Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разрушение горных пород дисковым инструментом машин для послойного фрезерования

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Разрушение горных пород дисковым инструментом машин для послойного фрезерования"

На правахрукописи

Герике Павел Борисович

РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ДИСКОВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ МАШИН ДЛЯ ПОСЛОЙНОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ

Специальность 25.00.20 - геомеханика, разрушение горных пород, газоаэродинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2005

Работа выполнена в Институте угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель д-р техн. наук, проф. Логов Александр Борисович Официальные оппоненты:

Защита диссертации состоится 24 мая 2005г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003.036.01 при Институте угля и углехимии СО РАН по адресу: 650610, г. Кемерово, ГСП, ул. Рукавишникова, 21

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Института угля и углехимии СО РАН.

Автореферат разослан 22 апреля 2005 года. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 003.036.01,

д-р техн. наук, профессор канд. техн. наук, доцент

Хорешок Алексей Алексеевич Протасов Сергей Иванович

Ведущая организация

Институт горного дела СО РАН

д-р техн. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Как важнейший элемент поточной технологии в угольной промышленности развитых стран мира в 1960...80 г.г. приоритетно разрабатывались и эксплуатировались высокопроизводительные роторные экскаваторы. Однако в последнее десятилетие в Центральной Европе внимание разработчиков привлекают месторождения средней и малой мощности с годовым объемом товарной продукции порядка 10 млн. тонн. Эти месторождения представлены широкой палитрой полезных ископаемых со значительно более высокой, чем у каменного угля, крепостью. Их пласты имеют, как правило, большую протяженность, но незначительны по мощности. В этих условиях недостаточно пригодны даже компактные роторные экскаваторы, которые располагают высокоэффективным гидроприводом и имеют высокие силовые характеристики ротора.

Буровзрывной способ отработки все в меньшей степени удовлетворяет условиям горной промышленности в силу ужесточающихся экологических требований. Поэтому проблема создания технических средств, способных в непрерывном режиме разрабатывать крепкие массивы небольшой мощности, является весьма актуальной. Как результат её решения в середине 80-х годов на рынке добывающей техники появились первые образцы, так называемых, машин для послойного фрезерования (МПФ - С8М). Это высокоэффективные машины непрерывного действия с широкозахватным исполнительным органом, производящим разрушение горного массива при непрерывном перемещении всей машины по подошве пласта. При их разработке доминирующей была концепция непрерывной и избирательной отработки крепких ®сж = 80... 120 МПа) полезных ископаемых. Причем номинальная производительность этих машин в 1000... 1200 м3/час должна реализовываться уже при мощности отрабатываемых пластов порядка 0,4.. .0,5 м. Однако опытные образцы МПФ оказались не способными разрушать массивы полезных ископаемых с СТо* > 60 МПа из-за несовершенства рабочего инструмента.

Прогрессивным решением является использование на исполнительных органах МПФ дискового инструмента, реализующего принцип разрушения крепких пород крупным сколом. Однако это ставит новый круг вопросов, связанных с изучением взаимодействия дискового инструмента с разрушаемым массивом, оценкой его эффективности и схем разрушения крепких пород, исследованием рациональных параметров и режимов работы дискового инструмента и синтезом на его основе компоновочных схем исполнительных органов. Научные основы теории работы исполнительных органов горных машин, заложенные в трудах академиков А. М. Терпигорева и В. Н. Поту-раева, член-корр. А. В. Докукина и А. Г. Лазуткина, профессоров Я. И. Аль-шица, Л. И. Барона, В. А. Бреннера, Б. А. Верклова, Б. Л. Герике, В. Н. Гето-

панова, Л. Б. Глатмана, В. Ф. Горбунова, Б. Л. Давыдова, Н. Г. Картавого, А. Н. Коршунова, Ю. Д. Красникова, А. Б. Логова, В. И. Нестерова, П. П. Палева, Е. 3. Позина, Ю. Г. Полкунова, В. М. Рачека, В. И. Солода, А. В. Топчиева, А. А. Хорешка и др. исследователей, показывают, что все выше перечисленное непосредственно связано с интенсификацией процессов выемки полезных ископаемых. Поэтому можно утверждать, что обоснование и создание исполнительных органов МПФ с дисковым инструментом для разрушения крепких породных массивов является весьма актуальной научной задачей, решение которой позволит существенно расширить область применения экологически безопасной безвзрывной разработки массивов полезных ископаемых открытым способом.

Исследования выполнялись в рамках Программы немецко-российского сотрудничества № RUS-170-99 «Эффективная безвзрывная разработка высокопрочных полезных ископаемых» между Дрезденским техническим университетом (Институт транспортных, строительных машин и логистики) и Институтом угля и углехимии СО РАН при финансовой поддержке Немецкой службы внешних академических связей (DAAD) и фирмы MAN TAKRAF (ФРГ), а также Программы «Уголь Кузбасса».

Цель работы - обеспечить создание высокоэффективных средств непрерывного разрушения крепких горных пород на основе исследования процессов отделения крепких полезных ископаемых от массива, позволяющих интенсифицировать их добычу открытым способом.

В соответствии с поставленной целью в работе обосновывается идея о целесообразности использования для разрушения крепких пород дискового инструмента шнековых исполнительных органов машин для послойного фрезерования.

Для этого, при выполнении работы, были поставлены и решены следующие основные задачи:

- обосновать метод непрерывного разрушения массивов крепких горных пород, пригодный для добычи полезных ископаемых открытым способом;

- установить основные закономерности процесса разрушения массива крепких горных пород одиночным дисковым инструментом на стенде и на их основе определить основные параметры рабочего органа машин для послойного фрезерования;

- выбрать критерий разрушения крепких пород и построить модель скалывания массива под воздействием дискового инструмента;

- изучить на математической модели основные закономерности работы исполнительного органа машины для послойного фрезерования и проверить в практических условиях работоспособность его макетного образца.

При решении поставленных задач проводились аналитические и лабораторные исследования, а также натурные эксперименты, которые включали в себя методы анализа статического и кинематического взаимодействия дискового инструмента с разрушаемой средой; метод граничных интегральных уравнений при исследовании напряженно-деформированного состояния массива под лезвием дискового инструмента; методы теории планирования эксперимента и электро- и тензометрии при выполнении лабораторных исследований; методы математической статистики при обработке экспериментальных данных и построении комплекса регрессионных зависимостей.

На основании выполненных исследований сформулированы следующие основные научные положения, выносимые на защиту:

- механизм взаимодействия дискового инструмента с разрушаемым массивом позволяет снизить на порядок энергоёмкость процесса механического разрушения и использовать для добычи крепких полезных ископаемых существующие машины для послойного фрезерования;

- закономерности взаимодействия дискового инструмента с разрушаемой средой, характеризующиеся качественным изменением силовых показателей при вариации параметров разрушения, свидетельствуют о трансформации напряженно-деформированного состояния массива горных пород от линейного к объёмному при изменении режима работы дисков от силового малоциклового разрушения к свободному скалыванию;

- гранулометрический состав продуктов разрушения определяется характером напряженно-деформированного состояния массива в зоне контакта с лезвием инструмента, зависящим как от свойств разрушаемой среды, так и от геометрии инструмента и управляемого параметра режимов его взаимодействия с горной породой;

- модель взаимодействия рабочего органа машины для послойного фрезерования с массивом горных пород, построенная в среде системы компьютерной математики «Ма&саё», имеет случайный характер и связана с трехмерной графической визуализацией конструкции исследуемого исполнительного органа в среде программы «^оШ^Огкз», что позволяет оперативно получать готовые конструкторские чертежи проектируемых конструкций и деталей.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены:

- корректной постановкой задач по исследованию взаимодействия дискового инструмента с разрушаемым горным массивом, учитывающей основные представления механики деформируемого твердого тела и механики хрупкого разрушения;

- использованием измерительно-регистрирующей аппаратуры и методики

интерпретации экспериментальных результатов с погрешностью, не превышающей 8% по амплитуде, а по частоте - 10% в низкочастотной (до 25 Гц) области;

- сходимостью результатов исследования взаимодействия рабочего инструмента и исполнительных органов с массивом горных пород, полученных на основе математического моделирования, с экспериментальными данными;

- положительными результатами опытной эксплуатации макетного образца машины для послойного фрезерования ТМ-Б25 с исполнительным органом, оборудованным дисковым инструментом.

Научная новизна диссертации заключается:

- в обосновании способа непрерывного разрушения массивов крепких горных пород на основе оснащения исполнительных органов машин для послойного фрезерования дисковым инструментом;

- в установлении основных закономерностей процесса разрушения горного массива одиночным диском и определении на их основе рациональных параметров взаимодействия инструмента с крепкими горными породами;

- в обосновании критерия разрушения массива крепких пород и построении на его основе модели скалывания горной породы с минимальными затратами энергии;

- в обосновании компоновочных схем и конструктивных параметров исполнительных органов на основе моделирования режимов разрушения, силовые характеристики которых оцениваются по экспериментальным результатам, полученным в лабораторных условиях на одиночном инструменте;

- в установлении основных закономерностей нагружения рабочих органов с дисковым инструментом в зависимости от компоновочных схем его набора, свойств разрушаемого массива и установленной мощности приводов машины для послойного фрезерования.

Личный вклад автора заключается:

- в обосновании принципа непрерывного разрушения крепких горных пород дисковым инструментом, позволяющим эффективно использовать машины для послойного фрезерования при разработке месторождений крепких полезных ископаемых;

- в изучении основных закономерностей формирования нагрузки на одиночном диске при разрушении основных литотипов горных пород и определении качественного различия в механизмах силового малоциклового разрушения и свободного скалывания в сторону свободной поверхности;

- в разработке математической модели макроструктур горных пород, обосновании критерия их разрушения дисковым инструментом и исследова-

иии формирования напряженно-деформированного состояния массива под лезвием одиночного диска;

- в построении имитационной модели взаимодействия рабочего органа машины для послойного фрезерования с разрушаемой средой, пригодной для исследования компоновочных схем набора инструмента и связанной с трехмерной графической визуализацией конструкции исследуемого исполнительного органа в среде программы «SolidWorks»;

- в определении основных закономерностей формирования нагрузок в приводах рабочего органа и механизма перемещения машины для послойного фрезерования при работе в различных горнотехнических условиях;

- в проведении опробования макетного образца машины для послойного фрезерования TM-D25 на стенде и участии в промышленном опробовании при добыче строительных материалов, обобщении результатов экспериментальных исследований и разработке рекомендаций для изготовления опытной полноразмерной модели исполнительного органа с дисковым инструментом.

Практическое значение работы состоит в том, что её результаты позволяют:

- расширить область применения нового класса горных машин и на этой основе создать новую технологию непрерывной очистной выемки крепких полезных ископаемых (<ТСЖ ^ 120 МПа) на открытых горных работах;

- разрушать полезное ископаемое и вмещающие породы крупным сколом, что сопровождается улучшением сортности продуктов разрушения и экологической обстановки;

- вовлечь в отработку часть пологих маломощных месторождений полезных ископаемых, отнесённых в настоящее время к неперспективным из-за отсутствия приемлемых технологических решений и средств механизации;

- проектировать и создавать дисковый инструмент и рабочие органы горных выемочных машин применительно к конкретным горногеологическим и горнотехническим условиям их эксплуатации.

Реализация выводов и рекомендаций работы заключается в том, что разработанные модели (силовая и 3D-CAD) исполнительного органа приняты к реализации горнопромышленным отделением фирмы «MAN TAKRAF» (г. Лаухаммер, ФРГ) и реализованы в конструкции испытательной машины TM-D25.

Разработанная методика расчета исполнительных органов машин для послойного фрезерования используется в учебном курсе при подготовке магистров в Дрезденском техническом университете (Институт транспортных,

строительных машин и логистики, г. Дрезден, ФРГ) и при чтении курса лекции по дисциплине «Физические процессы горного производства» в КузГТУ.

Апробация работы. Основное содержание работы, отдельные ее положения и результаты были доложены и обсуждены: на техническом совете горнопромышленного отделения фирмы «MAN TAKRAF» (Лаухаммер, ФРГ, 2001, 2004); на семинарах Института транспортных, строительных машин и логистики ДТУ (Дрезден, 2001, 2004); на 6 международном симпозиуме «Continuous Surface Mining» (Фрайберг, ФРГ, 2001); на международных конференциях «Динамика и прочность горных машин» (Новосибирск, 2001, 2003); на международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2002); на Всероссийской научно-практической конференции «Региональные проблемы устойчивого развития природоресурсных регионов и пути их решения» (Кемерово, 2003); на Ученом совете и научно-технических семинарах Института угля и углехимии СО РАН (2002.. .2004). Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 92 наименований общим объемом 120 страниц и содержит 82 рисунка и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Сокращение числа эксплуатируемых и вновь вводимых разрезов - гигантов, неуклонное ужесточение экологических требований к открытым горным работам создало спрос на селективную выемку тонких пластов полезных ископаемых с высокой прочностью и стимулировало рождение концепции машин для послойного фрезерования и ее технологическое обоснование.

Принципиальная особенность этого класса машин для открытых горных работ (рис. 1) заключается в том, что разработка слоя полезного ископаемого производится одновременно с рабочим перемещением машины в направлении отработки. В качестве отличительных признаков МПФ следует отметить:

- фронтальную или центральную компоновку исполнительного органа;

- ковшовую, шнековую или барабанную конструкцию рабочего органа;

- направление вращения исполнительного органа снизу - вверх или сверху -вниз;

- трех- или четырехопорную раму.

Различаются МПФ и по принципу передачи крутящего момента на исполнительный орган:

с использованием трансмиссии от центрального привода (Wirtgen, EASI -Miner), что увеличивает ширину фрезы по флангам и ограничивает высоту срезаемого уступа;

со встроенным приводом (KSM-2000R, MTS-1250), что заметно осложняет монтаж и профилактическое обслуживание.

Рис. 1. Схемы современныхмашин для послойного фрезерования

В целом машины для послойного фрезерования объединяют в себе следующие преимущества:

- селективная послойная отработка полезного ископаемого;

- высокая (~ 1000... 1500 мЗ/час) производительность даже при малой (~ 0,4...0,5м) мощности пласта;

- возможность отработки горных формаций прочностью на одноосное сжатие до 100... 120МПа;

- совмещение в одном рабочем ходе операций по отделению и транспортированию отбитой горной массы с перемещением машины в направлении отработки;

- высокая мобильность и технологичность на месторождениях с ограниченными запасами полезного ископаемого;

- бесступенчатое регулирование высоты снимаемого слоя и автоматическое управление процессом планирования поверхности.

Важнейшими функциональными узлами этого класса горной техники являются исполнительный орган и средства эвакуации отбитой горной массы. В настоящее время можно выделить три транспортные схемы - раздель-

ную, совмещенную и комбинированную. МПФ фирмы VOEST ALPINE имеет классическую разделенную схему, при которой горная масса, разрушенная исполнительным органом, ссыпается на почву, а затем удаляется погрузочным органом. По совмещенной схеме выполнены фрезы фирм Wirtgen и MAN TAKRAF, а по комбинированной - фирмы KRUPP.

В качестве рабочего инструмента на исполнительных органах машин для послойного фрезерования используется, как правило, тангенциальные вращающиеся резцы, способные разрушать с приемлемыми энергозатратами породные массивы прочностью до 30 МПа при показателе хрупкости х = 0,2 а при х = 0,07 - до ct^ =70 МПа. При прочности пород (То, > 70 МПа для эффективной работы вращающихся резцов требуется проведение специальных мероприятий по разупрочнению горного массива.

В настоящее время, как единственную альтернативу для отделения очень крепких горных пород от массива, предлагается использовать дисковый инструмент. Анализ новейших исследований по вопросам создания и взаимодействия дискового инструмента с горным массивом показывает, что исключительно хорошую перспективу при разрушении крепких пород с сопротивлением одноосному сжатию Оак = 80... 120 МПа имеет дисковый инструмент, работающий в режиме силового малоциклового разрушения.

Результаты производственных испытаний дискового инструмента на очистных комбайнах при добыче руд цветных и благородных металлов, а также при выемке угольных пластов сложного строения свидетельствуют не только о возможности, но и о практической целесообразности вооружения рабочих органов МПФ подобным инструментом. Удельная энергоемкость разрушения пород дисковым инструментом в режиме силового малоциклового разрушения почти на порядок ниже по сравнению с потребными энергозатратами для разрушения тех же пород резцовым инструментом. Высокая износостойкость дискового инструмента, незначительное пылеобразование, а также возможность передачи на забой большей, по сравнению с режущим инструментом, энергии позволяет проектировать машины для послойного фрезерования для разработки пород с пределом сопротивления одноосному сжатию (Ток = 80... 120МПа.

Проектирование исполнительного органа машины для послойного фрезерования, оснащенного дисковым инструментом и способного разрушать массив крепких горных пород, требует:

- определения рациональных параметров разрушения различных литотипов горных пород;

- знания нагрузок, возникающих при этом на инструменте;

- определения рациональных геометрических размеров инструмента (диаметра, углов скалывания и притупления режущей кромки);

- разработки модели взаимодействия дисков с разрушаемой средой, пригодной как для исследования процесса образования осколков, так и для анализа нагруженности приводов резания и подачи. Для решения этих задач был спроектирован и изготовлен стенд. Лабораторные исследования проводились при разрушении песчаника и диорита, характеризуемыми следующими прочностными показателями: Литотип Характеристика

предел прочности при одноосном сжатии

Песчаник

предел прочности при одноосном растяжении СТР = 5,5 ± 3,3 МПа Диорит предел прочности при одноосном сжатии О-» = 78,2 ± 9.1 МПа предел прочности при одноосном растяжении В качестве оценки усилий внедрения У, перекатывания Ъ и осевого X (при случайном нестационарном процессе формирования нагрузки в одиночном акте разрушения) принято их эффективное значение.

Использованная аппаратура и алгоритмы статистической обработки вносят погрешность, искажающую реальные величины не более чем в 1,15... 1,20 раза, что вполне удовлетворяет требованиям проведения экспериментальных исследований.

В лабораторных условиях были исследованы 2 режима разрушения крепких пород дисковым инструментом: свободное скалывание в сторону обнаженной поверхности и силовое малоцикловое разрушение.

При внедрении диска в породный массив в нем, за счёт возникающего напряженно-деформированного состояния, образуются микротрещины, сливающиеся в макротрещину в направлении максимального градиента напряжений.

Свободное скалывание, характеризующееся большими значениями глубины внедрения, сопоставимыми с шагом разрушения, когда сильно влияние дополнительной обнаженной поверхности, приводит к возникновению такого напряженного состояния массива, когда максимальный градиент направлен в сторону дополнительной обнаженной поверхности. Разрушение в этом случае происходит за счёт отрыва и сдвига нагружаемого элемента (рис. 2а).

При силовом малоцикловом разрушении, когда влиянием дополнительной поверхности обнажения можно пренебречь, рост макротрещины идет вглубь массива. После преодоления барьера разрушения происходит отделение крупного осколка от массива (рис. 2б).

Рис. За Продукты разрушения иха- Рис. 3б. Разрушение массива и характер нагрузки при свободном ска- рактер нагрузки после третьего проливании песчаника хода диска при силовом малоцикло-

вомразрушении песчаника

Энергетическая оценка эффективности разрушения песчаника при реализации режима свободного скалывания в сторону обнаженной поверхности показывает, что:

- разрушение песчаника хотя и возможно, благодаря высокой хрупкости (X = 0,072), но только стружками малого сечения (до 10 см2) и при больших (до 11,5 кВт-час/м3) энергетических затратах;

- разрушение диорита с четко выраженной слоистой структурой является достаточно эффективным, о чём свидетельствуют относительно низкие энергетические затраты (1,5...4,0 кВт-час/м3) и большие величины снимаемой стружки.

Суммарные энергетические затраты при силовом малоцикловом разрушении меньше примерно в 5 раз необходимых для реализации режима свободного скалывания и составляют Н„ = 0,52 кВт-час/м3. Нетрудно видеть, что создание предварительного напряженно-деформированного состояния массива и использование его при повторном прокатывании дискового инструмента является более рациональным способом разрушения.

Экспериментальные исследования позволили выяснить, что количество повторных проходов и величина заглубления за один проход не оказывают существенного влияния на момент возникновения катастрофического разрушения. Количественной мерой, характеризующей начало катастрофического разрушения, может служить параметр - критическая величина

суммарной глубины внедрения), характеризующий один из критериев разрушения.

Полученные соотношения позволяют выделить статистически однородные процессы, характерные для различных режимов работы дискового инструмента, и могут служить основой для построения модели формирования нагрузки на инструменте на базе экспериментальных данных.

Сопоставление результатов ситового анализа продуктов разрушения показало, что при силовом малоцикловом разрушении выход крупной фракции (+ 42 мм) в 1,35...2,00 раза больше, а выход штыба и пылевых фракций (- 6,3 мм) - в 1,05... 1,55 раза меньше, чем при свободном скалывании.

В третьей главе рассмотрены модели разрушаемой среды, пригодные для описания возникающего напряженно-деформированного состояния и механизма образования макротрещин под лезвием дискового инструмента, которые отражают особенности строения, структуру и свойства горных пород. Горные породы ведут себя как упругие тела и при рассмотрении напряженно-деформированного состояния они могут быть представлены моделями квазисплошного и квазиизотропного зернистого материала.

Для исследования взаимодействия дискового инструмента с породным массивом решалась объемная задача на основе метода граничных интегральных уравнений, моделирующая напряженное состояние горных пород:

(1-л) -

+к.

ст„,=-

1 "

8я(1-у)

(1-2У)

Алгоритм расчета напряженного состояния в горных породах под лезвием дискового инструмента приведен на рис. 3.

Дискретизация границы я »вод краевых условий

| Формирование элементов матрицы

Решение системы ураинений

Вычисление напряжений в моделируемой области

Вычисление главных напряжений в каждой внутренней точке

=£

Вывод результатов

Рис. 3. Алгоритмрасчета напряженного состояния пород подлезвием инструмента

Интегральный метод расчета траекторий трещин требует знания критерия разрушения, в качестве которого, для хрупких материалов, находящихся в сложном напряженном состоянии с разными пределами прочности на растяжение и сжатие, выбран обобщенный критерий прочности

Моделировались два случая нагружения породного массива, возникающие при воздействии дискового инструмента: уступное разрушение (рис. 4, реализуемое при силовом малоцикловом разрушении) и свободное скалывание (рис 5).

Рис. 4. Поверхность разрушения при Рис 5. Построение поверхности раз-tp = 0,03мит = 1 рушения выступа дисковым инстру-

ментом при tp = 0,03 м, h = 0,03 м, D = 0,20 м

4*10' «>,

Рис 6. Изменение объема У„ср в зависимости от изменения параметров раз--'>1М» рушения и А

о п_-25 0 МПа Mlla

_1_

J_

Рис 7. Сопоставление результатов моделирования и эксперимента

Полученные результаты моделирования позволили построить зависимость, характеризующую изменение объема образующихся осколков от параметров разрушения (рис. 6), и произвести сопоставление с результатами, полученными на стенде (рис. 7).

В четвертой главе рассмотрена вероятностная модель взаимодействия рабочего органа машины для послойного фрезерования с разрушаемым породным массивом, построенная в среде «Mathcad» на основе результатов лабораторных и теоретических исследований, которая не только описывает случайный процесс формирования нагрузки на исполнительном органе

но и позволяет определить важнейшие показатели работы МПФ, такие как приводную мощность

F

F -V

иод иод

2-Л..-60 60-TlM

теоретическую

QTeo„ = 60 • Н • В • \ и энергоемкость процесса выемки W =

производительность N

60HBV

Рис. 83ависимостипроизводитель-Рис. 9. Частотныйспектррезульти-НОСти МПФ 0,теор и энергоемкости рующей силы резаниянаиспол-И'р от Осжразрушаемых пород нительном органе МПФ

Результаты моделирования в виде основных характеристик работы МПФ в различных условиях эксплуатации и частотных спектров результирующей силы резания FОКР проиллюстрированы на рис. 8 и 9.

Особенностью построенной системы стала связь математической модели с трехмерной графической визуализацией конструкции исследуемого исполнительного органа МПФ в среде программы «SoMWorks».

Методика проведения «т^йи» тестов изготовленного макетного образца исполнительного органа с дисковым инструментом (рис. 10) позволила получить достоверную информацию о рабочих процессах в испытуемой машине (нагрузки в приводах резания и механизма перемещения, вибрация

корпуса машины, расход дизельного топлива и т. п.), характеризующих работоспособность машины.

Рис. Ю.Общийвидрабочегоорга-| мамашины TM-D 25фирмы MAN TAKRAF

Рис.11. Тяговыехарактеристикирабо-ты исполнительного органа при попутном

фрезерованиимассивов:

_Ссс = 60 МПа

_._СТсж = 40МПа

Во время испытаний скорость перемещения машины изменялась от 0,5 до 3,2 м/мин (средняя величина 2,1 м/мин), что, при средней глубине снимаемой стружки Н = 180 мм, соответствовало производительности Qt« = 0,35...0,61 м3/мин. Тяговые характеристики работы исполнительного органа при разрушении бетонного блока и породного массива приведены на рис. 11.

Результаты ситового анализа продуктов разрушения (рис. 12) свидетельствуют об эффективности предложенной схемы набора дискового инструмента на рабочем органе для добычи щебня.

g^OftJt

Рис. 12. Выход подрешетного продукта

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена задача по созданию высокоэффективных средств непрерывного механического разрушения горных пород на основе исследования процессов скалывающего отделения крепких полезных ископаемых от массива, позволяющих интенсифицировать их добычу открытым способом.

Выполненные исследования позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Конкурентным способом добычи крепких полезных ископаемых с пределом прочности при одноосном сжатии Се, < 90 МПа может стать послойное фрезерование машинами, на рабочих органах которых используется дисковый инструмент, производящий непрерывное разрушение породного массива. При реализации режима силового малоциклового разрушения дисковый инструмент способен разрушать горные породы с 120 МПа без создания искусственных поверхностей обнажения.

2. Лабораторные исследования разрушения песчаника и диорита дисковым инструментом показали, что:

- разрушение песчаника, благодаря его высокой хрупкости (X - 0,09) возможно стружками малого сечения (до 10 см2), но требует больших (до 11,5 кВт-час/м3) энергетических затрат;

- разрушение диорита с четко выраженной слоистой структурой является эффективным, о чём свидетельствуют относительно низкие энергетические затраты Е^- 1,5...4,0 кВт-час/м3.

3. Суммарные энергетические затраты при силовом малоцикловом разрушении песчаника меньше примерно в 5 раз необходимых для реализации режима свободного скалывания и составляют П^ 0,37...0,71 кВт-час/м3; выход крупной фракции (+ 42 мм) в 1,35...2,00 раза больше, а выход штыба (- 6,3 мм) и пылевых фракций (< 0,5 мм) - в 1,05... 1,55 раза меньше, чем при свободном резании.

4. Разработанная модель макроструктуры разрушаемого материала и обоснованный критерий разрушения позволили исследовать напряженно-деформированное состояние, формирующееся в горном массиве под лезвием диска, и установить качественные и количественные характеристики обьемов крупных осколков. Установлено, что оценка объема крупных элементов песчаника (Ос = 61,00 МПа, х = 0,09), отделяемых от массива в режиме силового малоциклового разрушения, определенная теоретическим путем, имеет удовлетворительную для инженерных расчетов сходимость с результатами лабораторных испытаний.

5. Модель взаимодействия рабочего инструмента с породным массивом позволяет определять параметры исполнительного органа (шаг разрушения и

количество инструментов в линии разрушения) по заданным механическим свойствам и выбранному режиму работы дискового инструмента. Она имеет динамическую связь с 3Б-САО моделью (среда «^оШ^Огк»), что позволяет на стадии проектирования оперативно получать рабочие чертежи геометрически сложных элементов и всей конструкции в целом. 6. Характеристики работы МПФ ТМ-Б25, полученные при проведении «т-вйи» тестов, убедительно свидетельствуют о высокой надежности работы исполнительного органа с дисковым инструментом (коэффициент технического использования Кти ~ 0,8) при достаточно высокой эксплуатационной производительности (р3 -112 т/час) и приемлемых энергозатратах (д« 0,17 л/т).

Основные положения и выводы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Герике П. Б. Математические модели циклического разрушения крепких горных пород дисковым инструментом./ Б. Л. Герике, Ю. Г. Полкунов, П. Б. Герике// Кемерово. - Кузбассвузиздат. - 2001. -171 с.

2. Герике П. Б. Разработка и организация системы мониторинга технического состояния карьерного оборудования./ Б. Л. Герике, С. Ю. Дрыгин, С. Я. Обросов, П. Б. Герике, В. В. Билибин // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды международной научно-практической конференции. - Кемерово, 2002. - С. 169-172.

3. Герике П. Б. Направление совершенствования добывающей техники для открытых горных работУ П. Б. Герике, А. Эллер// Динамика и прочность горных машин: Сборник трудов в 2-х томах. Т. 1.1 ИГД СО РАН. - Новосибирск, 2003. - С. 20-29.

4. Герике П. Б. Моделирование взаимодействия дискового режущего инструмента с массивом горных пород./ П. Б. Герике, М. А. Беликов// ФТПРПИ. - № 5 - Новосибирск, 2003. - С. 63-69.

5. Герике П. Б. Некоторые результаты промышленного опробования рабочего органа машины для поверхностного фрезерования крепких горных пород.// Региональные проблемы устойчивого развития природоресурсных регионов и пути их решения: Труды IV Всероссийской научно-практической конференции в 2-х томах. Т.2./ ИУУ СО РАН. - Кемерово, 2003. - С. 44-48.

6. Герике П. Б. Обзор методов разрушения применительно к созданию рабочего органа машины для поверхностного фрезерования крепких полезных ископаемых/Кемерово. - ИУУ СО РАН. - 2004. - 66 с.

7. Герике П. Б. Стендовые исследования режимов работы дискового инструмента./ Б. Л. Герике, А. Б. Логов, П. Б. Герике// Вестник КузГТУ, № 5. -Кемерово. - 2004. - С. 22-29.

BS.OO

Подписано в печать 15..04.2005. Формат 60х84'/16. Объем 1,0 усл.печ.л. Тираж 100 экз. Редакционно-издательский отдел Института угля и углехимии СО РАН 650610, Кемерово, ГСП-610, ул. Рукавишникова, 21,-

Тел 210-500 / ,л. ; ' .

I III=

п МАЙ 2005

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Герике, Павел Борисович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОЦЕНКА СОВРЕМЕННЫХ СТРАТЕГИЙ РАЗВИТИЯ ДОБЫВАЮЩЕЙ ТЕХНИКИ ДЛЯ ОТКРЫТОЙ

ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

1.1 Предварительные замечания.

1.2 Опыт создания добывающей техники.

1.3 Исполнительные органы добывающих поверхностных фрез

1.4 Разрушение породного массива дисковым инструментом.

1.5 Основные итоги и выводы.

ГЛАВА 2 СТЕНДОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

ДИСКОВОГО ИНСТРУМЕНТА

2.1 Предварительные замечания.

2.2 Устройство стенда и методика лабораторных исследований

2.3 Свободное резание.

2.4 Силовое малоцикловое разрушение.

2.5 Гранулометрический состав продуктов разрушения.

2.6 Основные итоги и выводы.

ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОСКОЛКОВ

ГОРНЫХ ПОРОД ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДИСКОВОГО ИНСТРУМЕНТА

3.1 Предварительные замечания.

3.2 Разработка математической модели макроструктур горных пород.

3.3 Результаты моделирования образования осколков горных пород в условиях уступного разрушения.

3.4 Модели осколков породы, образующихся при свободном режиме разрушения.

3.5 Основные итоги и выводы.

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧЕГО

ОРГАНА МАШИНЫ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ КРЕПКИХ ГОРНЫХ ПОРОД С РАЗРУШАЕМЫМ ПОРОДНЫМ МАССИВОМ

4.1 Предварительные замечания

4.2 Модель взаимодействия рабочего органа с массивом горных пород.

4.3 Методика проведения производственной апробации МПФ с исполнительным органом, оснащенным дисковым инструментом.

4.4 Некоторые результаты промышленного опробования

Ф рабочего органа машины для поверхностного фрезерования крепких горных пород.

4.5 Обсуждение результатов и направление дальнейших исследований.

4.6 Основные итоги и выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разрушение горных пород дисковым инструментом машин для послойного фрезерования"

Топливно-энергетический комплекс страны (ТЭК) является одной из ведущих отраслей народного хозяйства, определяющих экономический потенциал государства.

Осуществляемое в настоящее время реформирование угольной промышленности России базируется на преимущественном развитии открытого способа добычи угля. По сравнению с подземным, этот способ объективно обеспечивает ряд технических и социальных преимуществ, к числу которых относятся:

- снижение в 3.4 раза себестоимости добычи угля и удельных капитальных затрат;

- повышение в 7.8 раз производительности труда;

Ф - значительно улучшенные и безопасные условия труда;

- возможность гибкой перестройки производства и технического перевооружения предприятий и др.

Поэтому основная стратегия технического развития угольной промышленности понимается как интенсификация открытого способа добычи угля, базирующаяся на результатах научно-технического прогресса с приоритетным решением вопросов повышения качества поставляемого угля и снижения издержек его производства. Однако в последнее время в области открытой угледобычи выявился целый ряд негативных явлений, которые проявляются в виде:

• - объективного ухудшения горнотехнической обстановки, которое не компенсируется техническим перевооружением;

- физического и морального износа парка основного технологического оборудования, обновление которого в последнее десятилетие практически прекратилось;

- низкого качества добываемого угля из-за недостаточно эффективных средств селективной добычи и переработки;

- отсутствия эффективных средств и способов нейтрализации негативного воздействия открытых горных работ на окружающую среду.

Создателей техники для открытых горных работ заинтересовала про* блема разработки технических средств, способных решить возникшие проблемы. Как результат решения этих задач в середине 80-х годов на рынке добывающей техники появились первые образцы так называемых машин послойного фрезерования (МПФ — CSM). Это высокоэффективные машины непрерывного действия с широкозахватным исполнительным органом, работа которого реализуется при непрерывном перемещении всей машины по поверхности пласта. При их разработке доминирующей идеей была концеп

• ция непрерывной и избирательной (селективной) отработки крепких (стсж < 80.100 МПа) полезных ископаемых. Причем номинальная производительность этих машин в 1000. 1200 м /ч реализуется уже при мощности отрабатываемых пластов порядка 0,4.0,5 м.

Обширная библиография отечественных и зарубежных работ, посвященных исследованию различных способов и созданию средств разрушения крепких горных пород неукоснительно свидетельствует об огромном интересе к вопросам механизации главной технологической операции добычи полезного ископаемого - отделению его от массива, без решения которой

• невозможно создание безвзрывной поточной технологии извлечения полезного ископаемого.

Не вдаваясь в подробный анализ разрабатываемых способов и средств, который достаточно подробно изложен в ряде специальных работ (смотри, например, [2, 3, 9, 16, 18, 19, 28, 54 и др.]), можно утверждать, что в ближайшие десятилетия не появится методов, конкурирующих с механическим разрушением в добывающей промышленности (см. табл. B.I), по следующим основным причинам: высокая энергоёмкость процесса разрушения (лазерный луч, плазма, непрерывные гидравлические струи); низкая производительность (высокоскоростной мощный удар, пульсирующие высоконапорные струи, электромагнитное облучение); несоответствие гигиеническим нормам (некоторые виды поверхностно-активных веществ, СВЧ- и ИК-излучение).

При этом резцовый инструмент является практически непригодным для работы по породам выше средней крепости из-за невозможности передачи большой единичной мощности, потребной для разрушения массива, о чём свидетельствует большой удельный расход рабочего инструмента в нерегла

• ментированных условиях [6, 8].

Таблица В J

Способы разрушения крепких пород

Наименование Энергоемкость, МДж/м3 Технологичность Социальная привлекательность

Буровзрывной 6.8 +

• Электрофизический лазерный луч плазма электроимпульсный электронный луч облучение радиоволнами инфранизкой частоты облучение радиоволнами ультравысокой частоты облучение токами сверхвысокой частоты 20 ООО 5 000 20.35 280.400 250.360 210.290 180.250 + + +

Гидравлический низкоскоростная струя непрерывная струя высокого давления импульсная струя высокого давления 1500.1700 75.85 35.50 +

Механический шарошечным инструментом дисковым инструментом алмазным инструментом с отрывником режущим инструментом режущим инструментом с наложением механических колебаний механическим ударником с большой энергией мощным высокоскоростным ударом (снаряд) 125.255 14.31 24 29.43 21.30 7.25 2,5.3,5 + + + + + + +

Эффективность работы режущего инструмента, в том числе в породах средней и выше средней крепости, можно увеличить за счёт уменьшения скорости его взаимодействия с массивом, то есть при переходе на режим силового взаимодействия, который характеризуется отделением крупных элементов и почти статическими величинами сопротивляемости разрушаемой среды элементарным деформациям. Результаты проведённых А. В. Докукиным и А. Г. Фроловым [22] исследований показывают, что увеличение времени приложения нагрузки к инструменту в 1,8.2,0 раза приводит к уменьшению в 1,3. 1,6 раза энергозатрат и, соответственно, снижению пы-леобразования.

Прогрессивным решением является использование на исполнительных органах добывающих поверхностных фрез дискового инструмента, реализующий принцип разрушения крепких пород крупным сколом [3, 25, 35, 53, 59], который обладает рядом преимуществ по сравнению с тангенциальными резцами: обладает в 5. .20 раз большей прочностью; имеет на два порядка большую длину режущей кромки; реализует иную (рациональную) кинематику взаимодействия с массивом.

Последнее обстоятельство требует дополнительного пояснения. При движении оси дискового скалывающего инструмента с переносной скоростью Vp абсолютная скорость внедрения точки А режущей кромки (рис. В.1.) может быть найдена из рассмотрения элементарной кинематики качения без проскальзывания где х = Rd ((p-sinq>), у = RD (l - cosq>) - уравнение циклоиды.

Параметр <р может быть выражен через кинематические и геометрические величины

Тогда

VA=VP,/2 у Л 1 — cos—-t 4 RD j

B.2)

В момент входа точки А лезвия инструмента в контакт с массивом при глубине внедрения h имеем

Ph = = я - ArccosRP~h

D D и величина абсолютной скорости внедрения определяется выражением

V = V

2h

В.З) W из которого следует, что даже при максимальной глубине внедрения h = Rq/2 скорость взаимодействия точки режущей кромки дискового скалывающего инструмента меньше переносной скорости. При дальнейшем заглублении скорость точки А падает до нуля в мгновенном центре поворота. Таким образом, при существующих скоростях вращения исполнительных органов дисковый инструмент производит разрушение в режиме силового резания [1], что положительно сказывается на фракционном составе продуктов разрушения и ведёт к снижению энергоёмкости процесса. Редукция нагрузки на лезвии дискового инструмента за счёт уменьшения скорости взаимодействия приводит к возрастанию контактных напряжений и вызывает возникновение и развитие трещин в массиве. Прочность дискового скалывающего инструмента и его опорного узла при этом не является лимитирующим фактором [11].

Специфические свойства прочных породных массивов потребовали создания агрегированного инструмента с выделением режимных параметров и характеристик схем набора. Это, в свою очередь, ставит круг вопросов, связанных с методологическими аспектами изучения взаимодействия дискового инструмента с разрушаемым массивом, оценки эффективности нового рабочего инструмента и схем разрушения крепких пород, исследования рациональных параметров и режимов работы дискового инструмента и синтеза на его основе компоновочных схем исполнительных органов. Научные основы теории работы исполнительных органов горных машин, заложенные в трудах академиков А. М. Терпигорева и В. Н. Потураева, член-корреспондентов А. В. Докукина и А. Г. Лазуткина, профессоров Я. И. Альшица, JL И. Барона, В.

A. Бреннера, Б. А. Верклова, Б. JI. Герике, В. Н. Гетопанова, JI. Б. Глатмана,

B. Ф. Горбунова, Б. JI. Давыдова, Н. Г. Картавого, А. Н. Коршунова, Ю. Д. Красникова, В. И. Нестерова, П. П. Палева, Е. 3. Позина, Ю. Г. Полкунова, В. М. Рачека, В. И. Солода, А. В. Топчиева, А. А. Хорешка и др. исследователей, показывают, что все выше перечисленное непосредственно связано с интенсификацией процессов очистных работ при выемке полезных ископаемых. Поэтому можно утверждать, что создание исполнительных органов ДПФ с дисковым инструментом для разрушения крепких породных массивов, является весьма актуальной научной задачей, решение которой позволит существенно расширить область применения экологически безопасной безвзрывной разработки массивов полезных ископаемых открытым способом.

Исследования выполнялись в рамках Программы немецко-российского сотрудничества № RUS-170-99 «Эффективная безвзрывная разработка высокопрочных полезных ископаемых» между Дрезденским техническим университетом (Институт транспортных, строительных машин и логистики) и Институтом угля и углехимии СО РАН при финансовой поддержке Немецкой службы внешних академических связей (DAAD) и фирмы MAN TAKRAF (ФРГ), а также по программе «Уголь Кузбасса».

Цель работы - обеспечить создание высокоэффективных средств непрерывного разрушения крепких горных пород на основе исследования процессов отделения крепких полезных ископаемых от массива, позволяющих интенсифицировать их добычу открытым способом.

В соответствии с поставленной целью в работе обосновывается идея о целесообразности использования для разрушения крепких пород дискового инструмента шнековых исполнительных органов машин для послойного фрезерования. В работах [8, 20, 24, 38, 49, 61 и др.], выполненных на кафедре горных машин и комплексов КузГТУ под руководством проф. Коршунова, доказывается принципиальная возможность использования подобного типа рабочего инструмента для отработки трудноразрушаемых угольных пластов, и устанавливаются основные параметры исполнительных органов. Однако специфические свойства добывающих поверхностных фрез (широкий захват, небольшая глубина фрезерования, ограниченное сцепным весом усилие перемещения и т. п.), не позволяют однозначно использовать ранее полученные рекомендации и требуют проведения специальных исследований взаимодействия дискового инструмента с разрушаемой средой.

Для этого, при выполнении работы, были поставлены и решены следующие основные задачи:

- обосновать метод непрерывного разрушения массивов крепких горных пород, пригодный для добычи полезных ископаемых открытым способом;

- установить основные закономерности процесса разрушения массива крепких горных пород одиночным дисковым инструментом на стенде и на их основе определить основные параметры рабочего органа машин для послойного фрезерования;

- выбрать критерий разрушения крепких пород и построить модель скалывания массива под воздействием дискового инструмента;

- изучить на математической модели основные закономерности работы исполнительного органа машины для послойного фрезерования и проверить в практических условиях работоспособность его макетного образца.

При решении поставленных задач проводились аналитические и лабораторные исследования, а также натурные эксперименты, включающие:

- методы статического, кинематического и динамического анализа взаимодействия дискового инструмента с разрушаемой средой;

- метод граничных интегральных уравнений при исследовании напряженно-деформированного состояния массива под лезвием дискового инструмента;

- методы теории планирования эксперимента и электро- и тензометрии при выполнении лабораторных и производственных исследований;

- методы математической статистики при обработке экспериментальных данных и построении комплекса регрессионных зависимостей;

- производственные эксперименты по определению показателей работоспособности макетного образца исполнительного органа с дисковым инструментом.

На основании выполненных исследований сформулированы следующие основные научные положения, выносимые на защиту:

- механизм взаимодействия дискового инструмента с разрушаемым массивом позволяет снизить на порядок энергоёмкость процесса механического разрушения и использовать для добычи крепких полезных ископаемых существующие машины для послойного фрезерования;

- закономерности взаимодействия дискового инструмента с разрушаемой средой, характеризующиеся качественным изменением силовых показателей при вариации параметров разрушения, свидетельствуют о трансформации напряженно-деформированного состояния массива горных пород от линейного к объёмному при изменении режима работы дисков от силового малоциклового разрушения к свободному скалыванию;

- гранулометрический состав продуктов разрушения определяется характером напряженно-деформированного состояния массива в зоне контакта с лезвием инструмента, зависящим как от свойств разрушаемой среды, так и от геометрии инструмента и управляемого параметра режимов его взаимодействия с горной породой;

- модель взаимодействия рабочего органа машины для послойного фрезерования с массивом горных пород, построенная в среде системы компьютерной математики «Mathcad», имеет случайный характер и связана с трехмерной графической визуализацией конструкции исследуемого исполнительного органа в среде программы «SolidWorks», что позволяет оперативно получать готовые конструкторские чертежи проектируемых конструкций и деталей.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены:

- корректной постановкой задач по исследованию взаимодействия дискового инструмента с разрушаемым горным массивом, учитывающей основные представления механики деформируемого твердого тела и механики хрупкого разрушения;

- использованием измерительно-регистрирующей аппаратуры и методики интерпретации экспериментальных результатов с погрешностью, не превышающей 8% по амплитуде, а по частоте - 10% в низкочастотной (до 25 Гц) области;

- сходимостью результатов исследования взаимодействия рабочего инструмента и исполнительных органов с массивом горных пород, полученных на основе математического моделирования, с экспериментальными данными; положительными результатами опытной эксплуатации макетного образца машины для послойного фрезерования TM-D25 с исполнительным органом, оборудованным дисковым инструментом.

Научная новизна диссертации заключается: в обосновании способа непрерывного разрушения массивов крепких горных пород на основе оснащения исполнительных органов машин для послойного фрезерования дисковым инструментом; в установлении основных закономерностей процесса разрушения горного массива одиночным диском и определении на их основе рациональных параметров взаимодействия инструмента с крепкими горными породами; в обосновании критерия разрушения массива крепких пород и построении на его основе модели скалывания горной породы с минимальными затратами энергии; в обосновании компоновочных схем и конструктивных параметров исполнительных органов на основе моделирования режимов разрушения, силовые характеристики которых оцениваются по экспериментальным результатам, полученным в лабораторных условиях на одиночном инструменте; в установлении основных закономерностей нагружения рабочих органов с дисковым инструментом в зависимости от компоновочных схем его набора, свойств разрушаемого массива и установленной мощности приводов машины для послойного фрезерования.

Личный вклад автора заключается: в обосновании принципа непрерывного разрушения крепких горных пород дисковым инструментом, позволяющим эффективно использовать машины для послойного фрезерования при разработке месторождений крепких полезных ископаемых; в изучении основных закономерностей формирования нагрузки на одиночном диске при разрушении основных литотипов горных пород и определении качественного различия в механизмах силового малоциклового разрушения и свободного скалывания в сторону свободной поверхности; в разработке математической модели макроструктур горных пород, обосновании критерия их разрушения дисковым инструментом и исследова

12 нии формирования напряженно-деформированного состояния массива под лезвием одиночного диска;

- в построении имитационной модели взаимодействия рабочего органа машины для послойного фрезерования с разрушаемой средой, пригодной для исследования компоновочных схем набора инструмента и связанной с трехмерной графической визуализацией конструкции исследуемого исполнительного органа в среде программы «SolidWorks»;

- в определении основных закономерностей формирования нагрузок в приводах рабочего органа и механизма перемещения машины для послойного фрезерования при работе в различных горнотехнических условиях;

- в проведении опробования макетного образца машины для послойного фрезерования TM-D25 на стенде и участии в промышленном опробовании при добыче строительных материалов, обобщении результатов экспериментальных исследований и разработке рекомендаций для изготовления опытной полноразмерной модели исполнительного органа с дисковым инструментом.

Практическое значение работы состоит в том, что её результаты позволяют:

- расширить область применения нового класса горных машин и на этой основе создать новую технологию непрерывной очистной выемки крепких полезных ископаемых (ссж < 100 МПа) на открытых горных работах;

- разрушать полезное ископаемое и вмещающие породы крупным сколом, что сопровождается улучшением сортности продуктов разрушения и экологической обстановки;

- вовлечь в отработку часть пологих маломощных месторождений полезных ископаемых, отнесённых в настоящее время к неперспективным из-за отсутствия приемлемых технологических решений и средств механизации;

- проектировать и создавать дисковый инструмент и рабочие органы горных выемочных машин применительно к конкретным горногеологическим и горнотехническим условиям их эксплуатации.

Реализация выводов и рекомендаций работы заключается в том, что разработанные модели (силовая и 3D-CAD) исполнительного органа приняты к реализации горнопромышленным отделением фирмы «MAN TAKRAF» г. Лаухаммер, ФРГ) и реализованы в конструкции испытательной машины TM-D25.

Разработанная методика расчета исполнительных органов машин для послойного фрезерования используется в учебном курсе при подготовке магистров в Дрезденском техническом университете (Институт транспортных, строительных машин и логистики, г. Дрезден, ФРГ) и при чтении курса лекции по дисциплине «Физические процессы горного производства» в КузГТУ.

Апробация работы. Основное содержание работы, отдельные ее положения и результаты были доложены и обсуждены: на техническом совете горнопромышленного отделения фирмы «MAN TAKRAF» (Лаухаммер, ФРГ, 2001, 2004 г.г.); на семинаре Института транспортных, строительных машин и логистики ДТУ (Дрезден, 2001, 2004 г.г.); на 6 международном симпозиуме «Continuous Surface Mining» (Фрайберг, ФРГ, 2001 г.); на международных конференциях «Динамика и прочность горных машин» (Новосибирск, 2001, 2003 г.г.); на международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2002); на Всероссийской научно-практической конференции «Региональные проблемы устойчивого развития природоресурсных регионов и пути их решения» (Кемерово, 2003); на Ученом совете и научно-технических семинарах Института угля и углехимии СО РАН (2002.2004 г.г.).

1. ОЦЕНКА СОВРЕМЕННЫХ СТРАТЕГИЙ РАЗВИТИЯ ДОБЫВАЮЩЕЙ ТЕХНИКИ ДЛЯ ОТКРЫТОЙ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Герике, Павел Борисович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена задача по созданию высокоэффективных средств непрерывного механического разрушения горных пород на основе исследования процессов скалывающего отделения крепких полезных ископаемых от массива, позволяющих интенсифицировать их добычу открытым способом.

Выполненные исследования позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Конкурентным способом добычи крепких полезных ископаемых с пределом прочности при одноосном сжатии Стс* < 90 МПа может стать послойное фрезерование машинами, на рабочих органах которых используется дисковый инструмент, производящий непрерывное разрушение породного массива. При реализации режима силового малоциклового разрушения дисковый инструмент способен разрушать горные породы с асж< 120 МПа без создания искусственных поверхностей обнажения.

2. Лабораторные исследования разрушения песчаника и диорита дисковым инструментом показали, что: разрушение песчаника, благодаря его высокой хрупкости Ос = 0,09) возможно стружками малого сечения (до 10 см ), но требует больших (до 11,5 кВт-час/м3) энергетических затрат;

- разрушение диорита с четко выраженной слоистой структурой является эффективным, о чём свидетельствуют относительно низкие энергетические затраты Hw = 1,5.4,0 кВт-час/м3.

3. Суммарные энергетические затраты при силовом малоцикловом разрушении песчаника меньше примерно в 5 раз необходимых для реализации режима свободного скалывания и составляют Hw = 0,37.0,71 кВт-час/м ; выход крупной фракции (+ 42 мм) в 1,35.2,00 раза больше, а выход штыба (- 6,3 мм) и пылевых фракций (< 0,5 мм) - в 1,05. 1,55 раза меньше, чем при свободном резании.

4. Разработанная модель макроструктуры разрушаемого материала и обоснованный критерий разрушения позволили исследовать напряженно-деформированное состояние, формирующееся в горном массиве под лезвием диска, и установить качественные и количественные характеристики объемов крупных осколков. Установлено, что оценка объема крупных элементов песчаника (ст^ = 61,00 МПа, % = 0,09), отделяемых от массива в режиме силового малоциклового разрушения, определенная теоретическим путем, имеет удовлетворительную для инженерных расчетов сходимость с результатами лабораторных испытаний.

5. Модель взаимодействия рабочего инструмента с породным массивом позволяет определять параметры исполнительного органа (шаг разрушения и количество инструментов в линии разрушения) по заданным механическим свойствам и выбранному режиму работы дискового инструмента. Она имеет динамическую связь с 3D-CAD моделью (среда «SolidWorks»), что позволяет на стадии проектирования оперативно получать рабочие чертежи геометрически сложных элементов и всей конструкции в целом.

6. Характеристики работы МПФ TM-D25, полученные при проведении «in-situ» тестов, убедительно свидетельствуют о высокой надежности работы исполнительного органа с дисковым инструментом (коэффициент технического использования Кти ~ 0,8) при достаточно высокой эксплуатационной производительности (СЬ «112 т/час) и приемлемых энергозатратах (q« 0,17 л/т).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Герике, Павел Борисович, Кемерово

1. Абдрахманов Н. Г., Айталиев Ш. М. О смене механизмов разрушения горных пород в зависимости от скорости нагружения// Изв. АН КазССР. Сер. физ.-мат. 1989. - № 5. - С.64-68.

2. Алимов О. Д. Анализ технологических процессов отделения блоков природного камня от массива./ О. Д. Алимов, М. Т. Мамасандов // ФТПРПИ. 1988. -Ко 2. - С.99-103.

3. Баранов Е. Г. Оценка энергоёмкости и степени разрушения горных пород./ Е. Г. Баранов, В. И. Крымский // Изв. ВУЗов, Горный журнал.-1988. -№4. -С.49-52.

4. Барон JI. И. К выбору критерия оценки сопротивляемости горных пород разрушению шарошечным инструментом./ JI. И. Барон, JI. Б. Глатман // Разрушение горных пород шарошечным инструментом. М.: Наука, 1966. -С. 18-27.

5. Бенерджи П., Баттерфилд Р. Метод граничных элементов в прикладных науках.-М.:Мир, 1984.- 494 с.

6. Болдырев П. И. Исследование и прогнозирование показателей сопротивляемости разрушению углей Кузнецкого бассейна. Дисс. . канд.техн.наук./КузПИ. Кемерово, 1975. - 179 с.

7. Гайдукевич В. И. Вероятностная обработка осциллограмм электрических величин./ В. И. Гайдукевич, А. А. Мельникова. М.: Энергия, 1972.- 112 с.

8. Герике Б. Л. Исследование режимов работы исполнительных органов очистных комбайнов с дисковым скалывающим инструментом. Дисс. . канд. техн. наук./КузПИ. Кемерово. — 1977. - 201 с.

9. Герике Б.Л. Оценка эффективности действия рабочего инструмента горных машин// Физические процессы горного производства: Тезисы докладов X Всесоюз.науч.конференции/ МГИ. -М., 1991. С.82.

10. Герике Б. JL Разрушение крепких горных пород дисковым скалывающим инструментом очистных комбайнов. Дисс. . докт. техн. наук./ИУ СО АН СССР. Кемерово. - 1991. - 393 с.

11. Герике Б. JL Математические модели циклического разрушения крепких горных пород дисковым инструментом. /Б. JI. Герике, Ю. Г. Полкунов, П. Б. Герике. — Кемерово. — Кузбассвузиздат. — 2001 г. — 171 с.

12. Герике П. Б. Направление совершенствования добывающей техники для открытых горных работ./ П. Б. Герике, А. Эллер// Динамика и прочность горных машин: Сборник трудов в 2-х томах. Т. 1./ ИГД СО РАН. — Новосибирск, 2003. С. 20-29.

13. Герике П. Б. Моделирование взаимодействия дискового режущего инструмента с массивом горных пород./ П. Б. Герике, М. А. Беликов// ФТПРПИ. № 5 - Новосибирск. - 2003. - С. 63-69.

14. Герике П. Б. Обзор методов разрушения применительно к созданию рабочего органа машины для поверхностного фрезерования крепких полезных ископаемых.// ИУУ СО РАН. Кемерово. - 2004. - 62 с.

15. Герике П. Б. Стендовые исследования режимов работы дискового инструмента./ Б. JI. Герике, А. Б. Логов, П. Б. Герике// Вестник КузГТУ, № 5. Кемерово. - 2004. - С. 22-29.

16. Глушко А. И. Об одном подходе к разрушению горных пород// Изв. АН СССР. Мех. твердого тела. 1988. - № з. . С.130-135.

17. Гольдин Ю. А. Возможные пути реализации безщелевого гидромеханического способа разрушения исполнительным органом проходческого комбайна./ Ю. А. Гольдин, В. С. Фролов, И. В. Шиманов //9

18. Вопросы повышения научно-технического уровня горноподготовительных работ: Сб.науч.тр. М., 1987. - С.88-93.

19. Дергунов Д. М. Исследование процесса разрушения угля дисковыми шарошками применительно к исполнительным органам узкозахватных комбайнов. Дисс. канд.техн.наук./КузПИ. — Кемерово, 1972. 148 с.

20. Джонсон Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке./ Н. Джонсон, Ф. Лион// М.: Мир, 1981. 516 с.

21. Докукин А. В., Фролов А. Г. Совершенствование машин для добычи угля на основе кинетической теории прочности// Науч. тр./ ИГД им.А.А.Скочинского. М., 1977. - Вып.149. - С. 33-41.

22. Измерения в промышленности. Справочник. В 3-х кн. Кн. 1. Теоретические основы./ Под ред. П. Профоса. // М.: Металлургия. — 1990. 492 с.

23. Корчуганов Ф. В. Исследование и совершенствование конструкции исполнительных органов узкозахватных комбайнов с целью повышения эффективности комбайновой выемки в условиях Кузбасса. Дисс. . канд. техн. наук./ КузПИ. Кемерово, 1974. - 278 с.

24. Коршунов А. Н. Результаты исследований процесса разрушения углей дисковыми шарошками./ А. Н. Коршунов, Д. М. Дергунов, А. Б. Логов, Б. Л. Герике // ФТПРПИ. 1975. - № 5. - С. 118-120.

25. Крапивин М. Г. Горные инструменты./ М. Г. Крапивин, И. Я. Раков, Н. И. Сысоев.// М. Недра. - 1990. - 256 с.

26. Крауч С., Старфилд А. Методы граничных элементов в механике твердого тела.-М.:Мир, 1987.-328 с.

27. Лизункин В. М. Механизированная подземная разработка крепких руд маломощных месторождений./ В.М. Лизункин, Б.Л. Герике, Ю.Б. Уцын — Чита: ЧитГТУ, 1999. 238 с.

28. Лизункин В. М. Научно-методические и физико-технические основы комбайновой выемки крепких руд маломощных некрутопадающих месторождений. Автореферат дисс. . .д-ра техн. наук./ ЧитГТУ. — Чита. — 1999.-37 с.

29. Логов А. Б. Механическое разрушение крепких горных пород./ А.Б. Логов, Б.Л. Герике, А.Б. Раскин Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1989.- 141 с.

30. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: В 2-х томах. Пер. с франц. М.: Мир, 1983. - Т.2. — 256 с.

31. Малеев Г. В. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов./ Г. В. Малеев, В. Г. Гультяев, Н. Г. Бойко и др.// М. — Недра. 1988.-368 с.

32. Мерзляков В. Г. Влияние геометрии дисковой шарошки на эффективность гидромеханического способа разрушения угля.// Вопросы повышения научно-технического уровня горно-подготовительных работ: Сб. науч. тр. М., 1987. - С.83-87.

33. Моделирование разрушения углей режущими инструментами./ Под ред. Ю.Д. Красникова.// М. Наука. - 1981. - 180 с.

34. Моффет Р. Дж. К теории погрешности при однократных замерах.// Теоретические основы инженерных расчетов.// М.: Мир, 1982. Т. 104. -Вып.2. - С.204-218.

35. Нестеров В. И. Экспериментально-теоретические основы повышения качества процессов взаимодействия рабочих органов очистных комбайнов с разрушаемым массивом./ Автореферат дисс. . д-ра техн. наук.// Кемерово КузГТУ. - 1989. - 50 с.

36. Нестеров В. И. Механика разрушения горных пород дисковым инструментом ./В. И. Нестеров, Ю. Г. Полкунов, Б. JI. Герике и др.// Кемерово. КузГТУ. - 2001. - 159 с.

37. Никифоровский B.C., Шемякин Е.И. Динамическое разрушение твердых тел.-Новосибирск: Наука, 1979.-272 с.

38. Пиотровский Я. Теория измерений для инженеров: Пер. с польск. — М.: Мир, 1989.-335 с.

39. Писаренко Г. С. Уравнения и краевые задачи теории пластичности и ползучести. Справочное пособие./ Г. С. Писаренко, Н. С. Можаровский. -Киев: Наук, думка, 1981. - 496 с.

40. Писаренко Г.С, Лебедев А.А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии.-Киев: Наукова думка, 1976.-415 с.

41. Пихлер М. Wirtgen Surfase Miner в Индии./ М. Пихлер, Ю. Б. Панкевич.// Горная промышленность. № 4 (46). -2003. - С.40-47.

42. Подэрни Р. Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ: Учебник для вузов, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1985. - 544 с.

43. Позин Е. 3. Сопротивляемость углей разрушению режущими инструментами. М.: Наука, 1972. - 238 с.

44. Позин Е.З., Меламед В.З., Азовцева С.М. Измельчение углей при резании. -М.: Наука, 1977.- 136 с.

45. Позин Е. 3. Разрушение углей выемочными машинами./ Е. 3. Позин, В. 3. Меламед, В. В. Тон.// М. Недра. - 1984. - 288 с.

46. Полку нов Ю. Г. Циклическое разрушение крепких пород инструментами горных машин, формирующими трещины нормального разрыва. Дисс. на соискание степени докт. наук. Кемерово, КузГТУ. 2000 г. — 515 с.

47. Разрушение горных пород проходческими комбайнами: Разрушение агрегированными инструментами/ Л.И. Барон, Л.Б. Глатман, Ю.Н. Козлов, И.И. Мельников. М.: Наука, 1977. - 160 с.

48. Распределение и корреляция показателей физических свойств горных пород. Справочное пособие./ М. М. Протодьяконов, Р. И. Тедер, Е. И. Ильницкая и др. // М. Недра. - 1981. - 191 с.

49. Ржевский В. В. Процессы открытых горных работ.// М. Недра. - 1978. — 256 с.

50. Рогов А. Б. Стендовые испытания шарошечного исполнительного органа комбайна ПК-9Р на песчанике./ А. Б. Рогов, А. П. Безгубов // Механизация горных работ: Сб. науч. тр./ТулПИ. Тула, 1988. - С.53-56.

51. Родин А. В. Основные параметры ударно-режущего способа разрушения горных пород./ А. В. Родин, И. И. Кожемяка // ИГМ АН УССР. -Днепропетровск. 1987. 15 с. Деп. в ВИНИТИ 09.11.87. - № 7824-В87.

52. Сафохин М. С. Машины и инструмент для бурения скважин на угольных шахтах./ М.С. Сафохин, И.Д. Богомолов, Н.М. Скорняков, A.M. Цехин. — М.: Недра, 1985,213 с.

53. Ставрогин А. Н. Пластичность горных пород./ А. Н. Ставрогин, А. Г. Протосеня// М. Недра. - 1979. - 304 с.

54. Тангаев И. А. Энергоёмкость процесса добычи и переработки полезных ископаемых. М. - Недра. - 1986. - 274 с.

55. Троллоп Д. X. Введение в механику скальных пород/ Д. X. Троллоп, X. Бок, Б. С. Бест и др.-М.:Мир, 1983.-276 с.

56. Трубицын Е. Д. Силовые показатели процесса разрушения шарошечным инструментом.// Процессы и средства разрушения угля и горных пород: Науч. сообщ. ИГД им. А. А. Скочинского. М., 1987. - С.35-39.

57. Филоненко-Бородич М.М. Механические теории прочности.-М.: Изд-во МГУ, 1961.-92 с.

58. Хорешок А. А. Разработка и создание рабочих органов выемочных машин для улучшения сортового состава добываемого угля. Дисс. на соискание степени докт. наук. Кемерово, КузГТУ. 1997 г. 340 с.

59. Черепанов Г. П. Некоторые вопросы разрушения хрупких пород при сжатии/ Проблемы механики горных пород. Алма-Ата.: Илим, - 1966. — С.433-440.

60. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М. - Наука, 1974. -640 с.

61. Шенк X. Теория планирования инженерного эксперимента. М.: Мир, 1973.-381 с.

62. Штейнцайг Р. М. Опыт и перспективы применения КСМ-2000Р на разрезе «Таллинский»./ Р. М. Штейнцайг, С. К. Коваленко// НПК «Гелюс Лтд.» — М.- 1997.- 147 с.

63. Штейнцайг Р. М. Инженерные основы оптимизации параметров процессов механического разрушения горных пород./ Р. М. Штейнцайг, Г. Я. Воронков, А. В. Берман.// Открытые горные работы. — 1999. -Пилотный номер. С. 65-68.

64. Altiero N.J., Sikarskie D.L. Fracture initiation in elastic brittle materials having non-linear fracture envelopes// Intern. J. Fracture.-1975.-№ 11.-P.431-440.

65. Anderson S.J., Morrell P.J., Larson D.A. A laboratory comparision of drag cutting methods in hard rock// Rept. Invest. Bur. Mines US Dep. Inter. 1987. -N9086.-p. 1-12.

66. Buchi, E. TBM Schneidrollen Einfliisse auf die Vortriebsleistung. In: Robbins Symposium, Luzern, 16. Marz 1995.

67. Chadwick, J. Hard rock mobile mining. In: Mining Magazine, January 1993, S.27-29.

68. Evans A.G., Wilshaw T.R. Quasi-static solid particle damage in brittle solids//Acta Met.-1976.-V.24, №10.-P.939-956.

69. Frenyo, P.; Henneke J. Gegenwartigen Stand und mogliche Entwicklung der Teilschnitt-Vortriebstechnik. In Gluckauf. Essen 133 (1997) 3, S. 79-84.

70. Friant, J.E.; Ozdemir, L. Tunnel boring technology present and future. In: RETC Proceedings, Boston MA, 1993, S. 869-888.

71. Gehring, K. Leistungs- und Verschleifiprognosen im maschinellen Tunnelbau. In: Felsbau 13 (1995) Nr.6, S. 439-448.

72. Goergen, H.; Arnold, L.; Tuschhoff H. Die Frasmaschine 3000 SM/3800 SM als neues Tagebaugeret. In Braunkohle. Clausthal 36 (1984) 4, S. 90-95.

73. Hoffmann H. Beitrag zur Auslegung des Graborgans und des Forderweges eines Schaufelradbaggers. In Braunkohle. Clausthal 34 (1982) 1/2, S. 20-23.

74. Jahn, D.; Schlecht, B. Der Krupp Truck Bucket Wheel Excavator zur kontinuierlichen Gewinnung und diskontinuierlichen Abforderung mittels SKW. In Braunkohle. Clausthal 49 (1997) 5, S. 457-464.

75. Johannessen, O. Hard rock tunnel boring. Project report 1-94. NTH, University of Trondheim, The Norwegian Institute of Technology, Trondheim, March 1995.

76. Kunze, G.; Ehler, A.; Goericke B. Kontinuierlicher Gewinnunsvorgang im Festgestein./ Surfase Mining. Braunkohle & Other Minerals. #2, 2001. S. 185190.

77. Lindquist, P.-A.; Shao-Quan, K; Tan, X. Conceptual model of crack structure in rock caused by mechanical excavation. Project Report 44-94-022, Svensk Karnbranslehantering AB, Box 5864, S. 10-248. Stockholm, Juni 1994.

78. Maier H.; Jolas P. Geotechnische Schwerpunkte bei der Verkippung von Kesselstrukturen im Tagebau Profen./Surfase Mining. Braunkohle&Other Minerals. #.2, 2001. S.207-214.

79. Mechanical mining. In: E&Mj, July 1995, S. 44-47.

80. Rostami, J.; Ozdemir, L. A new model for performance prediction of hard rock TBMs. In: RETC Proceedings, Boston MA, 1993, S. 793-809.

81. Rudolw, W. u. a. Krupp Surface Miner KSM 2000R im russischen Tagebau. In Braunkohle. Clausthal 48 (1996) 4, S. 357-362.

82. Schimazek, J.; Knatz, H. Die Beurteilung der Bearbeitbarkeit von Gesteinen durch Schneid- und Rollenbohrwerkzeuge. In: ERZMETALL, Bd. 29, (1976), Heft 3, S. 113-119.

83. Shao-Quan, K; Lindqvist, P.-A.; Xian-Chun, T. An analytical and experimental investigation of rock indentation fracture. In: Proceedings of the International Congress on Rock Mechanics, Tokyo, Japan, 1995, T. Fujii (ed), S. 181-184.

84. Sikarskie D.L., Altiero N.J. The formation of chips in the penetration of elastic-brittle materials (rock)// J.Appl.Mech.-1973.-№40.-P.791-798.

85. Spachtholz, F. H. Einsatzmoglichkeiten des Surface Miner und erste Erfahrungen auperhalb der Kohle. In Braunkohle. Clausthal 49 (1997) 2, S. 137-149.

86. Stoll, R. D.; Schultheis, W.; Rese, F. Uberblick uber die kontinuierliche Tagebautechnik. Riickblick Stand der Technik - Ausblick.

87. Thuro, K.; Spaun, G. Drillability in hard rock drill and blast tunneling. In: Felsbau 14 (1996), Nr. 2, S. 103-109.

88. Trollope D.H. Fracture and Failure of rock material.-Vacation School in Rock Mech.Univ.College of Towusville, 1969.

89. Willoughby, R. A. Field trials of the Mobile Miner MM130 at Broken Hill. In: Proceedings of the 2nd International Symposium on Mine Mechanization and Automation, Lulea, Sweden, June 7-10, 1993, S. 305-310.