Обоснование режимов работы гидроструйного инструмента для обработки горных пород

Актуальность работы. Одним из направлений развития горной техники является реализация гидротехнологий, основанных на использовании энергии высоконапорных струй воды. Применяемые в настоящее время традиционные способы обработки природного камня, в частности, механический, имеют ряд недостатков, существенно сдерживающих расширение области применения такого оборудования.

Известные результаты научных исследований определили целый ряд достоинств гидроструйной обработки горных пород и показали, что камнеобрабатывающие станки, в которых роль породоразрушающего инструмента выполняют тонкие высоконапорные струи, могут эффективно использоваться как для раскроя породных плит (гидрорезка), так и для обработки породных образцов с целью придания им определенной формы (гидрофрезерование), а также для удаления поверхностного слоя материала (гидроочистка). Универсальность струй как инструмента и их способность разрушать даже крепкие породы, высокая скорость резания, отсутствие пыли и реакции забоя на инструменте, эрозионный характер разрушения, при котором происходит удаление верхнего слоя обрабатываемого материала без нарушения его внутренней структуры, делает гидротехнологии весьма перспективными. Однако, если механизм гидрорёзкй достаточно глубоко изучен, то для гидрофрезерования и гидроочистки закономерности процесса не установлены.

При участии автора разработан комплект оборудования для гидроструйной обработки. Оборудование позволяет осуществлять гидрофрезерование и гидроочистку не только горных пород, но и различных конструкционных и строительных материалов, однако, отсутствие исследований по определению влияния гидравлических, геометрических и режимных параметров" инструмента на показатели процесса, а также отсутствие обоснованных методов выбора высоконапорного1 оборудования сдерживают практическое применение такой техники и определяют актуальность работы.

Работа выполнялась то темам НИРТулГУ (грант Администрации— Тульской области № ГШ72/Д 0033-Ц), а также в рамках международного гранта Европейского фонда INTAS (проект INTAS 00−0268).

Цель работы. Установить закономерности процесса обработки горных пород высоконапорными струями для выбора и обоснования рациональных параметров гидроструйного инструмента, обеспечивающих расширение области его эффективного применения.

Идея работы. Эффективность гидроструйной обработки горных пород достигается путем обеспечения рациональных режимов работы на основе выявленной взаимосвязи гидравлических, геометрических и режимных параметров инструмента с показателями процесса, с учётом структуры высоконапорной струи в пределах её активного участка.

Метод исследования — комплексный, включающий научный анализ и обобщение опыта ранее выполненных работ по гидроструйному разрушению горных пород и материалов, а также опыта эксплуатации машин с гидроструйным инструментомэкспериментальные исследования структуры тонких высоконапорных струй и процесса их взаимодействия с горными породамиобработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики на ЭВМ.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

— установлены закономерности изменения длины и ширины активного участка высоконапорной струи в зависимости от геометрических: и гидравлических параметров инструмента, позволяющие определить рабочую зону струи для реализации технологии гидроструйной обработки горных пород- [.

— установлены закономерности процесса гидроструйной обработки с учетом геометрических, гидравлических и режимных параметров инструмента и прочности разрушаемого материала, обеспечивающие обоснование показателей работы гидроструйного инструмента.

— на основании исследований взаимосвязи прочностных свойств горных пород, геометрических, гидравлических и режимных параметров инструмента с показателями процесса гидроструйной обработки выявлены области минимальных удельных энергозатрат, что позволило установить рациональные давления воды и расстояния между срезом струеформирующей насадки гидроструйного инструмента и обрабатываемой поверхностью.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается представительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных средств измерений и методов исследованийкорректным применением методов теории вероятности и математической статистики, а также методов подобия и размерностей при обработке и анализе экспериментальных данныхустойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах 0,77−0,99) — удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами экспериментов (отклонение не превышает 20%).

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей гидроструйной обработки с учетом прочностных характеристик обрабатываемого материала, а также геометрических, гидравлических и режимных параметров инструмента, позволивших выявить их рациональные сочетания и обосновать режимы работы, обеспечивающие расширение области эффективного применения машин для гидроструйной обработки горных пород.

Практическое значение работы: I — разработана конструкция экспериментального стенда, обеспечивающего исследование процесса гидроструйной обработки горных пород и материалов в широком, диапазоне изменения режимных и гидравлических параметров- ¦

— получены расчетные зависимости для определения рациональных давлений воды и расстояний между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемой поверхностью, обеспечивающих минимум удельных энергозатрат и максимум скоростей приращения площади и объёма удаляемого материаларазработан метод расчёта режимов работы гидроструйного инструмента, учитывающий влияние диаметра и типа струеформирующей насадки, давления воды, расстояния между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемой поверхностью, прочности пород, а также скорости перемещения инструмента;

— разработана и реализована на персональном компьютере «Методика расчёта основных режимов работы гидроструйного инструмента камнеобрабатывающего станка и выбора высоконапорного оборудования для гидроструйной обработки горных пород».

Реализация результатов работы.

Методика расчета основных режимов работы гидроструйного инструмента камнеобрабатывающего станка и выбора высоконапорного оборудования для гидроструйной обработки горных пород", а также все конструктивные решения и рекомендации в полном объёме используются фирмой «НИТЕП» при создании машин для гидроструйной обработки горных пород и гидроструйной очистки.

Изготовленный экспериментальный стенд для испытаний и исследований. процесса гидроструйной обработки горных пород и гидроструйной очистки используется Скуратовским экспериментальным заводом и фирмой «НИТЕП» для испытаний выпускаемых изделий.

Станок гидродинамической очистки — СГДО" прошел промышленные испытания и принят на эксплуатацию Скуратовским экспериментальным заводом.

Основные результаты проведённых исследований использоёались в грантах Администрации Тульской области и Европейского фонда INTAS.

Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2001;2003 гг.), 2-ой международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2002 г.), 3-й международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности подмосковного бассейна» (г. Тула, 2002 г.), всероссийской научно-технической конференции 10−12 апреля 2002 «Аэрокосмическая техника и I высокие технологии 2002» (г. Пермь, 2002 г.), научном симпозиуме «Неделя горняка» в МГГУ (г. Москва, 2003 г.), технических советах фирмы «НИТЕП» (г. Тула, 2001;2003 гг.) и Скуратовского экспериментального завода (г. Тула, 2002;2003 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 статей:

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Установлено, что давление высоконапорной воды, диаметр струеформирующей насадки и расстояние между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемой поверхностью оказывают существенное влияние на длину и ширину активного участка высоконапорной струи воды. При увеличении давления воды от 25 до 150 МПа длина активного участка струи растёт примерно в 1,6−4 раза, а ширина струи — примерно в 1,4−1,7 раза. Изменение диаметра насадки от 0,2 до 0,8 мм вызывает соответствующий рост длины активного участка струи в 1,3−2,8 раза, а ширины в 1,6−2,6 раза. Увеличение расстояния между насадкой и обрабатываемой поверхностью (в исследуемом диапазоне) ведёт к росту ширины следа струи примерно в 2−5 раз. Получены зависимости, отражающие связь длины и ширины активного участка струи от Р0, d0 и 10.

2. Установлено, что давление высоконапорной воды, диаметр струеформирующей насадки и временное сопротивление пород на одноосное сжатие оказывают значительное влияние на рациональное (с точки зрения минимальной удельной энергоёмкости) расстояние между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемым материалом при обработке незначительных по толщине слоев. При. увеличении давления воды от 15 до 80 МПа рациональнее расстояние между насадкой и обрабатываемым материалом растёт примерно в 2−3,5 раза. Изменение диаметра насадки от 0,2 до 0,8 мм ведёт к увеличению рационального расстояния примерно в 1,3−4,8 раза. Изменение предела прочности обрабатываемой горной породы от 27,2 до 120 МПа ведёт к снижению рационального расстояния между насадкой и обрабатываемым материалом примерно в 2,7 раза. Получена зависимость, отражающая связь рационального расстояния 10рац от Ро, do и сгсж.

3. Выявлено, что расстояние между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемым материалом оказывает значительное влияние на процесс гидроструйной обработки. Так с увеличением 10 от 5 до 200 мм, ширина гидроструйной обработки b увеличивается в среднем на 60%.

4. Установлено, что давление воды и диаметр струеформирующей насадки оказывают существенное влияние на процесс гидроструйной обработки. При увеличении давления высоконапорной воды от 15 до 125 МПа ширина гидроструйной обработки растёт в 2−2,5 раза. Увеличение d0 с 0,2 до 0,8 мм вызывает рост b в 1,3−2,5 раза. Увеличение скорости перемещения гидроструйного инструмента относительно обрабатываемой поверхности V, с 12,5 до 50 мм/с'несущественно влияет на Ь, однако ведёт к снижению h, в среднем, в 2,2 раза.

5. На основании результатов исследования взаимодействия давления воды, диаметра струеформирующей насадки и прочности пород с показателями процесса гидроструйной обработки выявлены области минимальных удельных энергозатрат, определяющих рациональные значения давления воды. При этом выявлено, что с увеличением диаметра струеформирующей насадки рациональное давление воды снижается, а с повышением прочности пород — растёт. Получены расчётные зависимости для определения рационального давления воды применительно к различным условиям работы гидроструйного инструмента.

6. Разработан метод расчёта режимов работы гидроструйного инструмента для обработки гбрных пород с использованием положений теории подобия и размерностей, учитывающийвлияние давления высоконапорной воды, диаметра струеформирующей насадки, расстояния между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемым материалом, прочности пород, скорости истечения высоконапорной воды, скорости перемещения гидроструйного инструмента, а также длины цилиндрического участка проточного канала струеформирующей насадки и длины всего проточного канала.

7. Разработана «Методика расчета основных режимов работы гидроструйного инструмента камнеобрабатывающего станка и выбора высоконапорного оборудования для гидроструйной обработки горных пород». Методика расчета, а также конструктивные решения и рекомендации используются фирмой «НИТЕП» при создании машин для гидроструйной обработки горных пород и гидроструйной очистки.

8. Экспериментальный стенд для испытаний и исследований процесса гидроструйной обработки горных пород и гидроструйной очистки используется Скуратовским экспериментальным заводом и фирмой «НИТЕП» для испытаний выпускаемых изделий.

9. «Станок гидродинамической очистки — СГДО» прошел промышленные' испытания и принят на эксплуатацию Скуратовским экспериментальным заводом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Представленная диссертационная работа является г. научным квалификационным трудом, в котором на базе выполненных экспериментальных исследований решена актуальная задача установления закономерностей процесса гидроструйной обработки горных пород и изменения рациональных режимов работы в зависимости от гидравлических, геометрических и режимных характеристик инструмента, с учетом структуры высоконапорных струй, позволяющих научно обосновать режимы обработки горных пород и обеспечить повышение эффективности применения камнеобрабатывающих станков, что имеет большое практическое значение для горной отрасли.