Экспериментальные результаты виброрезания пород малой крепости

© П.М. Вержанский, А.Ю. Дмитрак, А.О. Харитонов, 2013

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВИБРОРЕЗАНИЯ ПОРОД МАЛОЙ КРЕПОСТИ

Приведены сведения относительно областей применения метода вибрационного воздействия при добыче и обогащении горных пород.

Указано, что для эффективности виброразрушения необходимо учитывать конкретные параметры резания, такие как скорость подачи, площадь сечения реза и др.

In the article resulted taking in article concerning scopes of a method of vibration influence at production and enrichment of rocks. It is specified that for efficiency of vibrodestruction it is necessary to consider concrete parameters of cutting, such as the giving speed, the section area cut.

Ключевые слова: вибрация, порода, резание, рабочий орган, мощность.

Keywords: vibration, breed, cutting, working body, capacity.

Вибрационное воздействие на узлы выемочных, транспортирующих и обогатительных механизмов горных машин имеют как отрицательные эффекты (снижение надежности, долговечности и др.), так и положительные, применяемые по настоящее время - виброперемещение сыпучих материалов, виброизмельчение, вибропросеивание фракций и т.д. [4]. Все это позволяет в значительной мере повысить производительность агрегатов, упростить их конструкцию, снизить энергоемкость процессов разрушения и классификации.

В частности имеется ряд изобретений на способы и устройства разрушения твердых полезных ископаемых при их добыче. Московский государственный вечерний металлургический институт в 1997 г. предложил струговые установки, резцовые головки которых осуществляют динамическое воздействие на разрушаемый забой. Струг с автоматическим регулированием параметров работы в соответствии с мощностью пласта, ударный механизм которого выполнен в виде перфораторов, а так же струговая установка, в которой каждый режущий элемент имеет механизм с ударником.

10

В 1994 г. Московская геологоразведочная академия им. Сер-го Орджоникидзе предложила оконтуривать вынимаемые блоки щелями в вертикальных плоскостях, выполняемыми рабочим органом, корпус которого снабжен режущими элементами, вибромеханизмами и водоводами с гидронасадками. Породы блока, одновременно с его оконтуриванием, выдавливаются в разрезную траншею путем подачи внутрь формирующих щелей низконапорных струй жидкости. Однако, вышеизложенные способы обладают рядом недостатков: высокая сложность конструкций, достаточно большие потери более 20 %, отсутствие достаточных экспериментальных данных.

Кроме того, вибрационные воздействия на уголь и нерудные материалы (щебень, песок) применяются на соответствующих предприятиях (теплоэнергетические комплексы, заводы ЖБИ) в зимний период для восстановления сыпучести смерзшихся грузов в полувагонах.

Однако, в последний, примерно двухдесятилетний период, работы в этом направлении практически не проводились. Справедливости ради необходимо отметить, что ОАО «Механобр» еще в начале восьмидесятых годов прошлого века разработал и провел испытания конусной инерционной вибрационной дробилки КИД-300. Результаты работы показали, что степень дробления зависит от частоты силового воздействия. Результатами теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в ОАО «Механобр», обоснована и доказана возможность и целесообразность замены традиционных низкочастотных машин для дезинтеграции материалов высокочастотными машинами.

На сегодняшний день положительное воздействие вибрации на разрушение материала известно. Это воздействие существенно снижает энергозатраты на дезинтеграцию разрушаемого материала. Данный процесс до настоящего времени относится к разряду малоизученных в силу множества объективных и субъективных причин [1, 3]. Зарубежные исследования в этой сфере практически отсутствуют.

В связи с этим в МГГУ в 2011-12 гг. была проведена научно-исследовательская работа, включающая анализ результатов исследований, полученных при резании различных твердых материалов и минералов с вибрационным воздействием на рабочий

11

орган (РО). Исследовался выбор принципа действия РО на забой при выемке полезного ископаемого сверхузкими полосами. Изучались эффективные научно-технические решения по конструктивному исполнению РО высокоскоростных агрегатов, позволяющих достичь снижения энергоемкости при добычи твердых полезных ископаемых.

Конструкция экспериментального стенда представлена на рис. 1.

На рис. 2 представлены записи осциллограмм с ваттметров, установленных на двигателях привода рабочего органа и эксцентрикового вала.

Линейный участок характеризует холостой ход, т.е. мощность в период достижения установленного режима работы. Па-раболовидный участок характеризует непосредственно период

Рис. 1. Внешний вид экспериментального стенда: 1 - рабочий орган (РО), 2 - блок испытуемого материала, 3 - электродвигатель привода РО, 4 -аспирация, 5 - электродвигатель привода подачи блока, 6 - карданный вал, 7 - эксцентриковый вал, 8 - шпиндель токарного станка, 9 - защитный кожух, 10 - станина станка

12

резания. Его можно разделить на три участка: врез инструмента в массив, сопровождаемый постепенным увеличением мощности; рабочий режим при котором реализуются максимальные значения мощности; отвод РО из рабочей зоны.

а

/ 3 I А ч 3

/ !

\

£ 0 1 \

/ л

Л / / } ( \

0 / V у * ъ ¡> 4 <- 4 р / гм, я, :м ин с V / ) ф ф ф ъ Ф

б

3500,00 I- 3000,00 " 2500,00 & 2000,00 | 1500,00

I 1000,00

5 500,00 0,00

отсочиючиомюочимию'Я»

НННННННг

Время, ч:мин:с

Рис. 2. Зависимости мощности и тока в рабочем режиме под вибрациями от времени при противоположно направленном вращении и частоте вращения РО (по току) 50 Гц, вибровозбудителя 50 Гц (а) и без вибраций при той же частоте РО (б), эксцентрик 3 мм: 1 - электродвигатель привода РО, 2 - электродвигатель привода вибровозбудителя, 3 - суммарная характеристика

13

Из осциллограмм видно, что при равных параметрах резания и твердости материала мощность, затрачиваемая на отделение кусков от целика, не одинакова. Пики максимумов, значения которых зарегистрированы на осциллограмме, использовались для расчетов сравнительной характеристики.

Наиболее представительными в оценке работы горнодобывающих машин являются удельные энергозатраты (Дж/м3, кВт-ч/т), которые, как известно, характеризуются величиной энергии, необходимой для разрушения резанием или другим способом единицы объема или массы горной породы.

Удельные энергозатраты Ик, кВт-ч/м3 при резании могут быть определены из выражения:

И = 2,78 • 10-7 Р/Б,

где Р - средняя сила резания, Н; Б - площадь сечения среза, м2. В случае резания в щели:

Б = ЪИ,

где Ъ - ширина щели, м; И - средняя глубина резания, м.

При резании на стенде блока, высота которого была меньше диаметра диска РО, можно принять И ~ 0,9Имакс. Максимальное значение толщины стружки (глубины резания Имакс) определяется по формуле:

V

И

"макс у > V/

ПР02

где уп - скорость подачи, м/с; пРО - число оборотов РО, 1/с; 2 -число резцов в линии резания.

Умножив выражение (1.1) на ур/ур и сделав подстановки, получим:

7 Р 3 Иш = 2,78 •Ю-7-, кВт-ч/м3,

или

7 N 3

Иш = 10 -—, МДж/м3,

ЪУ,„

14

где N - средне значение мощности резания.

В выражениях (4) и (5) значения N определялись по экспериментально полученным диаграммам мощности. При этом ширина щели Ъ и скорость подачи уп в экспериментах задавались.

Расчеты энергозатрат по результатам экспериментальных данных показали, что на отделение куска горной массы от целика испытуемых материалов путем вибро-динамических воздействий затрачивалось примерно на 75-77 % энергии меньше, чем без них.

В экспериментах использовались материалы с широким спектром крепости: от 0,2-0,5 МПа до 10-15 МПа. такими являлись пеноблоки, блоки, выполненные из цементно-песчаной смеси, дорожный камень и др. К сожалению, получить необходимые данные в процессе эксперимента получалось не во всех случаях. Это связано с рядом причин: недостаточная мощность двигателей для прорезания крепких видов материала, недостаточный диапазон измерительных приборов, несовершенство конструкции РО и др. Однако, эти случаи практически не повлияли на общий результат экспериментов.

В результате проведенной экспериментальной работы можно сделать следующие выводы:

- экспериментально доказана энергоэффективность вибрационного разрушения горных пород;

- получена количественная оценка снижения мощности в стендовых условиях, при этом соотношение затрат мощности на резание при виброционном и безвибрационным способах составило 75-77 %;

- эффективность разрушения материалов, на которых проводились исследования, позволяет заявлять о целесообразности проведения дальнейших исследований в этой области.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Вержанский Петр Михайлович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика»

Харитонов Антон Олегович - аспирант кафедры «Теоретическая и прикладная механика»

Дмитрак Алексей Юрьевич - аспирант кафедры «Теоретическая и прикладная механика»

15

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вайсберг Л.А., Зарогатский Л.П., Туркин В.Я. Вибрационные дробилки. - Санкт-Петербург.: Издательство ВСЕГЕИ, 2004.

2. Картавый Н.Г., Глушко В.В., Ульшин В.А. Автоматическое регулирование режимов работы горных машин. - М.: Недра. 1970. 137 с.

3. Позин Е.З., Меламед В.З., Тон В. В. Разрушение углей выемочными машинами. - М.: Недра, 1984, 285 с.

4. Ревнивцев В.И. и др. Вибрационная дезинтеграция твердых материалов. - М.:Недра, 1992.

СОДЕРЖАНИЕ

А.Ю. Дмитрак, А.О. Харитонов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ВЛИЯНИЯ ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СО СТОРОНЫ РАБОЧЕГО ОРГАНА НА РАЗРУШАЕМЫЙ МАТЕРИАЛ .....................3

П.М. Вержанский, А.Ю. Дмитрак, А.О. Харитонов ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

ВИБРОРЕЗАНИЯ ПОРОД МАЛОЙ КРЕПОСТИ....................................10

16