Моделирование нагрузок на рабочем органе торфяного фрезерующего агрегата с учетом погрешности расстановки режущих элементов

Практика использования машин с исполнительными органами фрезерного типа показывает их недостаточную надежность, что приводит к ухудшению технико-экономических характеристик агрегатов. Причиной этого являются высокие динамические нагрузки в элементах конструкции, которые возникают в результате действия сил внешнего сопротивления на фрезе. Они имеют случайный, резко переменный характер, который вызван структурной неоднородностью торфяной залежи, ее случайными физико-механическими свойствами, наличием в ней древесных включений, а также периодическим взаимодействием ножей с залежью и многими другими факторами. При этом параметры реальной конструкции фрезы ввиду погрешностей изготовления и сборки отличаются от заданных при проектировании. Кроме того, в процессе эксплуатации происходят износ и необратимые деформации режущих элементов. Это приводит к тому, что ножи расположены с некоторым небольшим сдвигом на корпусе фрезы относительно «идеальной» схемы размещения. Цель статьи заключается в разработке модели момента сопротивления на фрезе при взаимодействии с торфяной залежью в процессе выполнения технологической операции, учитывающей влияние погрешности расстановки ножей на корпусе фрезы. Получены выражения для расчета спектральной плотности момента. Проанализированы его характерные особенности. Ошибки размещения режущих элементов на корпусе фрезы приводят к изменению величины и характера нагрузки, ее частотного состава. При этом появляются новые, дополнительные составляющие на частотах, кратных угловой скорости фрезы, обогащая спектр нагрузки, увеличивая ее дисперсию. Их величина определяется суммарным значением ошибок. В качестве примера дан анализ влияния погрешности расположения режущих элементов на спектральную плотность для исполнительного органа машины глубокого фрезерования типа МТП-42. Результаты исследования имеют практическую ценность и должны учитываться при расчете динамических нагрузок в элементах конструкции фрезерующих агрегатов при их проектировании, особенно если рабочие органы имеют большое количество резцов, используют малые подачи и когда собственные частоты элементов конструкции агрегата равны или кратны угловой скорости фрезы.

торфяной фрезерующий агрегат, фреза, ошибки расстановки ножей, вероятностная модель нагрузки, момент сопротивления, спектральная плотность

1. Misnikov O. S. Basic technologies and equipment used for peat deposit development in foreign countries. In: E3S Web Conf.: IIIth International Innovative Mining Symposium. 26 January. 2018;41(6):01046. https://doi.org/10.105/e3sconf/20184101046

2. Самсонов Л. Н. Фрезерование торфяной залежи. М.: Недра; 1985. 211 с.

3. Копенкин В. Д., Копенкина Л. В., Самсонов Л. Н. Развитие фрезерующих машин в торфяном производстве (анализ, перспективы). Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003;(10):204–207.

4. Горлов И. В., Рахутин М. Г. Влияние пнистости залежи на безотказность торфяных машин. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017;(12):139–145.

5. Самсонов Л. Н., Фомин К. В. Элементы статистической динамики торфяных фрезерующих агрегатов. Тверь: Тверской государственный технический университет; 2005. 168 с.

6. Михайлов А. В., Родионов Е. А., Звонарев И. Е. Анализ условий вертикальной выемки торфяного сырья. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019;(1):48–54. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2019-01-0-48-54

7. Michailov A. V., Zhigulskaya A. I., Garmaev O. M. An integrated approach to strip mining of peat. In: IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2019;378:24–27. https://doi.org/10.1088/1755-1315/378/1/012087

8. Яблонев А. Л., Крутов Ю. В. Применение средств современного цифрового тензометрирования при исследовании нагруженности элементов торфяных машин. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016;(8):200–205. URL: https://giab-online.ru/files/Data/2016/8/200_205_8_2016.pdf

9. Фомин К. В. Методика оценки спектральной плотности момента сопротивления на рабочем органе торфяного фрезерующего агрегата. Записки Горного института. 2020;241:58–67. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.1.58

10. Фомин К. В. Расчет взаимных спектральных плотностей моментов сопротивления на рабочих органах торфяного фрезерующего агрегата. Записки Горного института. 2021;251:746–756. https://doi.org/10.31897/PMI.2021.5.14

11. Zong X., Guo Q., Kang K., Jia H., He B. Study on Installation Angle of the Milling Wheel Accurate Estimation and Compensation. In: MATEC Web of Conferences: the 3rd International Conference on Mechatronics and Mechanical Engineering (ICMME 2016). 2017;95:04005. https://doi.org/10.1051/matecconf/20179504005

12. Cheluszka P., Jagieła-Zając A. Determining the position of pick holders on the side surface of the working unit of the cutting machine in the robotic technology of their assembly. In: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019;261:012003. https://doi.org/10.1088/1755-1315/261/1/012003

13. Шабаев О. Е., Бридун И. И. Техническая диагностика резцового исполнительного органа проходческого комбайна. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017;(9):94–101. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2017-9-0-94-101

14. Lalanne C. Mechanical Vibration and Shock Analysis, Random Vibration (Mechanical Vibration and Shock Analysis. 3rd Edition. John Wiley & Sons, Ltd; 2014. 595 p. https://doi.org/10.1002/9781118931127

15. Lutes L. D., Sarkani Sh. Random vibrations: analysis of structural and mechanical systems. 2004. 635 p.

16. Svetlitsky V. A. Statistical dynamics and reliability theory for mechanical structures. Springer, Berlin/Heidelberg; 2003. 452 p. https://doi.org/10.1007/978-3-540-45826-5

17. Гусев А. С. Вероятностные методы в механике машин и конструкций. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана; 2009. 224 с.

18. Докукин А. В., Красников Ю. Д., Хургин З. Я. Статистическая динамика горных машин. М.: Машиностроение; 1978. 238 с.

19. Красников Ю. Д. Моделирование разрушения углей режущими инструментами. М.: Наука; 1981. 181 с.

20. Li X. H., Yu X. W., Ma X. H., Zhao Y. B. Simulation and study of random loads on continuous miner cutting drum. Advanced Materials Research. 2011;308–310:1885–8. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.308-310.1885

21. Liu C. S., Li D. G., Chen X. P. Shearer load identification of the load spectrum of the pick based on chaotic characteristics. Advanced Materials Research. 2011;199–200:111–114. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.199-200.111

22. Medolago A. A., Melzi S. A flexible multi-body model of a surface miner for analyzing the interaction between rock-cutting forces and chassis vibrations. International Journal of Mining Science and Technology. 2021;31(3):365–375. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2021.03.006

23. Howard R. M. Principles of random signal analysis and low noise design:The power spectral density and its applications. Willey; 2002. 310 p. https://doi.org/10.1002/0471439207

24. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Радио и связь; 1989. 656 с.