Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и постановка задач исследований 11
1.1. Современное состояние добычи и обработки природного камня в России и за рубежом 11
1.2. Показатели, применяемые в отрасли камнедобычи и камнеобработки, характеризующие сопротивляемость поверхностному разрушению алмазно-абразивным инструментом 13
1.3. Обрабатываемость природного камня и существующие методы ее оценки 16
1.4. Существующие рекомендации по выбору режимов обработки природного камня алмазно-абразивным инструментом 20
2. Теоретическое обоснование рациональных режимов обработки природного камня алмазно-абразивным инструментом 25
2.1. Энергетический критерий эффективности обработки природного камня алмазно-абразивным инструментом 25
2.2. Влияние физико-механических свойств камня на показатель трудоемкости его обработки алмазно-абразивным и нстру ментом 29
2.2.1. Деформационные критерии оценки внедрения жесткой сферы в упруго-хрупкое полупространство 29
2.2.2. Определение сопротивляемости поверхностному разрушению материала абразивным инструментом через теплофизические константы 35
2.3. Влияние силового режима на показатель обрабатываемости при разрушении породы единичным алмазным зерном 39
2.4. Установление показателя обрабатываемости при поверхностном разрушении породы множеством алмазных зерен инструмента 41
2.5. Влияние глубины пропила на энергосиловые показатели процесса резания природного камня дисковым инструментом 48
Выводы 50
3. Установление взаимосвязи между физико-механическими свойствами породы, режимными и энергетическими параметрами 52
3.1. Показатель обрабатываемости породы при резании ее единичным алмазным зерном 52
3.2. Оценка показателя обрабатываемости спектра природного камня на примере шлифования его абразивным инструментом 54
3.3. Установление взаимосвязи между показателями твердости по Бринеллю и микротвердостью 63
3.4. Проведение стендовых экспериментов по установлению энергосиловых зависимостей процесса распиловки природного камня алмазным дисковым инструментом 65
3.4.1. Методика проведения испытаний 65
3.4.2. Оценка погрешностей средств измерения 70
3.4.3. Определение числа рабочих алмазных зерен 71
3.4.4. Анализ результатов работы 72
3.5. Проведение экспериментов в промышленных условиях по установлению энергосиловых зависимостей процесса распиловки природного камня алмазным дисковым инструментом 76
3.5.1. Методика проведения испытаний 76
3.5.2. Оценка погрешностей средств измерения 78
3.5.3. Определение числа рабочих алмазных зерен 79
3.5.4. Анализ результатов работы 80
Выводы 81
4. Классификация природного камня по трудоемкости обработки алмазно-абразивным инструментом и установление рациональных режимов применительно к классам обработки 83
4.1. Классифицирование спектра природного камня по показателю обрабатываемости алмазно-абразивньш инструментом 83
4.2. Установление оптимальных значений силового воздействия инструмента и длины его контакта с распиливаемой породой 86
4.3. Рекомендации по рациональным режимам распиловки природного камня алмазным дисковым инструментом 99
4.4. Определение удельных затрат при распиловке природного камня алмазным дисковым инструментом 101
4.5. Экономический эффект от применения рациональных алмазосберегающих режимов распиловки горных пород дисковым инструментом 111
Выводы 112
Заключение 114
Библиографический список 117
- Показатели, применяемые в отрасли камнедобычи и камнеобработки, характеризующие сопротивляемость поверхностному разрушению алмазно-абразивным инструментом
- Влияние физико-механических свойств камня на показатель трудоемкости его обработки алмазно-абразивным и нстру ментом
- Оценка показателя обрабатываемости спектра природного камня на примере шлифования его абразивным инструментом
- Установление оптимальных значений силового воздействия инструмента и длины его контакта с распиливаемой породой
Введение к работе
Повышенное внимание общества в последнее время к таким требованиям товаров и услуг, как надежность, долговечность, выразительность и экологичность привело к предпочтению в выборе в качестве строительного, облицовочного и художественно-декоративного материала - природного камня. Доля применения этого «самого древнего и самого современного отделочного материала» в архитектуре, строительстве, технике, художественной обработке неумолимо растет из года в год. Требования рынка, как к объемам выпускаемой продукции, так и к разнообразию по физико-механическим свойствам, цветовой гамме и фактурным рисункам, обуславливают наращивание мощностей действующих, а также введение в эксплуатацию разведанных месторождений природного камня, возникновение новых камнедобывающих и кам неперерабатываю щи х предприятий.
Основной показатель, определяющий величину спроса на изделия из природного камня, - это цена, которая может быть снижена путем уменьшения себестоимости готовой продукции.
В процессах добычи и переработки природного камня основная доля затрат связана с износом дорогостоящего алмазного инструмента. При этом износ инструмента сильно зависит от режимов его эксплуатации. Так, при эксплуатации добычного оборудования в области рациональных режимов стоимость алмазного инструмента составляет 75 % от общей стоимости затрат на отделение блока от массива, а при эксплуатации перерабатывающего - 52 % от стоимости операции на обработку. Если алмазный инструмент используется в режимах, отличных от рациональных, то этот показатель значительно возрастает. Поэтому с целью снижения себестоимости и повышения конкурентоспособности готовой продукции изделий из природного камня необходимо установить рациональные режимы пиления, фрезерования и шлифования алмазным инструментом, при которых расход алмазного инструмента будет минимален.
Процесс переработки природного камня связан с большим объемом распиловочных работ. Основным инструментом в данных операциях являются алмазные диски. Несмотря на значительный период применения алмазного дискового инструмента и многочисленные эксперименты по выявлению факторов и степень их влияния на износ, до сих пор нет единых рекомендаций по рациональным режимам эксплуатации. В настоящее время предлагаемые рекомендации исследовательских институтов и фирм изготовителей алмазного инструмента не дают исчерпывающей информации об области рациональных режимов пиления алмазным дисковым инструментом. Поэтому установление режимов работы алмазного дискового инструмента, при которых наработка его будет максимальна, а эксплуатационные затраты на процесс обработки - минимальными, является актуальной задачей.
Объект исследований: процесс поверхностного разрушения горных пород под воздействием алмазно-абразивного инструмента.
Предмет исследований: физико-технические параметры горных пород в процессах распиловки алмазным дисковым инструментом.
Цель работы: повышение эффективности работы поверхностного разрушения горных пород алмазным дисковым инструментом.
Идея работы: достижение минимума удельных затрат процесса поверхностного разрушения горных пород обеспечивается оптимизацией режимных параметров.
Основные задачи исследований: выявление параметров, влияющих на интенсивность износа материала горной породы при воздействии на нее алмазно-абразивного инструмента и составление классификации по трудоемкости обработки в процессах пиления, шлифования;
установление режимов воздействия инструмента на породу, при которых наблюдается минимальный удельный износ режущей поверхности алмазного инструмента и выявление зависимости данных
7 режимов с физико-механическими свойствами обрабатываемой породы и конструкционными особенностями инструмента;
выдача рекомендаций по рациональным режимам воздействия алмазного инструмента на горную породу применительно к классам по трудоемкости обработки природного камня, обеспечивающих минимальные затраты на распиловку единицы поверхности. Методы 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 дисковым инструментом и их зависимость от физико-механических свойств; статистическая обработка результатов; аналитические расчеты по установлению рациональных режимов процесса распиловки алмазным дисковым инструментом.
На защиту выносятся научные положения:
Поддержание показателя обрабатываемости в области максимальных значений в процессах поверхностного разрушения природного камня алмазно-абразивным инструментом обеспечивает минимальный уровень удельных эксплуатационных затрат.
Объем диспергированной породы при ее поверхностном разрушении алмазно-абразивным инструментом в режиме оптимальных технологических параметров характеризует показатель обрабатываемости природного камня. При этом количественная оценка показателя относительной обрабатываемости, производимая с учетом таких физико-механических свойств природного камня как твердость и модуль упругости, позволяет ранжировать его по степени сопротивляемости поверхностному разрушению в рамках единой универсальной классификации.
Каждому значению длины контакта дискового инструмента с распиливаемой породой соответствует определенное значение
X нормального давления, при котором показатель обрабатываемости имеет максимальное значение. 4. Увеличение длины контакта инструмента с породой с соблюдением оптимального силового режима ведет к повышению показателя ее обрабатываемости до величины абсолютного максимума, а затем к снижению, что обусловлено совместным влиянием на среднюю величину заглубления алмазных зерен длины контакта и удельного нормального усилия с учетом зашламовывания межконтактного пространства. Научная новизна работы состоит в установлении: зависимости показателя относительной обрабатываемости природного камня от физико-механических свойств горных пород и степени внедрения алмазных зерен инструмента в породу;
зависимости показателя обрабатываемости от контактного давления и длины контакта в процессах распиловки горных пород алмазным дисковым инструментом;
рациональных режимных параметров для каждого класса
обрабатываемости горных пород единой универсальной
классификации с учетом зернистости и концентрации алмазов
дискового инструмента.
Достоверность научных положений, выводов и результатов
обеспечивается удовлетворительной сходимостью результатов
аналитических исследований, результатов экспериментов и данных практики. Практическая значимость работы состоит в разработке методики оценки и составлении единой классификации обрабатываемости природного камня алмазно-абразивным инструментом, учитывающей физико-механические свойства горных пород, конструкционные особенности инструмента и силовой режим воздействия; установлении рациональных режимных параметров распиловки алмазным дисковым инструментом в пределах каждой категории предложенной классификации.
Личный вклад автора состоит в проектировании и сборке экспериментального стенда по распиловке природного камня алмазным дисковым инструментом; проведении стендовых экспериментов по распиловке природного камня алмазным дисковым инструментом с целью выявления энергосиловых показателей процесса пиления; установлении взаимосвязи между энергетическими показателями и режимными параметрами процесса пиления природного камня в промышленных условиях; лабораторном определении показателей микротвердости и твердости по Бринеллю природного камня и определении связи между данными физико-механическими свойствами; установлении рациональных алмазосберегающих режимов распиловки природного камня алмазным дисковым инструментом.
Реализация результатов работы. Результаты исследований, выводы и рекомендации могут быть использованы при подготовке и реализации проектов строительства и реконструкции камнеперерабатывающих предприятий.
Апробация работы: результаты, основные положения докладывались на международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня» (Магнитогорск, 2003, 2004, 2005 гг.); всероссийской научно-технической конференции «Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (Красноярск, 2003 г.); международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатывающей промышленности» (Москва, 2004 г.); ежегодных научно-технических конференциях МГТУ (Магнитогорск, 2003, 2004, 2005 гг.); научно-практическом семинаре «Особенности организации работ и применения оборудования в карьерах при различных технологиях добычи природного камня» (Екатеринбург, 2005 г.); на заседаниях научного семинара кафедры МиЭГП и факультета ГТиТ МГТУ (Магнитогорск, 2005 г.).
10 При решении поставленных в диссертации задач использованы следующие методы научных исследований :анализ литературных данных и существующего опыта добычи и переработки природного камня и процессов трибологии; технико-экономический анализ, аналитические и графико-аналитические методы, математическое и экспериментальное моделирование.
Показатели, применяемые в отрасли камнедобычи и камнеобработки, характеризующие сопротивляемость поверхностному разрушению алмазно-абразивным инструментом
На сегодняшний день алмазно-абразивный разрушающий инструмент является наиболее прогрессивным и перспективным в кам недобывающей и перерабатывающей отрасли. Производимый ассортимент алмазного инструмента по применению и номенклатуре весьма широк - это буровые коронки однослойные и импегнированные, канатные, дисковые, полосовые (штрипсовые) пилы, торцевые плоские и фигурные фрезы, шлифующие и полирующие круги. Преимущества использования алмазного инструмента заключаются в высокой производительности при относительно низкой удельной стоимости работ, существенное повышение точности и качества обработанной поверхности при низких потерях сырья [15, 16].
Несмотря на существенный прогресс в развитии науки о свойствах горных пород, используемых в качестве строительного и облицовочного материала, и совершенствования методов их определения, до сих пор нет единой классификации природного камня по сопротивляемости поверхностному разрушению.
Наиболее распространенной классификацией в горной промышленности, нашедшей применение и в отрасли камнедобычи и камнепереработки, является шкала крепости горных пород, разработанная проф. Протодъяконовым М.М., в основу которой положен коэффициент крепости, определяемый по следующему выражению: (Теж- предел прочности на одноосное сжатие, МПа.
Все горные породы данной классификации разделены на 10 категорий в зависимости от степени крепости породы. Менее прочные породы отнесены к десятой категории соответствующей плывучим горным породам и имеющим коэффициент крепости 03+0.5. К первой категории отнесены в высшей степени крепкие породы с коэффициентом крепости более 20. Горные породы, используемые в качестве строительного и облицовочного материала, отнесены к H-VII категориям. В седьмую категорию попадают наименее прочные камни с коэффициентом крепости 1+1.5 (туфы), а в первую - высокопрочные крепостью более 20 {плотные базальты, граниты и кварциты).
Современную форму записи зависимости коэффициента крепости от предела прочности на одноосное сжатие предложил Л.И.Барон [17]:
Подобная корректировка позволила расширить градацию самых крепких пород с показателем более /=20 до значения их предела прочности на сжатие (Тсж 300 МПа. Позже В.В. Ржевский предложил классификацию, оценивающую сопротивляемость разрушению по трем показателям - пределам прочности на сжатие, сдвиг и растяжение [18]:
Предложенный критерий относительной трудности объемного разрушения, определенный как среднеарифметическая величина от предельных состояний горной породы, позволил разделить весь спектр на 5 классов, включающих 25 категорий. Приведенные классификации до настоящего времени на горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях применяются для ориентировочной оценки пород, а также при укрупненных проектно-сметных расчетах. Вместе с тем показатели сопротивляемости, положенные в основу вышеупомянутых классификаций, характеризуют процессы объемного разрушения, работа которых отличается в 10-Ч04 раз по сравнению с работой в процессах поверхностного разрушения алмазно-абразивным инструментом [19, 20, 21, 22]. Наблюдаемое расхождение связано с отклонением от условий подобия в данных процессах разрушения [23, 24, 25, 26]. Поэтому точно характеризовать сопротивляемость пород в процессах поверхностного разрушения предложенные показатели не могут.
В практике геологоразведочного бурения для оценки свойств горных пород применяется классификация горных пород по твердости [27]. Твердость поверхности образца породы, каким бы она методом не измерялась, характеризует поверхностную прочность материала. Поэтому предложенная градация по твердости более точно ранжирует буримые породы, так как в наибольшей степени отражает особенности механизма поверхностного разрушения. Классификация содержит 5 групп по твердости, деление которых произведено с учетом специфики ведения разведочных работ.
Производной вышеуказанной градации является классификация по процентному содержанию кварца в породе [28]. Кварц, как самый распространенный минерал из числа наиболее твердых, существенным образом влияет на средневзвешенную твердость оцениваемой породы и, как следствие, на сопротивляемость при обработке ее алмазным инструментом. Высокопрочные горные породы разделены на 3 класса с интервалом содержания кварца: до 20 %; 20-КЗО %; 30- 40 %. Но данная классификация не получила широкого распространения из-за приближенности критериев класса, выпадением из учета других твердых включений в породе и отсутствием или малом процентном содержании кварца в породах средней прочности.
Наиболее распространенным в настоящее время в России в практике камнеобработки является показатель комплексной твердости [29]: Н\І - микротвердость породы, МПа; Рш - твердость по штампу, МГТа.
Микротвердость определяется прибором ПМТ - 3 согласно существующему стандарту (ГОСТ 30629 - 99) или при отсутствии прибора как средневзвешенная величина твердостей породообразующих минералов. Твердость по штампу в настоящее время не определяется, так как соответствующий стандарт (ГОСТ 12288 - 76) — отменен. Поэтому предлагается оценивать данный показатель по корреляционной его связи с временным сопротивлением сжатию [12].
Данный критерий оценки сопротивляемости (1.1) утрачивает свою актуальность. Предложенная более 30 лет назад величина комплексной твердости не может при нынешних темпах роста мощности производства строительных облицовочных изделий обеспечить необходимой информацией камнеобработчиков по трудности поверхностного разрушения горной породы. На основе вышепредложенных критериев оценки сопротивляемости горных пород разрушению построены рекомендации по показателям обрабатываемости в процессах поверхностного разрушения алмазно-абразивным инструментом, таких, как бурение, пиление, фрезерование, шлифование.
Влияние физико-механических свойств камня на показатель трудоемкости его обработки алмазно-абразивным и нстру ментом
Для количественного анализа процесса разрушения природного камня алмазным инструментом, связывающего энергосиловые показатели и показатель обрабатываемости алмазно-абразивным инструментом, необходимо рассмотрение характера взаимодействия алмазных зерен инструмента с поверхностью разрушаемого камня. Алмазные зерна, импегнированные в матрицу связки, под действием нормально приложенной нагрузки производят массовое микрорезание, то есть царапание поверхностного слоя материала в направлении движения инструмента [56]. При этом процесс пиления (бурения, шлифования) можно рассматривать как процесс, состоящий из множества однотипных актов микрорезания алмазными зернами породы. Все теоретические исследования, относящиеся к рассмотрению поверхностного разрушения металлических и неметаллических материалов алмазно-абразивным инструментом, базируются на анализе и расчете взаимодействия единичного резца с плоской поверхностью [32]. Для описания процесса микрорезания принимаются различные модели единичных резцов (инденторов): эллиптический и сферический сегменты, стержень, цилиндрическая поверхность, клин, конус [31, 57]. Рабочая поверхность алмазного зерна, первоначально имеющая форму неправильного многогранника, в процессе работы теряет острые вершины и принимает форму близкую к сферической [56].
Поэтому для описания процесса деформации природного камня алмазным зерном принимается модель сферического сегмента. При приложении нормальной силы, находящейся в зоне упругого контакта (рис. 1, линия ОЕ), не происходит разрушение алмазными зернами обрабатываемого камня и при снятии нагрузки деформированная поверхность полностью восстанавливается. Глубина внедрения алмазного зерна в породу в этом случае определится согласно контактной задаче Герца внедрения абсолютно жесткого индентора в упругую полуплоскость: где Рз - сила нормального давления зерна на породу, Н; v, Е - коэффициент Пуассона и модуль упругости Юнга породы, м/м, МПа; г - радиус алмазного зерна, м. Поверхностное взаимодействие, находящееся в области упругих деформаций, также описывается формулой Герца: где SynP - площадь проекции пятна упругого контакта, м ; а — радиус пятна контакта, м. Дальнейшее увеличение нагрузки на зерно в момент достижения в центре пятна касания предела упругого деформирования приводит к появлению зоны разрушения, которая возрастает по степенной зависимости и распространяется от вершины сферического выступа ко всей площади контакта (рис. 1, линия DA), плавно переходя в область хрупкого разрушения. В области хрупкого разрушения зависимость площади пятна контакта от нормально приложенной силы является прямо пропорциональной и ее можно определить по методике Бринелля (рис. 1, линия АВ):
Размеры зоны разрушения в области упруго-хрупкого взаимодействия (рис. !, линия DA) определяются совместным решением контактных задач Герца и Бринелля для индентора шаровой формы: где &v — коэффициент, учитывающий снижение площади контакта при упруго-хрупком разрушении, когда площадь контакта определяется по упругой задаче Герца. Данный коэффициент является показательной функцией от физико-механических свойств породы и условий ее разрушения, при этом показатель степени п = 1 - соответствует упруго-хрупкому контакту, а П=0 - процессу хрупкого разрушения. По уравнению (2.8) определен индекс категории обрабатываемости горной породы в режиме упруго-хрупкого разрушения через ее физико-механические свойства: при условии Р- =const и г—const. Данный комплексный показатель Кц является физическим условием определения категории обрабатываемости горной породы единичным алмазно-абразивным зерном, когда выполняется условие постоянства нормальной нагрузки на алмазное зерно одного и того же размера. С точки зрения энергетики разрушения природного камня алмазно-абразивным инструментом область контактных давлений на режущий инструмент, находящаяся в зоне хрупкого разрушения, является наиболее эффективной. В данном случае снижаются непроизводительные затраты энергии на упругую деформацию поверхности материала камня. Объемная производительность разрушения горной породы единичным алмазно-абразивным зерном определится по следующей кинематической зависимости: где S=a-hj - площадь поперечного среза породы алмазным зерном, м2 (рис. 2.2). Согласно зависимостям (2.5) и (2.7) объемная производительность в области упруго-хрупкого взаимодействия с учетом (2.9) примет вид
Оценка показателя обрабатываемости спектра природного камня на примере шлифования его абразивным инструментом
Показатель обрабатываемости как интегральный показатель, зависимый от характеристик применяемого инструмента (поверхностная концентрация и зернистость алмазных зерен), режимов силового и скоростного, свойств обрабатываемого камня и применяемой технологии способен наиболее полно дать информацию об таких параметрах как показатель производительности оборудования, оценка эффективности ведения работ, удельные энерго - и ресурсозатраты при данных режимах нагружения принятым инструментом. Как выше упоминалось, для получения таких показателей необходимо выдерживать работу оборудования в таком диапазоне, в котором коэффициент разрушения породы остается неизменным или изменяется незначительно. При соблюдении таких условий между показателем обрабатываемости должна существовать тесная корреляционная связь с физико-механическими свойствами обрабатываемой породы Мі,П /(Нв, Е). Данная зависимость будет определять работоспособность алмазного инструмента при одинаковых условиях нагружения одним и тем же инструментом [57].
Для подтверждения выдвинутого положения проведен анализ экспериментальных результатов [30, 76], где изучалось влияние основных физико-механических свойств облицовочного камня на их шлифуемость. На первом этапе исследований были изучены мраморы из 5 крупных месторождений бывшего Советского Союза: Коелгинского (Урал), Газганского (Узбекская ССР), Лопотского (Грузинская ССР), Хорвирапского и Иджеванского (Армянская ССР). При этом была испытана 31 проба мраморов. Шлифуемость определялась на шлифовально-полировальном станке ШП - 350М при скорости вращения шпинделя п—100 об/мин и удельном давлении о„=0,01 МПа. Мраморный образец готовился диаметром /13 мм и толщиной 12 мм. При среднем шлифовании использовался абразив КЗ - 10 на бакелитовой связке. Производительность процесса шлифования мраморов характеризовалась потерей в весе образцов за время опыта. Из каждой пробы шлифовались 3 плиты (каждая по три раза). Из физико-механических свойств определялись: предел прочности при сжатии (Теж, микротвердость ///, модуль упругости , модуль сдвига G, коэффициент Пуассона V. Второй этап данной работы включал аналогичные исследования, но проведенные для широкого класса облицовочного камня, куда вошли наряду с осадочными и метаморфическими породами и изверженные породы. В итоге испытаниям подверглись 87 проб природного камня.
Результаты экспериментальных исследований [30, 76] приведены в таблицах 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6. Экспериментально определенная сошлифовка K0JKC конкретной породы показана в относительной форме (эталон - коелгинский мрамор). В таблицу занесены только те результаты, для которых на образцах были определены либо модуль упругости, либо м и кротвердость.
Теоретический расчет относительной сошлифовки Ко производился по формуле (2.13) для показателя степени /7 = , = /. Значение коэффициента пропорциональности КНл,р=0,938 для пород типа мраморы было получено по экспериментальным значениям параметров НЦИЕ (табл. 3.1). В результате соответствующей группировки (при условии Kfif const в каждой группе) все принятые для анализа породы разделились на шесть категорий (рис. 3.2). Расхождение между экспериментальным и теоретическим значением относительной сошлифовки А в каждой группе (категории) в среднем не превысило 15 %, что можно считать как вполне удовлетворительное совпадение теории и эксперимента.
Как показывает анализ, предложенный энергетический показатель ЦрП/Ауд ранжирует горные породы по трудоемкости обработки алмазно-абразивным инструментом, согласно категориям существующих классификаций, основанных на большом экспериментальном и производственном опыте [10, 11, 12, 77], что обосновывает достоверность энергетического подхода в теории поверхностного разрушения с практической стороны.
На основе полученных зависимостей на рис. 3.3 показано графическое отображение показателя Ко для процесса шлифования горных пород. В качестве эталонного образца принят мрамор Коелгинского месторождения со следующими физико-механическими свойствами: Е—50700 МПа, Н=1470 МПа.
Наиболее распространенным показателем твердости является микротвердость, определяемая по отпечатку от вдавливания алмазной пирамиды НПМ. Данный метод имеет ряд преимуществ: возможность определения твердости составляющих породу минералов, независимость конечных показаний от параметра нагрузки и отсутствие внешней нарушенности камня на измеряемой поверхности.
Но в вышеизложенной работе для определения энергосиловых параметров используется физико-механическая характеристика - твердость по Бринеллю, так как алмазы в процессе работы затупляются и принимают форму, по внешнему виду напоминающую сферический индентор. Поэтому для перехода от показателя микротвердости к твердости по Бринеллю были проведены эксперименты для уточнения данной зависимости, ранее полученной для эталонных минералов шкалы Мооса.
Испытания на твердость по Бринеллю проводились на универсальном твердомере «UHM» согласно принятой методике (ГОСТ 9012 - 59). Проведены были эксперименты по определению твердости мраморов диаметром индентора 2.5 мм, временем выдержки 10 сек и нагрузкой 62.5 кг. Для установления твердости гранитов подобные эксперименты были проведены при следующих параметрах: диаметр индентора 5 мм, время выдержки 10 сек и нагрузка 500 кг.
Установление оптимальных значений силового воздействия инструмента и длины его контакта с распиливаемой породой
Показатель обрабатываемости процесса распиловки горных пород алмазным дисковым инструментом как функция от аргумента - контактного давления на начальном участке возрастает, что указывает на улучшение условий поверхностного разрушения за счет повышения степени внедрения алмазных зерен в породу [56], затем при достижении определенной предельной величины убывает вследствие повышения энергозатрат на переизмельчение и удаление продуктов разрушения из зоны резания [74]. Длина участка кривой /г,/Ауд=/((Т1() горизонтального оси абсцисс при достижении максимальной величины зависит от длины контакта алмазного дискового инструмента с распиливаемой горной породой. Так для малых значений длин контакта инструмента с породой продукты разрушения сразу выносятся из зоны резания, поэтому влияние шлама на показатель обрабатываемости в широком диапазоне контактных давлений минимально. Такой режим распиловки, в котором влияние шлама не сказывается на показателе обрабатываемости в интервале рабочих контактных давлений инструмента на породу, характерен для алмазно-канатных пил. В этом случае за счет действия центробежных сил продукты разрушения выносятся из зоны резания и не оказывают значительного влияния на эффективность процесса распиловки.
При увеличении длины контакта инструмента с породой (повышение глубины резания за проход, увеличение диаметра рабочего инструмента при неизменной глубине пропила) при одинаковых значениях контактных давлений инструмента на породу повышается средняя величина заглубления зерен в породу [73], снижаются динамические нагрузки на режущую кромку инструмента и поэтому достигается увеличение значений показателя обрабатываемости. Данное обстоятельство формирует участок резко возрастающей величины показателя обрабатываемости. Повышение средней величины заглубления зерен в породу приводит к росту объема разрушенной породы в зоне резания, при достижении определенной предельной величины которого вследствие значительного влияния его на процесс резания происходит убывание величины показателя обрабатываемости. Таким образом, как на максимальное значение показателя обрабатываемости, так и на ширину участка при достижении максимального значения значительное влияние при распиловке горных пород алмазным дисковым инструментом оказывает длина контакта инструмента с породой.
Для аналитического описания влияния режимов распиловки на показатель обрабатываемости результаты эксперимента {1р/Ауд=До„) были аппроксимированы квадратичными полиноминальными зависимостями вида: где Q}=Afl\ а2— ЛУІК - функции длины контакта инструмента с породой, характеризующие взаимное влияние эффектов улучшения условий поверхностного разрушения алмазными зернами инструмента породы и зашламовывания межконтактного пространства продуктами разрушения; А/, А2 - константы; т,р- показатели степени. Контактное давление, соответствующее оптимальному режиму распиловки (максимальному показателю обрабатываемости), определится в этом случае нахождением экстремума уравнения (4.1):
Оптимальное контактное давление для определенного значения длины контакта инструмента с породой: где Аз - константа; q - показатель степени.
Оптимальные значения контактного давления соответствуют также минимуму удельной работы поверхностного разрушения, аппроксимированной полиноминальной функцией вида: где Ьі СДк1; Ъ2—С2/1к\ Ьц=Сз/1к - функции длины контакта инструмента с породой; В/, В2, Вз - константы; q, w, и - показатели степени.
Производительность распиловки горных пород алмазным дисковым инструментом, соответствующая максимальным значениям показателя обрабатываемости (минимуму удельной работы поверхностного разрушения алмазно-абразивным инструментом) определится согласно следующим уравнениям (2.1), (4.1), (4.3) следующей зависимостью: где А4 - константа; S - показатель степени.
Для значений контактных давлений, обеспечивающих максимальные показатели обрабатываемости (минимальную удельную работу распиловки) определены параметры относительного заглубления алмазных зерен в породу по уравнению (2.24). Недостающие показатели экспериментов были получены экстраполяцией корреляционных зависимостей. Результаты эксперимента и аналитических расчетов сведены в табл. 4.3. По полученным данным построены зависимости, объясняющие процессы алмазно-абразивной распиловки с учетом эффекта зашламовывания межконтактного пространства. Из представленных графиков (рис.4.2) видно, что с ростом длины контакта инструмента с породой для природного камня меньшей прочности необходимо более интенсивно снижать контактное давление для устранения больших потерь на трение продуктов разрушения об инструмент и поверхность породы и их переизмельчение. Таким образом, для облицовочных горных пород меньшей прочности при больших величинах глубины резания необходимо снижать относительное внедрение алмазных зерен более интенсивно, чем для пород большой прочности, таких, как гранит (рис.4.3). При некотором значении глубины относительного внедрения перестает сказываться влияние продуктов разрушения на инструмент, что заметно по постепенному выполаживанию графиков относительно оси абсцисс. Полученные результаты позволяют выдать рекомендательные параметры силовых режимов процесса дисковой распиловки алмазно-абразивным инструментом применительно к каждому классу обрабатываемости вышеприведенной классификации природного камня.
