2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University 10.31897/PMI.2021.5.14 pmi-14897 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/14897 Геотехнология и инженерная геология Geotechnical Engineering and Engineering Geology Mutual spectral densities calculation of the moments of resistance on the peat milling unit working bodies Расчет взаимных спектральных плотностей моментов сопротивления на рабочих органах торфяного фрезерующего агрегата Fomin Konstantin V. Фомин К. В. Fomin Konstantin V. fomin_tver@mail.ru 0000-0002-8153-1115 Тверской государственный технический университет (Россия) Tver State Technical University (Russia) 16 12 2021 2021 251 745 756 19 04 2021 18 10 2021 16 12 2021 © Konstantin V. Fomin 2021 К. В. Фомин Konstantin V. Fomin CC BY 4.0 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/14897

При выполнении технологических операций в торфяной промышленности используются различные агрегаты с рабочими органами фрезерного типа. Они отличаются конструкцией, схемой расположения, количеством и типом режущих элементов, режимами работы, могут иметь один или несколько рабочих органов. При эксплуатации на фрезы действуют случайные силы и моменты, которые имеют резко переменный характер, что связано с периодическим взаимодействием ножей с торфяной залежью, ее структурной неоднородностью, вариацией глубины фрезерования, физико-механических свойств торфа, числа оборотов фрезы и скорости перемещения машины. При этом в элементах конструкции возникают значительные динамические нагрузки, что приводит к снижению их надежности, ухудшению энергетических характеристик работы двигателя и технико-экономических показателей использования. В случае применения машин с несколькими рабочими органами при динамическом анализе элементов привода необходимо знать как спектральные, так и взаимные спектральные плотности нагрузок. Для их расчета получены выражения, которые учитывают физико-механические свойства торфа, режимы работы агрегата и их вероятностные характеристики, а также конструктивные особенности рабочего органа. Выражения получены для случая, когда имеется несколько рабочих органов с одинаковыми диаметрами и числом ножей в плоскости резания. При этом количество плоскостей, ширина, тип режущего элемента и вид резания (блокированное, полублокированное и т.п.) могут различаться. В качестве примера использования разработанных подходов представлен расчет спектральных и взаимных спектральных плотностей моментов на фрезах и нагрузок в элементах привода машины поверхностно-послойного фрезерования МТФ-14.

When performing technological operations in the peat industry, various units with milling-type working bodies are used. They differ in design, layout, number and type of cutting elements, operating modes, and may have one or more working bodies. During operation, random forces and moments act on the cutters, which have a dramatically variable nature, which is associated with the periodic interaction of the knives with the peat deposit, its structural heterogeneity, variations in the milling depth, physical and mechanical properties of peat, the rotational speed of the cutter and the movement speed of the machine. In this case, significant dynamic loads arise in the structural elements, which leads to a decrease in their reliability, deterioration of the energy characteristics of the engine operation and technical and economic indicators of use. In the dynamic analysis of drive elements, when using machines with several working bodies, it is necessary to know both spectral and mutual spectral load densities. For their calculation, expressions were obtained that take into account the physical and mechanical properties of peat, the operating modes of the unit and their probabilistic characteristics, as well as the design features of the working body. The expressions are obtained for the case when there are several working bodies with the same diameters and the number of knives in the cutting plane. In this case, the number of planes, width, type of cutting element and type of cutting (locked, semi-locked, etc.) may differ. As an example of using the developed approaches, the calculation of spectral and mutual spectral densities of moments on cutters and loads in the drive elements of the machine for surface-layer milling MTF-14 is presented.

 Ключевые слова торфяной фрезерующий агрегат фреза динамические нагрузки момент сопротивления модель взаимная спектральная плотность Keywords peat milling unit cutter dynamic loads moment of resistance model mutual spectral density Влияние эксцентриситета рабочего органа торфяного фрезерующего агрегата на частотные свойства момента сопротивления / К.В.Фомин, К.С.Крылов, В.Е.Харламов, Н.Н.Морозихин // Труды Инсторфа. 2020. № 22 (75). С. 38-42. Fomin K.V., Krylov K.S., Kharlamov V.E., Morozikhin N.N. Influence of the eccentricity of the working body of a peat milling unit on the frequency properties of the moment of resistance. Trudy Instorfa. 2020. N 22 (75), p. 38-42 (in Russian). Горлов И.В. Анализ параметров эксплуатации торфяной машины с помощью имитационной модели // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014. № 7. С. 173-177. Gorlov I.V. Analysis of operating parameters of a peat machine using a simulation model. Mining informational and analytical bulletin. 2014. N 7, p. 173-177 (in Russian). Горлов И.В. Влияние пнистости залежи на безотказность торфяных машин / И.В.Горлов, М.Г.Рахутин // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 12. С. 139-145. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-12-0-139-145 Gorlov I.V., Rakhutin M.G. Influence of stumpiness of deposits on the reliability of peat machines. Mining informational and analytical bulletin. 2017. N 12, p. 139-145. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-12-0-139-145 (in Russian). Гусев А.С. Расчет усталостной долговечности элементов конструкций при случайных процессах нагружения сложной структуры / А.С.Гусев, В.И.Щербаков, С.А.Стародубцева // Вестник машиностроения. 2015. № 12. С. 20-23. Gusev A.S., Shcherbakov V.I., Starodubtseva S.A. Calculation of the fatigue life of structural elements under random loading processes of a complex structure. Vestnik mashinostroeniya. 2015. N 12, p. 20-23 (in Russian). Гусев А.С. Статистическая динамика и надежность механических систем с кинематическими, силовыми и параметрическими воздействиями / А.С.Гусев, Л.В.Зинченко, С.А.Стародубцева // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2020. № 5. С. 21-28. DOI: 10.31857/S0235711920050065 Gusev A.S., Zinchenko L.V., Starodubtseva S.A. Statistical dynamics and reliability of mechanical systems with kinematic, force and parametric actions. Problemy mashinostroeniya i nadezhnosti mashin. 2020. N 5, p. 21-28. DOI: 10.31857/S0235711920050065 (in Russian). Ефимов Л.В. Теория и практика крутильных колебаний силовых установок с применением компьютерных технологий. СПб: Наука, 2007. 276 с. Efimov L.V. Theory and practice of torsional vibrations of power plants using computer technology. St. Petersburg: Nauka, 2007, p. 276 (in Russian). Копенкин В.Д. Развитие фрезерующих машин в торфяном производстве (анализ, перспективы) / В.Д.Копенкин, Л.В.Копенкина, Л.Н.Самсонов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003. № 10. С. 204-207. Kopenkin V.D., Kopenkina L.V., Samsonov L.N. Development of milling machines in peat production (analysis, prospects). Mining informational and analytical bulletin. 2003. N 10, p. 204-207 (in Russian). Михайлов А.В. Анализ условий вертикальной выемки торфяного сырья / А.В.Михайлов, Е.А.Родионов, И.Е.Звонарев // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 1. С. 48-54. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-01-0-48-54 Mikhailov A.V., Rodionov E.A., Zvonarev I.E. Analysis of conditions for vertical extraction of peat raw materials. Mining informational and analytical bulletin. 2019. N 1, p. 48-54. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-01-0-48-54 (in Russian). Михайлов А.В. Особенности процесса скоростного фрезерования торфяного массива / А.В.Михайлов, А.О.Лопатюк, Д.И.Шишлянников // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2017. № 2. С. 25-32. Mikhailov A.V., Lopatyuk A.O., Shishlyannikov D.I. High-speed milling of a peat massif process features. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal. 2017. N 2, p. 25-32 (in Russian). Панов В.В. Тенденции развития торфяной отрасли России / В.В.Панов, О.С.Мисников // Горный журнал. 2015. № 7. С. 108-112. DOI: 10.17580/gzh.2015.07.15. Panov V.V., Misnikov O.S. Development trends of the peat industry in Russia. Gornyi zhurnal. 2015. N 7, p. 108-112. DOI: 10.17580/gzh.2015.07.15 (in Russian). Принципы построения модели технического состояния трансмиссии горной машины при ее эксплуатации / С.А.Асонов, П.В.Иванова, С.Л.Иванов, Д.И.Шишлянников // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 3. С. 15-27. Asonov S.A., Ivanova P.V., Ivanov S.L., Shishlyannikov D.I. Principles of building a model of the technical state of the transmission of a mining machine during its operation. Mining informational and analytical bulletin. 2017. N 3, p. 15-27 (in Russian). Самсонов Л.Н. Методика анализа динамической нагруженности приводов торфяных машин послойно-поверхностного фрезерования / Л.Н.Самсонов, К.В.Фомин // Горные машины и автоматика. 2004. № 1. С. 20-24. Samsonov L.N., Fomin K.V. Methods for analyzing the dynamic loading of peat machine drives by layer-by-layer surface milling. Gornye mashiny i avtomatika. 2004. N 1, p. 20-24 (in Russian). Самсонов Л.Н. Определение вероятностных характеристик момента нагружения на рабочем органе торфяного фрезерующего агрегата / Л.Н.Самсонов, К.В.Фомин // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2003. № 3. С. 106-112. Samsonov L.N., Fomin K.V. Determination of the probabilistic characteristics of the loading moment on the the peat milling unit. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal. 2003. N 3, p. 106-112 (in Russian). Самсонов Л.Н. Определение взаимных спектральных плотностей нагрузок на рабочих органах торфяного фрезерующего агрегата / Л.Н.Самсонов, К.В.Фомин // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. № 1. С. 223-226. Samsonov L.N., Fomin K.V. Determination of mutual spectral densities of loads on the peat milling unit working bodies. Mining informational and analytical bulletin. 2002. N 1, p. 223-226 (in Russian). Синицын В.Ф. Компьютерное моделирование поверхности карт торфяных полей / В.Ф.Синицын, Л.В.Копенкина // Труды Инсторфа. 2019. № 19 (72). С. 18-21. Sinitsyn V.F., Kopenkina L.V. Surface maps peat fields computer modeling. Trudy Instorfa. 2019. N 19 (72), p. 18-21 (in Russian). Торфяная промышленность России: итоги прошлого – взгляд в будущее / Б.Ф.Зюзин, О.С.Мисников, Л.В.Копенкина, В.В.Панов // Горный журнал. 2013. № 5. С. 73-76. Zyuzin B.F., O Misnikov.S., Kopenkina L.V., Panov V.V. Peat industry in Russia: results of the past – a look into the future. Gornyi zhurnal. 2013. N 5, p. 73-76 (in Russian). Фомин К.В. Методика оценки спектральной плотности момента сопротивления на рабочем органе торфяного фрезерующего агрегата // Записки Горного института. 2020. Т. 241. С. 58-67. DOI: 10.31897/PMI.2020.1.58 Fomin K.V. Method for estimating the spectrum density of the resistance moment on the working body of a peat milling unit. Journal of Mining Institute. 2020. Vol. 241, p. 58-67. DOI: 10.31897/PMI.2020.1.58 Фомин К.В. Моделирование и анализ момента нагружения на рабочем органе торфяного фрезерующего агрегата // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. № 2. С. 222-226. Fomin K.V. Modeling and analysis of the moment of loading on the working body of a peat milling unit. Mining informational and analytical bulletin. 2002. N 2, p. 222-226 (in Russian). Штин С.М. Исследования по резанию торфа и болотной древесины // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012. № 6. С. 374-376. Shtin S.M. Research on cutting peat and marsh wood. Mining informational and analytical bulletin. 2012. N 6, p. 374-376 (in Russian). Яблонев А.Л. Применение средств современного цифрового тензометрирования при исследовании нагруженности элементов торфяных машин / А.Л.Яблонев, Ю.В.Крутов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 8. С. 200-205. Yablonev A.L., Krutov Yu.V. The use of modern digital strain gauging tools in the study of the loading of peat machine elements. Mining informational and analytical bulletin. 2016. N 8, p. 200-205 (in Russian). Chun Sheng Liu. Shearer Load Identification of the Load Spectrum of the Pick Based on Chaotic Characteristics / Chun Sheng Liu, De Gen Li, Xiao Ping Chen // Advanced Materials Research. 2011. Vol. 199-200. P. 111-114. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.199-200.111 Chun Sheng Liu., De Gen Li, Xiao Ping Chen. Shearer Load Identification of the Load Spectrum of the Pick Based on Chaotic Characteristics. Advanced Materials Research. 2011. Vol. 199-200, p. 111-114. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.199-200.111 Gong Jianchun. Characteristic analysis of random loads on shearer drum // Mining and processing equipment. 2014. Vol. 34. Iss. 8. P. 45-48. Gong Jianchun. Characteristic analysis of random loads on shearer drum. Mining and processing equipment. 2014. Vol. 34. Iss. 8, p. 45-48. Howard R.M. Principles of random signal analysis and low noise design: The power spectral density and its applications. Willey, 2004. 328 p. DOI: 10.1002/0471439207 Howard R.M. Principles of random signal analysis and low noise design: The power spectral density and its applications. Willey, 2004, p. 328. DOI: 10.1002/0471439207 Lalanne C. Mechanical Vibration and Shock Analysis, Random Vibration (Mechanical Vibration and Shock Analysis (3rd Edition)). John Wiley & Sons, 2014. 595 p. DOI: 10.1002/9781118931127 Lalanne C. Mechanical Vibration and Shock Analysis, Random Vibration (Mechanical Vibration and Shock Analysis (3rd Edition). John Wiley & Sons, 2014, p. 595. DOI: 10.1002/9781118931127 Lutes L.D. Random vibrations: analysis of structural and mechanical systems / L.D.Lutes, S.Sarkani. Butterworth-Heinemann, 2004. 650 p. Lutes L.D., Sarkani S. Random vibrations: analysis of structural and mechanical systems. Butterworth-Heinemann, 2004, p. 650. Medolago A. A flexible multi-body model of a surface miner for analyzing the interaction between rock-cutting forces and chassis vibrations / A.Medolago, S.Melzi // International Journal of Mining Science and Technology. 2021. Vol. 31. Iss. 14. Medolago 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. Vol. 31. Iss. 14, Michailov A.V. An integrated approach to strip mining of peat / A.V.Michailov, A.I.Zhigulskaya, O.M.Garmaev // International Conference on Innovations and Prospects of Development of Mining Machinery and Electrical Engineering, 24-27 April 2019, Saint Petersburg, Russian Federation. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019. Vol. 378. № 012087. DOI: 10.1088/1755-1315/378/1/012087 p. R713-R715. DOI: 10.1016/j.ijmst.2021.03.006 Misnikov O.S. Basic technologies and equipment used for peat deposit development in foreign countries // IIIrd International Innovative Mining Symposium, 3-5 October 2018, Kemerovo, Russian Federation. E3S Web Conference, 2018. Vol. 41. № 01046. DOI: 10.105/e3sconf/20184101046 Michailov A.V., Zhigulskaya A.I., Garmaev O.M. An integrated approach to strip mining of peat. International Conference on Innovations and Prospects of Development of Mining Machinery and Electrical Engineering, 24-27 April 2019, Saint Petersburg, Russian Federation. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019. Vol. 378. N 012087. DOI: 10.1088/1755-1315/378/1/012087 Nestorides E.J. Handbook of torsional vibration. Cambridge University Press, 2011. 694 p. Misnikov O.S. Basic technologies and equipment used for peat deposit development in foreign countries. IIIrd International Innovative Mining Symposium, 3-5 October 2018, Kemerovo, Russian Federation. E3S Web Conference, 2018. Vol. 41. N 01046. DOI: 10.105/e3sconf/20184101046 Simulation and Study of Random Loads on Continuous Miner Cutting Drum / Xiao Huo Li, Xin Wei Yu, Xiao Hong Ma, Ying Bo Zhao // Advanced Materials Research. 2011. Vol. 308-310. P. 1885-1888. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amr.308-310.1885 Nestorides E.J. Handbook of torsional vibration. Cambridge University Press, 2011, p. 694. Svetlitsky V.A. Statistical dynamics and reliability theory for mechanical structures. Springer, 2003. 452 p. DOI: 10.1007/978-3-540-45826-5 Xiao Huo Li, Xin Wei Yu, Xiao Hong Ma, Ying Bo Zhao. Simulation and Study of Random Loads on Continuous Miner Cutting Drum. Advanced Materials Research. 2011. Vol. 308-310, p. 1885-1888. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amr.308-310.1885 Zhao L. Reability rescearch on shearer cutting unit based on multi-body dynamics / Zhao Li-juan, Ma Yong-zhi // Journal of China Coal Society. 2009. Vol. 34. № 9. P. 1271-1275. Svetlitsky V.A. Statistical dynamics and reliability theory for mechanical structures. Springer, 2003, p. 452. DOI: 10.1007/978-3-540-45826-5