Введение к работе
Актуальность. Планируемый двух кратный прирост объема добычи строительных материалов в РФ до 2025 г предусматривает, как одну из важнейших задач отрасли, интенсификацию процессов извлечения из недр природного камня, что, в свою очередь, требует совершенствования способов и создание средств эффективного разрушения скальных пород. Без успешного решения этой проблемы невозможно обеспечения высоких темпов промышленного и гражданского строительства в России. Ежегодная добыча природных строительных материалов в РФ на сегодняшний день оценивается объемом в 115 млн.куб.м.
Наиболее эффективным и высоко энерговооруженным способом отбойки пород от массива является буро-взрывной способ. Однако, ему присущ ряд негативных факторов: загрязнение окружающей среды, повышенная сейсмическая опасность (для близ расположенных строений и промышленных объектов и населенных пунктов), неоднородная структура отделяемых от массива пород (необходимость вторичного дробления негабаритов), общая опасность ведения взрывных работ и др., что часто ограничивает применение данного способа в конкретных условиях. Альтернативным способом разрушения крепких минеральных сред является ударный способ, реализуемый мощными гидравлическими молотами (гидроударниками), получившими в настоящее время большое распространение. Вместе с тем, область применения гидравлических молотов и рациональные режимы их эксплуатации остаются недостаточно изученными, особенно применительно к условиям разработки скальных и трещиноватых естественных и искусственных строительных материалов.
В настоящий момент отсутствуют машинные методики расчета и выбора параметров разрушения скальных пород ударно-скалывающим исполнительным органом, обеспечивающим экономически целесообразную производительность.
Актуальность работы состоит в обосновании целесообразности использования безвзрывного (механического) способа и определении рациональных параметров разрушения природных и искусственных материалов для увеличения объемов добычи скальных пород, покрывающих растущие потребности промышленности в строительных материалах.
Актуальность работы подтверждается участием автора в выполнении исследований по госбюджетной программе 1.6.05 - Минобразования РФ «Исследование нестационарных движений устойчивости сложных электро-гидро- пневмомеханических систем с внешними воздействиями в виде случайных процессов» (№ гос. регистрации 0120.0 504939, инв. №11 от 22.03.2008) и исследований по программе Проблемной НИЛ «Импульсные технологии».
Цель работы. Разработка методики расчета и выбора параметров разрушения скальных пород ударно-скалывающим исполнительным органом, обеспечивающей снижение удельных энергозатрат и повышение производительности СДМ.
Идея работы. Заключается в интенсификации волновых процессов, генерируемых в массиве при ударе инструментом технологической машины, обеспечивающих повышение эффективности механического способа разрушения массива и снижение удельных энергозатрат.
Задачи исследования:
обзор и анализ результатов исследований механизма ударного взаимодействия инструмента и обрабатываемой среды, разрушения минеральных сред импульсными механическими нагрузками применительно к различным условиям их реализации;
разработка конечно-элементной математической модели и проведение исследований напряженно-деформированного состояния ударной системы технологической машины и разрушаемого массива скальных пород;
разработка методики и проведение лабораторных исследований процессов формирования импульсов напряжений в волноводе (рабочем инструменте) в зависимости от энергетических и конструктивных параметров ударной системы:
проведение стендовых исследований по определению производительности и удельных энергозатрат на разрушение крепких минеральных сред и искусственных материалов ударно-скалывающим исполнительным органом;
разработка методики расчета и выбора рациональных параметров разрушения крепких минеральных сред применительно к условиям добычи и переработки строительных материалов.
Методы исследований включают обобщение результатов исследований разрушения минеральных сред ударными нагрузками, математическое моделирование волновых процессов в ударной системе и массиве, экспериментальные исследования разрушения минеральных сред ударными нагрузками, стендовые исследования ударно-скалывающего исполнительного органа.
На защиту выносятся:
конечно-элементная математическая модель, позволяющая анализировать влияние волновых процессов и определять параметры разрушения скальных пород ударными нагрузками;
механизм формирования нестационарного поля напряжений в массиве и его влияние на эффективность разрушения массива в зависимости от параметров первичного импульса, генерируемого ударной системой;
уравнение регрессии траектории трещины, позволяющее определить объем отколотого куска породы и проводить прогнозную оценку производительности и удельных затрат энергии на разрушение скальных пород;
методика определения параметров ударной нагрузки в зависимости от прочностных свойств и технологических условий разрушения породы.
Достоверность научных положений, выносимых на защиту, выводов и рекомендаций обеспечивается применением классических теорий механики твёрдого тела и теории разрушения, а также корректным применением метода конечных элементов; достаточным объемом экспериментальных данных, полученных с использованием стандартных средств измерения; подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна.
конечно-элементная математическая модель, базирующаяся на классических теориях механики твёрдого тела и теории разрушения и методах вычислительной техники позволяет рассматривать в совокупности процессы генерирования волн напряжений в элементах ударной системы и разрушаемом массиве и определять по линиям максимальных напряжений траекторию прорастания объединяющей трещины как фактор разрушения материала;
копровый ударный стенд, оснащенный оригинальным высокочастотным комплектом измерительно – регистрирующей аппаратуры, позволящий проводить исследования в широком диапазоне варьирования импульсов напряжений, генерируемых в элементах ударной системы, и подтвердить обоснованность уравнения регрессии, описывающей траекторию трещины в разрушаемом материале;
методика расчета и выбора энергетических и конструктивных параметров ударно-скалывающего исполнительного органа на основе учета влияния волновых процессов позволяет производить прогнозную оценку производительности технологической машины и удельных энергозатрат на разрушение скальных пород.
Практическая ценность работы:
методика расчета и выбора рациональных параметров разрушения крепких минеральных сред используется при проектировании ударно-скалывающего исполнительного органа технологической машины;
результаты исследований используются в учебном процессе при проведении лабораторных работ, выполнении курсовых и дипломных проектов.
Реализация работы:
методика расчета и выбора рациональных параметров разрушения крепких минеральных сред и искусственных материалов, разработанная в ПНИЛ «Импульсные технологии» ОрелГТУ при личном участии автора диссертации принята ООО «Инновационный научно-технический центр «Орел-инжиниринг» для создания технологической машины по добыче строительных материалов.
Апробация работы. Результаты моделирования и экспериментальных исследований представлялись и докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ОрелГТУ (2006-2010 гг), международных научных симпозиумах «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, 2006 г., 2010г.), седьмой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBH (г. Москва, 2007 г.) и «Неделе горняка – 2009» в МГГУ (2009 г.). и
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей и тезисов докладов, в т.ч. 1 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 101 наименование, 2 приложений и содержит 129 страниц, в том числе 127 страницы основного текста, в котором 6 таблиц, 58 рисунков, и 2 страниц приложений.
