Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

ШИШЛЯННИКОВ Дмитрий Игоревич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТДЕЛЕНИЯ КАЛИЙНОЙ РУДЫ ОТ МАССИВА РЕЗЦАМИ ДОБЫЧНЫХ КОМБАЙНОВ

Специальность 05.05.06 - Горные машины
Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

санкт-петербург

2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель Ц

доктор технических наук, профессор

Габов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты:

Жабин Александр Борисович Ц доктор технических наук, профессор, Тульский государственный университет, профессор кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений

Розенкевич Виктор Эфроимович Ц кандидат технических наук, ОАО ВНИИГалургии г. Санкт-Петербург, ведущий инженер

Ведущая организация Ц Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Защита  диссертации  состоится л29 мая  2012  г.

в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Да212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106, Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан  л28 апреля 2012 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета,

д.т.н., профессор ТИМОФЕЕВ И.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность работы. Для предприятий, осуществляющих добычу калийных руд подземным способом, актуальными остаются задачи снижения удельных энергозатрат процесса разрушения массива резцами исполнительных органов добычных горных машин, улучшения качества добываемой руды по гранулометрическому составу, уменьшения затрат на ее обогащение.

На сегодняшний день добыча калийной руды осуществляется выемочными машинами, которые разработаны в 80-х годах XX века. Создание более совершенных выемочных машин, оснащенных режущими исполнительными органами нового технического уровня, обеспечивающих как рост производительности, так и снижение удельного расхода энергии и уменьшение выхода мелких классов руды, может быть основано на результатах исследований закономерностей формирования рациональных параметров последовательных элементарных сколов, составляющих срез и отражающих физическую сущность процесса резания калийного массива.

Известны перспективные конструкции планетарно-дисковых исполнительных органов, реализующих перекрестную схему резания калийного массива, но не изучены процесс формирования и сама возможность активного влияния на геометрические параметры последовательных элементарных сколов, в частности, при использовании перекрестной схемы резания. Обоснование рациональных параметров исполнительных органов, реализующих перекрестную схему резания, посредством исследования закономерностей формирования последовательных элементарных сколов калийной руды, составляющих срез, представляет теоретический и практический интерес.

Изучению процесса разрушения горных пород резцами выемочных горных машин посвящены многочисленные работы Берона А.И., Позина Е.З., Слободкина М.И., Брусиловского Д.В., Бреннера В.А., Шмакина И.Г., Деветьева В.З., Старкова Л.И., Харламовой Н.А. и др. 

Цель работы. Повышение эффективности отделения руды от калийного массива резцами исполнительных органов добычных машин приданием поверхности забоя формы с наличием чередующихся регулярных выступов и зон ослаблений и обоснованием рациональных параметров последовательных элементарных сколов, составляющих срез.

Идея работы. Увеличение выхода крупных классов руды, снижение удельных затрат энергии на отделение калийной руды от массива, уменьшение доли необогатимых фракций в продуктах отбойки и снижение динамических нагрузок на резцах исполнительных органов добычных машин обеспечивается созданием на поверхности разрушаемого калийного массива пересекающихся областей ослаблений и наведенных трещиноватостей, что достигается применением шахматной симметричной перекрестной схемы резания.

Научная новизна работы:

1. Теоретически установлена и экспериментально подтверждена возможность активного влияния на геометрические параметры последовательных элементарных сколов (формирование которых до настоящего времени  объяснялось только случайными факторами) изменением формы поверхности забоя и созданием пересекающихся областей концентрации напряжений и наведенных трещиноватостей.

2. Снижение средних значений и дисперсии нагрузок на резце, уменьшение удельных энергозатрат процесса резания достигается приданием поверхности калийного массива формы с наличием чередующихся регулярных выступов и зон ослаблений, оказывающих существенное влияние на процесс формирования последовательных элементарных сколов в срезе.

Основные задачи исследований:

1. Анализ результатов исследований процесса разрушения горных пород резцами исполнительных органов добычных машин.

2. Теоретические исследования процесса формирования последовательных элементарных сколов при реализации шахматной и шахматной симметричной перекрестной схем разрушения калийного массива.

3. Разработка экспериментального лабораторного стенда для изучения процесса формирования последовательных элементарных сколов при разрушении калийной руды одиночным резцом.

4. Проведение экспериментальных исследований процесса формирования последовательных элементарных сколов при резании калийной руды полноразмерным резцом и анализ их результатов.

5. Оценка эффективности процесса формирования последовательных элементарных сколов при реализации шахматной и шахматной симметричной перекрестной схем разрушения калийного массива.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ применимости известных теорий разрушения горных пород к исследованию процесса резания, анализ основных положений механики образования и развития трещин, экспериментальные исследования процесса резания калийной руды на лабораторном стенде и спектральный анализ полученных результатов.

Защищаемые научные положения:

1. Повышение эффективности отделения калийной руды от массива резцами исполнительных органов добычных машин достигается формированием заданных геометрических параметров элементарных сколов приданием поверхности разрушаемого массива формы с наличием чередующихся регулярных выступов и зон ослаблений с использованием шахматной симметричной перекрестной схемы резания, что обеспечивает по сравнению с шахматной схемой при соотношении параметров резания снижение удельных энергозатрат в 1,15 раза и уменьшение выхода необогатимых классов руды в 2 раза.

2. При разрушении калийного массива шахматными симметричными перекрестными резами при соотношении параметров срезов средние нагрузки на резец снижаются на 34% по сравнению с шахматной схемой за счет рационального расположения зон ослаблений и наведенных трещиноватостей по нижнему контуру основания регулярных выступов, сформированных на поверхности массива.

3. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что при шахматной симметричной перекрестной схеме резания калийного массива при соотношении параметров резания дисперсия нагрузок на резец, по сравнению с шахматной схемой резания, снижается в 1,41 раза, при этом реализуется устойчивая чередующаяся регулярность образования крупных сформированных сколов заданной формы, частота реализации которых прямо пропорциональна скорости резания и обратно пропорциональна шагу резания, и мелких промежуточных сколов, частота реализации которых прямо пропорциональна скорости резания и ширине режущей кромки резца и обратно пропорциональна величине заглубления резца в массив относительно поперечных резов. 

Достоверность научных положений выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается результатами экспериментальных исследований реального процесса резания калийной руды полноразмерным резцом на лабораторном стенде. Основные выводы теоретических исследований согласуются с ключевыми положениями современных теорий разрушения горных пород.

Практическая ценность диссертации:

1. Установлена возможность активного влияния на гранулометрический состав продуктов отбойки и на изменение силовых и энергетических показателей процесса резания калийных руд формированием параметров последовательных элементарных сколов, составляющих срез, при использовании шахматной симметричной перекрестной схемы резания;

2. Проведены экспериментальные и теоретические исследования процесса формирования последовательных элементарных сколов, составляющих срез, при разрушении калийной руды с использованием шахматной и шахматной симметричной перекрестной схем резания;

3. Разработан и изготовлен лабораторный стенд, позволяющий исследовать процесс формирования последовательных элементарных сколов при резании блоков калийной руды полноразмерным одиночным резцом;

4. Предложена конструкция исполнительного органа проходческо-очистного комбайна для добычи калийных руд, реализующего шахматную симметричную перекрестную схему резания.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований процесса разрушения калийной руды резанием переданы в ОАО ВНИИ Галургии. Разработанный стенд по разрушению калийных солей резанием используется при подготовке студентов по направлению 130400 - Горное дело. Изданы два методических указания к лабораторным работам по изучению конструкции и принципа действия проходческо-очистных комбайнов с планетарно-дисковыми исполнительными органами.

ичный вклад автора. Произведен анализ основных теоретических представлений о разрушении горных пород резанием, как последовательности элементарных сколов. Сформулированы цель и задачи исследований. Исследован механизм формирования последовательных элементарных сколов с устойчивыми геометрическими параметрами при реализации шахматной симметричной перекрестной схемы резания калийного массива. Спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд, проведены стендовые исследования и обработка результатов экспериментов. Обоснована большая эффективность использования шахматной симметричной перекрестной схемы резания калийной руды по сравнению с шахматной схемой. Предложена конструкция исполнительного органа проходческо-очистного комбайна для добычи калийных руд, реализующего шахматную симметричную перекрестную схему резания.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались на  международной научно-технической конференции Нефтегазовое и горное дело (г. Пермь, 2009), международной научно-технической конференции Освоение минеральных ресурсов Севера: Проблемы и решения (г. Воркута, 2010), международной конференции по проблемам рационального природопользования Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства (г. Тула, 2010), международном форуме-конкурсе молодых ученых Проблемы рационального недропользования (Санкт-Петербург, 2010).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации, получен один патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 159 страницах, содержит 61 рисунок, 11 таблиц, список литературы из 88 наименований и одно приложение.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обосновывается актуальность темы диссертации.

В главе 1апредставлены анализ основных этапов развития горных выемочных машин, применяемых для добычи калийных руд и обобщение современных научных представлений о разрушении калийных руд резанием. Определены основные цели и основные задачи исследования.

В главе 2 приведены характеристика процесса формирования последовательных элементарных сколов в срезе, как объекта исследования, результаты теоретического анализа процесса разрушения калийных руд с позиций механики трещинного разрушения твёрдых тел и кинетической теории разрушения, анализ процесса формирования последовательных элементарных сколов, составляющих срез, при разрушении калийного массива с использованием шахматной и шахматной симметричной перекрёстной схем резания. Разработаны требования к конструкции лабораторного стенда для экспериментальных исследований.

В главе 3 представлено описание разработанного лабораторного стенда и методики проведения экспериментальных исследований. Доказано снижение удельных энергозатрат, уменьшение выхода мелких классов руды, снижение среднего значения и дисперсии силы резания при использовании шахматной симметричной перекрёстной схемы по сравнению с шахматной схемой резания калийного массива.

В главе 4 представлены варианты конструкций и обоснованы параметры исполнительных органов горных выемочных машин, реализующих шахматную симметричную перекрёстную схему резания калийного массива.

В заключении приводятся основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, выводы и рекомендации по их использованию.

Автор выражает благодарность доц. Н.В. Чекмасову за научное консультирование, помощь и поддержку в процессе выполнения работы. Также автор выражает благодарность А.Д. Шефнеру и С.В. Дрожжину за помощь в организации экспериментальных исследований.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Повышение эффективности отделения калийной руды от массива резцами исполнительных органов добычных машин достигается формированием заданных геометрических параметров элементарных сколов приданием поверхности разрушаемого массива формы с наличием чередующихся регулярных выступов и зон ослаблений с использованием шахматной симметричной перекрестной схемы резания, что обеспечивает по сравнению с шахматной схемой при соотношении параметров резания снижение удельных энергозатрат в 1,15 раза и уменьшение выхода необогатимых классов руды в 2 раза.

Объектом исследования является процесс разрушения калийного массива одиночным резцом добычных машин. Это сложный многофакторный процесс чередования фаз контактного дробления руды и образования крупных последовательных элементарных сколов. Принято считать, что данный процесс носит случайный характер и оценивать его эффективность можно только обобщёнными (интегральными) показателями, такими как удельный расход энергии, гранулометрический состав отбитой руды. При этом недостаточное внимание уделялось исследованию процесса формирования последовательных элементарных сколов, составляющих срез (рис. 1), отражающему физическую сущность процесса резания.

На процесс формирования последовательных элементарных сколов, составляющих срез, влияют внешние и внутренние факторы. К внешним факторам относятся прочностные свойства руды, которые оцениваются средними значениями их показателей и значениями показателей, характеризующих их изменчивость. Внутренние факторы, влияющие на процесс резания, характеризуются конструктивными и техническими параметрами выемочной машины. Режимные параметры работы исполнительного органа добычной машины составляют группу входных (регулируемых) параметров процесса формирования сколов. Выходными параметрами рассматриваемого процесса являются значения геометрических параметров последовательных сколов, нестабильность которых при использовании традиционных схем резания калийного массива определяет повышенный выход мелких необогатимых классов руды и увеличение энергетических затрат процесса отбойки, связанных с излишним дроблением руды. 

Рис. 1. Блок-схема процесса формирования последовательных элементарных сколов, составляющих срез

Учитывая многофакторность процесса и существенную изменчивость значений его параметров, принимается экспериментально-теоретический метод исследований, основой которого является процесс резания природного блока калийной руды полноразмерным резцом.

Изменение только регулируемых параметров не оказывает существенного влияния на процесс формирования последовательных элементарных сколов при резании.  В тоже время некоторыми исследователями замечено, что возможно формирование геометрических параметров срезов (а значит и элементарных сколов, составляющих их) посредством придания поверхности разрушаемого массива заданной формы, характеризующейся наличием областей концентрации  напряжений, по которым образуются поверхности разрушения реализуемых резов. Так при использовании шахматной схемы резания форма поперечного сечения срезов определяется в первую очередь шагом резания и формой поверхности забоя, воспроизводимой после отработки каждого слоя калийной руды. Рациональный шаг резания определяется геометрическими параметрами поперечных сечений срезов и рассчитывается по формуле:

, (1)

где bp - ширина режущей кромки, мм; h - толщина стружки, мм; - угол бокового развала, град.

Устойчивые формы последовательных сколов, формируемых при использовании шахматной схемы, обусловливают уменьшение выхода необогатимых классов руды и снижение удельного расхода энергии при разрушении калийного массива по сравнению с другими традиционными схемами резания. Однако, в направлении движения резца геометрические параметры последовательных сколов не устойчивы и не предсказуемы.

Формирование последовательных элементарных сколов с заданными значениями геометрических параметров возможно при использовании шахматной симметричной перекрестной схемы резания (рис. 2).  В этом  случае калийный массив послойно разрушается взаимноперпендикулярными резами, направленными вдоль осей ОХ и OZ с шагом резания t. Отработка каждого последующего слоя массива осуществляется резами направленными перпендикулярно резам предыдущего слоя и заглублёнными относительно них в массив на величину hз. В каждом из направлений резания реализуется шахматная схема резания (рис. 2б). Резы двух ближайших слоёв, разрушаемых в одном направлении, располагаются таким образом, что резы последующего слоя разрушают выступы между резами предыдущего слоя и заглубляются относительно резов предыдущего слоя на величину 2 hз.  Отделяемая от массива стружка имеет регулярно изменяемое сечение.

Геометрические параметры сформированной поверхности определяются шагом резания t, величиной заглубления hз пересекающихся резов, шириной режущей кромки используемого резца bp:

  (2)

Максимальная толщина среза h определяется из выражения:

  (3)

где hв - высота выступа, мм.

       Рациональное расположение пересекающихся резов обусловливает формирование на поверхности массива участков породы, отделяемых единичными сколами с заданными значениями их геометрических параметров.

Формирование регулярных сколов заданной формы и крупности, составляющих существенную часть добываемой руды, обусловливает уменьшение количества мелких необогатимых фракций в продуктах отбойки и снижение удельных энергозатрат процесса резания.

Рис. 2. Схема процесса разрушения калийного массива перекрёстными резами

а) Структура поверхности калийного массива, разрушаемого перекрёстными резами

1 - калийный массив; 2 - стружка переменного сечения, отделяемая от массива

б) Порядок отработки забоя и схема расстановки резцов добычной машины

I, II, III, IV, V - порядок расположения плоскостей резания (отрабатываемых породных слоёв); в плоскостях II и IV резцы движутся вдоль оси OZ; в плоскостях I, III и V резцы движутся вдоль оси OX.

       Экспериментальные исследования процесса формирования последовательных элементарных сколов при реализации шахматной и шахматной симметричной перекрестной схем разрушения калийного массива проведены на специально созданном лабораторном стенде (рис. 3), состоящем из насосной станции 1, рамы 4, основания 8, силового цилиндра 5, блока калийной руды 10, для фиксации которого используются зажимы 2 и 9. Полноразмерный резец 11 крепится на измерительном цилиндре 3, к которому подключается датчик давления МД-250. Параметры резца: угол резания =50, задний угол =5, форма передней грани плоская, режущая кромка прямоугольная. При резании блока отклонения резца от заданного направления исключаются тремя направляющими 6, по которым перемещаются роликоопоры  7 измерительного цилиндра. Перемещение резца в пространстве регистрируется посредством датчика перемещения - энкодера.

Рис. 3. Лабораторный стенд для исследования процесса резания калийных солей

Методикой экспериментальных исследований предусматривалась запись силы резания и перемещения резца во времени. Параметры схемы резания: hз=5 мм,  t=35 мм, bp=10 мм. Выбор данных параметров обусловливался прочностными характеристиками стенда, степенью взаимного влияния соседних резов (в соответствии с отраслевой методикой ВНИИГ при t/hз7,2 - рез блокированный) и геометрическими параметрами эталонного резца соответственно. Учитывая, что зависимость силы резания от величины заглубления резца в массив имеет линейный характер, полученные данные можно экстраполировать на все множество параметров . После реализации каждого реза осуществлялся сбор, взвешивание и определение гранулометрического состава продуктов разрушения. Расчет удельных энергозатрат процесса резания осуществлялся по формуле:

(4)

где Hw - удельные энергозатраты процесса резания, кВтч/м3; L - длина среза, см; G - вес продуктов разрушения, г; - плотность калийной руды в массиве, г/см3.

Полученные в результате экспериментальных исследований данные подтверждают большую эффективность шахматной симметричной перекрестной схемы резания по сравнению с шахматной схемой. Формирование устойчивых сколов с заданными значениями их геометрических параметров при реализации шахматной симметричной перекрёстной схемы резания обусловило снижение удельной энергоёмкости процесса резания калийной руды на 15% (рис. 5) и уменьшение выхода мелких необогатимых классов в 2 раза (рис. 4) по сравнению с шахматной схемой резания.

Рис. 4. Результаты гранулометрического анализа продуктов разрушения при реализации шахматной перекрестной и шахматной схем резания калийного массива при

Рис. 5. Удельные энергозатраты процесса разрушения калийного массива при реализации шахматной симметричной перекрестной и шахматной схемы резания при

2. При разрушении калийного массива шахматными симметричными перекрестными резами при соотношении параметров срезов средние нагрузки на резец снижаются на 34% по сравнению с шахматной схемой за счет рационального расположения зон ослаблений и наведенных трещиноватостей по нижнему контуру основания регулярных выступов, сформированных на поверхности массива.

Разрушение калийного массива резцами горных выемочных машин является сложным, развивающимся во времени, циклически повторяющимся процессом. Каждый цикл условно можно разбить на фазы: дробления, формирования ядра уплотнения, пластического деформирования породы и образования микротрещин, зарождения и роста магистральной трещины, осуществляющей отделение крупного скола руды от массива. Известно, что фаза  распространения магистральной трещины характеризуется наименьшими энергозатратами.  Протекание данной фазы сопровождается также минимальным пылеобразованием.

Микротрещины, образующиеся в зонах напряжённого состояния, создаваемых резцами при разрушении калийного массива, локализуются в областях пересечения вновь образованных поверхностей разрушения. Плотность распределения и длина наведенных трещин зависят, среди прочих факторов, от формы и геометрических параметров используемых резцов.

Известно, что наиболее выраженные области наведенных трещин образуются в приповерхностной зоне калийного массива при использовании резцов с плоской передней гранью и прямоугольной режущей кромкой. Резы, реализуемые резцами с указанными геометрическими параметрами и формирующие поверхность забоя, характеризуются наличием боковых и нижней поверхностей разрушения (рис. 6). Боковые поверхности реза имеют ярко выраженный изгиб и пересекаются с поверхностью плоскости резания под прямым углом, что обусловливается высокой вязкостью калийной руды. Наведенные трещины (см. поз. 5 рис. 6б), локализующиеся по краям резов, располагаются под углом 10-30 к плоскости резания. Расчёт длины наведенных трещин осуществляется по формуле, полученной доц. Харламовой Н.А.:

  (5)

Параметр r определяется из выражения:

  (6)

где H - твердость по Виккерсу; дл - предел длительной прочности (для сильвинита дл=11,1 МПа, отношение H/дл =3-4,5); K1c - вязкость разрушения (для сильвинита K1c = 3,5 МПам1/2);   - угол заострения используемого резца, рад.

При использовании традиционных схем резания, характеризующихся односторонним направлением резов, отсутствует возможность использовать наведенные трещины в процессе дальнейшей отработки забоя. В тоже время, значительная энергия затрачивается на создание и ветвление микротрещин, что обусловливает увеличение силовых показателей процесса резания.

Рассмотрим схему формирования последовательных элементарных сколов, составляющих срез, при разрушении калийного массива перекрестными резами (рис. 6). Резец двигается поперек резов отработанного слоя массива и заглубляется относительно них на величину hз. Контуры устойчивых регулярных сколов образованы пересекающимися плоскостями резов, по краям которых локализуются наведенные трещины. Рациональный шаг перекрестных резов tрац.пер. определяется максимально возможной длиной устойчивого скола в направлении резания и шириной режущей кромки резца bp, рассчитывается по формуле:

  (7)

где lск - максимальная длина элементарного скола в срезе при заданной толщине стружки и шаге перекрёстных резов, мм; - угол скола крупного элемента, имеющего длину lск, град.; - угол резания, град.

При разрушении калийного массива перекрестными резами с шагом резания tпер tрац.пер отделение сформированного регулярного скола от массива осуществляется не только посредством образования и дальнейшего развития новых магистральных трещин. В области напряженного состояния, формируемой каждым резцом, создаются условия для развития трещин поперечного сдвига, что обусловливает реализацию имеющихся в массиве наведенных трещин, локализованных по контуру основания регулярных выступов, сформированных на поверхности забоя.

Значения критических напряжений в вершине плоской трещины, необходимых для её развития определяются из уравнений Вестергаарда:

  (8)

где r - расстояние от вершины трещины до точки, где определяется напряжение, мм; - угол между осью Х, лежащей в плоскости распространения трещины, и радиус-вектором , град.; K - коэффициент интенсивности напряжений, Н/мм3/2. Значение коэффициента интенсивности напряжений K не зависит от координат r и , является функцией только напряжения и геометрии трещины:

(9) 

где с - длина трещины, мм.

Скорость распространения трещины в разрушаемом материале определяется из выражения:

  (10)

где E - модуль упругости, МПа; - плотность материала, т/м3.

Рис. 6. Схема образования последовательных элементарных сколов в срезе при разрушении калийного массива перекрестными резами

а) поверхность забоя, разрушаемая перекрестными резами: 1- сформированный элементарный скол с устойчивыми значениями параметров; 2 - резец; 3 - пересекающиеся резы; 4 - зоны локализации наведенных трещиноватостей

б) схема формирования элементарных сколов при движении резца поперек резов отработанного слоя калийного массива: 1 - сформированный элементарный скол с устойчивыми значениями геометрических параметров; 2, 3, 4 - скол мелкого элемента; 5 - зоны локализации наведенных трещиноватостей и концентрации напряжений.

В результате теоретических исследований была сформулирована гипотеза: разрушение калийного массива перекрестными резами с реализацией наведенных трещин обусловливает снижение силовых параметров процесса резания за счет снижения удельных энергозатрат на образование и ветвление микротрещин и уменьшение пластического деформирования руды в предрезцовом пространстве.

Экспериментальная проверка гипотезы была осуществлена на лабораторном стенде (рис. 3) в ходе исследования процесса формирования последовательных элементарных сколов при разрушении блоков калийной руды полноразмерным резцом шахматными и шахматными перекрестными резами.

Рис. 7. Осциллограмма процесса разрушения калийного массива шахматными резами

Рис. 8. Осциллограмма процесса разрушения калийного массива шахматными перекрёстными резами

Методикой экспериментальных исследований предусматривалась запись силы резания, скорости движения и перемещения резца во времени. Параметры резания: hз=5 мм,  t=35 мм, bp=10 мм. Полученные данные (рис.7 и 8)  подтверждают снижение средних нагрузок на резце на 34% при разрушении блоков калийной соли шахматными перекрестными резами по сравнению с шахматными резами.

3. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что при шахматной симметричной перекрестной схеме резания каийного массива при соотношении параметров резания дисперсия нагрузок на резец, по сравнению с шахматной схемой резания, снижается в 1,41 раза, при этом реализуется устойчивая чередующаяся регулярность образования крупных сформированных сколов заданной формы, частота реализации которых прямо пропорциональна скорости резания и обратно пропорциональна шагу резания, и мелких промежуточных сколов, частота реализации которых прямо пропорциональна скорости резания и ширине режущей кромки резца и обратно пропорциональна величине заглубления резца в массив относительно поперечных резов. 

       Как указывалось выше, при использовании шахматной симметричной перекрестной схемы резания калийного массива с рациональными значениями параметров резания, формирование регулярных, устойчивых сколов осуществляется по наведенным трещинам и ослаблениям. При перемещении резца на шаг резания (см. рис. 6б) неминуемо произойдёт один скол крупного элемента (элементарного скола), то есть частота реализации крупных сколов при постоянной скорости движения резца может быть рассчитана по формуле:

,  (11)

       где T1 - время перемещения резца на расстояние равное tпер, сек.

Разрушение участков массива, расположенных между регулярными выступами, сформированными перекрёстными резами,  осуществляется промежуточными сколами (см. поз. 2, 3 ,4 рис. 5б). Таких сколов может быть два или три, геометрические параметры промежуточных сколов случайны, формирование сопровождается дроблением и пластическим деформированием руды. Учитывая, что , частота реализации промежуточных сколов может быть рассчитана по формуле:

,  (12)

         где Т2 - время реализации промежуточных сколов, сек.; kз.з. - коэффициент взаимного обнажения забоя.

При значении параметров резания частота реализации крупных сколов f1=3...4 Гц, а частота формирования мелких сколов f2=7...9 Гц.

       Теоретические выводы проверены экспериментально на лабораторном стенде (рис. 3). Исследован процесс формирования последовательных элементарных сколов при разрушении блоков калийной руды полноразмерным резцом шахматными и шахматными перекрёстными резами. Методикой экспериментальных исследований предусматривалась запись силы резания (рис. 7 и 8) и перемещения резца во времени. Параметры резания: hз=5 мм,  t=35 мм, bp=10 мм.

Рис. 9. Спектральная плотность процесса разрушения калийного массива шахматными резами

Рис. 10. Спектральная плотность процесса разрушения калийного массива шахматными перекрёстными резами

Спектральный анализ полученных осциллограмм показывает, что при использовании шахматной схемы резания спектр явно выделяется на полосах частот 3 Гц, что характеризует частоту формирование крупных сколов (рис. 9). При анализе осциллограмм шахматных перекрестных резов спектр явно выделяется на полосах частот 3 Гц и 8 Гц (рис. 10), что характеризует частоты  формирования устойчивых регулярных сколов и мелких сколов с случайными значениями параметров. Дисперсия нагрузок на резце при использовании шахматной симметричной перекрестной схемы резания меньше в 1,41 раза по сравнению с шахматной схемой резания при одинаковых параметрах резания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

        Диссертация является самостоятельной законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи повышения эффективности отделения калийной руды от массива резцами исполнительных органов выемочных машин.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность формирования регулярных сколов с заданными значениями их геометрических параметров при использовании шахматной симметричной перекрестной схемы резания калийного массива, что позволяет активно влиять на гранулометрический состав отбитой руды.

2. Экспериментально доказано повышение эффективности отделения калийной руды от массива применением шахматной симметричной перекрестной схемы резания, обеспечивающей, по сравнению с шахматной схемой при  параметрах резания , снижение удельных энергозатрат процесса разрушения калийного массива на 15% и уменьшение выхода мелких необогатимых классов руды в 2 раза.

3. Экспериментально подтверждено уменьшение средних значений силы резания на 34% и снижение неравномерности нагрузок на резец на 41% при разрушении калийного массива с использованием шахматной симметричной перекрестной схемы резания по сравнению с шахматной схемой, что достигается при соотношении параметров среза .

4. Установлены зависимости частоты последовательных элементарных сколов от параметров шахматной симметричной перекрестной схемы резания калийного массива. Даны рекомендации по выбору рациональных параметров шахматной симметричной перекрестной схемы резания.

5. Предложена конструкция исполнительного органа проходческо-очистного комбайна, реализующего шахматную симметричную перекрестную схему разрушения калийного массива.

6. Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке студентов по направлению 130400 - Горное дело. Опубликовано два методических указания к лабораторным работам, которые включены в расписание проведения занятий.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих наиболее значимых работах:

  1. Габов В.В., Чекмасов Н.В., Бурак А.Я., Шишлянников Д.И. Исследование процесса формирования элементарных сколов при разрушении калийных солей перекрестными резами // Горное оборудование и электромеханика. - № 8, 2011. - С. 42-43.
  2. Задков Д.А., Банников А.А., Шишлянников Д.И., Талеров К.П., Головин К.А. Способ отделения угля от массива при отработке трещиновато-слоистых угольных пластов // Горное оборудование и элекромеханика Ц  №2, 2012. - С. 30-33.
  3. Габов В.В., Чекмасов Н.В., Шефнер А.Д., Шишлянников Д.И. Стенд для экспериментальных исследований процесса резания калийных руд одиночным резцом горных машин // Записки Горного института: РИЦ СПГГУ. - Т.195. - 2012. - С.245-248. 
  4. Шишлянников Д. И., Чекмасов Н. В. Обоснование параметров и конструкции исполнительного органа проходческо-очистного комбайна с перекрестными резами // Освоение минеральных ресурсов Севера: Проблемы и решения. Труды 8-ой международной научно-практической конференции 7-9 апреля 2010 г, Т.3./ Филиал СПГГИ(ТУ) Воркутинский горный институт. - Воркута, 2010. - С. 394-398.
  5. Патент  RU 2375571 C1 Способ разрушения массива перекрестными резами. Авторы: Чекмасов Н. В., Чистяков А.Н., Семёнов В. В., Шишлянников Д. И. Опубликован 10.12.2009.
  Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям