Обоснование рациональных режимов работы канатно-алмазных пил при добыче природного камня в зимних условиях

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание 27» ноября Общая характеристика работы Предмет исследований Идея работы Основные задачи исследований Научные положения, выносимые на защиту Научная новизна Методы научных исследований Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования Практическая значимость работы Личный вклад автора Реализация выводов и рекомендаций работы Апробация работы Объем и структура работы Основное содержание работы Т0 – температура окружающей среды, С; 1 – Vп = 0,049 м/мин; линейной скорости резания V

Подобный материал:

• Облицовочные материалы из природного камня, 340.09kb.
• Калининградская область экскурсионные сборные туры, 104.79kb.
• Гуп «Калининградский янтарный комбинат», 65.7kb.
• Фундаменты и их конструктивные решения Фундаменты, 68.31kb.
• Обоснование параметров фильтровой защиты электродвигателей от аварийных режимов работы, 294.67kb.
• Лабораторная работа №9 влияние режимов резания на производитель­ность гпс механообработки, 114.47kb.
• Интеграционной стратегии Украины вопросы эффективности и целесообразности применения, 89.59kb.
• Технико-экономическое обоснование рациональности использования попутного нефтяного, 138.5kb.
• Обоснование параметров и режимов работы комбинированной бороны для предпосевной обработки, 257.81kb.
• Проведение зимних каникул, 23.99kb.

На правах рукописи


ГАББАСОВ БУЛАТ МАРАТОВИЧ


ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
КАНАТНО-АЛМАЗНЫХ ПИЛ ПРИ ДОБЫЧЕ ПРИРОДНОГО
КАМНЯ В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ


Специальности: 05.05.06 – «Горные машины»

25.00.22 – «Геотехнология (подземная,
открытая и строительная)»


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Екатеринбург – 2008




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


Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Першин Геннадий Дальтонович


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Морозов Владимир Игнатьевич,


доктор технических наук, профессор

Бычков Геннадий Васильевич,


Ведущая организация – Научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт по проблемам добычи, транспорта и переработки минерального сырья в промышленности строительных материалов, г. Москва

(ФГУП «ВНИПИИстромсырье»)


Защита диссертации состоится « 27» ноября 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» в зале заседаний ученого совета по адресу:

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уральский

государственный горный университет»


Автореферат разослан « 23 » октября 2008 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Хазин М.Л.






ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышению объемов добычи мраморных блоков товарной кондиции во многом способствовала высокоуступная (до 20 м) технология отработки горного массива по двухстадийной схеме получения готовой продукции. Реально осуществить на практике данный способ добычи блоков природного камня удается только путем применения камнерезных машин с гибким инструментом, представляющим набор на канате рабочих элементов с алмазоносным слоем и дистанционных пружин. Положительные результаты эксплуатации канатно-алмазных пил на карьерах в стране и за рубежом дают основание характеризовать данное оборудование как самое перспективное в современной технике добычи мраморных блоков.

Контактное взаимодействие алмазного инструмента с породой при скоростях его перемещения до 50 м/с приводит к существенному разогреву рабочих элементов канатно-алмазных пил, поэтому с целью устранения графитизации контактных площадок алмазных зерен, а также разупрочнения их металлической связки на производстве применяют в процессе резания охлаждающую воду, что в зимних условиях, при ведении добычных работ, влечет за собой оледенение всей рабочей площадки, шкива и других исполнительных органов камнерезной машины. В итоге повышается вероятность возникновения незапланированных простоев из–за остановок и аварий, травмирования рабочих, что в целом ухудшает условия труда и снижает эксплуатационную производительность камнерезных машин на 20 – 40 %. Подача подогретой воды (30С) не устраняет указанных недостатков.

В процессе отделения объемов камня от массива породы канатно-алмазными пилами основная доля затрат (свыше 50 %) связана с износом дорогостоящего алмазного инструмента. При этом расход алмазного инструмента зависит как от режимов работы, так и от способа его охлаждения. Следовательно, с целью повышения эффективности добычных работ в зимних условиях за счет снижения безопасности их ведения на карьере и улучшения условий труда рабочих, а также повышения эксплуатационной производительности канатно-алмазных пил необходимо установить рациональные режимы сухого резания мрамора канатно-алмазным инструментом, когда контактная температура не оказывает влияния на износостойкость алмазных зерен и их металлические связки в рабочих элементах.

Поэтому установление рациональных режимов работы канатно-алмазного инструмента в зимних условиях без охлаждения водой, при которых удельная наработка его будет максимальна, а эксплуатационные затраты на процесс резания минимальными, является актуальной задачей.

Объект исследований: канатно-алмазный инструмент добычной камнерезной машины.

Предмет исследований: температурные параметры и энергосиловые показатели процесса резания природного камня канатно-алмазным инструментом.

Цель работы: повышение эффективности работы камнерезных машин при добыче природного камня в зимних условиях без охлаждения водой гибкого алмазного инструмента за счет рационализации режимных параметров процесса резания.

Идея работы: обоснование рациональных режимных параметров процесса резания природного камня канатно-алмазным инструментом достигается на основе разработанной математической модели путем ограничения максимальной контактной температуры нагрева алмазных зерен, вызывающей их графитизацию.

Основные задачи исследований:

• выявить параметры, влияющие на интенсивность износа канатно-алмазного инструмента в зимних условиях при воздействии его на горную породу;
  
• разработать математическую модель температурного поля, возникающую в процессе взаимодействия канатно-алмазного инструмента с породой без применения воды;
  
• исследовать влияние режимов воздействия канатно-алмазного инструмента на породу при отсутствии охлаждающей воды, вследствие которого наблюдается минимальный удельный износ (расход) поверхности алмазного инструмента, и выявить зависимости данных режимов с физико–механическими свойствами обрабатываемой породы и конструкционными особенностями инструмента;
  
• установить рациональные режимы работы канатно-алмазных пил в зимний период, повышающие эффективность и безопасность добычных работ в карьере.
  

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Температура нагрева канатно-алмазного инструмента в процессе резания горных пород зависит от теплового потока в зоне резания, физико-механических свойств системы «горная порода – канатно-алмазный инструмент», геометрии отделяемых монолитов камня от массива и схемы расположения камнерезной машины по отношению к добычному уступу. При этом максимальная температура нагрева соответствует кинематическому условию, при котором время единичного контакта рабочего элемента инструмента с породой по отношению к времени его нахождения на воздухе максимально.
   
2. При воздушном конвективном охлаждении рабочих элементов канатно-алмазного инструмента в процессе выполнения пропилов для отделения монолита камня от массива породы удельная работа сухого резания повышается в 1,05 – 1,25 раза по сравнению с водяным охлаждением за счет дополнительных сил взаимного трения, что приводит к пропорциональному увеличению удельного расхода канатно-алмазного инструмента.
   
3. Рациональный режим работы канатно-алмазного инструмента без охлаждения его водой определяется скоростью подачи камнерезной машины на забой, при которой отсутствует повышение удельного расхода канатно-алмазного инструмента от теплового фактора. Значение рациональной скорости подачи увеличивается с изменением формы монолита от ленточной к столбовой, что необходимо учитывать при разработке месторождения в зимний период.
   

Научная новизна:

• Разработана математическая модель температурного состояния рабочего элемента канатно-алмазного инструмента, позволяющая определить уровень его нагрева в зависимости от режимов резания горных пород.
  
• Впервые применительно к неохлаждаемой водой системе «горная порода – канатно-алмазный инструмент» экспериментальным путем в производственных условиях установлено относительное распределение температур нагрева по элементам контактного взаимодействия: алмазорежущие втулки – 1,0, горная порода – 0,875, шлам – 0,73, несущий канат – 0,56, на основании которого определена плотность долевых тепловых потоков.
  

Методы научных исследований включают анализ опыта эксплуатации алмазно-абразивного инструмента в процессах добычи и переработки природного камня; экспериментальные исследования влияния режимов воздействия на энергосиловые показатели процесса распиловки алмазным инструментом и их зависимость от физико-механических свойств; аналитические расчеты по установлению рациональных режимов работы канатно-алмазного инструмента в зависимости от температурного фактора.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования: научные положения, выводы и рекомендации обоснованы корректным использованием теоретических и практических основ теплотехники и достаточным объемом проведенных экспериментов, а также удовлетворительной сходимостью (90 %) результатов аналитических исследований с результатами полученных экспериментов и данными практики.

Практическая значимость работы состоит в разработке методики расчета температуры нагрева канатно-алмазного инструмента при резании природного камня с учетом вынужденного конвективного охлаждения его на воздухе; установлении рациональных режимных параметров распиловки, таких как скорость резания, скорость подачи, контактное давление канатно-алмазного инструмента на породу.

Личный вклад автора состоит: в организации, проведении и анализе результатов всего комплекса экспериментальных исследований; аналитическом обосновании возможности эффективного применения канатно-алмазного резания горных пород в зимний период без водяного охлаждения.

Реализация выводов и рекомендаций работы: основные научные положения и рекомендации диссертации использованы при разработке технологической инструкции (ТИ) и технологической карты (ТК) по добыче блоков мрамора канатно-алмазными пилами на Верхнеуфалейском мраморном карьере ООО «Уралмрамор». Экономический эффект от использования результатов исследования составляет 1,632 млн руб.

Апробация работы: результаты и основные положения диссертационной работы докладывались: на международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня» (Магнитогорск, 2006–2008 гг.); международной научно-технической конференции «Чтения памяти В. Р. Кубачека» (Екатеринбург, 2007 г.); на международном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2007 г.); ежегодных научно-технических конференциях МГТУ (Магнитогорск, 2006–2008 гг.); на заседаниях научного семинара кафедры механизации и электрификации горных производств и факультета горных технологий и транспорта МГТУ (Магнитогорск, 2006–2008 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях.

Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 103 наименований, приложений и содержит 114 с. машинописного текста, 27 рисунков, 18 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры механизации и электрификации горных производств за постоянное внимание, ценные советы и оказанную помощь при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Изучению процесса разрушения горных пород алмазно-абразивным инструментом посвящены работы З.А. Берберяна, Г.А. Блинова, Г.В. Бычкова, К.С. Варданяна, В.В. Василевского, Н.К. Вересова, А.Ф. Кичигина, А.И. Косолапова, В.И Морозова, Г.Д. Першина, Е.К. Субботина, Ю.И. Сычева, В.Р. Ткача и многих других.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель, идея и научные положения, кратко охарактеризовано значение работы и т.д.

В первой главе рассмотрено и проанализировано современное состояние добычи природного камня в России и за рубежом, существующих технологий и применяемого оборудования для добычи блоков на мраморных месторождениях Урала; особенностей тепловых явлений при резании природного камня канатно-алмазным инструментом и проведен анализ существующих методик расчета температуры нагрева алмазного инструмента при резании природного камня.

Вторая глава посвящена аналитическому исследованию параметров температурообразования на поверхности рабочего элемента канатно-алмазного инструмента в процессе резания монолитов природного камня.

Изучению тепловых процессов резания различных материалов алмазно-абразивным инструментом посвящены работы В.А. Александрова, В.А. Балакина, А.Н. Резникова, Ю.А. Черкашина и многих других.

Для кратковременных процессов высокоскоростного резания при определении температуры поверхности трения алмазных втулок можно воспользоваться линейным дифференциальным уравнением теплопроводности для одномерного (изменяется лишь по оси z, нормальной к поверхности трения) и постоянного теплового потока (q=const), направленного в рабочий элемент:

. (1)

Решение уравнения (1) для случая полуограниченного тела при граничных условиях: T(z,0)=T₀; - ∂T(0,t)/ ∂z=q(0,t); ∂T(∞,t)/ ∂z=0; T(∞,t)=T₀,

дает выражение для температурного поля, из которого контактная температура поверхности трения алмазных зерен рабочего элемента определяется как

, (2)

где Т₀ – температура окружающей среды, С; ₁ – коэффициент теплопроводности связки, Вт/мС; а – коэффициент температуропроводности связки, м²/с; t_к – время контактирования гибкого инструмента с породой, с; q₁ – долевая удельная интенсивность тепловыделения, Вт/м².

Удельная интенсивность суммарного теплового потока

, (3)

где _тр – коэффициент взаимного трения инструмента и породы; _n – контактное давление инструмента на породу, Па; V_р – скорость линейного перемещения инструмента относительно разрушаемой породы м/с; k_д – долевой коэффициент суммарного теплового потока на рабочем элементе.

Особенностью расчетов температуры нагрева алмазно-режущих втулок по формуле (2) является условие непрерывного контакта канатно-алмазного инструмента с породой, в результате чего температура также непрерывно повышается с увеличением времени контактирования. В реальных условиях рабочий элемент (алмазно-режущая втулка) в пределах одного цикла работы как нагревается, так и охлаждается, проходя внеконтактную зону по воздуху с высокой скоростью. Поэтому в данном случае суммирование температуры по циклам работы алмазно-режущей втулки будет существенно отличаться от непрерывного режима контактирования.

Для оценки температурного режима за счет тепла, выделяемого в процессе резания природного камня канатно-алмазным инструментом и частично поглощаемого воздушной средой, необходимо составить энергетический баланс остаточного тепла в результате теплообразования и теплораспределения.

Источником тепла на режущей поверхности канатно-алмазного инструмента является работа трения, которая возникает в процессе поверхностного разрушения горной породы. Энергия теплопоглощения от работы трения одним рабочим элементом (алмазно-режущей втулки)

, (4)

где l_конт – суммарный путь контакта рабочего элемента с распиливаемой породой, м.

Нормальная нагрузка на рабочий элемент (втулку)

, (5)

где b – диаметр режущей алмазной втулки, м; l_вт – длина алмазной втулки, м.

С учетом уравнения (5) выразим уравнение (4) через суммарное время контактирования (t_к) и скорость резания (V_р) и получим:

. (6)

В процессе резания природного камня канатно–алмазным инструментом используются различные способы охлаждения, которые в зависимости от эффективности подвода охладителя могут создавать среду с коэффициентом теплоотдачи от 16,8 Вт/(м²С) (для воздушного охлаждения) до 8374 Вт/(м2С) (при водяном охлаждении). Охлаждение алмазной втулки воздухом значительно снижает контактную температуру и интенсивность теплообразования, и температуру поверхности трения.

Количество теплоты, выделяемое нагретой алмазной втулкой в процессе вынужденного конвективного теплообмена:

, (7)

где S_вт = bl_вт – площадь поверхности режущей алмазной втулки, м²; t_возд – время нахождения инструмента на воздухе, с; =Nu/l_вт – коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции, Вт/(м² С);  – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(мС); Nu = 0,66Re^0,5Pr^0,33 – критерий подобия, тепловое число Нуссельта; Re = (V_р l_вт)/ – критерий режима движения (число Рейнольдса);  – кинематическая вязкость воздуха, м²/с; Pr – критерий подобия (тепловое число Прандтля).

В результате определения энергий нагрева (6) и воздушного охлаждения (7) представляется возможным расчет остаточного количества теплоты на рабочем элементе канатно-алмазного инструмента:

. (8)

Таким образом, в реальных условиях рабочий элемент канатно-алмазного инструмента в пределах одного цикла работы как нагревается, так и охлаждается, что приводит к аккумулированию теплоты в теле алмазной втулки согласно энергетическому балансу (8), из которого и определяется остаточная температура режущей поверхности алмазных втулок.

С учетом (6) и (7) уравнение (8) запишется в следующем виде:

. (9)

С другой стороны, с учетом уравнения (2) остаточное количество теплоты можно записать:

. (10)

Решая совместно выражения (9) и (10), получим математическую модель для расчета фактической контактной температуры нагрева алмазных зерен:

. (11)

По полученным значениям Т_к.ф вычисляются средние температуры нагрева рабочего элемента, влияющие на металлическую связку алмазных зерен:

. (12)

При заданном силовом (_n) и скоростном (V_р) режимах резания тепловой поток (q) и контактная температура на поверхности рабочих элементов канатно-алмазного инструмента (11) будут определяться временем контактирования и нахождения в контакте с воздухом, величины которых взаимосвязаны соотношением

. (13)

Определение данной взаимосвязи является необходимым дополнительным исследованием, дающим возможность выявить влияние многих технологических показателей и параметров процесса резания природного камня канатно-алмазным инструментом на его поверхностную и среднюю температуры.

В процессе отделения монолита природного камня от массива горной породы длина контакта канатно-алмазного инструмента l_конт (длина линии реза) непостоянна и принимает значение от l_конт=0 в момент запиловки до линейного размера, например, полуокружности приводного шкива камнерезной машины в момент окончания реза, т. е. l_контD_ш/2. На схеме рис.1 выделены три стадии выполнения вертикального (продольного) резания при отделении монолита от массива породы: I – участок запиливания; II – участок стационарного резания; III – участок допиливания.



Рис. 1. Схема стадийности выполнения вертикального
(продольного) пропила

Линейные зависимости изменения времени i -го контакта на данных стадиях резания различны, что следует из рис. 2, поэтому расчет всех кинематических параметров ведется по стадиям с последующим суммированием конечного времени.

Время контактирования канатно-алмазного инструмента с породой на каждой стадии рассчитывалось по формуле

, (14)

где t_кi=l_кi/V_p – время контакта на i–м цикле, с; l_кi – длина контакта на
i–м цикле, м; N_ц – количество циклов, соответствующее рассматриваемой стадии резания.

Число циклов контакта определилось по следующему выражению:

, (15)

где t_пил=l_пер/V_п – время резания, т.е. производства пропила, на рассматриваемой стадии, с; l_пер – величина перемещения тележки канатно-алмазной пилы к моменту завершения рассматриваемой стадии, м; V_п – скорость подачи, т. е. скорость перемещения тележки по направляющим, м/с; t_ц=L_конт/V_р – время одного цикла, с; L_конт – длина контура канатно-алмазного инструмента, м.

С учетом приведенных кинематических соотношений выражение (14) можно записать:

. (16)

Для продольного резания при отделении монолита мрамора размером H×L×В=6×12×1,75 м от массива породы зависимость длины контакта канатно-алмазного инструмента от перемещения тележки представлена на рис. 3.



Для интегрирования полученного выражения (16) необходимо согласно стадийности процесса резания записать линейные зависимости изменения длины i–го контакта канатно-алмазного инструмента с распиливаемой породой от времени пиления. Из рис. 3 длина контакта составляет: первого участка l_кi=k_кIl_пер=k_кIV_пt^I_пил; второго участка l_кi=k_кIl_пер.I=const; третьего участка l_кi=k_кI×l_пер.I – k_кIII×V_п×t^III_пил.

Расстояние перемещения тележки к моменту окончания пиления первого участка l_пер.I, а также коэффициенты пропорциональности k_кI×и k_кIII× определялись по разработанной проф. Першиным Г. Д. методике расчета геометрических и кинематических параметров процесса резания природного камня канатно-алмазными пилами при отделении монолитов камня различной формы и объемов от массива горной породы.

Итоговые уравнения для расчета времени контакта рабочих элементов канатно-алмазного инструмента от времени пиления имеют вид:

- первый участок: ; (17)

- второй участок: ; (18)

- третий участок:

. (19)

Полученные взаимосвязи между временем контактирования рабочих элементов канатно-алмазного инструмента и временем пиления плоскости отделения монолита камня от массива породы канатно-алмазной пилой включают силовой _n и скоростной режим V_р, выраженные через основной показатель процесса резания, характеризующий скорость подачи инструмента на забой:

, (20)

где k_Н – коэффициент приведения длины контакта к высоте пропила;
k_Н=7/10 – для продольной плоскости отделения монолита от массива, когда k_ф=(1,0…2,0); k_Н=(5/9…2/3) – для поперечной плоскости, когда k_ф=(0,15…0,4); k_ф=L/H – коэффициент формы продольной плоскости отделения монолита; k_ф=B/H – коэффициент формы поперечной плоскости отделения монолита; А_уд – удельная работа распиловки, Дж/м³; _р^п – коэффициент распиловки породы.

Очевидно, что, отражая интенсивность процесса поверхностного разрушения горной породы, данный показатель влияет на время проходки плоскости отделения монолита. Таким образом, наряду с величиной силового потока q влияние режимных параметров через время пиления и контактирования проявляется на величину остаточной теплоты и конечную температуру нагрева рабочих элементов канатно-алмазного инструмента.

На рис. 4–6 представлены графические зависимости количества тепла, фактической температуры нагрева контактной поверхности рабочего элемента канатно-алмазного инструмента от времени его контактирования, пиления и плотности тепловых потоков при отделении монолита от массива породы.

Построения выполнены: при скорости подачи V_п = 0,049 м/мин; линейной скорости резания V_р = 40 м/мин; контактного давления инструмента на породу _n=0,2 МПа; диаметре шкива канатной пилы D_ш=1 м; коэффициенте теплопроводности алмаза =146 Вт/(мС); коэффициенте температуропроводности алмаза =8,310^-5 м²/с; удельной интенсивности тепловыделения q₁ = 0,32 МВт/м²; температуре среды Т_с=0 С.



Рис. 4. Зависимости количества теплоты от времени резания

Анализируя полученный график (см. рис. 4), можно сделать вывод, что значение остаточного количества теплоты в процессе резания Q_О изменяется по возрастающей в начальный период резания, а после прохождения участка стационарного пиления идет по убывающей. Это свидетельствует о том, что максимум остаточной теплоты однозначно определяет максимум температуры нагрева рабочих элементов канатно-алмазного инструмента, уровень которой задается величиной теплового потока, связанного с режимными параметрами процесса распиловки, а именно: нормальным давлением инструмента на породу, скоростью резания и условиями взаимного трения системы «порода – инструмент».



Рис. 5. График зависимости фактической контактной температуры нагрева
алмазных зерен рабочего элемента и времени резания от времени
его контактирования

Анализ графика рис. 5 и уравнения (11) показывает, что температура нагрева алмазных зерен рабочего элемента сложным образом зависит от:

- режимных показателей распиловки, теплового потока (q), в который входит как силовой, так и скоростной параметры;

- продолжительности процесса контактирования рабочего элемента с распиливаемой породой, которая в зависимости от площади плоскости отделения монолита от массива и ее формы определенным образом связана со временем резания;

- коэффициента теплоотдачи () рабочего элемента на внеконтактном участке, который повышается с увеличением скорости резания.

На графике (см. рис. 6) через ограничение, при прочих заданных условиях процесса резания, максимальной фактической температуры графитизации алмазных зерен, получена предельная плотность теплового потока, устанавливающая рациональный силовой и скоростной режимные параметры, которые, в свою очередь, дают возможность обосновать предельную скорость подачи канатно-алмазного инструмента на забой, т. е. скорость перемещения канатно-алмазной пилы по направляющим, при которой отсутствует повышение удельного расхода от теплового фактора.



Рис. 6. График зависимости максимальной контактной температуры нагрева
рабочего элемента канатно-алмазного инструмента от плотности теплового
потока при выполнении продольного (верхняя линия) и
поперечного (нижняя линия) пропила

Из выполненных исследований следует, что температура нагрева канатно–алмазного инструмента в процессе резания горных пород зависит от теплового потока в зоне резания, физико–механических свойств системы «горная порода – канатно-алмазный инструмент», геометрии отделяемых монолитов камня от массива и схемы расположения камнерезной машины по отношению к добычному уступу. При этом максимальная температура нагрева соответствует кинематическому условию, при котором время единичного контакта рабочего элемента инструмента с породой по отношению к времени его нахождения на воздухе максимально. В этом заключается сущность первого научного положения.

Третья глава посвящена определению энергосиловых показателей процесса отделения монолитов природного камня от массива породы канатно-алмазным инструментом в зимних условиях без охлаждения водой.

Вода в процессе резания природного камня алмазным инструментом, помимо охлаждения контактной поверхности взаимодействия канатно-алмазного инструмента с породой, выполняет функцию смазки. В результате такой комплексный энергетический показатель процесса, как удельная работа резания повышается, если в зону контакта не подводится вода. При этом возникающие дополнительные силы трения за счет нормального давления шлама на металлическую связку алмазных зерен более интенсивно ее изнашивают, что повышает удельный расход инструмента.

Особенностью резания горных пород канатно–алмазным инструментом является возникновение сил инерции от дна пропила, которые срывают шлам вместе с охлаждающей водой по нормали к траектории перемещения. Поэтому для канатно-алмазных пил, работающих в карьерах, когда угол охвата монолита гибким контуром составляет более 180, нижняя ветвь (рис. 7, участок а-b и рис. 8, участки b-c, d-e) за счет инерционного срыва не охлаждается водой, подаваемой в зону резания с кровли уступа. Кроме того, с нижней ветви режущего контура охлаждающая жидкость срывается вместе со шламом за счет гравитационных сил. Откуда следует, что нижняя ветвь гибкого режущего контура работает без охлаждения водой.

Оценим прирост удельной работы распиловки без воды по сравнению с ее использованием с учетом рассмотренных особенностей кинематики и динамики резания природного камня канатно-алмазным инструментом при его добыче.

Для относительной формы записи оценку удельной работы можно осуществить по следующей упрощенной зависимости:

, (21)

где А_уд^в, А_уд^c– удельная работа распиловки соответственно с использованием воды и без нее, Дж/м³; µ_Р^п – коэффициент разрушения породы; µ_тр^в, µ_тр^с – коэффициенты взаимного трения алмазного инструмента и породы соответственно с водой и без нее; _д – дополнительный угол охвата, рад.



Анализ экспериментальных данных по царапанию различных горных пород единичным алмазным зерном показывает, что ^с_тр/^п_р1 и ^в_тр/^п_р1, тогда возможны упрощения формулы (21):

, (22)

где k_=_тр^с/_тр^в.

Введенный в энергосиловой анализ коэффициент k_=_тр^с/_тр^в дает возможность обоснованно и достаточно достоверно использовать результаты стендовых испытаний по определению удельной работы распиловки различных горных пород дисковым алмазным инструментом для канатно-алмазных пил. При этом условием испытаний является, при одинаковом силовом и скоростном режимах, резание образцов природного камня с применением воды и без нее. Полученный прирост удельной работы сухого резания образцов камня по отношению к резанию с водой и будет характеризовать увеличение сил трения, когда отсутствует эффект смазки в присутствии воды.

Для определения энергосиловых характеристик процесса пиления природного камня с применением воды и без нее был спроектирован и собран испытательный стенд. Основной целью эксперимента является сравнение энергосиловых показателей процесса распиловки алмазным дисковым инструментом в зависимости от силовых режимных параметров. Для распиливания образцов природного камня применялся алмазный сегментный инструмент АПДС 250. Стенд позволял варьировать следующие параметры процесса распиловки: контактное давление инструмента на породу σ_n=0…17 МПа; глубину пропила h=0…70 мм; частоту вращения выходного вала n=1750…3950 мин^-1.

Согласно полученным результатам (рис. 9), на данном этапе видно, что для условий сухого пиления по сравнению с применением воды удельная работа распиловки повышается в 1,4…1,5 раз в широком диапазоне изменения контактного давления _n=1,5…10 МПа.


а

б


Рис. 9. Графические зависимости удельной работы поверхностного разрушения серпентинита алмазно-дисковым инструментом от его контактного давления на породу при окружной скорости резания 44 м/с и глубинах пропила 7,5 мм (а) и 3 мм (б): верхняя кривая – сухое резание; нижняя кривая – резание с водой

Для алмазно-дискового инструмента выражение, учитывающее силы трения за счет сухого резания, было получено в следующем виде:

, (23)

или с учетом сделанных выше допущений:

. (24)

На основе результатов стендовых испытаний при пилении образцов природного камня по предложенной методике возможен прогноз прироста сил трения в канатно-алмазных пилах, когда осуществляется отказ от применения воды при отрицательных температурах. Численные расчеты выполнялись для различных максимальных значений дополнительного угла охвата, которыми характеризуется процесс отделения монолита камня от массива горной породы: в продольном направлении _д0,6…0,7 рад; в поперечном направлении _д0,15…0,2 рад.

Для схемы, приведенной на рис.8, относительную оценку энергетических показателей можно осуществить по следующей упрощенной зависимости:

. (25)

Результаты расчетов по формуле (22) с учетом (24) показывают, что если в зимних условиях при эксплуатации канатно-алмазных пил на карьере работать без воды, то удельная работа резания как комплексный энергетический показатель процесса увеличивается в 1,2–1,25 раза на продольном пропиле и в 1,176–1,215 на поперечном. А для условий по формуле (25) удельная работа резания увеличится только в 1,05.

Повышение энергосиловых показателей процесса резания без применения воды обусловлено проявлением дополнительных сил трения из–за отсутствия смазочного действия охлаждающей жидкости, при этом сухое трение от образующегося шлама является источником повышенного абразивного износа металлической связки алмазных зерен, что увеличивает удельный расход канатно-алмазного инструмента. Принимая прямо пропорциональное изменение износа связки от работы сил дополнительного трения (22), (25), получим прогнозное максимальное повышение удельного расхода канатно–алмазного инструмента в зависимости от условий пиления на 5 – 25 %.

Таким образом, доказывается второе научное положение: при воздушном конвективном охлаждении рабочих элементов канатно-алмазного инструмента в процессе выполнения пропилов для отделения монолита камня от массива породы удельная работа сухого резания повышается в 1,05 – 1,25 раза по сравнению с водяным охлаждением за счет дополнительных сил взаимного трения, что приводит к пропорциональному увеличению удельного расхода канатно-алмазного инструмента.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованием рабочих температур и определению рациональных режимов работы канатно-алмазного инструмента в процессе резания природного камня в условиях карьера.

С целью оценки объективности теоретических решений, приведенных выше, проводились промышленные испытания по установлению фактических температур нагрева, элементов контактного взаимодействия с помощью тепловизионной съемки инфракрасной камерой (ИК) «ThermaCAMTME45». ИК «ThermaCAM^TME45» измеряет инфракрасное излучение, испускаемое объектом, и создает на его основе изображение. Тот факт, что излучение является функцией температуры поверхности объекта, дает возможность камере вычислять и отображать эту температуру. В результате проведенной тепловизионной съемки (рис. 10) были получены термограммы канатно-алмазного инструмента в период их работы и в момент их остановки.



Рис. 10. Результаты тепловизионной съемки в момент остановки канатно-алмазного инструмента, находящегося в эксплуатации два часа

Согласно результатам промышленного эксперимента применительно к неохлаждаемой водой системе «горная порода – канатно-алмазный инструмент» установлено относительное распределение температур нагрева по элементам контактного взаимодействия: алмазорежущие втулки – 1,0, горная порода – 0,875, шлам – 0,73, несущий канат – 0,56, на основании которого определена плотность долевых тепловых потоков.

Для определения рационального режима работы канатно-алмазного инструмента через показатель скорости перемещения канатно-алмазной пилы по направляющим были приняты следующие исходные данные: относительная доля энергии, затраченной на поверхностное разрушение породы и взаимное трение: мягкие мрамора – _р^п/_тр0,2…0,3; прочные мрамора – _р^п/_тр0,1…0,2; _рас_р^п + _тр=(0,1…0,3)_тр +_тр = (1,1…1,3)_тр.

При этом удельная работа распиловки без использования воды принята согласно выражению (22).

Используя выражения (20) и (3), получим рабочую формулу для определения рациональной скорости подачи канатно-алмазного инструмента на забой:

. (26)

Результаты теоретических расчетов рациональных скоростей подачи ка­натно-алмазного инструмента согласуются с данными производственной практики (ошибка 10 %), когда отсутствует дополнительный расход алмазного инструмента от теплового фактора.

Изучение аналитической зависимости показывает, что рациональный режим работы канатно-алмазного инструмента без охлаждения его водой определяется скоростью подачи камнерезной машины на забой, при которой отсутствует повышение удельного расхода канатно-алмазного инструмента от теплового фактора. Значение рациональной скорости подачи увеличивается с изменением формы монолита от ленточной к столбовой, что необходимо учитывать при разработке месторождения в зимний период. В этом состоит сущность третьего научного положения.

При резании монолитов природного камня всухую себестоимость снижается до 34 руб./м², экономия затрат за зимний период времени составляет 1,632 млн руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на базе выполненных исследований изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, обеспечивающие повышение эффективности работы канатно-алмазных пил при добыче природного камня в зимних условиях без охлаждения водой за счет рационализации режимных параметров процесса резания, имеющие существенное значение для камнедобывающей отрасли страны.

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

1. Определено, что аккумуляция теплоты на рабочих элементах замкнутого в кольцевой контур канатно-алмазного инструмента, работающего без охлаждающей воды, происходит за счет их циклического контактирования с породой в зоне резания и конвективного охлаждения на воздухе. При этом величина остаточной теплоты на каждой стадии распиловки вертикальных плоскостей отделения монолита от массива горной породы определяется взаимосвязанным через кинематику движения кольцевого контура временем контакта и временем охлаждения на воздухе рабочих элементов канатно-алмазного инструмента.
   
2. Согласно определенным временным зависимостям контакта и воздушного охлаждения, по стадиям распиловки установлена экстремальная закономерность аккумуляции теплоты с максимумом на стадии стационарного резания (продольный пропил) либо в начале стадии допиливания реза (поперечный пропил).
   
3. Разработана математическая модель расчета температуры нагрева от времени резания, которая дает возможность учитывать влияние как жидкой, так и воздушной среды на условия трения и охлаждения рабочих элементов инструмента. Доказано, что максимум остаточной теплоты однозначно определяет максимум температуры нагрева рабочих элементов канатно-алмазного инструмента, уровень которой определяется величиной теплового потока, связанного с режимными параметрами процесса распиловки, а именно: нормальным давлением инструмента на породу; скоростью резания и условиями взаимного трения системы «порода – инструмент».
   
4. Аналитически установлено, что конечная температура нагрева рабочих элементов канатно-алмазного инструмента определяется формой плоскостей отделяемого монолита камня от массива и стадией распиловки через соотношение времени контакта инструмента с породой и времени охлаждения его на воздухе.
   
5. Доказано, что рациональные значения режимных параметров распиловки определяются предельной величиной долевого теплового потока на рабочих элементах канатно-алмазного инструмента, предотвращающих повышение температуры графитизации алмазных зерен на контактных с породой поверхностях, которые составляют величину порядка 400 – 670 кВт/м² в зависимости от геометрии пропила, характеризуемой коэффициентом формы k_ф.
   
6. Экспериментами установлено, что сухое резание на воздухе по сравнению с охлаждением водой повышает такие энергетические показатели, как мощность и удельная работа распиловки природного камня типа мрамор алмазным дисковым инструментом, в 1,4…1,5 раза. Однако в силу кинематических и динамических особенностей карьерных канатных пил, когда нижняя ветвь гибкого контура не охлаждается водой, подаваемой с кровли добычного уступа, данные показатели отличаются только в 1,05…1,25 раза.
   
7. Установлено, что повышение энергосиловых показателей процесса резания с применением воды и без нее обусловлено проявлением дополнительных сил трения из–за отсутствия смазочного действия охлаждающей жидкости. При этом сухое трение от образующегося шлама является источником повышенного абразивного износа металлической связки алмазных зерен, что увеличивает удельный расход канатно-алмазного инструмента. Прогнозное максимальное повышение удельного расхода при работе всухую составляет 5…25 %.
   
8. Аналитическими исследованиями получена рабочая формула для расчета рациональной скорости подачи канатно-алмазного инструмента на забой через предельную величину теплового потока: V_п=0,03–0,034 м/мин – для продольной плоскости отделения монолита при k_ф=2; V_п=0,04–0,057 м/мин – для поперечной плоскости отделения монолита, при k_ф=0,33.
   
9. Основные результаты работы и практические рекомендации внедрены и применены на Верхнеуфалейском мраморном карьере ООО «Уралмрамор» при добыче монолитов природного камня. Суммарный экономический эффект от использования результатов исследования составляет 1,632 млн руб. в ценах 2007 г.
   

Основные научные результаты диссертации
опубликованы в следующих работах
Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых
научных журналах и изданиях:

1. Габбасов, Б.М. Основные пути повышения эффективности применения канатно-алмазных пил на мраморных карьерах / Б.М. Габбасов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: МГГУ, 2007. – №4. – С. 191–193.
   
2. Першин, Г.Д. Теплофизический анализ резания природного камня канатно-алмазным инструментом / Г.Д. Першин, Б.М. Габбасов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: МГГУ, 2007. – №4. – С. 193–198.
   
3. Першин, Г.Д. Расчет остаточной теплоты и температуры поверхности канатно-алмазного инструмента в процессе пиления с учетом охлаждения его на воздухе / Г.Д. Першин, Б.М. Габбасов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: МГГУ, 2007. – №5. – С. 97–100.
   
4. Першин, Г.Д. Обоснование возможности алмазно-канатного резания мрамора без водяного охлаждения / Г.Д. Першин, Б.М. Габбасов // Горный журнал. – 2008. – №1. – С. 37–39.
   

Статьи, опубликованные в научных сборниках
и материалах конференций:

5. Першин, Г.Д.Температурный режим резания природного камня канатно-алмазным инструментом / Г.Д. Першин, Б.М. Габбасов // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. – Магнитогорск, 2007. – С. 229–237.
   
6. Першин, Г.Д. Расчет теплоты поверхности трения канатно-алмазного инструмента с распиливаемой породой / Г.Д. Першин, Б.М. Габбасов // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. – Магнитогорск, 2007. – С. 237–243.
   
7. Першин, Г.Д. Расчет температуры нагрева канатно-алмазного инструмента при резании природного камня / Г.Д. Першин, Б.М. Габбасов // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. – Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГГУ», 2007. – С. 202–205.
   
8. Першин, Г.Д. Экспериментальное определение рабочих температур канатно-алмазного инструмента при резании природного камня / Г.Д. Першин, Б.М. Габбасов // Материалы 65–й науч.-техн. конференции: сб. докл. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. – Т.1. – С. 172–174.
   
9. Абдурахимов, Ю.В. Энергетика сухого резания в зимних условиях при добыче блоков мрамора канатными пилами / Ю.В. Абдурахимов, Г.Д. Першин, Б.М. Габбасов // Камень вокруг нас. – 2007. – № 18. – С. 32–35.
   
10. Першин, Г.Д. Энергетическая оценка сухого резания мрамора при его добыче канатными пилами в зимних условиях / Г.Д. Першин, Б.М. Габбасов // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. – Магнитогорск, 2008. – С. 37–46.
    
11. Першин, Г.Д. Рациональная эксплуатация канатно-алмазных пил на мраморных карьерах в зимний период в режиме сухого резания / Г.Д. Першин, Б.М. Габбасов // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. – Магнитогорск, 2008. – С. 47–54.
    

Подписано в печать 2008. Формат 60х84х 1/16. Бумага тип. №1.

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


455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38

Полиграфический участок МГТУ