автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование взаимосвязи параметров электромагнитных молотов с физико-механическими свойствами горных пород при дроблении негабаритов

На правах рукописи

ЧУ ПРО В Игорь Валерьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МОЛОТОВ С ФИЗИКО-МЖХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВ АМН ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ДРОБЛЕНИИ НЕГАБАРИТОВ

Специальность 05.05.06 ~ Горим машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени канднд»та технических наук

Екатеринбург 2006

Диссертация выполнена а ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Сайтов

Видь Ирхужеешч

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Ляпцев

Сергей Андреевич кандидат технических наук Табарин

Александр Дмитриевич Ведущая организация - ОАО «Научно-технический центр

«Научно-исследовательский проектный институт открытых горных работ»

Защита состоится «_2006 г. в 13 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу:

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « ¿-О »__2006 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Повышение эффективности производства н конкурентоспособности товарной продукции горнодобывающих предприятий с одновременным снижением давления на окружающую среду являются важнейшими проблемами для большинства горнодобывающих предприятий. Опыт разработки скальных горных пород при ведении горных работ показывает, что даже при применении прогрессивных способов ведения буровзрывных работ не удается полностью исключить выход крупной фракции {негабаритов). Процент выхода негабаритов от взорванной массы в зависимости от горно-геологических условий может изменяться от 2...3 до 15...20 процентов. Попадание негабаритного куска в приемную щель головкой дробилки сопряжено с остановкой всей технологической цепочки предприятия. Загромождение негабаритными кусками рабочей площадки при ведении добычных или вскрышных работ ведет к снижению эффективности ведения горных работ.

Дробление негабаритов до требуемых размеров может осуществляться либо с помощью взрыва (шпуровым способом или накладными зарядами), либо невзрывными способами, большинство которых основано на механическом разрушении под действием локальных концентрированных напряжений, превышающих сопротивление внутренних связей в породе. К настоящему времени производителями предлагается множество типов ударных механизмов, основанных иа преобразовании различных видов энергии (от гравитационной до энергии химических процессов) в механическую. В силу ряда причин, в основном экономических, к настоящему времени наиболее распространенным является механический способ разрушения негабаритов с использованием гидравлических и гидропневматических молотов. Однако гидромолоты - изделия высокотехнологичные и требуют высокой культуры производства в процессе изготовления и строгого соблюдения технологического регламента при их эксплуатации. Кроме этого, при применении гидромолотов а качестве базовой машины

используются гидроэкскаваторы, что ведет к увеличению стоимости процесса дробления негабаритов.

Альтернативой гидравлическим и гидро пневматическим ударникам могут быть элеетромагнигаые мологы. Эти молоты позволяют создавать механические импульсные нагрузки с энергией единичного удара от 0,5,„2 до 30 кДж и частотой от 400...600 до 2..А ударов в минуту. Принцип их работы основан на преобразовании электрической энергии, аккумулируемой конденсаторной батареей, в механическую энергию подвижного якоря-ударника. Они имеют более простую конструкцию и меньшую массу и стоимость. В этой связи выполненная работа, направленная на повышение эффективности процесса дробления негабаритов за счет рационального использования электромагнитных молотов, является актуальной.

Объект исследований - технические средства дробления негабаритов при ведении горных работ.

Предмет исследований — электромагнитные молоты и взаимосвязи их главных параметров с основными свойствами горных пород.

Идея работы. Существенное снижение затрат на разрушение негабаритов возможно при использовании электромагнитных молотов, адаптированных к конкретным горнотехническим условиям.

Целью работы является исследование структуры и основных параметров электромагнитного молота и разработка конструкции, отвечающей условиям использования его для разрушения негабаритов в конкретных горнотехнических условиях.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Модель органоструюуры комплекса средств механизации для технологического процесса разрушения негабаритов позволяет с максимально возможной степенью полноты отобразить множество вариантов использования молота в технологическое цепи горного предприятия.

2. Установленная взаимосвязь удельной энергии разрушения отдельного куска породы с энергией единичного удара.

3. Совокупность обобщенной функциональной модели ударного устройства, модели органоструктуры электромагнитного молота и результатов лабораторных экспериментов позволяет установите связь основных параметров электромагнитного молота с физико-механическими свойствами разрушаемых горных пород.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована: использованием фундаментальных положений теории вероятности и математической статистики, системного анализа и теории технических систем, корректным применением методов математического н физического моделирования, теории подобия, апробированными методами экспериментальных исследований. Достоверность подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. С вероятностью не менее 0,9 относительная ошибка результатов не превышает 10 %.

Научная новизна работы заключается:

в разработке моделей органоструктуры комплекса средств механизации технологического процесса горного предприятия

в установлении связи энергетических параметров и физико-механических, свойств горных пород с рациональными параметрами электромагнитного молота.

Практическую ценность представляет предложенный метод выбора структуры и основных параметров электромагнитных молотов.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы ЗЛО «Импульсная техника и технологии» при проектировании электромагнитного молота с энергией удара 2 кДж, предназначенного для разрушения негабаритов в шахтах Кузбасса я ОАО «Уралредает».

Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались: на «Неделе горняка» Москва, 2004, 2005 гг.; I Международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатываю-щей промышленности». Москва, 11-12 марта 2004 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы открытой разработки месторождений полезных ископаемых» Екатеринбург, 24-25 ноября 2004 г.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 4 работах. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения н списка литературы из 37 наименований, содержит 92 страницы машинописного текста, 28 иллюстраций, 17 таблиц и приложение.

Основное содержание работы Во »ведении отражена актуальность работы.

В первой главе показана значимость разрешения проблемы дробления негабаритов до требуемых по технологии размеров. Например, попадание негабаритного куска в приемную щель головной дробилки сопряжено с остановкой всей технологической цепочки предприятия. Если негабариты не дробить, то может быть загромождена рабочая площадка, и это сказывается на эффективности ведения горных работ в целом на предприятии. Если на предприятии объем негабаритов значителен, то стоимость этой на первый взгляд вспомогательной технологической операции может составить существенную долю в обшей себестоимости извлечения горной массы. Отсюда ясно, что задача снижения затрат на операцию разрушения негабаритов актуальна для горнодобывающих отраслей промышленности.

Дробление негабаритов до требуемых размеров осуществляется либо с помощью взрыва (шпуровым способом или накладными зарядами), либо механическим способом при помощи импульсной техники, использующей различные виды энергии: гравитационную, механическую (пневматические, гид-

равлическис и гидро пневматические молоты), электрическую и энергию взрыва и энергию сгорания различного вида энергоносителей (дизельные, бензиновые).

В странах СНГ и в России работы по созданию импульсной техники и исследованию процесса разрушения пород с йх помощью проводились и проводятся в ИГД СО РАН. ЦНИИС Мннтрансстроя, КарГТУ, ОКБ «Импульс» АН Кирг. ССР, ИГД им. АЛ. Скочинского, ДонУГИ, МГГУ, КузГТУ, ОрелГТУ, ВИИстроЙдормаше, на Копейском машзаводе, УГГУ, МГТУ и других НИИ и вузах.

Большой вклад в исследования и освоение техники и технологии ударного разрушения горных пород при ведении горных работ внесли: Алабужев П.М., Анистратов Ю.И., Бирюков А. В., Васильев Е.И., Зайцев Л. Д., Кантович Л.И., Кичигин А.Ф., Котылев Ю.Е., Кравченко В.А. Кузнецов В.И., Курехкн Е.В., Лабутин В.Н, Лазуткин А.Г., Лысенко Л.Л., Ляпцев С.А., Матгис Р.А, Ряшенцев Н.П., Ташкинов A.C., Тимошенко Е.М., Фролов A.B., Угаров Г,Г., Ушаков Л.С., Кравченко В.А. , Федулов А.И., Цветков В.Н, Шемякин Е.И., Янцен И.А. и многие другие.

Анализ научно-технической литературы по исследованию процесса ударного разрушения горных пород показал, что повышение эффективности процесса дробления негабаритов при использовании электромагнитных ударных машин на базе имеющегося научно-технического задела в этой области проблематично без проведения дополнительных исследований.

. В соответствии с целью работы были сформулированы следующие задачи исследования:

- провести анализ структуры горнодобывающего предприятия и выявить все возможные варианты сопряжения установок для дробления негабаритов со смежным оборудованием;

- установить связь физико-механических, свойств разрушаемых пород с основными параметрами молота;

• выявить необходимые и достаточные условия подобия процесса разрушения негабарита механическим ударом и установить индикаторы подобия;

• разработать методику выбора структуры и основных параметров электромагнитного молота для разрушения негабаритов.

Во второй главе ка примере циклично-поточной технологии ведения открытых горных работ с использованием основных принципов теории множеств проведен анализ внутренней структуры комплекса средств механизации (КСМ).

В соответствии с теорией множеств, КСМ рассматривается как подсистема большой технической системы горного предприятия (ГП), которая, в свою очередь, рассматривается как множество разнородных элементов £, Макромодель структуры КСМ на первом уровне иерархии выражена формулой

¿и Е, (1)

где А - система ГП как множество, объединяющее множества Е:

яи О,, <2)

где Ог =■ {СИ* Трь 75* №»&) — множество операндов, технологических принципов, технических систем, элементов окружающей среды соответственно.

На этой основе предложена модель внутренней структуры системы КСМ и окружающей среды (рис. 1). В модели обозначено: 0<? - первоначальное, естественное состояние операнда в массиве; Ос? - конечное для данной системы состояние операнда, то есть руда или порода меньшей крупности, чем после взрывания, доставленная на обогатительную фабрику или в отвал; БУР, ВР -подсистемы бурения и взрывания, функцией которых является подготовка горной массы к выемке; ВПР - выемочно-погрузочная подсистема; ТРТвт - подсистема внутрикарьерного транспорта, функцией которой является преобразование

циклично поступающей горной массы в непрерывный поток; ПДУ - подсистема перегрузки и дробления, функцией которой является преобразование циклично поступающей массы горной и дробление или удаление негабаритных для ленточных конвейеров кусков; ТРТМ - подсистема транспорта за пределы борта карьера; ДОФ - дробильно-обогатнтельная фабрика.

-

Д Уступы у

ш*

г;идтяуа КТМ-ИГ7Т

БУР ВР ! ьш 1

1 Г4"

Влрячное лообяеиие

ТРТвя пдyJ ТРГет л

*

Отвал)"4

Пыль

си основные, ¿тпшиональные подсистемы: элементы окружающей среды; ~ элементы, не рассматриваемые в данной постановке задачи.

Рис. I. Модель внутренней структуры КСМ к окружающей среды

На рис. 2 представлена модель органоструктуры, где СБР, СБУ, СБШ СБШТ - бурильные станки вращательного, ударного, шарошечного и шарошеч-но-термнческого бурения соответственно; СУЗН-5А, ... , ЗС-2М - типы зарядных забоечных машин; ГМ, ГПМ, ЭМ - ударные устройства для дробления негабаритов: гидравлические, гидропневматические и электрические молоты соответственно.

КМБ - фрезерные и стреловые комбайны; ЭДА - экскавационно-дробильные агрегаты; ЭКГ, ЭГ, ЭГО — экскаваторы: соответственно прямая мехлопата, гидравлические экскаваторы, прямая и обратная лопаты; ПДМ - по-грузочно-доставочные машины; ГМАР - горные машины с активными рабочими органами; ЗК - забойные конвейеры; АТТ - внутрикарьерный автотранспорт; С ДА, ПДУ, СтДУ - соответственно самоходные дробильные агрегаты, передвижные и стационарные карьерные дробильные установки; ill 11"У- передвижные стационарные грохотнльно-перегруз очные установки; МГЛК - магистральные ленточные конвейеры; ЛКП - ленточные конвейерные подъемники.

Модель органострукхуры подсистемы 3 в виде меченого орграфа приведена на рис. 3. Дуги графа отображают отношения смежности, или совместимости тех или иных вершин графа со смежной вершиной в единой системе.

Вершины графа идентифицированы следующим образом;

1.1; 1.2; 1.3; 1.4; 1,5 - типы элевтромолота: электромагнитный, электромагнитный многоступенчатый, магнитного, индукционного или магнитно-индукционного действия. Тип электромолота определяется его назначением.

1.6; 1.7 - молоты: импульсные с частотой ударов до 4 Гц или вибрационные с частотой ударов свыше 4 Гц, выбираются в соответствии с назначением с учетом экономических факторов;

2.1; 2.2; 2.3; 2.4 - типы электрических конденсаторов для аккумуляции энергии: электролитические, с органическим диэлектриком, на основе комбинированного диэлектрика, на бумажной основе. Основные параметры: С — емкость, тФ; иш - напряжение заряда В;

3.1; 3.2 - однополюсный или многополюсный статор, определяется назначение молота;

4.1; 4.2 - якорь-ударник цельный или составной, определяется выбранным типом статора;

4.3; 4.4 • исполнение торца якоря-ударника с плоской или сферической поверхностью соответственно;

5.1; 5.2; 5,3; 5.4; 5.5; 5.6 - конструктивное исполнение контактной поверхности рабочего инструмента: плоская, сферическая, коническая, клиновая, пирамидальная, крестообразная. Определяется назначением молота.

Рис. 3. Модель органоструктуры электромагнитного молота

Выбор принципа действия и частоты ударов, вершины 1.1 ... 1.5, определяется функциональным назначением молота.

В ведение в модель оргаяоетрумуры элекгромолота элементов 2.! ... 2.4, отображающих множество возможных типов конденсаторов, установленных в импульсном преобразователе энергия, обменяется тем, что они оказывают решающее влияние на такие параметры установок, как масса, габариты н стой-мость, 1

Таким образом, модель органоструюуры, представленная на рис. 3, с достаточной полнотой отражает возможные варианты исполнения основных элементов электромагнитных молотов, следовательно, она позволит определиться с рациональной структурой электромолота, технически возможной в настоящее время.

Третья глава посвящена исследованию свойств дробимосхи горных пород при воздействии механическим ударом. Поскольку в натурных условиях проведение экспериментов по дроблению горных пород невозможно по экономическим и техническим причинам, предпочтение было отдано лабораторным исследованиям на физической модели. Для проведения исследований был разработан и изготовлен специальный испытательный стенд (рис. 4).

Рис. 4. Стенд для исследования процесса разрушения горных пород стесненным ударом

В результате статистической обработки результатов эксперимента для образцов ссз гранита были получены следующие регрессионные уравнения: для клинового рабочего инструмента

£я> = -13 + 1720/Е; (3)

для конического рабочего инструмента

£■„=-11 +2377/Е; (4)

для сферического рабочего инструмента

£ур«»51 +7153 Ж. (5)

Корреляционные отношения этих зависимостей соответственно равны 0,88,0,7 и 0,86, что свидетельствует о наличии устойчивой связи между удельной энергией разрушения и энергией единичного удара. Значимость корреляционного отношения определялась по «-критерию. С доверительной вероятностью 95 % корреляционные отношения уравнений 3, 4, 5 статистически значимы, так как расчетные значения /-критерия соответственно:Гран)" 5,13; 3,52; *р»и= =3,52, а критическое значение = 0,35; Г„р| - 0,36; /(р1 = 0,40. Проверка значимости уравнений 3, 4, 5 по критерию Фишера показала, что с надёжностью, соответственно 95 %, 90 % и 99 % они адекватно описывают влияние энергии единичного удара на удельную энергию разрушения куска горной породы, так как^ркч,» 3,91> РкР| =■ 1,85; />„г= 1,66 > 1,60; ^з- 37Л 2,84.

Корреспондирование полученных результатов на натурные условия возможно при соблюдении критериев подобия процессов разрушения. В работе на основе я - теоремы были рассмотрены условия, при которых возможно подобие процессов разрушения негабаритов в натурных условиях и процессов разрушения отдельных кусков в лабораторных условиях. На основе анализа существующих в этой области работ физическое уравнение процесса разрушения породы ударом механическим воздействием представлено в виде функционала

Ф = 0, С, £д. а, V, т» т*. ц, п, ц, у, к, Д е, /, Т), (6)

где Э - энергия, расходуемая на процесс разрушения, Дж; С - жесткость основания, на котором покоится разрушаемый негабарит, Н/м; Ел - динамический модуль упругости породы, МПа; а - прочность горной породы на сжатие, МПа; V - скорость соударения подвижного якоря с рабочим инструментом, м/с; т, -масса подвижного якоря устройства дробления, кг; т„ - масса рабочего инструмента, кг; г) - коэффициент Пуассона дробимого материала; п - показатель уп-ругопластических свойств порода; ц - коэффициент внешнего трения; у - плотность породы, кг/м3; к - коэффициент восстановления дробимой породы; О — эквивалентный диаметр дробимого куска, м; е - относительная деформация куска под действием ударного импульса; / - степень дробления куска по массе; 7-время, с.

Анализ размерностей параметров позволил выявить все возможные сочетания групп независимых параметров и соответственно критерии подобия:

щ-т,у<П\ К4= ТЕ0'1 у^О'1 т',

1Г7=П. Щ-П, ТС9-Ц. ТС|0"£.

Индикаторы подобия для группы независимых параметров имеют вид

тэ1тЕтг0=\-1 тут™/т£а'* = 1; ¡тТтъ0 = 1; 1ягт°-,в=1.

Масштабы для оставшихся параметров будут определяться следующими соотношениями

тэ~тЕт30; гт^^т0//т^1', т,*тгт\\ т£ ~ т^* т^'/т/3 (7)

Соотношения (7) устанавливают взаимосвязь между размерными параметрами процесса дробления негабаритов при корреспондировании результатов моделирования с условий модели на натурные процессы.

В четвертой главе рассмотрен метод выбора внутренней структуры и основных параметров электромагнитного молота для конкретных заданных уело* вий эксплуатации. На рис. 5 представлена блок-схема алгоритма расчета основных параметров.

НАЧАЛО

о„Дье,иь[а],и1с„[а1,[р]Л

1 г

Е)Д.л<1

Рис 5 Блок схема расчета основных параметров электромагнитного молота

Вид - стационарный или мобильный и место установки электромагнитного ударного механизма (ЭММ) определяются в результате анализа органострукту-ры КСМ, т. е. системы верхнего уровня, составной частью которой и является рассматриваемая установка. Как правило, местом установки стационарного ЭММ является перегрузочный пункт, а мобильного - забой экскаватора. Следовательно, выбор места рассматриваемого устройства в структуре КСМ и его назначение определяются заказчиком.

Для расчета используются следующие параметры:

<г„ - прочность горной породы на сжатие, Па; Д, - максимальный, эквивалентный диаметр негабарита, м; е —выход негабаритов в отбитой горной массе, %; С* - напряжение зарядки конденсаторов. В; [о] - допускаемое напряжение материала рабочего органа, т. е. рабочего инструмента электромолота, Па; /„степень дробления куска; А, — коэффициент запаса, учитывающий неполный разряд конденсаторов, токи утечки, механический кпд молота, электрические и магнитные потери в электрических и магнитных цепях молота, снижение емкости конденсаторов при отрицательных температурах, старение электролига и т. п. принимаем в первом приближении равным 2,5 ... 3; — частота ударов молота, 1/с; [а] - допускаемое значение виброускорения рабочего места оператора, если оно располагается на базовой машине, м/с2.

Один из главных параметров молота - частота ударов в единицу времени -определяется исходя из требуемой производительности установки:

П " 60^" (8) где <2 - производительность перегрузочного пункта (участка), т/час; « -выход негабарита, %; О - эквивалентный диаметр курка, м; у - плотность горной породы, т/м3; пу - число ударов до разрушения негабарита (принимается в пределах от 1 до 5).

Энергия единичного удара якоря перед его ударом по рабочему органу для электромагнитного молота (в Дж) находится нз формулы

^«ЮООЕ^,

где Еур * удельная энергия единичного удара, необходимая для разрушения негабарита, кДж/мг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится решение задачи, состоящей в разработке органоструктуры комплекса средств механизации для ведения технологического процесса разрушения негабаритов, установлении закономерностей связи энергетических параметров и физнко-механкческих свойств разрушаемых горных пород с рациональными параметрами ударных машин, имеющей существенное значение для теории проектирования ударных машин.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

I. Разработана модель внутренней структуры КСМ, которая позволяет формализовать процесс позиционирования установки для дробления негабаритов в общей структуре ГП, что упрощает процесс выбора рационального типоразмера установки и смежного оборудования в конкретных условиях, а также наиболее рациональный вариант нх сочетания.

2. Основой для разработки математического обеспечения при принятии решения по структуре установок дня дробления негабаритов, а также КСМ в целом служат модели структуры КСМ. Их необходимо использовать на этапе проектирования и в процессе эксплуатации ГП.

3. Эффективность установок необходимо производить по таким интегральным показателям как: энергоемкость выполнения той или иной функции технического процесса; материалоемкость этих технических средств; возможность

выполнения дополнительных вспомогательных функций или совмещения основных функций, а также ей цена и затраты при эксплуатации.

4. Суммарная удельная энергия удара, необходимая для разрушения куска горной породы, увеличивается не линейно с уменьшением энергии единичного удара. Разрушение куска породы прекращается, когда величина энергии удара становится меньше порога чувствительности. Величина удельной энергии удара, обеспечивающей стабильное разрушение кусков горной породы за 1... 5 ударов и соответственно требуемую производительность ударной машины, должка был, на 15.. .20% меньше £ур.тмх-

5. Разработанный алгоритм расчета основных параметров электромагнитного молота позволяет учитывать следующие факторы: прочность горной породы на сжатие, эквивалентный диаметр негабарита, процент выхода негабаритов в отбитой горной массе, напряжение зарядки конденсаторов, допускаемое напряжение материала рабочего органа, степень дробления куска. При этом определяются такие параметры молота, как: энергия единичного удара, частота ударов, масса молота.

6. Основные результаты работы и практические рекомендации использованы ЗЛО «Импульсные техника и технологии» при проектировании электромагнитных молотов с энергией удара 2 и 10 кДж, предназначенных для разрушения негабаритов в шахтах и разрезах Кузбасса и в ОАО «Уралредмет» при проектировании установки для дробления лигатур. Суммарный экономический эффект от использования результатов исследования составляет 360 тыс. руб. в год.

Основные результаты работы опубликованы я следующих работах:

1. Сайтов В.И., Чупров И.В. Энергетические аспекты проблемы дробления негабаритов при ведении горных работ//Научные основы и практика разведки и переработки руд и техногенного сырья: Мат-лы Междунар. науч.-техн. конф. - Екатеринбург, 18-21 июня 2003 г.

2. Афанасьев А.И. , Сайтов В. И. Чупров И. В. Технические средства дробления негабаритов, перспективы и тенденции развития//Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камне-

обрабатывающей промышленности: Мат-лы I Меясдутер. науч.-практ. конф. Моема, 11-12 марта 2004 г, GLOBAL EXPO -УГТТА. - Екатеринбург, 2004. -С. 96-99.

3. Сайтов В.И., Чернышев А.А, Чупров ИВ. Моделирование структур передвижных дробильных установок// Горные машины н автоматика. - 2004 - N° 4.-С, 29-31.

4. Сайтов В .И., Чупров И.В. Проблема выбора технических решений в процессе оптимизации комплекса средств механизации для открытых горных работ. Известия Уральского государственного горного университета. Вып. 21. Сер. Горное дело. — Екатеринбург, 2005.-С. 151-155.

5. Сайтов В.И., Чупров И.В. «Критерии подобия процесса дробления горных пород несвободным ударом» Горный информационно-аналитический бюллетень. Москва, 2006 г.Ш. С.351-353.

6. Чупров И.В. Взаимосвязь удельной энергии разрушения горной породы с энергией единичного удара//Известия вузов.Горный журнал. — 2004 - №5. С.66-69.

Подписано в печать Формат 60x84 1/16. Бумага писчая.

Печать на ризографе. Печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ Я/7

Издательство УХТУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Проблема появления негабаритов при ведении горных работ и их разрушения.

1.2. Современное состояние теории ударного разрушения пород.

1.4. Цель и задачи исследования

Глава 2. Анализ струюуры технических средств горного предприятия.

2.1. Технические средства дробления негабаритов и их место в структуре горнодобывающих предприятий.

2.2. Модель органоструюуры комплекса средств механизации

2.3. Классификация и разработка типоразмерного ряда электромагнитных молотов.

2.4. Выводы

Глава 3. Исследование дробимости отдельных кусков горных пород.

3.1. Стенд для исследования процесса разрушения горных пород стесненным ударом.

3.2. Методика исследований.

3.3. Результаты исследований разрушения горных пород стесненным ударом.

3.4 Исследование условий подобия процесса моделирования процесса дробления негабарита.

3.5 Выводы.

Глава 4 . Выбор структуры и основных параметров электромагнитных молотов.

4.1 Общая структура установок для дробления негабаритов.

4.2 Выбор основных параметров ударного устройства.

4.3 Выводы

Актуальность. Повышение эффективности производства и конкурентоспособности товарной продукции горнодобывающих предприятий с одновременным снижением давления на окружающую среду являются важнейшими проблемами для большинства горнодобывающих предприятий. Опыт разработки скальных горных пород при ведении горных работ показывает, что даже при применении прогрессивных способов ведения буровзрывных работ не удается полностью исключить выход крупной фракции (негабаритов). Процент выхода негабаритов от взорванной массы в зависимости от горно-геологических условий может изменяться от 2.3 до 15.20 процентов. Попадание негабаритного куска в приемную щель головной дробилки сопряжено с остановкой всей технологической цепочки предприятия. Загромождение негабаритными кусками рабочей площадки при ведении добычных или вскрышных работ влечет снижение эффективности ведения горных работ.

Дробление негабаритов до требуемых размеров может осуществляться либо с помощью взрыва (шпуровым способом или накладными зарядами), либо невзврывными способами, большинство которых основано на механическом разрушении под действием локальных динамических нагрузок, вызывающих напряжения, превышающие сопротивление внутренних связей в породе. К настоящему времени производителями предлагается множество типов ударных механизмов, основанных на преобразовании различных видов энергии (от гравитационной, до энергии химических процессов) в механическую. В силу ряда причин, в основном экономических, к настоящему времени наиболее распространенным способом является механический способ разрушения негабаритов с использованием гидравлических и гидропневматических молотов. Гидромолоты являются высокотехнологичными изделиями, требуют высокой культуры производства в процессе изготовления и строгого соблюдения технологического регламента при их эксплуатации. Кроме этого, при применении гидромолотов в качестве базовой машины используются гидроэкскаваторы, что влечет за собой увеличение стоимости процесса дробления негабаритов.

Альтернативой гидравлическим и гидропневматическим ударникам могут быть электромагнитные молоты. Эти молоты позволяют создавать механические импульсные нагрузки с энергией единичного удара от 0,5.2 до 30 кДж и частотой от 400.600 до 2.4 ударов в минуту. Принцип их работы основан на преобразовании электрической энергии, аккумулируемой конденсаторной батареей, в механическую энергию подвижного якоря-ударника. Они имеют более простую конструкцию, меньшую массу и стоимость. Величина массы электромагнитных молотов зависит от величины энергии удара, которая в свою очередь определяется суммарной величиной энергии, необходимой для разрушения негабарита. Необоснованный выбор величины энергии единичного удара приводит к тому, что число ударов до разрушения негабарита значительно возрастает. Это приводит к существенному снижению производительности машин и, соответственно, уменьшению эффективности её работы. В этой связи выполненная работа, направленная на исследование энергетических параметров ударных машин и процесса разрушения горных пород, является актуальной.

Объект исследований - технические средства дробления негабаритов при ведении горных работ.

Предмет исследований - электромагнитные молоты и взаимосвязи их главных параметров с основными свойствами горных пород.

Идея работы. Существенное снижение затрат на разрушение негабаритов возможно при использовании электромагнитных молотов адаптированных к конкретным горнотехническим условиям.

Целью работы является исследование структуры и основных параметров электромагнитного молота и разработка конструкции, отвечающей условиям использования его для разрушения негабаритов в конкретных горнотехнических условиях.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Модель органоструктуры комплекса средств механизации для технологического процесса разрушения негабаритов, позволяет с максимально возможной степенью полноты отобразить множество вариантов использования молота в технологической цепи горного предприятия.

2. Установленная взаимосвязь удельной энергии разрушения отдельного куска породы с энергией единичного удара.

3. Совокупность обобщенной функциональной модели ударного устройства, модели органоструктуры электромагнитного молота и результатов лабораторных экспериментов позволяют установить связь основных параметров электромагнитного молота с физико-механическими свойствами разрушаемых горных пород.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована: использованием фундаментальных положений теории вероятности и математической статистики, системного анализа и теории технических систем, корректным применением методов математического и физического моделирования, теории подобия, апробированными методами экспериментальных исследований. Достоверность подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. С вероятностью не менее 0,9 относительная ошибка результатов не превышает 10%.

Научная новизна работы заключается в разработке моделей органоструктуры комплекса средств механизации технологического горного предприятия и установлении связи энергетических параметров и физико-механических свойств горных пород с рациональными параметрами электромагнитного молота.

Практическая ценность представляет разработанный метод выбора структуры и основных параметров электромагнитных молотов.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы УГГУ при проектировании электромагнитного молота с энергией удара 2 кДж, предназначенного для разрушения негабаритов в шахтах Кузбасса.

Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались на: «Неделе горняка» 2004 и 2005 (г. Москва -2004 и 2005 г. г.); I Международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для кам-необрабатывающей промышленности». Москва, 11-12 марта 2004 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы открытой разработки месторождений полезных ископаемых» Екатеринбург 24-25 ноября 2004 г.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 87 наименований, содержит 107 страниц, 28 иллюстраций и 17 таблиц.

6. Основные результаты работы и практические рекомендации использованы ЗАО «Импульсные техника и технологии» при проектировании электромагнитного молота с энергией удара 2 кДж, предназначенного для разрушения негабаритов в шахтах Кузбасса и в ОАО «Уралредмет» при проектировании установки для дробления лигатур. Ожидаемый экономический эффект от использования электромагнитного молота для разрушения негабаритов в подземных условиях составляет 360 тыс. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены новые решения научной задачи, состоящей в разработке органоструктуры комплекса средств механизации для ведения технологического процесса разрушения негабаритов, установлении закономерностей связи энергетических параметров и физико-механических свойств разрушаемых горных пород с рациональными параметрами ударных машин, необходимых для повышения эффективности их работы.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Модель внутренней структуры КСМ, позволяет формализовать процесс позиционирования установки для дробления негабаритов в общей структуре ГП, что упрощает процесс выбора рационального типоразмера установки и смежного оборудования в конкретных условиях, а также наиболее рациональный вариант их сочетания.

2. Основой для разработки математического обеспечения при принятии решения по структуре установок для дробления негабаритов, а также КСМ в целом, могут служить модели структуры КСМ. Их можно использовать на этапе проектирования и в процессе эксплуатации ГП. Оценку эффективности установок можно производить по интегральным показателям: энергоемкости выполнения той или иной функции технического процесса; материалоемкости этих технических средств; возможности выполнения дополнительных вспомогательных функций или совмещения основных функций, а также её цене и затратах при эксплуатации.

3. Величина удельной энергии удара (E>pmm - порог чувствительности), при которой начинаются развиваться внутренние повреждения куска имеют наименьшее значения для клинового инструмента для гранита в пределах

2 2 5.7 кДж/м ; для сферического и конического в пределах 10. 15 кДж/м .

Удельная энергия, при которой происходит разрушение куска за один удар в два три раза выше указанных величин и для клинового инструмента равна

2 2 15.20 кДж/м , для сферического и клинового - 30 . 40 кДж/м .

4. Суммарная удельная энергия удара, необходимая для разрушения куска горной породы увеличивается нелинейно с уменьшением энергии единичного удара. Разрушение куска породы прекращается, когда величина энергии удара становится меньше порога чувствительности. Величина удельной энергии удара, обеспечивающей стабильное разрушение кусков горной породы за 1.5 ударов и, соответственно, требуемую производительность ударной машины должна быть на 15.20% меньше буртах

5. Разработанный алгоритм расчета основных параметров электромагнитного молота позволяет учитывать следующие факторы: прочность горной породы на сжатие, эквивалентный диаметр негабарита, процент выхода негабаритов в отбитой горной массе, напряжение зарядки конденсаторов, допускаемое напряжение материала рабочего органа, степень дробления куска. При этом определяются такие параметры молота как: энергия единичного удара, частота ударов, масса молота.

1. Кутузов Б.Н. Проблемы взрывного разрушения скальных пород в горной промышленности // Горный журнал. - 1997. - № 10. С. 31-33.

2. Симкин Б. А., Кутузов Б. Н., Буткин В. Д. Справочник по бурению на карьерах,- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Недра, 1990.- 224 с.

3. Чернышов А.А. Исследование структуры и тепловых процессов электромагнитного молота. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата техн. наук. г. Екатеринбург, 2004,- 20 с.

4. Ряшенцев Н.П., Тимошенко Е.М., Фролов А.В. Теория, расчет и конструирование электромагнитных машин ударного действия. Новосибирск, Наука, 1970 г., 258с.

5. Электромагнитные молоты. Под ред. Ряшенцева Н.П. Наука, Новосибирск, 1979г., 267с.

6. Ряшенцев Н.П., Ковалев Ю.З. Динамика электромагнитных импульсных систем. Наука, Новосибирск, 1974 г., 184 с.

7. Ряшенцев Н.П., Мирошниченко А.Н. Введение в теорию энергопреобразования электромагнитных машин. Наука, Новосибирск, 1987 г., 157 с.

8. Электромагнитные силовые импульсные системы. Сборник научных трудов ИГД СО АН СССР под ред Ряшенцева Н.П. Новосибирск, 1982 г., 183. с.

9. Электромагнитная машина ударного действия: Пат. 2111847. Россия МПК В 25 D 13/00 / Угаров Г.Г., Нейман В.Ю.; Ин-т. горн, дела СО РАН. -№96117459 128; Заявл. 27.08.96. Опубл. 27.05.98.

10. Ляпцев С.А. Научные основы разработки электромеханических устройств горного производства.- Диссертация на соискание ученой степени доктора техн. наук. Екатеринбург, 2002 г. 157 с.

11. Афанасьев А.И., Чернышов А.А. Энергоэффективность машин ударного действия // Горные машины и автоматика. № 9,2002. С. 37-39.

12. Исследование рабочего процесса электромагнитного моло-та./Афанасьев А.И., Чернышов А.А. и др.//Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия. Материалы международного научного симпозиума. Орел, 2000 г. С. 289-290.

13. Электромагнитный ударный механизм./Афанасьев А.И., Чернышов А.А и др. Патент РФ № 2217592. С2 7 Е 21 С 37/18, Е 02 F 5/32. Опубл. 27.11.2003 Бюл. № 33.

14. Гофман М. С., Шабалин К. Н. О дроблении тел свободным ударом/Якорный журнал.- 1964.- № 3.- С. 64-67.

15. Роторные дробилки. Исследование, конструирование, расчет и эксплуатация/ под ред. В.А. Баумана.- М.: Машиностроение, 1973.- 271 с.

16. Steverding В., Lehnigk S. H. The frackture criterion for the dynamic ten-sill stress.- Intern.I. Rock Mech. Min. Sci Geomech Alstr., 1976. vol.13, p. 75-80.

17. Birkimer D. L. A possible e frackture criterion for the dynamic tesile streht of rock dynamic rock mechanics; Twei fth Symp. Rock Mechanics. N. Y. 1971, p. 573-590.

18. Стрельцов B.A. Определение окружной скорости ротора роторных дробилок// Исследование дробильно-обогатительного оборудования. Тр./ВНИИСтройдормаш,1970.- Вып. 49.- С. 38-44.

19. Хмельковский И.Е. Расчет гранулометрического состава продуктов разрушения горных пород свободным ударом с учетом степени изменчивости их горнотехнических свойств//Тр Ин-та Сиб. Гос. НИИцветмет.1973. Вып. 6.- С. 132-137.

20. Барон Л.И., Хмельковский И.Е. Разрушаемость горных пород свободным ударом. М.: Недра, 1971.-201 с.

21. Кильчевский Н.А. Теория соударения твердых тел. Киев, Наукова думка, 1969.-246 с.

22. Бидерман В.П. Теория удара. М.: Машиностроение, 1952. - 76 с.

23. Динник А.Д. Избранные труды: В 3-х т. Наукова думка. 1952. Т. 1. Удар и сжатие упругих тел. Об устойчивости плоской формы изгиба. -151 с.

24. Рахматулин Х.А., Демьянов В.А. Прочность при интенсивных кратковременных нагрузках. М.: Физматгиз, 1961. - 399 с.

25. Александров Е В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты ударных систем. М.: Наука, 1969.199 с.

26. Гольдсмит В. Удар. Теория и физические свойства соударяемых тел. М.: Издательство литературы по строительству, 1965. - 447 с.

27. Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара. М.: Наука. 1977.-233 с.

28. Никифоровский B.C., Шемякин Е.И. Динамическое разрушение твердых тел. Новосибирск: Наука, 1979.- 272 с.

29. Инженерные методы исследования ударных процессов/Г.С. Батуев, Ю.В. Голубков, А.К. Ефремов, А.А. Федосов.- М.: Машиностроение, 1977.240 с.

30. Давиденков Н.Н. Динамическое испытание металлов.- JL- М.: ОНТИ, 1936.- 1977.-395 с.

31. Мохначев М.П., Присташ В.В. Динамическая прочность горных пород." М.: Наука, 1982.-140 с.

32. Габдрахманов С.Б. Исследование влияния скорости деформирования на сопротивляемость горных пород разрушению при ударном бурении шпуров и скважин: Автореф. дис. кандидата техн. наук.- М., 1971.-13 с.

33. Барон А.И., Кунтыш М.Ф., Мохначев М.П. Исследования влияния скорости приложения нагрузки на прочность горных пород при сжатии.- М.: ИГД им. А. А. Скочинского, 1968,- 129 с.

34. Бобряков А.П., Покровский Г.Н., Серпентинов Б.Н. О механизме разрушения образцов конечных размеров ударником клиновидной фор-мы//Вопросы механизма разрушения горных пород.- Новосибирск: ин-т горного дела СОР АН СССР, 1978, с. 118-125.

35. Оберт JT. Хрупкое разрушение горных пород Разрушение. Ред. Г. Либовиц. Т. 7. Разрушение неметаллов и композитных материалов, Ч. 1. Неорганические материалы М.: Мир 1976.- С. 59-128.

36. Кубачек В. Р., Сайтов В.И., Паладеева Н.И. Параметры разрушения горных пород ударом//Строит. и дор. маш.- 1985,-№ 6.- С. 17-18.

37. Кубачек В.Р., Сайтов В.И., Паладеева Н.И. Критерий ударного разрушения горных пород//Известия вузов. Горный журнал.- 1985.- № 8- С. 7578.

38. Сайтов В.И. Закономерность разрушения горных пород свободным ударом//Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов: Тез. Докл. IX Всесоюзн. научн. конф. М. 1987.- С. 75.

39. Ефремов Э.И. Разрушение горных пород при статическом и динамическом нагружении: Киев.: Наукова думка, 1990.- 141 с.

40. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород/Под ред. Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, М.М. Протодьяконова. М.: Недра, 1975.279 с.

41. Саркисян СЛ., Ахундов В.М., Минаев Э.С. Большие технические системы. М.: Наука, 1977. - 350 с.

42. Хубка В. Теория технических систем /Пер. с нем. Мир.: Мир. 1987.-208 с.

43. Ржевский В.В. Технология и комплексная механизация открытых горных работ. Учебник, изд. 3-е, перераб. и доп. М: Недра, 1980.- 631 с.

44. Курейчик В. М. Математическое обеспечение конструкторского и технологического проектирования с применением САПР: Учебник для вузов,- М.: Радио и связь. 1990.—352 с.

45. Сайтов В.И. Основы системного анализа и теории технических систем (на примере горных машин): Учебное пособие. Екатеринбург: УТИ, 1993-88 с.

46. Коллинз Г., Блей Дж. Структурные методы разработки систем: от стратегического планирования до тестирования. Пер. с англ / Под ред. и с предисл. В.М.Савинкова.- М,: Финансы и статистика, 1986. -264 с.

47. Сайтов В.И., Чупров И В. Проблема выбора технических решений в процессе оптимизации комплекса средств механизации для открытых горных работ. Известия Уральского государственного горного университета. Сер.: Горное дело, вып. 22.2005.C. 151-155.

48. Специальное математическое обеспечение управления/М.И. Гвардейцев, В.П. Морозов, В.Я. Розенберг. Под общ. ред. М.И. Гвардейцева, 2-е изд, доп, М., «Сов. радио», 1980.- 536 с.

49. Сайтов В.И., Чернышов А.А., Чупров И.В. Моделирование структур передвижных дробильных установк// Горные машины и автоматика. 2004, № 4.-С. 29-31.

50. Ушаков Л.С., Котылев Ю.Е., Кравченко В.А. Гидравлические машины ударного действия. М: Машиностроение, 2000.-416 с.

51. Устройство ударного действия для дробления негабаритных горных пород. АС №927 994 СССР, МКИ 5Е21С 3/16 / Кабачков Ю.Ф. и др., опубл. в БИ №18,1982г.

52. Электроударный механизм. АС №1027384 СССР, МКИ 5Е21С 3/16/ Гаев П.Г. и др., опубл. в БИ №25,1983г.

53. Электродинамический ударный механизм. АС №1312164 СССР, МКИ 5Е21С 3/16 / Стахановский Б.Н., опубл. в БИ №19,1987г.

54. Ударное устройство для дробления негабарита горных пород. АС №1379456 СССР, МКИ 5Е21С 3/16/Кабачков Ю.Ф. и др., опубл. в БИ №9, 1988г.

55. Электромагнитный молот. АС №1435708 СССР, МКИ Е 02Д 7/06; 5Е21С 3/16 /Ряшенцев Н.П. и др., опубл. в БИ №41,1988г.

56. Машина ударного действия. АС №1456554 СССР, МКИ 5Е21С 3/16 / В.М.Борисов и др., опубл. в БИ №5,1989г.

57. Электромагнитный молот. АС №1458504 СССР, МКИ Е 02Д 7/06; 5Е21С /16 / Ряшенцев Н.П. и др., опубл. в БИ №6,1989г.

58. Перфоратор. АС №1467165 СССР, МКИ Е02Д 7/06; 5Е21С 3/16/ Ряшенцев Н.П. и др., опубл. в БИ №11,1989г.

59. Перфоратор. АС №1488463 СССР, МКИ Е 02Д 7/06; 5Е21С 3/16/ Ряшенцев Н.П. и др., опубл. в БИ №23,1989г.

60. Устройство ударного действия для дробления негабарита горных пород. АС №1146436 СССР, МКИ 5Е21С 3/16 / Кабачков Ю.Ф. и др., опубл. в БИ№11, 1985г.

61. Ударный узел электромагнитного перфоратора. АС №1234610 СССР, МКИ 5Е21С 3/16 / ААКалашников и др., опубл. в БИ №20,1986г.

62. Машины ударного действия для дробления горных пород/Д. П. Лобанов, В. Б. Горовиц и др. М.: Недра, 1983.152 с.

63. Митропольский А.К. Техника статистических исследований. М.: Наука, 1971.-576 с.

64. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая школа, 1982. - 224 с.

65. Андерсон Т. Введение в многомерный статистический анализ. Перевод с английского Б.В.Гнеденко. М.: Физматгиз, 1963. - 348 с.

66. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента.-М.: Наука, 1971.-176 с.

67. Справочник по теории вероятности и математической статистике. -Киев: Наукова Думка, 1978. -256 с.

68. Хартман К., Лецкий Э. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов.М.: Мир, 1977,552 с.

69. Леман Э. Проверка статистических гипотез. Перевод с английского Ю.В.Прохорова. М.: .Наука, 1964. - 315 с.

70. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики): Учебник для вузов по спец. «Кибернетика электр. систем».- 3-е., перераб. доп.- М.: Высш. шк.,1984.- 439 с.

71. Седов Л.М. Методы подобия и размерностей в механике. М.: Наука, 1972.-440 с.

72. Сайтов В. И. Условия подобия процессов разрушения пород при дроблении//Известия вузов. Горный журнал. 1986.- №11.- С. 59-63.

73. Сайтов В. И. Критерии подобия процесса разрушения свободным ударом и их взаимосвязь//Известия вузов. Горный журнал. 1989,- № 1.-С.82-85.

74. Сайтов В. И., Чупров И. В. Моделирование процесса ударного разрушения негабарита. Принята к печати в ГОРНОМ информационно-аналитическом бюллетене в № 3 за 2006 г.

75. Сайтов В.И., Шестаков B.C. (УГГГА), Чупров И.В. (УГЛТУ) Расширение технических функций горного оборудования резерв повышения эффективности его эксплуатации. Горные машины и автоматика. 2005,- № 5, с. 26-27.

76. Сайтов В.И., Чернышов А.А. Структурная модель импульсных преобразователей энергии/ Горный информационно-аналитический бюллетень. №10,2002. С. 93-95.

77. Иванов И.Ю., Сайтов В.И. взаимосвязь основных параметров горных машин ударного действия//Горные машины и автоматика. 2004.- № 7, с. 2022.

78. Пановко Я.Г., Губанова ИИ. Устойчивость и колебания упругих систем. М.: Наука, 1979,383 с.

79. Импульсный электромагнитный привод. Под ред. Н.П.Ряшенцева. Новосибирск, Наука, 1988,163 с.

80. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей.-М.: Высшая школа, 1980.-282 с.

81. Хова М.С. Автомобильные двигатели.-М.: Машиностроение. 1977.350 с.

82. В ЗАО«Импульсная техника и технологии» при освоении производства электромагнитных молотов ЭММ-2И и ЭММ-10И из диссертации И.В. Чупрова были использованы следующие результаты:

83. Модели внутренней структуры КСМ, типоразмерный ряд электромагнитных молотов и органоструктуры электромагнитных молотов используются как основа для математической модели выбора основных параметров молотов для конкретных предприятий.

84. Разработанный в диссертации алгоритм расчета основных параметров электромагнитного молота, принят в качестве основы математического обеспечения САПР «Электромолот».

85. Генеральный директор ЗАО «Импульсная техника и технология»!1. А.А. Чернышов