PL232553B1 - Głowica pomiarowa, zwłaszcza do pomiaru obciążenia przestrzennego noży urabiających na stanowiskach do badania procesu urabiania skał oraz sposób pomiaru obciążenia przestrzennego noży urabiających - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest głowica pomiarowa, zwłaszcza do pomiaru obciążenia przestrzennego noży urabiających na stanowiskach do badania procesu urabiania skał oraz sposób pomiaru obciążenia noży urabiających.

Pomiar obciążenia przestrzennego noży urabiających jest istotnym elementem badań doświadczalnych procesu skrawania skał na laboratoryjnych stanowiskach badawczych. Umożliwia on identyfikację wielkości i charakteru obciążenia noża w trakcie skrawania skał lub materiałów ekwiwalentnych dla potrzeb weryfikacji modeli matematycznych, badania wpływu własności mechanicznych urabianego ośrodka, cech geometrycznych noży oraz parametrów procesu na wielkość tego obciążenia. Proces skrawania na stanowiskach do badania procesu urabiania skał realizowany jest zazw yczaj pojedynczym nożem osadzonym w uchwycie nożowym zamocowanym do urządzenia urabiającego wywołującego jego ruch wzdłuż linii prostej lub po torze łukowym - płaskim lub przestrzennym. Proces ten realizowany może być też grupą noży.

Znane jest ze zgłoszenia patentowego P.398897 rozwiązanie układu do pomiaru składowych obciążenia noży na stanowisku badawczym w postaci uchwytu nożowego specjalnej konstrukcji, w którym osadzony jest nóż skrawający. W uchwycie tym zabudowana jest tuleja z naklejonymi tensometrami do pomiaru siły skrawania oraz tensometryczny czujnik osiowy do pomiaru siły docisku. Niedogodnością tego rozwiązania jest możliwość pomiaru jedynie dwóch z trzech składowych obciążenia noża, co nie daje pełnego obrazu o stanie jego obciążenia. Konstrukcja uchwytu nożowego nie pozwala ponadto na stosowanie w trakcie badań noży o różnej geometrii części chwytowej trzonka noża. Nie jest również możliwa zmiana ustawienia noża względem urabianej calizny.

Znana jest także z polskiego opisu patentowego PL173755 głowica tensometryczna do pomiaru sił w trzech kierunkach. Głowica wyposażona jest w ułożyskowany wzdłużnie wałek pomiarowy z naklejonymi tensometrami dla pomiaru sił w kierunku poprzecznym oraz trzpień pomiarowy zabudowany pod wałkiem dla pomiaru siły osiowej. Głowica ta cechuje się dużymi wymiarami wynikającymi ze sposobu osadzenia wałka w korpusie pełniącego rolę elementu pomiarowego. Nie pozwala ona przy tym na pomiar dużych sił, przez co możliwy jest jedynie pomiar obciążenia noża podczas skrawania skał mało zwięzłych lub w trakcie wykonywania skrawów o małej głębokości. Niedogodnością rozwiązania jest zastosowanie łożyskowania tocznego, którego luzy powodują skręcanie noża względem wałka pomiarowego skutkującego błędami pomiaru sił poprzecznych do wałka. Łożyskowanie to jest podatne na uszkodzenia w obecności pyłu generowanego w trakcie urabiania, co ma wpływ na trwałość głowicy pomiarowej.

Z chińskiego opisu patentowego CN 104020057 znane jest urządzenie do badania procesu skrawania węgla wyposażone w obrotowy bęben, do którego zamocowany jest uchwyt nożowy z pojedynczym nożem. W podstawie tego uchwytu zainstalowany jest trójosiowy, bezprzewodowy czujnik sił służący do pomiaru obciążenia noża w trakcie skrawania węgla. Niedogodnością tego rozwiązania jest zastosowanie uchwytu nożowego o specjalnej konstrukcji dostosowanej do sposobu zabudowy pod nim czujnika siły, dedykowanego do noży o określonej geometrii części chwytowej trzonka. Nie ma przy tym możliwości zmiany ustawienia noża względem powierzchni urabianej skały. Zastosowany w rozwiązaniu czujnik trójosiowy ma ponadto skomplikowaną konstrukcję wpływającą negatywnie na koszt budowy układu pomiarowego, szczególnie gdy istnieje potrzeba jego wymiany w przypadku konieczności np. zmiany zakresu pomiarowego. Parametry czujnika dobrane zostały dla potrzeb pomiaru sił w trakcie urabiania węgla, tak więc mogą one okazać się niewystarczające w przypadku badań procesu skrawania skał bądź innych materiałów trudniej urabialnych niż węgiel.

Celem wynalazku jest opracowanie rozwiązania oraz sposobu pomiaru przestrzennego obciążenia noży w trakcie realizacji procesu urabiania skał o różnej zwięzłości oraz innych materiałów o właściwościach zbliżonych do skał np. mas cementowo-piaskowych do zastosowań w warunkach laboratoryjnych.

Cel ten osiągnięto poprzez skonstruowanie głowicy pomiarowej, która zainstalowana może być na stanowisku badawczym, w którym urabianie pojedynczym nożem realizowane jest po torze prostoliniowym lub łukowym.

Głowica pomiarowa według wynalazku charakteryzuje się tym, że zbudowana jest z dwóch płyt, pomiędzy którymi rozmieszczone są korzystnie cztery jednoosiowe czujniki nacisku, osadzone w narożnikach płyty, do której za pomocą przegubu walcowego przymocowana jest zawiasowo płyta uchylna połączona z podstawą uchwytu nożowego, do której zamontowany jest uchwyt nożowy z umieszczonym nożem urabiającym pochylonym pod katem δ względem osi głowicy pomiarowej.

PL 232 553 B1

Kąt δ ustawienia noża urabiającego względem osi głowicy pomiarowej zależy od kąta ustawienia płyty uchylnej, ustalony jest korzystnie za pomocą śrub wkręconych w nagwintowane otwory płyty uchylnej opartych o płytę, do której jest ona zamocowana oraz śrub blokujących przełożonych przez owalne otwory obu płyt, nakrętek oraz podkładek kulistych.

Korzystnie podstawa uchwytu nożowego posiada owalne otwory pod śruby mocujące podstawę uchwytu nożowego do płyty uchylnej tak, aby wierzchołek ostrza noża leżał na osi głowicy pomiarowej.

Sposób pomiaru obciążenia przestrzennego według wynalazku polega na tym, że mierzy się reakcje za pomocą jednoosiowych czujników nacisku, korzystnie w czterech punktach podparcia płyty, następnie wyznacza się obciążenie noża urabiającego od oporów urabiania zredukowane do wierzchołka ostrza noża, które rozkłada się na trzy wzajemnie prostopadłe składowe w postaci siły skrawania Ps prostopadłej do osi głowicy pomiarowej w płaszczyźnie skrawania, siły docisku Pd działającej wzdłuż osi głowicy pomiarowej oraz siły bocznej Pb prostopadłej do płaszczyzny wyznaczonej przez wektory sił Ps i Pd.

Zasadniczą zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość pomiaru obciążenia przestrzennego noży urabiających w trakcie realizacji procesu urabiania na stanowisku badawczym z wykorzystaniem dowolnego typu jednoosiowych czujników nacisku, o parametrach metrologicznych dostosowanych do przewidywanej wielkości tego obciążenia. Konstrukcja głowicy pomiarowej pozwala przy tym na wymianę czujników, np. w celu zmiany zakresu pomiarowego dostosowanego do rodzaju urabianego materiału. Istnieje ponadto możliwość zmiany w trakcie realizacji badań ustawienia noża względem powierzchni urabianej skały, co daje np. możliwość badania wpływu kąta przyłożenia i natarcia ostrza noża na przebieg procesu urabiania oraz wielkość towarzyszącego mu obciążenia. Ponieważ głowica pomiarowa wyposażona jest w typowy uchwyt nożowy stosowany do mocowania noży na organach roboczych maszyn urabiających, istnieje możliwość łatwej wymiany uchwytów nożowych, co może być konieczne w przypadku zmiany noży wykorzystywanych w trakcie badań. Realizowany z wykorzystaniem głowicy pomiarowej według wynalazku pomiar pośredni obciążenia przestrzennego noża, oparty na pomiarze reakcji w korzystnie czterech punktach podparcia podstawy uchwytu nożowego pozwala na jednoznaczne określenie wartości poszukiwanych składowych obciążenia przestrzennego noża. Transformacja wartości zarejestrowanych sił do wartości poszukiwanych składowych oparta jest przy tym na zależnościach matematycznych wynikających z równowagi przestrzennego układu sił.

Wynalazek został bliżej objaśniony na przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok głowicy pomiarowej zamocowanej do ramienia urządzenia skrawającego, fig. 2

- przedstawia głowicę pomiarową w widoku z boku, fig. 3 - przedstawia głowicę pomiarową w widoku z góry, fig. 4 - charakterystyczny szczegół mocowania płyty uchylnej głowicy pomiarowej, zaś fig. 5 objaśnia sposób wyznaczania składowych obciążenia noży na podstawie zmierzonych sił za pomocą głowicy pomiarowej według wynalazku.

Głowica pomiarowa zwłaszcza do pomiaru obciążenia przestrzennego noży urabiających na stanowiskach do badania procesu urabiania skał zbudowana jest z dwóch prostokątnych płyt: 1 i 2, pomiędzy którymi rozmieszczone są korzystnie cztery jednoosiowe czujniki nacisku 3 (fig. 2). Czujniki 3 osadzone są w narożnikach płyty 2 na planie prostokąta, którego przekątne przecinają się w punkcie leżącym na osi głowicy pomiarowej, prostopadłej do płyt, pomiędzy którymi zabudowane są czujniki nacisku. Płyta 1 stanowiąca podstawę głowicy pomiarowej posiada otwory dla zamocowania głowicy pomiarowej za pomocą śrub 4 do wychylnego ramienia 5 urządzenia skrawającego wywołującego ruch noża względem powierzchni urabianej skały (fig. 1), bądź nieruchomego elementu stanowiska badawczego

- w przypadku, gdy przemieszczany jest urabiany materiał względem nieruchomego noża.

Do płyty 2 za pomocą przegubu walcowego 7 przymocowana jest zawiasowo płyta uchylna 6. Płyta uchylna 6 połączona jest z kolei z podstawą uchwytu nożowego 10, do której zamontowany (przyspawany) jest uchwyt nożowy 11 z umieszczonym nożem urabiającym 12. Zawiasowe mocowanie płyty uchylnej 6 umożliwia zmianę kąta pochylenia noża urabiającego 12 względem osi głowicy pomiarowej. Nóż urabiający 12 pochylony jest pod katem δ względem osi głowicy pomiarowej 19 urządzenia skrawającego. Kąt δ zależy przy tym od kąta ustawienia płyty uchylnej 6 względem płyty 2. Ustalony jest on korzystnie za pomocą śrub 8 wkręconych w nagwintowane otwory płyty uchylnej 6, opartych o płytę 2. Unieruchomienie płyty uchylnej 6 względem płyty 2 w zadanym jej ustawieniu wynikającym ze stopnia wkręcenia śrub 8 realizowane jest za pomocą śrub blokujących 9 przełożonych przez owalne otwory 17 i 18 płyty 2 i 6 oraz nakrętek 16. W celu niwelacji nierównoległości łączonych przez śruby 9 elementów zastosowane są podkładki kuliste 15 (fig. 4). Dodatkowo, uchwyt nożowy 11

PL 232 553 Β1 wraz z nożem 12 może być odchylony od płaszczyzny skrawania o kąt ε w wyniku odpowiedniego ustawienia uchwytu nożowego 11 na podstawie 10 przed jego zamocowaniem do podstawy 10 (fig. 3). Jednoosiowe czujniki nacisku 3 mają korzystnie postać wydrążonego walca, przez otwór którego przełożona jest śruba 20 mocująca czujnik do płyt, pomiędzy którymi jest on zabudowany. Ze względu na sposób pracy tego rodzaju czujników wymagane jest wywołanie napięcia wstępnego za pomocą śrub mocujących 20. Podstawa uchwytu nożowego 10 posiada owalne otwory 14 pod śruby 13 mocujące podstawę 10 do płyty uchylnej 6 (fig. 3). Otwory te umożliwiają takie ustawienie uchwytu nożowego 11 z nożem urabiającym 12, aby wierzchołek ostrza noża S leżał na osi głowicy pomiarowej 19. Jest to warunkiem koniecznym dla zapewnienia prawidłowej pracy układu czujników nacisku 3, który nie powinien być poddawany działaniu momentu skręcającego względem osi głowicy pomiarowej 19.

Sposób pomiaru obciążenia przestrzennego noży urabiających za pomocą głowicy pomiarowej według wynalazku polega na pomiarze reakcji za pomocą jednoosiowych czujników nacisku 3, korzystnie w czterech punktach podparcia płyty 2. Następnie wyznacza się obciążenie noża urabiającego 12 od oporów urabiania zredukowane do wierzchołka ostrza noża S. Obciążenie przestrzenne noża od oporów urabiania rozkłada się dalej na trzy wzajemnie prostopadłe składowe w postaci siły skrawania P_s prostopadłej do osi głowicy pomiarowej 19 w płaszczyźnie skrawania, siły docisku Pd działającej wzdłuż osi głowicy pomiarowej 19 oraz siły bocznej Pb prostopadłej do płaszczyzny wyznaczonej przez wektory sił P_s i Pd. Korzysta się przy tym z zależności matematycznych wynikających z warunków równowagi przestrzennego układu sił (fig. 5):

p - (^FZI ~ ^FZZ ~ ^pZ3 a ^Pd = ^FZ\ + ^FZ2 + ΛΖ3 + ^ΓΖ4 n Fz}~ Fz2+ Fzi + Fz4)'^{c r}b-----a gdzie:

Fzi,...,Fz4 - siły zmierzone za pomocą czujników nacisku 3 oznaczonych odpowiednio numerami od 1 do 4, a - odległość wierzchołka ostrza noża (S) od dolnej powierzchni płyty 2, b, c - odległości osi czujników nacisku 3 od osi głowicy pomiarowej 19 (połowa boku prostokąta w narożnikach którego rozmieszczone są czujniki 3).

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Głowica pomiarowa zwłaszcza do pomiaru obciążenia przestrzennego noży urabiających na stanowiskach do badania procesu urabiania skał, znamienna tym, że zbudowana jest z dwóch płyt (1) i (2), pomiędzy którymi rozmieszczone są korzystnie cztery jednoosiowe czujniki nacisku (3), osadzone w narożnikach płyty (2), do której za pomocą przegubu walcowego (7) przymocowana jest zawiasowo płyta uchylna (6) połączona z podstawą uchwytu nożowego (10), do której zamontowany jest uchwyt nożowy (11) z umieszczonym nożem urabiającym (12) pochylonym pod katem δ względem osi głowicy pomiarowej (19).
2. 2. Głowica pomiarowa według zastrz. 1, znamienna tym, że kąt δ ustawienia noża urabiającego (12) względem osi głowicy pomiarowej (19) zależy od kąta ustawienia płyty uchylnej (6) względem płyty (2), ustalony jest korzystnie za pomocą śrub (8) wkręconych w nagwintowane otwory płyty (6) opartych o płytę (2) oraz śrub blokujących (9) przełożonych przez owalne otwory (17) i (18) płyty (2) i (6), nakrętek (16) oraz podkładek kulistych (15).
3. 3. Głowica pomiarowa według zastrz. 1, znamienna tym, że podstawa uchwytu nożowego (10) posiada owalne otwory (14) pod śruby (13) mocujące podstawę uchwytu nożowego (10) do płyty uchylnej (6) tak, aby wierzchołek ostrza noża (S) leżał na osi głowicy pomiarowej (19).
4. 4. Sposób pomiaru obciążenia przestrzennego noży urabiających za pomocą głowicy pomiarowej według wynalazku, znamienny tym, że mierzy się reakcje za pomocą jednoosiowych czujników nacisku (3), korzystnie w czterech punktach podparcia płyty (2), następnie wyznacza się obciążenie noża urabiającego (12) od oporów urabiania zredukowane do wierzchołPL 232 553 Β1 ka ostrza noża (S), które rozkłada się na trzy wzajemnie prostopadłe składowe w postaci siły skrawania P_s prostopadłej do osi głowicy pomiarowej (19) w płaszczyźnie skrawania, siły docisku Pd działającej wzdłuż osi głowicy pomiarowej (19) oraz siły bocznej Pb prostopadłej do płaszczyzny wyznaczonej przez wektory sił P_s i Pd.