Исследование процесса разрушения горных пород при обработке алмазным дисковым инструментом

Ахметшин, Айрат Марсович

Автореферат диссертации по теме "Исследование процесса разрушения горных пород при обработке алмазным дисковым инструментом"

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

АХМЕТШИН Айрат Марсович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОБРАБОТКЕ АЛМАЗНЫМ ДИСКОВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2005

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Першин Геннадий Дальтонович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Латышев Олег Георгиевич

Ведущая организация - ОАО «Институт Уралгипроруда» (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится «27» декабря 2005 г. в 13— часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Сухов Рудольф Иванович

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат диссертации разослан «26» ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

¿006-у

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Повышенное внимание общества в последнее время к таким требованиям товаров и услуг, как надежность, долговечность, выразительность и экологичность привело к предпочтению в выборе в качестве строительного, облицовочного и художественно-декоративного материала - природного камня. Доля применения этого «самого древнего и самого современного отделочного материала» в архитектуре, строительстве, технике, художественной обработке неумолимо растет из года в год. Требования рынка как к объемам выпускаемой продукции, так и к разнообразию по физико-механическим свойствам, цветовой гамме и фактурным рисункам, обуславливают наращивание мощностей действующих, а также введение в эксплуатацию разведанных месторождений природного камня, возникновение новых камнедобывающих и камнеперерабатывакнцих предприятий.

Основной показатель, определяющий величину спроса на изделия из природного камня, - это цена, которая может быть снижена путем уменьшения себестоимости готовой продукции.

В процессах добычи и переработки природного камня основная доля затрат связана с износом дорогостоящего алмазного инструмента. При этом износ инструмента сильно зависит от режимов его эксплуатации. Так, при эксплуатации добычного оборудования в области рациональных режимов стоимость алмазного инструмента составляет 75 % от общей стоимости затрат на отделение блока от массива, а при эксплуатации перерабатывающего - 52 % от стоимости операции на обработку. Если алмазный инструмент используется в режимах, отличных от рациональных, то этот показатель значительно возрастает. Поэтому с целью снижения себестоимости и повышения конкурентоспособности готовой продукции изделий из природного камня необходимо установить рациональные режимы пиления, фрезерования и шлифования алмазным инструментом, при которых расход алмазного инструмента будет минимален.

Процесс переработки природного камня связан с большим объемом распиловочных работ. Основным инструментом в данных операциях являются алмазные диски. Несмотря на значительный период применения алмазного дискового инструмента и многочисленные эксперименты по выявлению факторов и степень их влияния на износ, до сих пор нет единых рекомендаций по рациональным режимам эксплуатации. В настоящее время предлагаемые рекомендации исследовательских институтов и фирм изготовителей алмазного инструмента не дают исчерпывающей информации об области рациональных режимов пиления алмазным дисковым инструментом. Поэтому установление режимов работы алмазного дискового инструмента, при которых наработка его будет максимальна, а эксплуатационные затраты на процесс обработки - минимальными, является актуальной задачей.

Объект исследований: процесс поверхностного разрушения горных пород под воздействием алмазно-абразивного инструмента.

Предмет исследований: физико-технические параметры горных пород в процессах распиловки алмазным дисковым инструментом.

Цель работы: повышение эффективности работы поверхностного разрушения горных пород алмазным дисковым инструмента

Идея работы: достижение минимума удельных затрат процесса поверхностного разрушения горных пород обеспечивается оптимизацией режимных параметров.

Основные задачи исследований:

■ выявление параметров, влияющих на интенсивность износа материала горной породы при воздействии на нее алмазно-абразивного инструмента и составление классификации по трудоемкости обработки в процессах пиления, шлифования;

■ установление режимов воздействия инструмента на породу, при которых наблюдается минимальный удельный износ режущей поверхности алмазного инструмента и выявление зависимости данных режимов с физико-механическими свойствами обрабатываемой породы и конструкционными особенностями инструмента;

• выдача рекомендаций по рациональным режимам воздействия алмазного

инструмента на горную породу применительно к классам по трудоемкости обработки природного камня, обеспечивающих минимальные затраты на распиловку единицы поверхности.

Методы исследований включают анализ опыта эксплуатации алмазно-абразивного инструмента в процессах добычи и переработки природного камня; экспериментальные исследования влияния режимов воздействия на энергосиловые показатели процесса распиловки алмазным дисковым инструментом и их зависимость от физико-механических свойств; статистическая обработка результатов; аналитические расчеты по установлению рациональных режимов процесса распиловки алмазным дисковым инструментом.

На защиту выносятся научные положения:

1. Поддержание показателя обрабатываемости в области максимальных значений в процессах поверхностного разрушения природного камня алмазно-абразивным инструментом обеспечивает минимальный уровень удельных эксплуатационных затрат.

2. Объем диспергированной породы при ее поверхностном разрушении алмазно-абразивным инструментом в режиме оптимальных технологических параметров предлагается оценивать показателем обрабатываемости природного камня. При этом количественная оценка показателя относительной обрабатываемости, производимая с учетом таких физико-механических свойств природного камня как твердость и модуль упругости, позволяет ранжировать его по степени сопротивляемости поверхностному разрушению в рамках единой универсальной классификации.

3. Каждому значению длины контакта дискового инструмента с распиливаемой породой соответствует определенное значение нормального давления, при котором показатель обрабатываемости имеет максимальное значение.

4. Увеличение длины контакта инструмента с породой с соблюдением оптимального силового режима ведет к повышению показателя ее обрабатываемости до величины абсолютного максимума, а затем к снижению, что обусловлено совместным влиянием на среднюю величину заглубления алмазных зерен длины контакта и удельного нормального усилия с учетом зашламовывания межконтактного пространства.

Научная новизна работы состоит в установлении:

■ зависимости показателя относительной обрабатываемости природного камня от физико-механических свойств горных пород и степени внедрения алмазных зерен инструмента в породу;

■ зависимости показателя обрабатываемости от контактного давления и длины контакта в процессах распиловки горных пород алмазным дисковым инструментом;

■ рациональных режимных параметров для каждого класса обрабатываемости горных пород единой универсальной классификации с учетом зернистости и концентрации алмазов дискового инструмента.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований, результатов экспериментов и данных практики.

Практическая значимость работы состоит в разработке методики оценки и составлении единой классификации обрабатываемости природного камня алмазно-абразивным инструментом, учитывающей физико-механические свойства горных пород, конструкционные особенности инструмента и силовой режим воздействия; установлении рациональных режимных параметров распиловки алмазным дисковым инструментом в пределах каждой категории предложенной классификации.

Личный вклад автора состоит в проектировании и сборке экспериментального стенда по распиловке природного камня алмазным дисковым инструментом; проведении стендовых экспериментов по распиловке природного камня алмазным дисковым инструментом с целью выявления энергосиловых показателей процесса пиления; установлении взаимосвязи между энергетическими показателями и режимными параметрами процесса пиления природного камня в промышленных условиях; лабораторном определении показателей микротвердости и твердости по Бринеллю природного камня и определении связи между данными физико-механическими свойствами; установлении рациональных алмазосберегающих режимов распиловки природного камня алмазным дисковым инструментом.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, выводы и рекомендации могут быть использованы при подготовке и реализации проектов строительства и реконструкции камнеперерабатывающих предприятий.

Апробация работы: результаты, основные положения докладывались на международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня» (Магнитогорск, 2003, 2004, 2005 гт.); всероссийской научно-технической конференции «Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (Красноярск, 2003 г.); международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатывающей промышленности» (Москва, 2004 г.); ежегодных научно-технических конференциях Ml ТУ (Магнитогорск, 2003, 2004, 2005 гг.); научно-практическом семинаре «Особенности организации работ и применения оборудования в карьерах при различных технологиях добычи природного камня» (Екатеринбург, 2005 г.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 94 наименований, приложения и содержит 125 с. машинописного текста, 31 рисунок, 25 таблиц.

Работа выполнена при финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования РФ и Правительства Челябинской области.

Автор выражает глубокую благодарность проф., д-ру техн. наук Першину Г.Д., доц., канд. техн. наук Олизаренко В.В., доц., канд. техн. наук Исмагилову К.В. и сотрудникам кафедры МиЭГП за постоянное внимание, ценные советы и оказанную помощь при выполнении работы.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены объект и предмет исследований, поставлена цель и задачи исследований, выбраны методы исследований, сформулированы научные положения, указана научная новизна и личный вклад автора, отмечена практическая ценность, реализация и апробация работы.

В первой главе по результатам анализа процессов абразивного разрушения материалов отмечено отсутствие исчерпывающей информации по выбору рациональных режимов распиловки природного камня алмазным дисковым инструментом по физико-механическим свойствам камня и характеристикам инструмента, сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе показан способ достижения алмазосберегающих режимов путем минимизации энергетического баланса процесса поверхностного разрушения горных пород алмазно-абразивным инструментом, рассмотрен механизм разрушения поверхности породы единичным резцом алмазного инструмента как основа составления единой универсальной классификации обрабатываемости, установлена область применения выведенных закономерностей для алмазного инструмента в целом, выведены закономерности между кинематическими и энергосиловыми показателями процесса пиления алмазным дисковым инструментом.

В третьей главе определены показатели относительной обрабатываемости горных пород алмазно-абразивным инструментом, дана методика проведения испытаний, произведена оценка погрешностей средств измерения, определены показатели твердости распиливаемых пород и параметры инструмента при распиловке горных пород на экспериментальном стенде и мостовом фрезерно-окантовочном станке.

В четвертой главе приведена классификация обрабатываемости природного камня алмазно-абразивным инструментом, произведен анализ экспериментов и выданы рекомендации по рациональным алмазосберегающим режимам распиловки природного камня алмазным дисковым инструментом применительно к каждой категории обрабатываемости предложенной классификации, обоснованы рациональные режимы, как соответствующие минимуму эксплуатационных затрат.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Многочисленные экспериментальные исследования работы алмазного инструмента при добыче и обработке природного камня позволили выявить зависимость между физико-механическими свойствами горных пород или комплексными показателями, их оценивающими, и рациональными режимами работы

добывающего и обрабатывающего горного оборудования, обеспечивающими минимальный удельный износ дорогостоящего алмазного инструмента.

Изучению процесса разрушения горных пород алмазно-абразивным инструментом посвящены работы В.А. Александрова, З А. Берберяна, Г.А. Блинова, К.С. Варданяна, В.В. Василевского, Н.К. Вересова, И.В. Волуева, А.Ф. Кичигина, Б.Л. Оситинского, Г.Д. Першина, Е.К. Субботина, Ю.И. Сычева, В.Р. Ткача, Ю.А. Черкашина и многих др.

Ввиду широко растущего спроса рынка на изделия из природного камня и требований к разнообразию выпускаемой продукции вводится в эксплуатацию все большее число новых месторождений. Для повышающихся объемов сырья при их обработке требуется установление рациональных режимов.

Существующие рекомендации не располагают исчерпывающей информацией, а установление рациональных режимов для каждой конкретной стадии обработки статистическим путем - трудоемкая и дорогостоящая операция. Анализ практики камнеобрабатывающих предприятий указывает на востребованность разработки методики по установлению рациональных режимов обработки природного камня алмазно-абразивным инструментом.

Для количественной оценки показателей производительности распиловки, фрезеровки и шлифовки природного камня Я, удельного расхода (износа) инструмента Яуд и потребляемой в процессе контактного взаимодействия инструмента с породой внешней удельной энергии Ауд использовались формулы проф. Г.Д. Першина, полученные на основании энергетической теории поверхностного разрушения горных пород алмазно-абразивным инструментом:

п^'к^к-ьЬ'чъ (1)

и _эп 4 .

уд п.ъ эи 4

(2)

а Ж (3)

^'п-ъ " Д " £

где К/7 - скорость подачи инструмента на породу, м/с; А — глубина (высота) пиления, фрезерования, съема при шлифовании, м; црП - коэффициент разрушения породы; Эп=2Ла-Нв - энергоемкость материала породы, Дж/м3; А„=г/осж - отношение пределов прочности на сдвиг и сжатие; Нв - шариковая проба на твердость по Бринеллю, Па; к>, - коэффициент приведения длины контакта инструмента с породой к высоте (глубине) пиления, фрезерования, съема при шлифовании; кп - коэффициент прерывистости режущей поверхности инструмента; УР - скорость линейного перемещения инструмента относительно разрушаемой породы, м/с; И - интенсивность износа инструмента, м3/с; Ь - ширина разрушаемой зоны, м; Э# - энергоемкость разрушения материала инструмента, Дж/м3; цРи - коэффициент разрушения режущей кромки инструмента; N - мощность распиловки, Вт; утр — коэффициент взаимного трения инструмента и породы; - коэффициент разрушения.

Высокая эффективность процесса поверхностного разрушения алмазно-абразивным инструментом обеспечивается следующими условиями поддержания данных параметров:

П—*тах, Яуд-+тт, Ауд-нтп.

В качестве показателя, объединяющего все технологические критерии эффективности процесса обработки, используется экономическое условие минимальных удельных затрат, связанных непосредственно с конкретной операцией обработки камня:

.МСэЛд+Си-Гл-^С^+СпС <4>

где - удельные затраты на алмазно-абразивную обработку, руб/м2; С0 - стоимость одного часа работы оборудования без учета стоимости инструмента и электроэнергии, руб./ч; Сэ - стоимость электроэнергии в единицу времени, руб./кВт-ч; Сц - стоимость одного карата алмазов в инструменте, руб./кар; Кцо - коэффициент использования камнедобывающего или к&мнеобрабатывающего оборудования во времени; уА - масса алмазов в каратах, содержащихся в единице объема алмазонесущего слоя инструмента, кар/м3; Сл0, зп - удельные затраты на амортизационные отчисления станка и заработную плату оператору станка, руб/м2; СИА - удельные затраты, связанные с износом алмазного инструмента и потреблением электроэнергии, руб/м2.

Наибольшее влияние на удельные затраты С$ (4) оказывает удельный расход алмазного инструмента ЯУд в связи с высокой стоимостью последнего. Для обеспечения максимальной стойкости алмазного инструмента, согласно энергетической теории поверхностного разрушения горных пород алмазно-абразивным инструментом, необходимо установление режимных параметров, обеспечивающих поддержание удельной работы разрушения в области минимальных значений (3). Данному условию будут соответствовать минимальные затраты на непроизводительные силы, определяемые коэффициентами и (1рИ, и максимальный показатель обрабатываемости процесса поверхностного разрушения, оцениваемый соотношением цРп/ Эп.

Исследования процесса поверхностного разрушения горной породы алмазно-абразивным инструментом базируются на анализе и расчете взаимодействия единичного абразивного резца с плоской поверхностью. Предельная величина упругого деформирования поверхности породы, соответствующая зоне перехода в область хрупкого разрушения, определится из совместного решения контактных задач Герца и Бринелля для индентора шаровой формы:

ЭуПР • ку = Эхр, (5)

где Бупр=ж-ауПр2 - площадь отпечатка упругого взаимодействия, м2; аУПр=((9/1б)тР3-(1-у2)/Е)'/3 - радиус упругого контактирования, м; Рз - сила нормального давления зерна на породу, Н; V, Е - коэффициент Пуассона и модуль упругости Юнга породы, м/м, МПа; г - радиус алмазного зерна, м; -

площадь отпечатка хрупкого разрушения, м2; аХр=(Ру/7гИв)"2 - радиус пятна разрушения, м.

По уравнению (5) определен индекс категории обрабатываемости горной породы в режиме упруго-хрупкого разрушения через ее физико-механические свойства:

• * "в Рр (6)

при условии Рз=СОПЗ( и г=соШ.

Данный комплексный показатель Кц является физическим условием определения категории обрабатываемости горной породы единичным алмазно-абразивным зерном, когда выполняется условие постоянства нормальной нагрузки на алмазное зерно одного и того же размера.

В этом случае показатель обрабатываемости оценивается следующим выражением:

(9)Х (1 -у>р-"] (7)

Эя Ы Ы '

где п=О - соответствует процессу хрупкого разрушения; и=1 - соответствует началу процесса упруго-хрупкого контактирования.

В реальных условиях процесс резания осуществляется множеством алмазных зерен. С целью выявления применимости полученной аналитической зависимости (7) к процессам обработки природного камня алмазно-абразивным инструментом рассмотрен процесс разрушения элементом поверхности алмазного инструмента, имеющим ориентированное расположение алмазных зерен (рис. 1), что позволяет не

Рис. 1. Поверхность режущего элемента алмазного инструмента с ориентированным

расположением зерен

учитывать балластные включения. В этом случае соотношение скоростей подачи и резания, согласно кинематической теории, примет вид:

УР г ' I

где Н^г - средняя величина относительного заглубления алмазных зерен в породу; I -шаг линейной упаковки активно работающих алмазных зерен на поверхности режущего элемента, м.

Заглубление алмазных зерен в поверхность разрушаемой породы определяется с учетом твердости породы по Бринеллю и поверхностной концентрации зерен, задняя полуповерхность которых разгружена вследствие перемещения инструмента относительно породы:

г Л-я-r1 -Нв-п°

где nF° — количество активных алмазных зерен, приходящееся на единицу рабочей поверхности режущего элемента, шт/м2.

Сравнение выражений (8), (9), производительности П по энергетической теории поверхностного разрушения породы алмазно-абразивным инструментом (1) и показателя энергоемкости Эп для геометрических зависимостей sin <р=а/г и п°=(2-гЬу' (см. рис. 1) позволяет вывести коэффициент разрушения породы алмазно-абразивным инструментом с учетом множественного контакта активно работающих зерен:

к

Г.Д. Першиным получен

(И)

Ранее проведенными исследованиями проф. коэффициент разрушения породы единичным резцом:

А."

п а

Зависимости (10) и (11) дают возможность установления области применения энергосиловых закономерностей для единичного резца к процессу, в котором разрушение поверхности породы ведется множеством алмазных зерен:

и" 1

_(12)

eos <р

К

0,25 0,2 0,15 0,1 0,05

ч.

<

\ У /

S-

0,1 0,2 0,3 0,4

Уг

Рис. 2. Зависимости коэффициентов разрушения породы от показателя относительного внедрения алмазного зерна в породу

Приведенные на рис. 2 графические зависимости показывают, что при малых относительных заглублениях алмазных зерен в поверхность породы /гуг<0,15, когда расчет коэффициента разрушения можно вести без учета множественности контакта, то есть моделируя поверхность алмазорежущего элемента единичным индентором шаровой формы. Отмеченный силовой режим характерен для процессов шлифования и резания горных пород алмазно-абразивным инструментом. Показатель обрабатываемости ц"/ Эп процессов шлифования и резания определяется зависимостью взаимодействия единичного резца с поверхностью породы (7).

При неизменном скоростном и силовом режимах показатель относительной обрабатываемости определяется следующим образом (в качестве эталона принят мрамор Коелгинского месторождения как наиболее распространенный вид камня):

П эт

ко -

MÏ,

К

*Уг

Е,

(13)

П,

к

■Е,

1ют ^эт

'п '

где п - показатель, зависящий от силового режима нагружения или степени заглубления алмазных зерен в поверхность породы.

Таким образом, для группы пород, имеющих одинаковый упруго-прочностной показатель Кн, трудоемкость обработки алмазным инструментом определится соотношением их модулей упругости Е. Выведенная зависимость (13) позволяет создать единую универсальную классификацию обрабатываемости природного камня по физико-механическим свойствам, критерием границ классов для которой служит коэффициент Кн (рис. 3). Данная классификация является универсальной для процессов обработки природного камня алмазно-абразивным инструментом, таких, как резание дисковыми, штрипсовыми и канатными пилами, фрезерование торцевыми плоскими и фигурными фрезами и шлифование обдирочное, грубое и получистовое. Она характеризует при одинаковых технологических условиях обработки одним и тем же инструментом относительную степень трудоемкости процесса разрушения испытуемого камня (в данном случае этим показателем является техническая производительность оборудования).

10000т

МПаиоо- ^Кн=4'8

6000

4000

2000

0 20 40 60

Е-Ю'.МПа

Рис. 3. Ранжирование природных камней по коэффициентам Кн

По результатам экспериментальных исследований силовых и энергетических параметров при царапании горной породы единичным алмазным зерном выведено значение коэффициента «: для процесса шлифования - 1,5; для процесса пиления -0,5.

По зависимости (13) спектр горных пород был проранжирован по физико-механическим свойствам для степени /»=1,5, соответствующей процессам шлифовки горных пород алмазно-абразивным инструментом. Группы пород, имеющие одинаковый показатель Кн, были объединены в единую категорию обрабатываемости, в которой значение трудоемкости определяется соотношением модулей упругости (см.

рис. 3). Сравнение результатов аналитических исследований с результатами экспериментов по сошлифовке природных камней 87 месторождений в границах бывшего СССР при соблюдении одинаковых силового и скоростного режимов, проведенных в Научно-исследовательском институте камня и силикатов под руководством проф. З.А. Ацагорцяна, указывает на правильность подхода оценки механизма поверхностного разрушения алмазно-абразивным инструментом.

Таблица 1

Классификация природного камня по обрабатываемости _алмазно-абразивным инструментом_

о & Категория Наименование горных пород Кн Показатель относительной обрабатываемости

£ шли-фуемос-ти пили-мости

I 1 Туфы: ереванский, артикский, бюраканский, фельзитовый, анийский 0,1 менее 0.5 менее 0.5

2 Известняки: дуванинский, дзегамский. Травертины: вединский, шахтахтинский 0,5 0.5-Ю.9 0.5-0.85

II 3 Мраморы: коелгинский, мраморской, агверанский, газганский, уфалейский, маймехский, салиэтский, кибиккордонс-кий, пуштулимский, садахлинский, иджеванский, молиетский, черновский, лопотский, ороктойский 1 0.9-2 0.8-2.5

4 Базальты: пакарский, норкский, ровненский. Долериты: Черная сопка. Периодиты: шоржинский 1,8 2-4 2-3

III 5 Гранодиориты: рассахинский, корфовс-кий. Лабрадориты: головинский. Габбро: рикотское. Тешениты: курсебский 2,7 4-6.5 3-4.5

6 Граниты: капустинский, памбакский, гурмакский, корнинский. Диориты: клессовский 3,5 6.5-10 3.8+6

IV 7 Граниты: богуславский, жежелевский, лезниковский, возрождение, токовский, коростышевский, исетский, кудашевс-кий, гольцы, каарлахтинский, судилковс-кий, константиновский, емельяновский. Кварциты: юксовский 4,3 8.5-12.5 4+6.5

V 8 Граниты: Кашина гора, каменногорский, Герман остров. Кварциты: шокшинский 4,8 9-5-16 4.5+10

В табл. 1 приведены типичные представители горных пород, которые образуют 5 классов и 8 категорий обрабатываемости в рамках единой универсальной классификации.

Таким образом, в пределах каждой категории можно рекомендовать рациональные режимы обработки природного камня, обеспечивающие минимальную удельную работу разрушения и как следствие минимум удельного расхода алмазного инструмента и удельных затрат на данный процесс обработки.

С целью выявления закономерностей изменения удельной работы распиловки алмазным дисковым инструментом от режимных параметров был спроектирован и создан испытательный стенд, позволяющий варьировать следующие режимы:

■ контактное давление инструмента на породу <т„=0-17 МПа;

■ глубина пропила НР=0-90 мм;

■ частота вращения выходного вала п-1750+3950 об/мин.

Испытанию на стенде подверглись следующие виды камня: мрамор Редутовского месторождения (Нм~2002 МПа), мрамор Рыскужинского месторождения (Нм=1652 МПа), габбро-норит месторождения Шрау-Тау (Нм=3500 МПа), гранит Мансуровского месторождения (Нм=6720 МПа). Результаты обработки выявили следующего рода закономерности (рис. 4).

Экспериментальные данные указывают на наличие оптимального силового режима, при поддержании которого наблюдается процесс пиления с максимальным показателем обрабатываемости (рис. 5), то есть соответствующий рациональной области минимальных удельных затрат.

1600 п

2000

МДж

14 16 18

<т„, МПа

Рис. 4. Экспериментальные зависимости удельных работ распиловки мрамора Редутовского и гранита Мансуровского месторождений от контактного давления

и глубины пропила

Показатель обрабатываемости при этом аппроксимируется квадратичной функцией вида (при степени достоверности Р?=0,8):

(14)

а, '<т_-а,-а:

где а/=Л/аг= А21/ - функции длины контакта инструмента с породой, характеризующие взаимное влияние эффектов улучшения условий поверхностного разрушения алмазными зернами инструмента породы и зашламовывания

межконтактного пространства продуктами разрушения; А/, А2 - константы; т, р -показатели степени (табл. 2).

Таблица 2

Расчетные показатели процесса распиловки природного камня _ алмазным дисковым инструментом ___

3 Месторождение, порода АгЮ4 т АгЮ' Р А3 Я А4 5

«

3 Редутовское, мрамор 326 2,16 4527 3,8 0,04 1,6 532,7 0,05

5 Шрау-Тау, габбро-норит 4,3 0,54 18,54 1,7 0,12 1,17 70,85 0,8

7 Мансуровское, гранит 2,4 0,41 3,64 1,2 0,33 0,79 332,8 0,16

Щ 0,16 Ауц> 0,14

МД*У10.12

. н9 '

0.0» 0,0» 0,04 0,02 0

О 2 4 6 в 10 12 14 16 1«

сг„, МПа

Рис. 5. Экспериментальные зависимости показателя обрабатываемости процесса распиловки мрамора Редутовского месторождения от контактного давления инструмента на породу для различных величин глубины резания

Определение экстремального значения (14) путем дифференцирования показателя обрабатываемости по контактному давлению позволяет установить оптимальный режим распиловки:

оп (15)

" 2-а2 I*

где Аз - константа; д - показатель степени (табл. 2).

Для оптимальных силовых режимов по зависимости (9) установлен параметр средней величины относительного заглубления алмазных зерен в породу (рис. 6).

Производительность распиловки горных пород алмазным дисковым инструментом, соответствующая максимальным значениям показателя обрабатываемости (минимуму удельной работы поверхностного разрушения алмазно-абразивным инструментом), определится, согласно уравнениям (1), (14), (15), зависимостью:

поп - А. (16)

1'к

где А4 - константа; л - показатель степени (см. табл. 2). Для процесса распиловки, согласно коэффициентам обрабатываемости, рекомендованы по результатам экспериментов следующие показатели производительности, обеспечивающие поддержание рационального силового режима (табл. 3).

^0,14 Г 0.12 0,10 0,08 0,08 0,04 0,02 0

О 20 40 60 80 100 120 140 1в0

!к, ММ

Рис. 6. Зависимости оптимального заглубления алмазных зерен в породу от длины

контакта инструмента с породой (1 - мрамор Редутовского; 2 - мрамор Рыскужинского; 3 - габбро-норит Шрау-Тау; 4 - гранит Мансуровского; 5 - долерит Северо-Бускунского месторождений)

Для выдачи рекомендаций режимов распиловки алмазным дисковым инструментом, обеспечивающих максимальные значения показателя обрабатываемости (минимальную удельную работу распиловки), наряду с оптимальным силовым режимом необходимо установить оптимальную длину контакта инструмента с породой, характеризующую эффект зашламовывания межконтактного пространства. По результатам экспериментов установлены оптимальные значения длины контакта алмазного дискового инструмента с породой Данный режимный параметр выбран по условию достижения абсолютного максимума показателя обрабатываемости (ррП/Эп)^АХ (см. табл. 2) для оптимальных значений , Йр у« О.» 0,18

0,14 0,12 0,10 0,08

0,03 0,04 0,05 0,0« 0.07 0,08 0,09

>К,М

Рис. 7. Зависимость показателя обрабатываемости для оптимальных силовых режимов от длины контакта инструмента с породой процесса распиловки габбро-норита месторождения Шрау-Тау дисковым инструментом АОК 230

контактного давления сг„оп. Аппроксимация зависимости (мрП>/Эп)ШХ~"~/(1к) полиноминальным квадратичным уравнением для горных пород, подвергшихся распиловке (рис. 6), позволяет рекомендовать рациональные значения длины контакта (табл. 3).

Таблица 3

Рекомендации режимов распиловки горных пород алмазным диском

Класс Категория Микротвердость Нм, МПа Показатель относительной пил им ости Ко Производительность дисковой пилы ПРАЦ, см2/мин Длина контакта инструмента с породой 1/АЦ, М

I 1 Менее 500 Менее 0,5 Свыше 2824 0,13 и более

2 500*1000 0,5*0,85 1661-2824 0,13 и более

II 3 1000*2000 0,8*2,5 565-И 765 0,055*0,21

III 4 2000*3000 2*3 471*706 0,055-Ю,081

5 3000*4000 3*4,5 314-471 0,046*0,071

IV 6 4000*5500 3,8-6 235-371 0,046*0,067

7 5500-7000 4*6,5 217*353 0,045*0,067

V 8 Свыше 7000 4,5*10 141*314 0,045 и менее

Таблица 4

Сопоставление показателей оптимальных силовых режимов распиловки долерита Северо-Бускунского месторождения на экспериментальном стенде (инструмент АОК _230) и фрезерно-окантовочном станке (инструмент АПДС 600)_

Длина Инструмент Инструмент Относительная

контакта АОК 230 АПДС 600 ошибка А, %

к, мм глубина глубина Аз /г

пропила И, пропила к,

мм мм

54,85 12,8 0,0195 5 0,0258 24,3

69,44 20,3 0,0174 8 0,0217 19,9

85,14 30,1 0,0158 12 0,0183 13,9

95,П 37,3 0,0149 15 0,0166 10

110,16 48,9 0,014 20 0,0141 1

В промышленных условиях были проведены эксперименты по распиловке долерита Северо-Бускунского месторождения (Нм=6135 МПа) на мостовом фрезерно-окантовочном станке диском АПДС 600 (ООО «Камни Урала», г. Сибай). Величины относительных заглублений, соответствующие минимальным значениям удельной работы распиловки (максимальным значениям показателя обрабатываемости), определенные по (9) и представленные графически на рис. 6, показывают удовлетворительную сходимость результатов стендовых и промышленных экспериментов (табл. 4).

Полученные результаты позволяют выдать рекомендации по распиловке природных камней алмазным дисковым инструментом. В качестве примера в табл. 5 приведены оптимальные режимы распиловки инструментом диаметром 1250 мм.

Таблица 5

Рациональные алмазосберегающие режимы распиловки горных пород алмазным _дисковым инструментом диаметром ¿?=1250 мм _

Категория Порода, месторождение Зернистость Оптимальное относительное заглубление зерен И30п/г Глубина пропила А, мм Производительность Я, см2/мин

3 Мрамор Редуговское 800/630 0,02 34,9 973

5 Габбро-норит Шрау-Тау 630/500 0,04 1,7 326

7 Гранит Мансуровкое 500/400 0,02 1,7 204

Анализ зависимости удельного расхода алмазного дискового инструмента от величин режимных параметров распиловки при обработке природного камня, по результатам экспериментов, проведенных при ВНИИалмазе инж. В.В. Василевским, позволяет утверждать, что область максимума показателя обрабатываемости (минимума удельной работы) соответствует рациональным режимам и 1КРЛЦ

работы инструмента, обеспечивающим наименьший износ режущей кромки (рис. 8). а б

С1 не-

Ауд |

ЬР г-—1 1

1 С, — с» А

0 — п1- - . .. ш ф

а э

м

МИН

Рис. 8. Зависимости удельной работы и удельных затрат от: а) от глубины резания для Уп=б м/мин, б) от скорости подачи для НР=2 мм при распиловке гранита Янцевского месторождения алмазным дисковым инструментом АПДС 500-А50-М1-25%

Расчетный экономический эффект от внедрения рекомендуемых режимов на примере распиловки гранита Мансуровского месторождения на пассировочном однодисковом станке инструментом диаметром £>=1250 мм составляет 74,5 руб/мг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся законченной квалификационной работой, дано новое решение актуальной научно-практической задачи повышения эффективности работы дисковых пил путем оптимизации физико-технических параметров природных камней.

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. На основе аналитических исследований выявлено, что стойкость алмазного инструмента, отнесенная к единице площади пропила, прямо пропорциональна

величине показателя обрабатываемости или обратно пропорциональна величине удельной работы, что подтверждено анализом экспериментальных данных по бурению, шлифованию и пилению алмазным инструментом горных пород.

2. Установлена относительная трудоемкость обработки природного камня алмазно-абразивным инструментом при одинаковых режимах нагружения, которая оценивается соотношением индексов категорий. Индекс категории обрабатываемости, равный (Кц/Е2'3), устанавливает степень разрушаемое™ горной породы единичным алмазным резцом при упруго-хрупком контакте.

3. Установлена зависимость коэффициента разрушения породы множественного контакта от коэффициента разрушения породы единичным резцом, позволяющая в интервале от 0 до 0,14 средней величины относительного заглубления алмазного зерна в породу описывать процесс резания множеством зерен инструмента процессом резания единичным резцом при относительной ошибке до 15 %.

4. Определены аналитически зависимости коэффициентов относительной обрабатываемости от индекса категории и силового режима нагружения для процессов шлифования и пиления, которые позволяют производить расчеты производительности обрабатывающего оборудования при неизменных режимах нагружения.

5. Установлена зависимость показателя обрабатываемости от контактного давления и длины контакта инструмента с породой. Данные зависимости позволяют рекомендовать рациональную производительность распиловочного оборудования дисковым инструментом, характеризуемую максимальными значениями показателя обрабатываемости:

класс I - 1661 см2/мин и выше; класс II - 565-Н765 см2/мин; класс III - 314-^706 см2/мин; класс IV -217-К371 см2/мин; класс V - 14К314 см2/мин.

6. Установлены рациональные значения длины контакта инструмента с породой, обеспечивающие максимальные значения показателя обрабатываемости:

класс I - 0,13 м и более; класс II-0,055-Ю,21 м; класс III - 0,046-0,081 м; класс IV - 0,045-Ю,067 м; класс V - 0,045 м и менее. Полученные величины позволяют рекомендовать многопроходное резание крепких горных пород инструментом диаметром 1250 мм за один проход на глубину:

габбро-норита Шрау-Тау месторождения - 1,7 мм; гранита Мансуровского месторождения - 1,7 мм.

7. Определена оптимальная скорость подачи алмазного дискового инструмента, которая является функцией физико-механических свойств породы и зернистости алмазов инструмента:

габбро-норита Шрау-Тау месторождения - 19,2 м/мин; гранита Мансуровского месторождения - 12 м/мин.

8. Расчетный экономический эффект от внедрения рекомендуемых режимов на примере распиловки гранита Мансуровского месторождения на пассировочном однодисковом станке инструментом диаметром 1250 мм составляет 74,5 руб/м2.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

ГТершин Г.Д., Гуров М.Ю., Ахметшин A.M. Поверхностная прочность природного камня // Добыча, обработка и применение природного камня: Сб. науч. тр. -Магнитогорск, 2003. - С. 159-169.

Першин Г.Д., Ахметшин А.М. Прочность мрамора при алмазно-абразивном разрушении // Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых: Сб. тезисов докладов. - Красноярск, 2003. -С. 23-24.

Першин Г.Д., Ахметшин А.М. Оценка сопротивляемости мрамора поверхностному разрушению алмазно-абразивным инструментом // Камень и бизнес. - М., 2003. - № 2.-С. 18-19.

Ахметшин А.М. Аналитический метод определения сопротивляемости породы поверхностному разрушению // Добыча, обработка и применение природного камня: Сб. науч. тр. - Магнитогорск, 2004. - С. 199 - 203.

Першин Г.Д., Гуров М.Ю., Ахметшин А.М. Классификация природного камня по трудности поверхностного разрушения алмазно-абразивным инструментом // Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатывающей промышленности: Сб. докладов. - Екатеринбург, 2004. - С. 59-63.

Першин Г.Д., Ахметшин A.M. Исследование влияния силового режима на обрабатываемость природного камня алмазно-абразивным инструментом // Материалы 63-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2003-2004 годы: Сб. докладов. - Магнитогорск, 2004. -С. 161-165.

Ахметшин A.M. Разработка концепции алмазосберегающих режимов обработки природного камня абразивным инструментом // Конкурс грантов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Челябинской области: Сб. тезисов докладов. -Челябинск, 2004. - С. 111-112.

Першин Г.Д., Ахметшин А.М., Михайлов A.A. Оценка эффективности процесса поверхностного разрушения природного камня с учетом активно работающих зерен алмазно-абразивного инструмента // Добыча, обработка и применение природного камня: Сб. науч. тр. - Магнитогорск, 2005. - С. 233-240.

»24682

РЫБ Русский фонд

2006-4 25714

Подписано в печать 24.11.2005. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 860.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок МГТУ

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Ахметшин, Айрат Марсович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Современное состояние добычи и обработки природного камня в России и за рубежом.

1.2. Показатели, применяемые в отрасли камнедобычи и камнеобработки, характеризующие сопротивляемость поверхностному разрушению алмазно-абразивным инструментом.

1.3. Обрабатываемость природного камня и существующие методы ее оценки.

1.4. Существующие рекомендации по выбору режимов обработки природного камня алмазно-абразивным инструментом.

Цель и задачи исследований.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНОГО КАМНЯ

АЛМАЗНО-АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ.

2.1. Энергетический критерий эффективности обработки природного камня алмазно-абразивным инструментом.

2.2. Влияние физико-механических свойств камня на показатель трудоемкости его обработки алмазно-абразивным инструментом.

2.2.1. Деформационные критерии оценки внедрения жесткой сферы в упруго-хрупкое полупространство.

2.2.2. Определение сопротивляемости поверхностному разрушению материала абразивным инструментом через теплофизические константы.

2.3. Влияние силового режима на показатель обрабатываемости при разрушении породы единичным алмазным зерном.

2.4. Установление показателя обрабатываемости при поверхностном

4 разрушении породы множеством алмазных зерен инструмента.

2.5. Влияние глубины пропила на энергосиловые показатели процесса резания природного камня дисковым инструментом.

Выводы.

3. УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ПОРОДЫ, РЕЖИМНЫМИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ.

3.1. Показатель обрабатываемости породы при резании ее единичным алмазным зерном.

3.2. Оценка показателя обрабатываемости спектра природного камня на примере шлифования его абразивным инструментом.

111 3.3. Установление взаимосвязи между показателями твердости по Бринеллю и микротвердостью.

3.4. Проведение стендовых экспериментов по установлению энергосиловых зависимостей процесса распиловки природного камня алмазным дисковым инструментом.

3.4.1. Методика проведения испытаний.

3.4.2. Оценка погрешностей средств измерения.

3.4.3. Определение числа рабочих алмазных зерен.

3.4.4. Анализ результатов работы.

3.5. Проведение экспериментов в промышленных условиях

• по установлению энергосиловых зависимостей процесса распиловки природного камня алмазным дисковым инструментом.

3.5.1. Методика проведения испытаний.

3.5.2. Оценка погрешностей средств измерения.

3.5.3. Определение числа рабочих алмазных зерен.

3.5.4. Анализ результатов работы.

Выводы.

4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИРОДНОГО КАМНЯ ПО ТРУДОЕМКОСТИ ОБРАБОТКИ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНЫМ

ИНСТРУМЕНТОМ И УСТАНОВЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КЛАССАМ ОБРАБОТКИ.

4.1. Классифицирование спектра природного камня по показателю обрабатываемости алмазно-абразивным инструментом.

4.2. Установление оптимальных значений силового воздействия инструмента и длины его контакта с распиливаемой породой.

4.3. Рекомендации по рациональным режимам распиловки природного камня алмазным дисковым инструментом.

4.4. Определение удельных затрат при распиловке природного камня алмазным дисковым инструментом.

4.5. Экономический эффект от применения рациональных алмазосберегающих режимов распиловки горных пород дисковым инструментом.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование процесса разрушения горных пород при обработке алмазным дисковым инструментом"

Повышенное внимание общества в последнее время к таким требованиям товаров и услуг, как надежность, долговечность, выразительность и экологичность привело к предпочтению в выборе в качестве строительного, облицовочного и художественно-декоративного материала - природного камня. Доля применения этого «самого древнего и самого современного отделочного материала» в архитектуре, строительстве, технике, художественной обработке неумолимо растет из года в год. Требования рынка, как к объемам выпускаемой продукции, так и к разнообразию по физико-механическим свойствам, цветовой гамме и фактурным рисункам, обуславливают наращивание мощностей действующих, а также введение в эксплуатацию разведанных месторождений природного камня, возникновение новых камнедобывающих и камнеперерабатывающих предприятий.

Основной показатель, определяющий величину спроса на изделия из природного камня, - это цена, которая может быть снижена путем уменьшения себестоимости готовой продукции.

В процессах добычи и переработки природного камня основная доля затрат связана с износом дорогостоящего алмазного инструмента. При этом износ инструмента сильно зависит от режимов его эксплуатации. Так, при эксплуатации добычного оборудования в области рациональных режимов стоимость алмазного инструмента составляет 75 % от общей стоимости затрат на отделение блока от массива, а при эксплуатации перерабатывающего - 52 % от стоимости операции на обработку. Если алмазный инструмент используется в режимах, отличных от рациональных, то этот показатель значительно возрастает. Поэтому с целью снижения себестоимости и повышения конкурентоспособности готовой продукции изделий из природного камня необходимо установить рациональные режимы пиления, фрезерования и шлифования алмазным инструментом, при которых расход алмазного инструмента будет минимален.

Процесс переработки природного камня связан с большим объемом распиловочных работ. Основным инструментом в данных операциях являются алмазные диски. Несмотря на значительный период применения алмазного дискового инструмента и многочисленные эксперименты по выявлению факторов и степень их влияния на износ, до сих пор нет единых рекомендаций по рациональным режимам эксплуатации. В настоящее время предлагаемые рекомендации исследовательских институтов и фирм изготовителей алмазного инструмента не дают исчерпывающей информации об области рациональных режимов пиления алмазным дисковым инструментом. Поэтому установление режимов работы алмазного дискового инструмента, при которых наработка его будет максимальна, а эксплуатационные затраты на процесс обработки - минимальными, является актуальной задачей.

Объект исследований: процесс поверхностного разрушения горных пород под воздействием алмазно-абразивного инструмента.

Предмет исследований: физико-технические параметры горных пород в процессах распиловки алмазным дисковым инструментом.

Цель работы: повышение эффективности работы поверхностного разрушения горных пород алмазным дисковым инструментом.

Идея работы: достижение минимума удельных затрат процесса поверхностного разрушения горных пород обеспечивается оптимизацией режимных параметров.

Основные задачи исследований: выявление параметров, влияющих на интенсивность износа материала горной породы при воздействии на нее алмазно-абразивного инструмента и составление классификации по трудоемкости обработки в процессах пиления, шлифования; установление режимов воздействия инструмента на породу, при которых наблюдается минимальный удельный износ режущей поверхности алмазного инструмента и выявление зависимости данных режимов с физико-механическими свойствами обрабатываемой породы и конструкционными особенностями инструмента; выдача рекомендаций по рациональным режимам воздействия » алмазного инструмента на горную породу применительно к классам по трудоемкости обработки природного камня, обеспечивающих минимальные затраты на распиловку единицы поверхности.

Методы исследований включают анализ опыта эксплуатации алмазно-абразивного инструмента в процессах добычи и переработки природного камня; экспериментальные исследования влияния режимов воздействия на энергосиловые показатели процесса распиловки алмазным дисковым инструментом и их зависимость от физико-механических свойств; статистическая обработка результатов; аналитические расчеты по установлению рациональных режимов процесса распиловки алмазным дисковым инструментом.

На защиту выносятся научные положения:

1. Поддержание показателя обрабатываемости в области максимальных значений в процессах поверхностного разрушения природного камня алмазно-абразивным инструментом обеспечивает минимальный уровень удельных эксплуатационных затрат.

2. Объем диспергированной породы при ее поверхностном разрушении алмазно-абразивным инструментом в режиме оптимальных технологических параметров характеризует показатель обрабатываемости природного камня. При этом количественная оценка показателя относительной обрабатываемости, производимая с учетом таких физико-механических свойств природного камня как твердость и модуль упругости, позволяет ранжировать его по степени сопротивляемости поверхностному разрушению в рамках единой универсальной классификации.

3. Каждому значению длины контакта дискового инструмента с распиливаемой породой соответствует определенное значение нормального давления, при котором показатель обрабатываемости имеет максимальное значение. 4. Увеличение длины контакта инструмента с породой с соблюдением оптимального силового режима ведет к повышению показателя ее обрабатываемости до величины абсолютного максимума, а затем к снижению, что обусловлено совместным влиянием на среднюю величину заглубления алмазных зерен длины контакта и удельного нормального усилия с учетом зашламовывания межконтактного пространства.

Научная новизна работы состоит в установлении: зависимости показателя относительной обрабатываемости природного камня от физико-механических свойств горных пород и степени внедрения алмазных зерен инструмента в породу; зависимости показателя обрабатываемости от контактного давления и длины контакта в процессах распиловки горных пород алмазным дисковым инструментом; рациональных режимных параметров для каждого класса обрабатываемости горных пород единой универсальной классификации с учетом зернистости и концентрации алмазов дискового инструмента.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований, результатов экспериментов и данных практики.

Практическая значимость работы состоит в разработке методики оценки и составлении единой классификации обрабатываемости природного камня алмазно-абразивным инструментом, учитывающей физико-механические свойства горных пород, конструкционные особенности инструмента и силовой режим воздействия; установлении рациональных режимных параметров распиловки алмазным дисковым инструментом в пределах каждой категории предложенной классификации.

Личный вклад автора состоит в проектировании и сборке экспериментального стенда по распиловке природного камня алмазным дисковым инструментом; проведении стендовых экспериментов по распиловке природного камня алмазным дисковым инструментом с целью выявления энергосиловых показателей процесса пиления; установлении взаимосвязи между энергетическими показателями и режимными параметрами процесса пиления природного камня в промышленных условиях; лабораторном определении показателей микротвердости и твердости по Бринеллю природного камня и определении связи между данными физико-механическими свойствами; установлении рациональных алмазосберегающих режимов распиловки природного камня алмазным дисковым инструментом.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, выводы и рекомендации могут быть использованы при подготовке и реализации проектов строительства и реконструкции камнеперерабатывающих предприятий.

Апробация работы: результаты, основные положения докладывались на международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня» (Магнитогорск, 2003, 2004, 2005 гг.); всероссийской научно-технической конференции «Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (Красноярск, 2003 г.); международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатывающей промышленности» (Москва, 2004 г.); ежегодных научно-технических конференциях МГТУ (Магнитогорск, 2003, 2004, 2005 гг.); научно-практическом семинаре «Особенности организации работ и применения оборудования в карьерах при различных технологиях добычи природного камня» (Екатеринбург, 2005 г.); на заседаниях научного семинара кафедры МиЭГП и факультета ГТиТ МГТУ (Магнитогорск, 2005 г.).

При решении поставленных в диссертации задач использованы следующие методы научных исследований :анализ литературных данных и существующего опыта добычи и переработки природного камня и процессов трибологии; технико-экономический анализ, аналитические и графико-аналитические методы, математическое и экспериментальное моделирование.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Ахметшин, Айрат Марсович

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. На основе аналитических исследований выявлено, что стойкость алмазного инструмента, отнесенная к единице площади пропила, прямо пропорциональна величине показателя обрабатываемости или обратно пропорциональна величине удельной работы, что подтверждено анализом экспериментальных данных по бурению, шлифованию и пилению алмазным инструментом горных пород.

2. Установлена относительная трудоемкость обработки природного камня алмазно-абразивным инструментом при одинаковых режимах нагружения, которая оценивается соотношением индексов категорий.

2/3

Индекс категории обрабатываемости, равный Кц/Е , устанавливает степень разрушаемости горной породы единичным алмазным резцом при упруго-хрупком контакте.

3. Установлена зависимость коэффициента разрушения породы множественного контакта от коэффициента разрушения породы единичным резцом, позволяющая в интервале от 0 до 0,14 средней величины относительного заглубления алмазного зерна в породу описывать процесс резания множеством зерен инструмента процессом резания единичным резцом (относительная ошибка 15%).

4. Определены аналитически зависимости коэффициентов относительной обрабатываемости от индекса категории и силового режима нагружения для процессов шлифования и пиления, которые позволяют производить расчеты производительности обрабатывающего оборудования при неизменных режимах нагружения.

Установлена зависимость показателя обрабатываемости от контактного давления и длины контакта инструмента с породой. Данные зависимости позволяют рекомендовать рациональную производительность распиловочного оборудования дисковым инструментом, характеризуемую максимальными значениями показателя обрабатываемости: класс I — 1661 см2/мин и выше; класс 11 - 565+1765 см2/мин; класс III -314+706 см2/мин; класс IV - 217+3 71 см2/мин; класс V - 141+314 см2/мин. Установлены рациональные значения длины контакта инструмента с породой, обеспечивающие максимальные значения показателя обрабаты ваемости: класс 1-0,13 ми более; класс II -0,055+0,21 м; класс III - 0,046+0,081 м; класс IV-0,045+0,067 м; класс V - 0,045 м и менее. Полученные величины позволяют рекомендовать многопроходное резание крепких горных пород инструментом диаметром 1250 мм за один проход на глубину: габбро-норита Шрау-Тау месторождения -1,7 мм; гранита Мансуровского месторождения -1,7 мм.

7. Определена оптимальная скорость подачи алмазного дискового инструмента, которая является функцией физико-механических свойств породы и зернистости алмазов инструмента: габбро-норита Шрау-Тау месторождения -19,2 м/мин; гранита Мансуровского месторождения - 12 м/мин.

8. Расчетный экономический эффект от внедрения рекомендуемых режимов на примере распиловки гранита Мансуровского месторождения на пассировочном однодисковом станке инструментом диаметром 1250 мм составляет 74,5 руб/м2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся законченной квалификационной работой, дано новое решение актуальной научно-практической задачи повышения эффективности работы дисковых пил путем оптимизации физико-технических параметров природных камней.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Ахметшин, Айрат Марсович, Екатеринбург

1. Травертин // Империя камня. 2005. - №1.- С. 12-19.

2. Мохрачев И.П. Камень: от прошлого до наших дней // Камень вокруг нас.-2003.-№3-4.-С. 41.

3. Викторов A.M. Белый камень столицы // Империя камня. 2001. - №1. -С. 26-29.

4. Карасев Ю.Г., Анощенко H.H. Современное состояние отрасли природного камня России // Горный журнал. 1998. - №7. - С. 29 - 31.

5. Дэниэл П. Прага принимает конференцию «Dimension stone 2004» // Камень вокруг нас. 2004. - №7. - С. 8 - 13.

6. Карасев Ю.Г., Сычев Ю.И. Природный камень России: сырьевая база, перерабатывающие мощности, рынок сбыта // Горный журнал. 2003. -№10.-С. 90-92.

7. Мировой каменный сектор // Империя камня. 2005. - №1. - С. 20-26.

8. Мурашко И.А. Алмазный инструмент. Опыт, проблемы, решения // Камень и бизнес. 1996. - №1. - С. 32-33.

9. Вартанян А.Н. Природный и синтетический алмазы мифы и реальность // Камень вокруг нас. - 2003. - №3-4. - С. 28-29.

10. Субботин Е.К., Захаров К.Н., Сычев Ю.И. Эксплуатация алмазных отрезных сегментных кругов при обработке природного камня. М.: ВНИИАлмаз, 1978.-29 с.

11. Субботин Е.К., Захаров К.Н., Сычев Ю.И. Эксплуатация алмазных штрипсовых пил при распиловке блоков природного камня. М.: ВНИИАлмаз, 1978.-32 с.

12. Сычев Ю.И. Как оценить трудоемкость обработки камня // Камень вокруг нас. 2001. - № 13. - С. 28-29.

13. Сычев Ю.И. Аналитический метод определения оптимальных режимов работы алмазного режущего инструмента // Алмазы. 1973. - №3. - С. 23-25.

14. Фирма «Педрини»: оборудование для получения толстомерных заготовок из гранита // Империя камня. 2003. - №1-2. - С. 65-66.

15. Варданян К.С. Современные камнеобрабатывающие станки и поточные линии. Ереван: Айастан, 1975. - 226 с.

16. Черкашин Ю.А., Насыбуллин А.Г. Алмазный инструмент в камнеобработке. Ташкент: Мехнат, 1987. - 160 с.

17. Барон Л.И. Экспериментальное определение коэффициентов крепости горных пород по шкале проф. М.М.Протодъяконова путем испытания буровых кернов на раздавливание // Разрушение углей и пород. -М.:Углетехиздат, 1958.-С. 58-63.

18. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Недра. 1984. -359 с.

19. Чирков С.Е., Присташ В.В. Энергетические показатели разрушения горных пород различными способами // Горные машины и автоматика. -2002.-№10.-С. 29-33.

20. Протасов Ю.И. Разрушение горных пород. М.: МГГУ, 2001. - 453 с.

21. Карюк Г.Г., Оситинский Б.Л. Обработка камня инструментом из синтетического алмаза. Киев: УкрНИИНТИ, 1968. - 23 с.

22. Александров В.А., Алексеенко H.A., Мечник В.А. Исследование силовых и энергетических параметров резки гранита алмазными дисковыми пилами // Сверхтвердые материалы. 1984. - №6. - С. 35-39.

23. Першин Г.Д. Обоснование технологических параметров добычи блоков мрамора канатными пилами: Дис. . д-ра техн. наук. М.,1992. - 349 с.

24. Тангаев И.А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых. М.: Недра, 1986. -231 с.

25. Морозов Е.Ф. К определению скорости измельчения материала в барабанных мельницах // ФТПРПИ. 1979. - №2. - С. 48-55.

26. Исмаков P.A., Головкина H.H., Попов А.Н. Определение приведенного предела текучести горной породы по штампу с учетом масштабного фактора // Изв. вузов. Горный журнал. 2004. - №4. - С. 127-131.

27. Справочное руководство мастера геологоразведочного бурения / Г.А.Блинов, В.И.Васильев, Ю.В.Бакланов и др. JL: Недра, 1983. - 400 с.

28. Арустамян A.C. Вопросы эффективности дисковой распиловки гранита // Добыча, обработка и применение природного камня: Сб. науч. тр. -Магнитогорск, 2001.-С. 149-154.

29. Берлин Ю.Я., Сычев Ю.И., Кипнис Л.К. Материаловедение для камнеобработчиков. Л.: Стройиздат, 1990. - 272 с.

30. Варданян К.С. Техника и технология камнеобработки. Ереван: Айастан, 1988,- 182 с.

31. Демкин Н.Б. Развитие теории фрикционного контакта // Трение и износ. 1992. -№1.~ С. 71-80.

32. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

33. Сосновский Л.А., Махмугов H.A., Шуринов В.А. Фрикционно-механическая усталость: основные закономерности // Заводская лаборатория. 1992. - №9. - С. 46-63.

34. Доценко В.А. Изнашивание твердых тел. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1990.- 192 с.

35. Бартенев Г.М. Механические свойства и тепловая обработка стекла. -М.: Госстройиздат, 1960. 166 с.

36. Бокин П.Я. Механические свойства силикатных стекол. Л.: Наука, 1970.- 180 с.

37. Распиловка гранитных блоков модульными центрами // Камень и бизнес. 2004. - № 1. - С. 14-15.

38. Климов Ю.И., Фирсов М.Ф. Износ алмазного дискового инструмента при резании горных пород // Изв. вузов. Горный журнал. 1989. - №1. — С. 89-93.

39. Сычев Ю.И., Никулина О.И. Технологические особенности резания гранита алмазным диском // Строительные материалы. 1974. - №5. - С. 31-32.

40. Каталог продукции алмазных инструментов и рекомендации по эксплуатации. Италия: «SEA», 2000. - 58 с.

41. Все, что вам совершенно необходимо знать о многодисковых станках. — Бельгия: «Diamant Boart», 1994. 14 с.

42. Синельников О.Б. Природный облицовочный камень. М.: МГГУ, 2000. - 362 с.

43. Першин Г.Д., Сердюков В.В., Гуров М.Ю. Основные критерии процесса обработки природного камня алмазно-абразивным инструментом // Добыча, обработка и применение природного камня: Сб. науч. тр. Магнитогорск, 2001. С. 109-119.

44. Першин Г.Д. Канатно-алмазные пилы основа эффективной работы малых камнеобрабатывающих предприятий // Горный журнал. - 1995. -№5.-С. 29-32.

45. Першин Г.Д. Технико-экономическое обоснование технологических параметров процесса резания камня канатно-алмазными пилами // Строительные материалы. 1994. - № 8. - С. 4-6.

46. Василевский В.В. Алмазный инструмент для резания горных пород // Разрушение горных пород механическими способами. М.: Наука, 1966.-С. 160-167.

47. Корнилов Н.И., Блинов Г.А., Курочкин П.Н. Технология бурения скважин алмазным инструментом при высоких скоростях вращения. — М.: Недра, 1978.-237 с.

48. Оситинский Б.Л., Мифлиг Д.М. Исследование износа алмазоносного слоя при резании песчаников дисковыми пилами // Горный породоразрушающий инструмент. Киев: Техника, 1970. - С. 28-35.

49. Сычев Ю.И. Оптимальные размеры алмазного инструмента и условия его работы // Строительные материалы. 1973. - №5. - С. 31-33.

50. Сычев Ю.И. Закон распределения стойкости алмазного инструмента // Строительные материалы. 1972. - №2. - С. 36-37.

51. Александров В.А., Левин М.Д., Мечник В.А. Определение объема разрушенного материала, действующего на сегмент алмазного дискового инструмента // Сверхтвердые материалы. 1986. - №1. - С. 37-42.

52. Карюк Г.Г., Рылев Э.В., Суплин Ю.Г. Исследование износостойкости алмазных дисковых пил при резании бетона // Горный породоразрушающий инструмент. Киев: Техника, 1969. - С. 47-50.

53. Гонтарь Н.В., Богданов Р.К., Исаков Э.И., Убийвовк А.К., Хукаленко К.П. Алмазные коронки для сверления железобетона // Горный породоразрушающий инструмент. Киев: Техника, 1969. - С. 47-50.

54. Попов С.А., Малевский Н.П., Терещенко Л.М. Алмазно-абразивная обработка металлов и твердых сплавов. М.: Машиностроение, 1977. — 263 с.

55. Игнатов С.Н., Кожина О.Н. Показатели разрушения горных пород алмазным инструментом // Горные машины и автоматика. 1973. - №3. -С. 15.

56. Маслов E.H. Теория шлифования материалов. М.: Машиностроение, 1974.-320 с.

57. Сагарда A.A., Чеповецкий И.Х., Мишнаевский Л.Л. Алмазно-абразивная обработка деталей машин. Киев: Техника, 1874. - 180 с.

58. Григорьев О.Н., Мильман Ю.В., Скворцов В.Н. Сопротивление ковалентных кристаллов микровдавливанию. // Порошковая металлургия. 1977. - № 8. - С. 72-80.

59. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород / Н.В. Мельников, В.В. Ржевский, М.М. Протодьяконов. М.: Недра, 1975. -279 с.

60. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. - 455 с.

61. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Исследования изнашивания металлов. -М.: Из-во АН СССР, 1960. 351 с.

62. Бобылев A.B. Механические и технологические свойства металлов. -М.: Металлургия, 1987. 208 с.

63. Бобылев A.B. Механические и технологические свойства металлов. -М.: Металлургия, 1980. 296 с.

64. Смитллз К.Д. Металлы: Справочник. М.: Металлургия, 1980. -446 с.

65. Колчеманов Н.М., Апарников Г.П., Безруков Г.Н. Области эффективного применения синтетических монокристаллических алмазов новых марок // Станки и инструмент. 1987. - №2. - С. 19-20.

66. Александров В.А., Мифлиг Д.М., Мельник В.А. Силовые и энергетические параметры при царапании гранита единичным алмазным зерном // Сверхтвердые материалы. 1985. - № 3. - С. 52-58.

67. Першин Г.Д. Энергетический принцип расчета поверхностного разрушения горных пород алмазно-абразивным инструментом // Изв. вузов. Горный журнал. 1992. - № 6. - С. 69-76.

68. Ахметшин A.M. Аналитический метод определения сопротивляемости породы поверхностному разрушению // Добыча, обработка и применение природного камня: Сб. науч. тр. Магнитогорск, 2004. - С. 199-203.

69. Богомолов Н.И. Основные процессы при взаимодействии абразива и металла. Автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра техн. наук. Киев, 1967. - 46 с.

70. Мясников А.Е., Русаков К.И., Сычев Ю.И. Новое в технологии обработки камня // Строительные материалы. 1966. - №6. - С. 8-9.

71. Кичигин А.Ф., Климов Ю.И., Игнатов С.Н. Алмазный инструмент в породопроходческих комбайнах // Синтетические алмазы в промышленности. Киев: Наукова думка, 1974. - С. 317-322.

72. Александров В.А. Обработка природного камня алмазным дисковым инструментом. Киев: Наукова думка, 1979. - 240 с.

73. Алмазный инструмент для разрушения крепких горных пород / А.Ф. Кичигин, С.Н. Игнатов, Ю.И. Климов и др. М.: Недра, 1980. - 159 с.

74. Ацагорцян З.А., Шмавонян Э.Г. Влияние основных физико-механических свойств мраморов на их шлифуемость. В кн.: Труды института камня и силикатов. - М.: Стройиздат, 1970, вып. 5. С. 63-73.

75. Казарян Ж.А. Природный камень: добыча, обработка, применение. Справочник. М.: Г.К. Гранит, Петракомплект, 1998. - 252 с.

76. Гогоберидзе Д.Б. Твердость и методы ее измерения. M-JT.: Машгиз, 1952.-320 с.

77. Шрейнер JI.A. Твердость хрупких тел. M-J1.: Академия наук СССР, 1949.- 144 с.

78. Першин Г.Д., Сердюков В.В., Гуров М.Ю. Исследование силовых режимов распиловки природного камня алмазным дисковым инструментом // Добыча, обработка и применение природного камня: Сб. науч. тр. Магнитогорск, 2001. С. 119-129.

79. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. J1.: Энергоатомиздат, 1991.-304 с.

80. Вересов H.K. Разработка рациональных режимов разрушения крепких пород алмазными пилами при обработке природного камня: Дис. .канд. техн. наук. ~ М., 1988. 103 с.

81. Кичигин А.Ф., Климов Ю.И., Игнатов С.Н. Определение фактического числа алмазных зерен, участвующих в резании // Изв. вузов. Горный журнал. 1972. - №10. - С. 93-99.

82. Орлов A.M., Искендеров Т.А. Алмазная распиловка декоративного камня // Строительные материалы. 1968. - №11. - С. 21-23.

83. Мясников А.Е., Русаков К.И., Орос A.M. Разрезка блоков облицовочного камня алмазными пилами // Строительные материалы. -1967. -№3.~ С. 15-16.

84. Чертович А.Ф., Панкевич А.П., Субботин Е.К. Применение алмазных отрезных сегментных кругов на новых связках при обработке природного камня // Строительные материалы. 1983. - №3. - С. 16.

85. Самусев В.П., Сычев Ю.И., Васильев В.И., Никулина О.И. Получение тонких плит из гранита на алмазно-многопильных станках // Строительные материалы. 1977. - №10. - С. 13-14.

86. Сычев Ю.И., Васильев В.И. Алмазно-штрипсовые распиловочные станки для блоков Ш IV групп // Строительные материалы. - 1982. -№7.-С. 12-13.

87. Фарберов Н.Г., Сычев Ю.И., Селуянов В.Н. Тонкие облицовочные плиты из туфов Закарпатья // Строительные материалы. 1968. - №10. -С. 6-7.

88. Никоноров М.М., Игнатиади А.Н. О влиянии размера минеральных частиц песчаников на их абразивную способность // Нефть и газ. 1960.- №5. С. 12-14.

89. Макарян Л.М. Некоторые вопросы статистической оценки распределения минералов в горных породах для выявления их абразивных свойств // Сб. науч. работ аспирантов и соискателей. 1967.- №3. С. 113-121.

90. Давидова Д.Г. Чистота поверхности при ультразвуковой обработке природного камня // Сб. науч. работ аспирантов и соискателей. 1969. -№4.-С. 131-134.

91. Алмазосберегающая технология бурения / Г.А. Блинов, В.И. Васильев, М.Г. Глазов, и др. Л.: Недра, 1989. - 184 с.