical University, 170026, Tver, Russia.
REFERENCES
1. Korpi J. A New Peat Production concept — Results of the Development Work During 2004—2007. Proceedings of the 13-th International Peat Congress. Tullamore, Ireland, 8—13 June 2008. Vol. 1. pp. 120—122.
2. Wang J. X., Le Doux C. B. & Li Y. X. Modeling and Validating the Grabbing Forces of Hydraulic Log Grapples Used in Forest Operations. International Journal of Forest Engineering. 2005. Vol. 16, no. 2, pp. 77—85.
3. Mikhaylov A. V., Taranov A. G., Shishlyannikov D. I. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal. 2016, no 1, pp. 16—21.
4. Yablonev A. L., Krutov Yu. V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2014, no 11, pp. 172—175.
5. Makarov R. A., Renskiy L. B. Tenzometriya v mashinostroenii (Service Stress in Machine-building), Moscow, Mashinostroenie, 1975, 288 p.
6. Mekheda V. A. Tenzometricheskiy metod izmereniya deformatsiy. Uchebnoe posobie (Measuring Deformation Service Stress Method. Educational aid), Samara, SGAU, 2011, 56 p.
7. Rees D. Basic Engineering Plasticity. An Introduction with Engineering and Manufacturing Applications. 1-st edition. Butterworth: Heinemann, 2006. 528 p.
8. Volkov V. S., Korovitsyn L. F., Samsonov L. N. Laboratornyy praktikum po torfyanym mashinam (Peat Machines Laboratory Workshop), Kalinin, KPI, 1986, 91 p.
9. Yablonev A. L., Krutov Yu. V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 8, pp. 100—205.
10. Samsonov L. N., Sinitsyn V. F. Torfyanye mashiny i kompleksy: Uchebnik dlya vuzov. Ch. 3. (Peat Machines and Complexes: Higher educational aid, part. 3), Tver', TTGTU, 2001, 140 p.
11. Mainardi F., Spada G. Creep, Relaxation and Viscosity Properties for Basic Fractional Models in Rheology. The European Physical Journal. Special Topics. 2011. Vol. 193. pp. 133—160.
12. Yablonev A. L., Skorikov A. Yu., Belousov A. M. Materialy 12-y mezhdunarodnoy konferentsii po problemam gornoy promyshlennosti, stroitel'stva i energetiki «Sotsial'no-ekonomicheskie i ekologich-eskie problemy gornoy promyshlennosti, stroitel'stva i energetiki», Tula, 2—3 noyabrya 2016 g. T. 1 (Proceedings of 12-th International Conference on Problem of Mining, Construction and Energy under General Edition of R. A. Kovalev «Socio-Economic and Environmental Problems of Mining, Construction and Energy», Tula, November 2—3, 2016, vol. 1), Tula, TulGU, 2016, pp. 187—195.
FIGURES
Fig. 1. Scheme of laboratory milling installations.
Fig. 2. Drive Mills laboratory installation.
Fig. 3. The scheme of the device for measuring the moment of milling resistance.
Fig. 4. Fixing reactive moment through the resistance of the sensor PST: 1 double arm lever; 2 stator; 3 bearing housing rotation motor stator; 4 load cell PST; 5 plate.
Fig. 5. Presentation of stress-service signal in graphics form.
Zl_
