Введение к работе
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 (30С) 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 графити-зацию.
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:
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.
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.
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 эле
мента 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 жур-
налах 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.
