Введение к работе
Актуальность работы. Одной из наиболее ценных разновидностей полезных ископаемых является кристаллосырье, находящее применение в промышленности н в ювелирном деле исключительно в виде монокристаллов. Наиболее ценными из них являются рубины, изумруды, алмазы, синие сапфиры и др. В настоящее время сирое на готовую продукцию из добываемого крпсталлосырья превышает объем его добычи, поэтому цены на международном н внутреннем рынке ежегодно растут. При этом ценность добываемого крпсталлосырья существенно зависит от крупности кристаллов н степени их сохранности.
В связи с этим проблема сохранности добываемого крпсталлосырья приобретает важное народнохозяйственное значение и особенно на месторождениях с крепкими вмещающими породами и пропластками, дробление которых при существующей технологии добычи осуществляется взрывными работами, в результате чего потерн при технологических операциях достигают 60% от объема исходного сырья.
К таким месторождениям относится уникальное месторождение изумрудов, расположенное на Среднем Урале и разрабатываемое Малышевскнм рудоуправлением. В условиях месторождения кристаллы изумрудов приурочены к крутопадающим слюдитовым жилам, встречающимся группами от 2...10 до 40 шт. мощностью от нескольких сантиметров в отдельной жиле, до общей мощности группы жил, равной 15 м. Коэффициент крепости вмещающих пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова изменяется от 3 до И. Месторождение изумрудов разрабатывается системой горизонтальных слоев с заполнением выработанного пространства твердеющей закладкой. Порядок отработки очистных слоев — сверху вниз.
Годовой объем добычи изумрудного сырья составляет около 700 кг, что с учетом удельного выхода крпсталлосырья, равного 0,78 г/т, требует выемки руды в объеме около 900 тыс. т в год. Причем добыча из мощных участков составляет 15...20% от общего объема добычи кристаллоноспых
РУД-
Сохранность крнсталлосырья удалось повысить за счс применения па руднике предприятия спецтсхпологнп добыч; заключающейся в производстве взрыва в забое под защите экранирующих щелей пизкобрпзантны.ми В В и последующе ручной разборке (до 30% от общего объема). Однако пг, этом происходит увеличение трудоемкости добычи руды снижение производительности труда забойного рабочего і 1,2 м3/см.
Кардинального снижения потерь и повышения качестг крнсталлосырья при добыче с одновременным увеличение производительности и безопасности труда можно достичь і: пути комплексной механизации забойных процессов. Паї более перспективным направлением для создания выемочнс машины для этих целей является использование прппцш круппокускового разрушения забоя комбинированными р жуще-отрывнымп рабочими органами с применением алма пых дисков и гидравлических импульсных отрывннков, обе почивающих эффективное разрушение неоднородного забоя широким диапазоном крепости руд и вмещающих пород..
Поэтому обоснование параметров и создание машин с р бочпмп органами режуще-отрывпого действия является а туалыюн научной проблемой, решение которой имеет важ;н народнохозяйственное значение, так как позволяет попысп сохранность п качество крнсталлосырья при добыче.
Цель работы. Обоснованно пара,метров и создание реж ще-отрывных рабочих органов машин для добычи кристалл содержащих рул из неоднородных массивов с обеспечен;!', высокой степени сохранности и качества кристаллов.
Идея работы. Выбор параметров машин с комбпппрова нымп режущеотрывпыми рабочими органами ссуществляеті с использованием средневзвешенных по дуге контакта реж щего диска фчзпко-механичеекпх свойств неоднородного ма сива на основе имитационного моделирования и онтнмпзащ с помощью ЭВМ.
Основные научные положения, выносимые па защиту:
повышение сохранности п качества кристаллов при их д биче при наличии в забое крепких вмещающих пород п вклі чеііпіі обеспечивается применением комбинированного снос ба разрушения с использованием алмазных дисков и гидра лнчеекпх импульсных оірьівннков, причем степень сохрани сій кристаллов зависит от соотношения между толщиной с деляемого отрывпнком породного целика и шириной нр"р заемой диском щели;
закономерности процессов разрушения горных пород а мазпыми режущими дисками и гидравлическими отрывппк ып устанавливаются соответственно на основе процесса сое купного взаимодействия с массивом фактически участву щих в резании алмазных зерен п процесса взанмодейсгв
рабочего элемента гндроотрывнпка с породным целиком с учетом их взаимной деформации, зависящей от жесткости системы отрывппк — породный целик и схемы установки рабочего органа на выемочной машине;
влияние внешней среды па конструктивные, режимные и силовые параметры алмазного режущего диска и гидравлического, отрывника прн разрушении неоднородного массива учитывается средневзвешенными но дуге контакта диска показателями физико-механических свойств руд, вмещающих пород и включений, являющимися случайными величинами, законы распределения которых зависят от структуры забоя;
объект исследования представляется в виде системы забой— выемочная машина, процессы функционирования отдельных механизмов которой формализуются универсальными математическими моделями, представляющими собой кусочно-линейные агрегаты, взаимодействие которых между собой н внешней средой определяется схемой их сопряжения в системе, а процесс функционирования системы во времени и в пространстве исследуется с использованием имитационной модели на ЭВМ;
определение оптимальных значеніїп параметров производится на основе имитационной модели системы путем выполнения машинных экспериментов па ЭВМ с использованием в качестве обобщенного критерия оптимизации удельных приведенных затрат, прямо п косвенно связанных с оптимизируемыми параметрами и показателями функционирования системы.
Обоснованность и достоверность научных положении, выводов и результатов подтверждаемся сочетанием теоретических и экспериментальных машинных, лабораторных, стендовых и производственных исследований, выполненных с использованием модельных установок, имитационной модели системы, экспериментальных и опытного образцов выемочной машины с комбинированным режуще-отрывным рабочим органом в условиях научно-исследовательской лаборатории Карагандинского политехнического института и рудника Малы-шевского рудоуправления при достаточном количестве опытов и измерении с помощью современной измерительной и регистрирующей аппаратуры; применением методов прикладного математического анализа, математической статистики, имитационного моделирования и оптимизации с помощью ЭВМ; адекватностью разработанных математических моделей и физических объектов, что подтверждено достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследовании.
Научная новизна. Разработаны математическая модель и алгоритм для определения средневзвешенных фнзикс-механи-ческнх характеристик неоднородного забоя с учетом копст-
руктивпых особенностей комбинированного режуще-отрывн го рабочего органа.
Установлены закономерности процесса разрушения го пых пород алмазным режущим диском и найдены основні:
ЗаВНСПМОСТИ Между еГО КОНСТРУКТИВНЫМИ, реЖИМНЫМИ, СИЛ'
выми и энергетическими параметрами.
Разработана математическая модель взаимодействі рабочего элемента импульсного гндроотрывннка с породны целиком, учитывающая их взаимную деформацию, для че; введено понятие жесткости системы отрывник — породив целик и выявлена ее зависимость от свойств разрушаемо: массива, геометрических параметров целика и отрывши н схемы установки рабочего органа на выемочной машине.
Разработана пмитационая модель объекта псследовани в которой он представлен агрегатнвноп системой забои выемочная машина, состоящей из отдельных агрегатов, фо малпзующих функциональные элементы выемочной машин н фиктивного агрегата, формализующего внешнюю сред взаимодействующих между собой в соответствии со схем< их сопряжения.
Выполнен с применением ЭВМ системный анализ п спит системы забой — выемочная машина с учетом случайно изменения средневзвешенных физико-механических езойс разрушаемой среды. На основе имитационной модели сист мы проведена ее параметрическая оптимизация в ограппче пом пространстве управляемых параметров с использован ем в качестве обобщенного критерия удельных приведенії!, затрат, наиболее полно отражающих взаимосвязь меж. входными и выходными параметрами системы.
Значение работы. Научное значение работы заключает в установлении закономерностей процессов разрушения го пых пород резанием алмазными дисками и отделения падш левых целиков породы гидравлическими импульсными отри пиками; обосновании параметров, и разработке основ прое тпроваппя выемочных машин как сложных динамических с счем, функциональные элементы которых в процессе рабо находятся в непрерывном взаимодействии друг с друге и с внешней средой, а функционирование всей сие; мы происходит в соответствии с ее. имитационной модель параметрическом синтезе системы па основе машинной опт мнзацпп с учетом заданных ограничений по обобщенно: критерию удельных приведенных затрат.
Практическое значение работы заключается в разрабог методики расчета конструктивных, режимных и силовых і: раметров комбинированного режуще-отрывного рабочего с гана; методики определения производительности выемочп машины при выемке крпсталлосодержащпх руд из пеодг родного массива с учетом времени работы и простоя каж;
о функционального элемента; методики оценки зкономиче-кой эффективности применения новой технологии добычи ристаллосырья за счет повышения его сохранности и качест-а; технических заданий, экспериментальных и опытных об-азцов проходческих комбайнов и выемочных машин с ком-инированными режуще-отрывными рабочими органами для голыюп и горно-рудной отраслей промышленности; проб-емпо-орпептировапного программного комплекса ПК «Кри-талл» для системного проектирования выемочных машин с омбппировапными режуще-отрывпымн рабочими органами.
Реализация результатов исследовании. Результаты рабо-ы в виде методик расчета параметров, производительности
экономической эффективности применения выемочных н роходческих машин с комбинированными режуще-отрывпи-III рабочими органами использованы институтами КНИУИ, ЦІИИнодземмаш, ВНИПИпромтехпология, комбинатом Ка-аганданіахтострой, Североуральскпм бокситовым рудником, юлотшшским солерудником, Эстонским филиалом ИГД м А. А. Скочппского, п/о Эстонслапец и Лешшградсланец, Іавопйским горно-металлургическим комбинатом и Малы-іеіїским рудоуправлением при разработке технических задачи, изготовлении и промышленных испытаниях зксперпмен-альных и опытных образцов проходческих п выемочпх'гор-ых машин с режуще-отрывпымн рабочими органами. Внед-ены выемочные машины и проходческие комбайны режуще-трывного действия и установки со шнуровыми гпдроотрывпи-ами с общим экономическим эффектом 927 тыс. руб., из них а долю соискателя приходится 232 тыс. руб. Экономически:"! ффект от внедрения выемочной машины «Кристалл» соста-ляет 105,4 тыс. руб. в год (в цепах до 1991 г.).
Результаты работы использовались при чтении курсов екцип, в курсовом н дипломном проектировании, а также в чебпом пособии, изданном по тем плану Республики Казах-тан.
Отдельные узлы проходческих комбайнов и выемочных аншп с комбинированными режуще-отрывными рабочими рганами защищены авторскими свидетельствами на пзобре-ення.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы складывались и получили одобрение па научно-технических онференциях Карагандинского политехнического института о итогам выполнения НИР (Караганда, 1978—1992), па Іеждународньїх научно-технических конференциях по прпме-еншо" алмазов в промышленности (Киев, 1971, 1974), на сесоюзпых н Республиканских научно-технических конфе-енцнях по совершенствованию, созданию и внедрению зедств механизации для очистных и подготовительных работ Караганда, 1972, 1976, 1984, 1985, 1990; Москва, 1974,
1978; Алма-Ата, 1979, 1990), на Всесоюзной научной конференции по ннерциально-импульсиым механизмам, приводам н устройствам (Челябинск, 1977), на Всесоюзной научно-производственной конференции по бесцепным системам подачи очистных комбайнов (Тула, 1980), на Республиканских научно-технических конференциях по вопросам совершенствования добычи и переработки горючих сланцев (Кохтла-Ярве, 1982, 1984, 1986), на Международной конференции но динамике горных машин «Динамаш-89» (Глпвнце, Польша, 1989), на Международной межвузовской научно-практической конференции по надежности и качеству горных машин п оборудования (Москва, 1991).
Модели проходческого комбайна и выемочных машин с комбинированными режуще-отрывными рабочими органами демонстрировались в 19G9, 1979 и 1985 гг. на ВДНХ СССР, на Международной выставке «Алмаз-75» (Москва), на Всесоюзной выставке ПТТМ (Москва, 1983) и удостоены наград.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 40 статей, получено 31 авторское свидетельство на изобретения, издано по республиканскому плану Республики Казахстан учебное пособие по системному проектированию комбинированных исполнительных органов горных машин, опубликована монография (в соавторстве).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и заключения, изложенных па 371 странице машинописного текста, включает 84 рисунка, 10 таблиц, библиографию из 212 наименований и приложение.
Автор выражает глубокую признательность соавторам и коллективу кафедры горных машин и оборудования КарПТИ, где выполнялась работа, за содействие в ее выполнении и обсуждении результатов.