автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование рациональных параметров гидроабразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов

На правах рукописи

Алексей Андреевич ШУБНЯКОВ

УДК 622.232.522.2

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОАБРАЗИВНОГО АГРЕГАТА ДЛЯ РЕЗАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ДРУГИХ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.05.06 - "Горные машины"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Национальном научном центре горного производства - Институте горного дела им. А.А.Скочинского (ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского).

Научный руководитель: докт. техн. наук

В.Г. Мерзляков.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук канд. техн. наук

Ю.Н. Линник, В.В. Присташ.

Ведущая организация -

ОАО "Скуратовский машиностроительный завод".

Защита диссертации состоится J2.6 мая 2006 г. в j0 часов на заседании диссертационного совета Д 222.004.01 в Федеральном государственном унитарном предприятии "Национальном научном центре горного производства - Институте горного дела им. A.A. Ско-чинского" по адресу: 140004, г. Люберцы Московской обл., Октябрьский пр., 411.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального научного центра горного производства - Института горного дела им. A.A. Скочинского.

Автореферат разослан ^ 5" апреля 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук

А.Л. Западинский

«го об А 3354

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время большое внимание уделяется созданию эффективных средств разрушения угля, горных пород и других твердых материалов, обеспечивающих наряду с повышением технико-экономических показателей горношахтного оборудования безопасные условия труда при ведении очистных и проходческих работ.

Одним из решений указанной проблемы является использование оборудования для гидравлического резания различных горных пород и твердых материалов Эффективность резания существенно повышается при введении в высоконапорную водяную струю абразивных частиц. Технология гидроабразивного резания в полной мере обладает положительными качествами технологии гидравлического резания, а именно: отсутствием пылеобразования, высокой скоростью резания, многофункциональностью, отсутствием затупления режущего инструмента, термических и деформационных напряжений в обрабатываемом материале, а также высокой пожаровзрывобезопасностью.

Вместе с тем технология гидроабразивного резания по сравнению с технологией резания материалов обычными высоконапорными водяными струями имеет значительные преимущества: увеличение глубины и скорости резания в несколько раз при одинаковом исходном давлении воды; снижение давления воды, необходимого для получения заданной глубины резания; способность разрушать высокопрочные материалы и крепкие породы; повышение безопасности работ для обслуживающего персонала и другие.

Гидроабразивная технология может быть с успехом использована при выполнении широкого спектра работ на угольных шахтах: окон-туривании забоя подготовительных выработок, ослаблении горного массива нарезанием разгрузочных щелей, ремонте горных выработок, в том числе в условиях пожаровзрывоопасной среды. Кроме того, с использованием технологии гидроабразивного резания на рудниках, карьерах и других объектах угольной промышленности может быть безопасно и эффективно выполнен большой объем монтажных и демонтаж-ных работ, включая резание металлических конструкций, резинотросо-вой ленты, рештаков, рельсов, бронированного кабеля и т.д.

Выполнение разноплановых операций по резанию различных горных пород и угля, а также металлов и других твердых материалов с различными физико-механическими свойствами требует дифференцированного подхода к выбору параметров гидроабразивного агрегата. Существующие методики расчета не учитывают реальные свойства и характеристики водяных струй, что не позволяет научно обоснованно выбирать рациональные параметры гидроабразивного инструмента и систем подачи абразива.

До настоящего времени отсутствует достаточно полная физическая интерпретация процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте, а следовательно, отсутствует их адекватное математическое описание. Как следствие, рекомендации по выбору параметров режущих инструментов нередко в 1,5+2 раза отличаются друг от друга. Все это свидетельствует о необходимости проведения дополнительных исследований, направленных на изучение физических процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте и разработку метода расчета его рациональных параметров с учетом реальных динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления.

Цель работы. Обоснование и выбор рациональных параметров гидроабразивного агре1 ата для резания горных пород и других твердых материалов на основе установленных зависимостей формирования гидроабразивных струй.

Идея работы. Повышение эффективности использования гидравлической энергии при формировании гидроабразивных струй в режущем инструменте достигается за счет создания специальной конструкции проточной части гидроабразивного инструмента на основе установленных закономерностей изменения динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления и оптимального расхода абразива.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

- при равной глубине щелей в твердом материале, получаемых с использованием гидравлической и гидроабразивной технологий резания, давление воды при гидроабразивном резании составляет 33+40% от давления воды при гидравлическом резании, что под1верждает значительное присутствие г идравлических механизмов разрушения в процессе гидроабразивного резания;

- при автомодельном режиме истечения водяных струй выбор рациональных параметров струеформиругощих элементов гидроабразивного инструмента не зависит от давления воды перед струеформи-рующей насадкой, а определяется в зависимости от динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления, характеризующих качество ее формирования;

- рациональные геометрические параметры проточной части гидроабразивного инструмента определяются в зависимости от динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления с использованием разработанной математической модели процесса формирования гидроабразивных струй в камере смешивания и коллиматоре инструмента, учитывающей расход абразива, диаметр насадки и длину начального участка и диаметр водяной струи по ее длине, характеризующего качество её формирования;

- расход абразива при использовании самовсасывающей разомкнутой системы подачи в режущий инструмент не зависит от изменения гидравлических параметров (давления воды и диаметра струе-формирующей насадки), а определяется диаметром шайбы дозирующего устройства. При этом рациональный диаметр шайбы дозирующего устройства определяется в зависимости от геометрических параметров проточной части гидроабразивного инструмента.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью поставленных задач; представительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных средств методов исследований и средств измерения; корректным применением методов теории вероятности и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей при обработке и анализе экспериментальных данных; устойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах 0,80-Я),99); удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами эксперимента.

Методы исследования включают в себя: анализ и обобщение опыта создания и использования оборудования для гидравлического и гидроабразивного резания твердых материалов и результатов ранее выполненных работ но экспериментальному изучению структуры и динамики водяных струй высокого давления, а также аналитическому и экспериментальному моделированию процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте; экспериментальные исследования, направленные на установление рациональных параметров проточной части режущего инструмента и системы дозированной подачи абра-

зива; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей; сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Научное значение работы заключается:

- в установлении закономерностей формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте в зависимости от параметров его проточной части, динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления и расхода абразива;

- в разработке физической интерпретации и математической модели процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте, позволяющих определять рациональные геометрические параметры его проточной части и самовсасывающей разомкнутой системы дозированной подачи абразива;

- в установлении влияния расхода абразива на выбор рациональных параметров гидроабразивного инструмента и определении параметров системы подачи абразива;

- в установлении зависимостей для определения диаметра факела струи на различных расстояниях от насадки и длины начального участка водяных струй высокого давления, учитывающих качество изготовления струеформирующих насадок и параметры подводящего канала гидроабразивного режущего инструмента.

Практическое значение работы:

- разработана конструкция гидроабразивного инструмента нового технического уровня с изменяемой геометрией проточной части, позволяющая расширить область его эффективного применения при использовании струеформирующих насадок диаметром 0,4+1,2 мм;

- разработана принципиальная схема разомкнутой самовсасывающей системы подачи абразива в режущий инструмент, позволяющая стабилизировать подачу заданного количества абразива независимо от изменения гидравлических параметров инструмента;

- разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров проточной части режущего инструмента и системы дозированной подачи абразива и инженерный метод расчета основных параметров гидроабразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов.

Реализация работы. Результаты исследований были использованы ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского и ООО "НИТЕП" при проектировании и изготовлении на ОАО "Скуратовский машиностроительный завод" экспериментальных и опытных образцов гидроабразивных агрегатов для резания горных пород и металлических изделий.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 2-й Международной конференции по проблемам рационального при-родоиспользования (г. Тула, 14-17 мая 2002 г.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию ННЦ ГП -ИГД им. A.A. Скочинского (г. Люберцы, 27-29 ноября 2002 г.), на 2-й Международной конференции "Динамика и прочность горных машин" (г. Новосибирск, 28-29 мая 2003 г.), а также на научных семинарах ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского (2002-2005 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 научных статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на-{7(? страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 25 таблиц, список использованной литературы из 78 наименований и 2 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время технологии гидравлического и гидроабразивного резания металлов, а также композитов и неметаллов, включая бумагу, ткань, дерево, пластик, стекловолокно и др., продемонстрировав высокую конкурентоспособность по сравнению с механическим, лазерным, плазменным и другими высокотехнологичными видами резания твердых материалов, получила во всем мире достаточно широкое распространение в аэрокосмической и автомобильной промышленности, приборостроении, строительстве и в других областях техники.

Результаты исследований, выполненных такими учеными, как М. Hashish, D.A. Sammers, М. Mazurkiewicz, М. Hessling, W. Vijay, В.А. Бреннер, B.E. Бафталовский, Ю.А. Гольдин, К.А. Головин, А.Б. Жабин, И.А. Кузьмич, В.Г. Мерзляков, Г.П. Никонов, А.Е. Пушка-рев, С.С. Шавловский и другие, внесли значительный вклад в разработку и совершенствование технологий гидравлического и гидроабразивного резания и показали, что они мо1ут быть с успехом использованы для резания горных пород и других твердых материалов различной прочности при выполнении широкого спектра работ, в том числе в очистных и подготовительных забоях.

Анализ опыта использования технологии гидроабразивного резания в различных областях техники показал, что для формирования гидроабразивной струи наиболее целесообразно использовать так называемый способ увлечения, при котором сухие абразивные частицы за счет эффекта эжекции вместе с потоком воздуха подаются в камеру смешивания гидроабразивного инструмента. Внедрившиеся в движу-

щуюся с высокой скоростью водяную струю высокого давления абразивные частицы ускоряются, и в коллиматоре гидроабразивного инструмента окончательно формируется суспензионная гидроабразивная струя.

При разработке и совершенствовании средств гидроабразивного разрушения большое значение имеет эффективное использование гидравлической мощности насосной установки.

Анализ экспериментальных исследований, выполненных в последние годы, показал, что, решив основную задачу по созданию работоспособного оборудования для гидроабразивной резки твердых материалов, они, тем не менее, не раскрыли физическую сущность процессов формирования гидроабразивной струи в камере смешивания и коллиматоре гидроабразивного инструмента. Таким образом, дальнейшее совершенствование гидроабразивных инструментов вынуждено опираться на трудно сопоставимые результаты отдельных исследований, часто не совпадающие друг с другом. В частности, рекомендации по выбору рациональных параметров камер смешивания и коллиматоров гидроабразивных инструментов имеют разброс значений от 1,5 до 2 раз. Значительные расхождения существуют также в подходах к выбору рационального расхода абразива и рекомендациях по обеспечению стабильности его подачи в режущий инструмент.

Существующие в настоящее время теоретические модели формирования абразивной струи базируются на представлении, что формирование гидроабразивной струи происходит только в коллиматоре гидроабразивного инструмента. При этом с помощью уравнений гидродинамики описывается разгон в коллиматоре смеси воздуха и абразивных частиц как течения двух параллельных осесимметричных потоков (водяной струи и смеси воздуха с абразивными частицами), взаимодействие которых обусловлено силами трения. Решение этих уравнений позволяет авторам связать характеристики гидроабразивной струи с исходными параметрами водяной струи.

Однако в большинстве случаев не принимается в расчет влияние параметров камеры смешивания, а также изменение динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления при их движении в проточной части гидроабразивного инструмента. Кроме того, в известных теоретических и экспериментальных исследованиях формирования абразивных струй учитываются только такие исходные гидравлические параметры водяных струй, как диаметр насадки и давление воды. Тогда как результаты исследований структуры и динамики водяных струй высокого давления убедительно показывают, что изменение динамических и структурных характеристик водяных струй по

их длине (например, диаметра струи) в значительной мере зависит от качества процесса их формирования, которое может быть оценено длиной начального участка струи.

На основании вышеизложенного, а также в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследований:

- установление влияния параметров, характеризующих качество процесса формирования водяных струй высокого давления, на выбор параметров проточной части режущего инструмента гидроабразивного агрегата;

- разработка математической модели определения параметров гидроабразивного инструмента на основе интерпретации физической сущности процессов формирования гидроабразивной струи и характера взаимодействия водяной струи со струеформирующими элементами гидроабразивного инструмента;

- экспериментальное подтверждение основных расчетных зависимостей математической модели по определению рациональных параметров проточной части гидроабразивного инструмента и их влияния на эффективность формирования гидроабразивной струи;

- установление влияния расхода абразива на выбор рациональных параметров гидроабразивного инструмента и определение параметров системы подачи абразива;

- разработка инженерного метода расчета рациональных параметров проточной части гидроабразивного инструмента и системы подачи абразива агрегата для резания горных пород и других твердых материалов.

Процессы формирования гидроабразивной струи в режущем инструменте определяют три группы факторов.

К первой группе относятся динамические и структурные характеристики водяной струи высокого давления, влияющие на эффективность формирования гидроабразивной струи. К ним относятся исходные гидравлические параметры (диаметр насадки с10 и давление воды перед насадкой р0), зависимость изменения диаметра струи Остр по ее длине, зависимость длины начального участка струи от конструкции струе-формирующего устройства и качества изготовления струеформирую-щей насадки, зависимость для определения силы воздействия струи на преграду при изменении расстояния до насадки.

Вторая группа факторов включает геометрические параметры проточной части гидроабразивного инструмента (диамеф Э и длина 1кам камеры смешивания) и геометрические параметры переходника (диаметр <1 и длина 1ко, коллиматора) (рис. 1).

12 I II 5 3 4 III

Рис. 1. Расчетная модель и геометрические параметры проточной части гидроабразивного инструмента: I - компактная часть струи; II - воздушно-капельная часть струи;

III - трехфазный поток низкой плотности; 1 - струеформирующая насадка; 2 - камера смешивания; 3 - переходный конфу-зор; 4 - коллиматор; 5 - граница капельной струи;

du - выходной диаметр струеформирующей насадки; d - диаметр коллиматора, D - диаметр камеры смешивания; 1„ - смещение насадки относительно камеры смешивания; 1кам - длина камеры смешивания; 1п - длина переходного конфузора; 'кол - длина коллиматора; Lpmax - расстояние максимальной силы воздействия струи; 5 - толщина трехфазного потока низкой плотности

К третьей группе факторов относятся параметры разомкнутой самовсасывающей системы дозированной подачи абразива в режущий инструмент, при которой истечение абразива из бункера происходит только за счет гравитационных сил, а его подача в инструмент осуществляется самовсасыванием за счет разряжения в камере смешивания. При этом расход абразива Qa зависит только от диаметра dm дозирующей шайбы.

Для изучения закономерностей формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте были проведены комплексные экспериментальные исследования, включающие в себя:

- изучение влияния геометрических параметров проточной части гидроабразивного инструмента на компактность и разрушающую способность водяных струй высокого давления;

- установление рациональных соотношений геометрических параметров гидроабразивною инструмента, обеспечивающих эффективное формирование гидроабразивной струи.

Для этого была создана стендовая установка (рис. 2), оснащенная насосом высокого давления с приводной мощностью 130 кВт, обеспечивающим расход воды 30 л/мин и давление до 110 МПа.

Рис. 2. Схема стенда гидроабразивного разрушения: 1 - бункер абразива; 2 - кран; 3 - режущий инструмент; 4 - разрушаемый образец (размер до 1 м); 5 - подвижная платформа (4^=0,25+25 мм/с); 6 - винтовая передача; 7 - электродвигатель привода платформы; В - вакуумметр; 9 - манометр; 10 - шарнирный трубопровод; 11 - частотный преобразователь; 12 - пульт дистанционного управления; 13 - водяной бак; 14 - фильтр грубой очистки; 15 - задвижка; 16 - фильтр тонкой очистки; 17 - насос высокого давления; 18 - регулирующий дроссель

Перемещение подвижной платформы с разрушаемыми образцами со скоростью 0,25+25 мм/с обеспечивалось за счет использования электродвигателя с частотным преобразователем, оснащенным пультом дистанционного управления. Система подачи абразива состояла из бункера на 50 кг абразива, оснащенного дозирующим устройством с диаметром проходных отверстий 5+12 мм. Давление воды регулировалось посредством дросселя и регистрировалась образцовым манометром. При проведении исследований использовалась разработанная с участием автора оригинальная конструкция гидроабразивного инструмента с переменной геометрией проточной части. Эффективность различных условий формирования водяных и гидроабразивных струй оценивалась по глубине щели, прорезаемой в однородном материале, замеренной по десяти точкам. При формировании гидроабразивной струи использовался обогащенный силикатный песок с крупностью зерен 0,35+0,5 мм.

Анализ результатов исследований структурных и динамических характеристик водяных струй показал, что истечение водяных струй из насадок диаметром 0,5+1,0 мм при давлениях воды более 35+40 МПа происходит в автомодельном режиме. Это означает, что дальнейшее увеличение давления воды не влияет на изменение диаметра и компактности водяной струи, т.е. длины ее начального участка. С учетом этого факта и с целью уменьшения объема экспериментов все исследования были проведены при постоянных значениях давления воды ро=50 МПа и скорости резания Ур= 10 мм/с, а полученные результаты справедливы для ро>50МПа.

Изучение влияния условий формирования водяных струй в гидроабразивном инструменте на эффективность формирования водяных и гидроабразивных струй высокого давления было проведено при различных давлениях в камере смешивания и различных сочетаниях геометрических параметров проточной части гидроабразивного инструмента. Анализ результатов экспериментов (рис. 3) показал, что глубина резания свободной с груей воды составляет 35+40% от глубины гидроабразивного резания. Поэтому, чем большей компактностью обладает водяная струя, используемая в гидроабразивном инструмент, тем большей разрушающей способностью будет обладать гидроабразивная струя.

Было также показано, что разрушающая способность водяных струй зависит от степени разряжения в камере смешивания и от соотношения геометрических параметров камеры смешивания и коллиматора гидроабразивного инструмент. Причем было установлено, что существует оптимальное значение вакуума в камере смешивания, при котором компактность водяной струи и ее разрушающая способность максимальны.

2 2

Ф

3 >1 CL о CD Q.

Ю

>ч

с;

Режим разрушения

Рис. 3. Влияние геометрических параметров гидроабразивного инструмента и давления в камере смешивания на эффективность формирования водяных и абразивных струй:

ро=50 МПа; do=0,9 мм; dKdM=10 мм; vp=10 мм/с; dK01=2,5 мм, /кол=62 мм; I - гидроабразивное резание Qa=l кг/мин; II - резание свободной водяной струей; III - резание водой при открытой камере резания ро=0,1 МПа, IV резание водой при давлении в камере смешивания ро=0,08 МПа; V - резание водой при закрытой камере ро=0,015 МПа

На основе комплексного анализа ранее выполненных исследований и результатов изучения влияния динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления была разработана расчетная математическая модель, позволяющая определять рациональные параметры струеформирующих элементов гидроабразивного инструмента (см. рис. 1). Высокоскоростная струя воды на выходе из струе-формирующей насадки состоит из сплошной струи, расширяющейся по определенной закономерности, и капельного потока с плотностью, убывающей в радиальном направлении от оси струи.

С учетом автомодельности всего диапазона водяных струй, используемых для формирования гидроабразивных струй и обобщения данных экспериментальных исследований, выполненных в ННЦ ГП -ИГД им. A.A. Скочинского, была получена расчетная зависимость для определения безразмерной длины начального участка водяной струи с do=0,4+l,2 мм:

\

/ « \0,17

-0,1^-

1ё Кп 1 -1,3 е ^

-^- = 25 ¿о

У

где 1н/ё0 - безразмерная длина начального участка водяной струи;

мкм - параметр шероховатости внутренней поверхности струеформирующей насадки по ГОСТ 2789-73 и ГОСТ 2.309-73. Для классов шероховатости внутренней поверхности струеформирующей насадки с 1 по 6 принимается параметр для последующих классов принимается параметр Яа;

Кп= с1к/с10 - коэффициент поджатая потока в струеформирующей насадке (при 1к/с10 >10 принимается К„=10);

1к/с1к - отношение длины канала струеформирующего устройства гидроабразивного инструмента к его диаметру, причем

где (<10)тах - максимальный диаметр струеформирующей насадки, мм.

В отличие от ранее известных зависимостей для определения диаметра водяной струи высокого давления (Остр, мм) по ее длине, была предложена зависимость, учитывающая качество формирования струи:

где 1„ - длина начального участка струи, мм;

1/с10 - безразмерное расстояние от насадки до рассматриваемого сечения.

Построение математической модели формирования гидроабразивной струи в режущем инструменте было выполнено исходя из решения задачи обеспечения условий для максимально эффективного захвата и разгона абразива в камере смешивания, с обеспечением условий его внедрения в водяную струю непосредственно на входе в коллиматор.

Указанные требования выполняются, если диаметр коллиматора (1 определяется с учетом диаметра струи на безразмерном расстоянии от

насадки (1/<1п) , в котором сила воздействия струи на преграду дос' Ртах

тигает максимума (р=ртах):

(2) (3)

Г . Л0-65

(4)

2,73(ао)2'-

\0,65

к<*0 у

Ртах

1Н

+ с!0 +2с1а

(5)

где с!а - крупность абразива (средняя величина диаметра абразивных частиц), мм. При использовании струеформирующих насадок (1о=0,4-г1,2 мм рекомендуется применять абразив крупностью с!а=0,2+0,5 мм;

0Я)р - безразмерное расстояние от насадки до сечения

струи, где (р=рщах) определяется по эмпирической зависимости, полученной в результате обобщения результатов ранее выполненных экспериментальных исследований:

0ЮРтах =42,3 + 10,7 V (6)

Последнее слагаемое в формуле (5) обеспечивает в коллиматоре минимальную толщину слоя 6 для выноса из инструмента смеси воздуха, капельной жидкости и абразива, не внедрившегося в струю. На рис. 4 представлены расчетные графические зависимости, построенные с использованием зависимости (5).

3,5

л о. о

I-

го

| 2,5

с

о

0) (С

1,5

1 1

□ 1н|с)о= 60 Д1н/с)о= 50 Х1н/сЬ= 40 • 1н/ао- 30 > *

]

0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 Диаметр насадки с!0, мм

1,05

1,15

Рис. 4. Зависимость рациональных значений диаметра коллиматора от диаметра насадки и качества формирования водяной струи

Из графиков на рис. 4 следует, что повышение качества формирования водяных струй позволяет существенно уменьшить диаметр коллиматора и тем самым повысить концентрацию гидравлической энергии и удельное содержание абразивных частиц в высокоскоростной части струи.

Рациональное значение длины коллиматора может быть определено из экспериментально полученного соотношения:

1КОЛ=(25 + З0)с1. (7)

Специальные исследования длительного износа коллиматоров, выполненных из обычной инструментальной стали, подтвердили правомерность основных положений разработанной математической модели. Максимальная интенсивность износа коллиматора, свидетельствующая об интенсивном движении абразивных частиц, наблюдалась в первой четверти длины коллиматора. Далее износ стабилизировался и заметно снижался к концу коллиматора, что позволяет констатировать значительное снижение величин поперечных компонент скоростей абразивных частиц. При этом в отличие от традиционных конструкций гидроабразивных инструментов, коллиматор выполняет роль успокоителя, способствующего выравниванию содержания абразивных частиц по сечению струи.

Аналитическая зависимость для определения диаметра камеры смешивания была получена при допущении подобия процессов формирования абразивных струй в камерах смешивания при использовании различных диаметров струеформирующих насадок:

А1(Р-(10)27ту А1(Р3-с!03)?яПу 4 Д1ж10 4 А17г<30Э

где п„ - количество абразивных частиц в единице объема камеры смешивания; Д1 - элементарная длина камеры смешивания, мм; Бэ - экспериментально установленный диаметр камеры смешивания, мм; с!0, - экспериментальный диаметр струеформирующей насадки, мм.

Физический смысл уравнения (8) состоит в том, что идентичность условий формирования абразивной струи в камере смешивания обеспечивается при постоянном количестве абразивных частиц, содержащихся в единичном объеме камеры смешивания к единичной площади водяной струи, через которую происходит внедрение абразивных частиц.

Значительный объем экспериментов, выполненных различными исследователями при использовании насадки диаметром с1(|)=0,35 мм, позволил установить, что оптимальный диаметр камеры смешивания для нее составляет Р,=8 мм. Подстановка этих значений в уравнение (8)

позволяет получить уравнение для расчета диаметра камеры смешивания для любых реальных значений ё0:

\0,5

D = 7,6

d0

+ d0- (9)

.0,35,

Достоверность расчетов по формуле (9) была подтверждена результатами экспериментальных исследований с использованием струе-формирующих насадок do=0,6 мм и do=0,9 мм, выполненных при шести значениях расхода абразива в диапазоне Qa=0,25+2,0 кг/мин.

В соответствии с концепцией модели уравнений формирования гидроабразивной струи, изложенной выше, уравнения (6), а также ieo-метрических параметров переходника и коллиматора зависимость для определения рациональной длины камеры смешивания (lKdM, мм) имеет следующий вид:

1кам =(l0,7do+42,3)do-lo--^-ln, (10)

где d] - диаметр переходного конфузора.

При расчетном значении длины камеры смешивания 1кам<12 мм, с учетом диаметра шланга подачи абразива dm=8 мм принимается 1кам=12 мм.

Исследования разомкнутой самовсасывающей системы подачи абразива в режущий инструмент включали установление рационального расхода абразива, обеспечивающего эффективное формирование гидроабразивной струи в инструменте с рациональными параметрами проточной части, и определение параметров истечения абразива из дозирующего устройства бункера.

Достоверность научных положений, а также приемлемая для инженерных расчетов точность аналитических и эмпирических зависимостей, использованных при построении математической модели процесса формирования гидроабразивных струй, была подтверждена результатами экспериментальных исследований, проведенных в широком диапазоне изменения исходных параметров.

Ранее выполненными исследованиями было установлено, что для каждого конкретного инструмента существует оптимальный удельный расход абразива qa, представленный в виде соотношения между массовым расходом абразива та и массовым расходом воды шв, обеспечивающий получение максимальной глубины щели при минимальной энергоемкости. Анализ результатов экспериментальных исследований позволил установить, что оптимальный удельный расход абразива для гидроабразивного инструмента с рациональными параметрами составил qa= ma/m„ =0,245 кг/л.

Тогда зависимость для определения оптимальной величины расхода абразива (0а, кг/мин), подаваемого в инструмент, имеет следующий вид:

<2а =<5вЧа =2,1р(1^р^5Ча, (11)

где <3„ - расход воды, л/мин;

Яа - оптимальный удельный расход абразива для гидроабразивного инструмента с рациональными параметрами.

Исследованиями параметров работы дозирующего устройства была установлена зависимость между расходом абразива под действием гравитационных сил и диаметром шайбы дозирующего устройства (с1ш, мм):

с1ш=8,9 0^38. (12)

Было гакже установлено, что при использовании в гидроабразивном инструменте струеформирующих насадок диаметром (1о=0,5-г1,2 мм устойчивая подача абразива обеспечивается только при использование шланга с внутренним диаметром не менее ёШ1>8 мм.

Рекомендуемые параметры проточной части режущего инструмента и системы дозированной подачи абразива

Диаметр насадки (1о, мм Диаме гр камеры смешения Э, мм Переходный диа-меф <1ьММ Диаметр коллиматора ¿кол, мм Длина коллиматора 1кол, мм

0,4+0,6 10 4,0 1,8+2,4 60+65

0,7+0,9 10 6,0 2,5+2,7 65+70

1,0+1,2 10 8,0 2,8+3,5 85+90

Результаты выполненных исследований позволили разработать рекомендации (см. таблицу) по выбору рациональных параметров проточной части режущего инструмента и системы дозированной подачи абразива в зависимости от диапазона используемых струеформирующих насадок.

На базе разработанной математической модели формирования гидроабразивных струй в гидроабразивном инструменте и результатов исследований самовсасывающей схемы подачи абразива разработан метод расчета рациональных параметров агрегата для гидроабразивного резания горных пород и других твердых материалов.

Исходные данные для расчета включают установленную мощность насосной установки Ny и давление воды перед насадкой р0, выбираемые в соответствии с решаемыми технологическими задачами, а также количество одновременно работающих водяных струй п и коэффициент полезного действия насоса г| (т|=0,6+0,8). В результате расчета определяются: технологически обоснованный диаметр выходного сечения струеформирующей насадки d0, длина проточного канала ствола инструмента 1к и его диаметр dK, а также длина начального участка водяной струи 1,„ характеризующие рациональные параметры формирования водяной струи в гидроабразивном инструменте. Далее определяются рациональные значения диаметра d и длины 1кол коллиматора, а также значения диаметра D и длины 1кам камеры смешивания гидроабразивного инструмента.

Исходя из экспериментально определенного оптимально: о удельного расхода абразива qa определяются расход абразива Qa и диаметр дозирующей шайбы dm.

Для подтверждения возможности использования гидроабразивного инструмента нового технического уровня для резания крепких горных пород и металлоконструкций были выполнены эксперименты по гидроабразивной резке гранитных блоков с aL;K=l 60+170 МПа и углеродистой стали с сгсж=280 МПа.

Установлено, что при резании гранитных блоков со скоростью перемещения струи 0,5 мм/с при использовании струеформирующих насадок диаметром 0,8+1,0 мм с давлением воды 100+150 МПа глубина нарезаемой щели изменялась в пределах 80+150 мм. При этом глубина и производительность нарезания щели в массиве гранита при использовании насадки 0,8 мм и давлением воды 150 МПа за один проход несколько выше, чем при использовании насадки диаметром 1,0 мм и давлением воды 100 МПа. В то же время после четырех проходов гидроабразивной струи с использованием насадки диаметром 1,0 мм и давлением воды ро=100МПа была достигнута в 1,23+1,25 раза большая глубина щели и производительность нарезания щели чем при использовании насадки диаметром do=0,8 мм с давлением воды р0=150 МПа при прочих равных условиях.

Этот факт можно объяснить тем, что струя с большим расходом имеет более длинный начальный участок и сохраняет свои динамические характеристики, а следовательно, энергию на большем расстоянии от насадки. Кроме того, при большой глубине резания за счет большей скорости растечения при встрече с преградой она лучше противостоит затоплению щели.

Результаты гидроабразивного резания конструкционной стали показали, что при изменении скорости перемещения гидроабразивной струи относительно разрушаемого материала от 0,5 до 2 мм/с глубина щели гиперболически уменьшалась в пределах от 32 до 3 мм.

Полученные результаты подтвердили работоспособность гид- *

роабразивного инструмента нового технического уровня и правильность основных концептуальных положений математической модели, использованной при расчете его основных параметров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований дано новое решение актуальной научной задачи, связанной с обоснованием рациональных параметров гидрообразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов, что имеет важное научное и практическое значение для повышения эффективности использования в шахтных условиях гидроабразивной технологии резания, обеспечивающей безопасные условия труда при ведении очистных и проходческих работ.

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему.

1. При разрушении твердых материалов с использованием струеформирующих насадок диаметром 0,5+1,0 мм и давлений воды, превышающих предел прочности разрушаемого материала, равная глубина прорезаемой щели может быть достигнута с использованием гидравлической и гидроабразивной технологий резания. При этом давление воды при гидроабразивном резании составляет 33+40% от давления воды при гидравлическом резании, что свидетельствует о значительном присутствии механизмов гидравлического разрушения твердых материалов в процессе гидроабразивного резания и подгверждае1 необходимость учета динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления при определении рациональных параметров гидроабразивного режущего инструмента.

2. При автомодельном режиме истечения водяных струй выбор рациональных параметров струеформирующих элементов гидроабразивного инструмента не зависит от давления воды перед струеформи-рующей насадкой, а определяется в зависимое'! и от диаметра насадки и длины начального участка водяной струи, характеризующего качество ее формирования.

3. Получены расчетная зависимость длины начального участка водяных струй высокого давления от качества изготовления струефор-18

мирующих насадок и параметров подводяще1 о канала и насадки гидроабразивного режущего инструмента, а также расчетная зависимость диаметра водяных струй высоко! о давления но их длине, позволяющая определять диаметр факела струи на различных расстояниях от насадки с учетом качества её формирования.

4. На основе комплексного изучения физических процессов формирования гидроабразивных струй в камере смешивания и коллиматоре гидроабразивного инструмента дана физическая интерпретация этих процессов, учитывающая динамические и структурные характеристики водяных струй высокого давления, и разработана математическая модель формирования гидроабразивных струй, позволяющая определять рациональные параметры проточной части гидроабразивного режущего инструмента.

5. Разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров проточной части режущего инструмента и дозированной подачи абразива в зависимости от диаметра струеформирующих насадок, а также инженерный метод расчета основных параметров гидроабразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов.

6. Разработаны конструкция гидроабразивного инструмента нового технического уровня с изменяемой геометрией проточной части и система подачи абразива по разомкнутой самовсасывающей схеме, позволяющие при использовании струеформирующих насадок диаметром 0,4+1,2 мм обеспечить максимальное использование гидравлической энергии водяных струй высокого давления для резания горных пород.

7. Для гидроабразивного инструмента нового технического уровня с изменяемой геометрией проточной части установлено, что при использовании струеформирующих насадок диаметром 0,4+1,2 мм оптимальный удельный расход абразива составляет 0,245 кг/л. Получена зависимость для расчета диаметра дозирующей шайбы разомкнутой самовсасывающей схемы, обеспечивающей подачу заданного количества абразива в гидроабразивный инструмент.

8. Подтверждены высокая эффективность разработанной конструкции гидроабразивного инструмента и основные концептуальные положения математической модели, использованной при расчете его основных параметров. При резании гранитных блоков со скоростью перемещения струи 0,5 мм/с при использовании струеформирующих насадок диаметром 0,8+1,0 мм с давлением воды 100+150 МПа глубина нарезаемой щели составляла 80+150 мм, а при резании конструкционной стали с давлением воды 90+100 МПа глубина щели достигала 32+35 мм.

Результаты исследований были использованы ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского и ООО "НИТЕП" при проектировании и изготовлении на ОАО "Скуратовский машиностроительный завод" экспериментальных и опытных образцов гидроабразивных агрегатов для резания горных пород и металлических изделий.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е., Иванушкин И.В., Бара-баш В.В., Шубняков A.A. Технология и средства гидроабразивного резания крепких горных пород // Горные машины и автоматика. / 2003. /№3.-С. 37-40.

2. Бафталовский В.Е., Иванушкин И.В., Барабаш В.В., Шубняков A.A. Перспективы совершенствования гидроабразивного оборудования для выполнения вспомогательных работ в шахтных условиях и строительстве // Проблемы ускорения научно-технического прогресса в отраслях горною производства / Материалы межд. конф., ННЦ ГП -ИГД им. A.A. Скочинского. / Люберцы, 2002. - С. 299-304.

3. Шубняков A.A. Физические аспекты исследований гидравлического и гидроабразивного разрушения твердых материалов. // Науч. сообщ. / ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского. - Вып. 323. / М., 2003, -С. 124-131.

4. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е., Барабаш В.В., Иванушкин И.В., Шубняков A.A. Совершенствование техноло1ии и средств гидроабразивного резания крепких горных пород // Материалы 2-й Межд. конф. по проблемам рационального природопользования, 14-17 мая. - Тула, 2002,- С. 310-315.

5. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е., Иванушкин И.В., Барабаш В.В., Шубняков A.A. Разработка математической модели процесса и путей совершенствования средств гидроабразивного разрушения твердых материалов // Труды 2-ой Межд.конф., 28-29 мая, Т.1. - Новосибирск, 2003.-С. 13-19.

6. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е., Иванушкин И.В., Шубняков A.A. Метод расчета параметров агрегата для гидроабразивного резания твердых материалов. // Науч. сообщ. / ННЦ ГП -ИГД им. A.A. Скочинского. - Вып. 331. / М„ 2005. - С. 82-89.

Алексей Андреевич ШУБНЯКОВ

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОАБРАЗИВНОГО АГРЕГАТА ДЛЯ РЕЗАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ДРУГИХ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Редактор Лямин В.И.

Подписано к печати 19.04.2006 г.

Формат 60x84 1/16.

Печать цифровая.

Бумага "Performer".

Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100.

Отпечатано в ФГУП "Производственно-

издательский комбинат ВИНИТИ",

140010, г. Люберцы Московской обл.,

Октябрьский пр-т, 403.

S3S4 ~

№ - 9 3 5 4

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Использование гидроабразивного способа резания горных пород и других твердых материалов при выполнении основных и вспомогательных работ в шахтных условиях.

1.2. Анализ результатов исследований процесса формирования гидроабразивных струй.

1.3. Анализ конструктивных особенностей и параметров гидроабразивных инструментов и систем подачи абразива.

1.4. Цель и задачи исследований.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ И СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДЯНЫХ СТРУЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОАБРАЗИВНЫХ СТРУЙ.

2.1. Стендовая база и измерительная аппаратура.

2.2. Анализ влияния динамических и структурных характеристик водяных струй на эффективность разрушения горных пород и твердых материалов.

2.3. Исследование влияния параметров проточной части гидроабразивного инструмента на разрушающую способность водяных струй высокого давления.

2.4. Разработка и обоснование модели формирования гидроабразивной струи в режущем инструменте.

Выводы по главе.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ГИДРОАБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА И РАСХОДА АБРАЗИВА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОАБРАЗИВНЫХ СТРУЙ.

3.1. Методика выполнения исследований.

3.2. Исследование влияния параметров проточной части режущего инструмента на эффективность формирования гидроабразивной струи.

3.2.1. Влияние параметров коллиматора на эффективность формирования гидроабразивной струи.

3.2.2. Влияние параметров камеры смешивания на эффективность формирования гидроабразивной струи.

3.3. Исследование влияния расхода абразива и параметров системы подачи абразива на эффективность гидроабразивного резания.

Выводы по главе.

4. УСТАНОВЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ АГРЕГАТА ДЛЯ ГИДРОАБРАЗИВНОГО РЕЗАНИЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1. Установление зависимостей для расчета структурных характеристик водяных струй высокого давления.

4.2. Установление рациональных параметров гидроабразивного режущего инструмента.

4.3. Установление рациональных параметров разомкнутой системы дозированной подачи абразива в режущий инструмент.

4.4. Установление эффективности разрушения горных пород гидроабразивным инструментом нового технического уровня.

4.5. Инженерный метод расчета параметров агрегата для гидроабразивного резания.

Выводы по главе.

В настоящее время большое внимание уделяется созданию эффективных средств разрушения угля, горных пород и других твердых материалов, обеспечивающих наряду с повышением технико-экономических показателей горношахтного оборудования безопасные условия труда при ведении очистных и проходческих работ.

Одним из решений указанной проблемы является использование оборудования для гидравлического резания различных горных пород и твердых материалов. Эффективность резания существенно повышается при введении в высоконапорную водяную струю абразивных частиц. Технология гидроабразивного резания в полной мере обладает положительными качествами технологии гидравлического резания, а именно: отсутствием пылеобразования, высокой скоростью резания, многофункциональностью, отсутствием затупления режущего инструмента, термических и деформационных напряжений в обрабатываемом материале, а также высокой пожаровзрывобезопасностью.

Вместе с тем технология гидроабразивного резания по сравнению с технологией резания материалов обычными высоконапорными водяными струями имеет значительные преимущества: увеличение глубины и скорости резания в несколько раз при одинаковом исходном давлении воды; снижение давления воды, необходимого для получения заданной глубины резания; способность разрушать высокопрочные материалы и крепкие породы; повышение безопасности работ для обслуживающего персонала и другие.

Гидроабразивная технология может быть с успехом использована при выполнении широкого спектра работ на угольных шахтах: оконтуривании забоя подготовительных выработок, ослаблении горного массива нарезанием разгрузочных щелей, ремонте горных выработок, в том числе в условиях пожаров-зрывоопасной среды. Кроме того, с использованием технологии гидроабразивного резания на рудниках, карьерах и других объектах угольной промышленности может быть безопасно и эффективно выполнен большой объем монтажных и демонтажных работ, включая резание металлических конструкций, резинот-росовой ленты, рештаков, рельсов, бронированного кабеля и т.д.

Выполнение разноплановых операций по резанию различных горных пород и угля, а также металлов и других твердых материалов с различными физико-механическими свойствами требует дифференцированного подхода к выбору параметров гидроабразивного агрегата. Существующие методики расчета не учитывают реальные свойства и характеристики водяных струй, что не позволяет научно обоснованно выбирать рациональные параметры гидроабразивного инструмента и систем подачи абразива.

До настоящего времени отсутствует достаточно полная физическая интерпретация процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте, а следовательно, отсутствует их адекватное математическое описание. Как следствие, рекомендации по выбору параметров режущих инструментов нередко в 1,5-ь2 раза отличаются друг от друга. Все это свидетельствует о необходимости проведения дополнительных исследований, направленных на изучение физических процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте и разработку метода расчета его рациональных параметров с учетом реальных динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления.

Цель работы. Обоснование и выбор рациональных параметров гидроабразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов на основе установленных зависимостей формирования гидроабразивных струй.

Идея работы. Повышение эффективности использования гидравлической энергии при формировании гидроабразивных струй в режущем инструменте достигается за счет создания специальной конструкции проточной части гидроабразивного инструмента на основе установленных закономерностей изменения динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления и оптимального расхода абразива.

Методы исследования включают в себя: анализ и обобщение опыта создания и использования оборудования для гидравлического и гидроабразивного резания твердых материалов и результатов ранее выполненных работ по экспериментальному изучению структуры и динамики водяных струй высокого давления, а также аналитическому и экспериментальному моделированию процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте; экспериментальные исследования, направленные на установление рациональных параметров проточной части режущего инструмента и системы дозированной подачи абразива; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики, а также методов подобия и размерностей; сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- при равной глубине щелей в твердом материале, получаемых с использованием гидравлической и гидроабразивной технологий резания, давление воды при гидроабразивном резании составляет 33 -г 40% от давления воды при гидравлическом резании, что подтверждает значительное присутствие гидравлических механизмов разрушения в процессе гидроабразивного резания;

- при автомодельном режиме истечения водяных струй выбор рациональных параметров струеформирующих элементов гидроабразивного инструмента не зависит от давления воды перед струеформирующей насадкой, а определяется в зависимости от динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления, характеризующих качество их формирования; рациональные геометрические параметры проточной части гидроабразивного инструмента определяются в зависимости от динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления с использованием разработанной математической модели процесса формирования гидроабразивных струй в камере смешивания и коллиматоре инструмента, учитывающей расход абразива, диаметр насадки, длину начального участка и изменение диаметра водяной струи по ее длине, характеризующих качество ее формирования;

- расход абразива, при использовании самовсасывающей разомкнутой системы подачи в режущий инструмент не зависит от изменения гидравлических параметров (давления воды и диаметра струеформирующей насадки), а определяется диаметром шайбы дозирующего устройства. При этом рациональный диаметр шайбы дозирующего устройства определяется в зависимости от геометрических параметров проточной части гидроабразивного инструмента.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью поставленных задач; представительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных средств, методов исследований и средств измерения; корректным применением методов теории вероятности и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей при обработке и анализе экспериментальных данных; устойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах 0,80 -г 0,99); удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами эксперимента.

Научное значение работы заключается:

- в установлении закономерностей формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте в зависимости от параметров его проточной части, динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления и расхода абразива;

- в разработке физической интерпретации и математической модели процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте, позволяющих определять рациональные геометрические параметры его проточной части и самовсасывающей разомкнутой системы дозированной подачи абразива;

- в установлении влияния расхода абразива на выбор рациональных параметров гидроабразивного инструмента и определении параметров системы подачи абразива;

- в установлении зависимостей для определения диаметра факела струи на различных расстояниях от насадки и длины начального участка водяных струй высокого давления, учитывающих качество изготовления струеформирующих насадок и параметры подводящего канала гидроабразивного режущего инструмента.

Практическое значение работы:

- разработана конструкция гидроабразивного инструмента нового технического уровня с изменяемой геометрией проточной части, позволяющая расширить область его эффективного применения при использовании струеформирующих насадок диаметром 0,4-г1,2 мм;

- разработана принципиальная схема разомкнутой самовсасывающей системы подачи абразива в режущий инструмент, позволяющая стабилизировать подачу заданного количества абразива независимо от изменения гидравлических параметров инструмента;

- разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров проточной части режущего инструмента и системы дозированной подачи абразива и инженерный метод расчета основных параметров гидроабразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов.

Реализация работы. Результаты исследований были использованы ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского и ООО "НИТЕП" при проектировании и изготовлении на ОАО "Скуратовский машиностроительный завод" экспериментальных и опытных образцов гидроабразивных агрегатов для резания горных пород и металлических изделий.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 2-й Международной конференции по проблемам рационального природоис-пользования. (г. Тула, 14-17 мая 2002 г.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию ННЦ ГП -ИГД им. А.А. Скочинского (г. Люберцы, 27-29 ноября 2002 г.), на 2-й Международной Конференции "Динамика и прочность горных машин" (г. Новосибирск, 28-29 мая 2003 г.), а также на научных семинарах ННЦ ГП -ИГД им. А.А. Скочинского (2002-2005 гг.).

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему.

1. При разрушении твердых материалов с использованием струеформирующих насадок диаметром 0,5-1-1,0 мм и давлений воды, превышающих предел прочности разрушаемого материала, равная глубина прорезаемой щели может быть достигнута с использованием гидравлической и гидроабразивной технологий резания. При этом давление воды при гидроабразивном резании составляет 33 4- 40% от давления воды при гидравлическом резании, что свидетельствует о значительном присутствии механизмов гидравлического разрушения твердых материалов в процессе гидроабразивного резания и подтверждает необходимость учета динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления при определении рациональных параметров гидроабразивного режущего инструмента.

2. При автомодельном режиме истечения водяных струй выбор рациональных параметров струеформирующих элементов гидроабразивного инструмента не зависит от давления воды перед струеформирующей насадкой, а определяется в зависимости от диаметра насадки и длины начального участка водяной струи, характеризующего качество ее формирования.

3. Получены расчетная зависимость длины начального участка водяных струй высокого давления от качества изготовления струеформирующих насадок и параметров подводящего канала и насадки гидроабразивного режущего инструмента, а также расчетная зависимость диаметра водяных струй высокого давления по их длине, позволяющая определять диаметр факела струи на различных расстояниях от насадки с учетом качества её формирования.

4. На основе комплексного изучения физических процессов формирования гидроабразивных струй в камере смешивания и коллиматоре гидроабразивного инструмента дана физическая интерпретация этих процессов, учитывающая динамические и структурные характеристики водяных струй высокого давления, и разработана математическая модель

165 формирования гидроабразивных струй, позволяющая определять рациональные параметры проточной части гидроабразивного режущего инструмента.

5. Разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров проточной части режущего инструмента и дозированной подачи абразива в зависимости от диаметра используемых струеформирующих насадок, а также инженерный метод расчета основных параметров гидроабразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов.

6. Разработаны конструкция гидроабразивного инструмента нового технического уровня с изменяемой геометрией проточной части и система подачи абразива по разомкнутой самовсасывающей схеме, позволяющие при использовании струеформирующих насадок диаметром 0,4-И,2 мм обеспечить максимальное использование гидравлической энергии водяных струй высокого давления для резания горных пород.

7. Для гидроабразивного инструмента нового технического уровня с изменяемой геометрией проточной части установлено, что при использовании струеформирующих насадок диаметром 0,4И,2мм оптимальный удельный расход абразива составляет 0,245 кг/л. Получена зависимость для расчета диаметра дозирующей шайбы разомкнутой самовсасывающей схемы, обеспечивающей подачу заданного количества абразива в гидроабразивный инструмент.

8. Подтверждены высокая эффективность разработанной конструкции гидроабразивного инструмента и основные концептуальные положения математической модели, использованной при расчете его основных параметров. При резании гранитных блоков со скоростью перемещения струи 0,5 мм/с при использовании струеформрующих насадок диаметром 0,8+1,0 мм с давлением воды 100+150 МПа глубина нарезаемой щели составляла 80-И 50 мм, а при резании конструкционной стали с давлением воды 90+100 МПа глубина щели достигала 32-S-35 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований дано новое решение актуальной научной задачи, связанной с обоснованием рациональных параметров гидрообразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов, что имеет важное научное и практическое значение для повышения эффективности использования в шахтных условиях гидроабразивной технологии резания, обеспечивающей безопасные условия труда при ведении очистных и проходческих работ.

1. Бреннер В.А., Жабин А.Б., Пушкарев А.Е. Щеголевский М.М. Гидроабразивное резание горных пород. -М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003, - 279 с.

2. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е. Физико-технические основы гидроструйных технологий в горном производстве. М.: ФГУП ННЦ ГП -ИГД им. А.А. Скочинского, 2004, 645 с.

3. Кариман С.А. Создание высокопроизводительной гидрорезной технологии и оборудования для разработки мощных крутых пластов // Уголь. 1999.-№7.-С. 59 -61.

4. Кариман С.А. Гидрорезная установка для очистных забоев ГРОЗ-1 // Уголь. 1999. - № 4. - С. 35-38.

5. Кариман С.А. Гидрорезная очистная машина ГРОМ-1 // Уголь. -1999.-№5.-С. 30-33.

6. Кариман С.А. Технология разработки пологого пласта с возведением транспортной выработки вслед за лавой // Уголь. 1999. - № 9. - С. 51-55.

7. Барон Л.И., Коняшин Ю.Г. Об эффективности комбинированных методов механического разрушения горных пород проходческими комбайнами // Науч. сообщ. / ИГД им. А.А. Скочинского. М., 1975. -№75. -С. 24-28.

8. Коняшин Ю.Г., Мещеряков В.Д. О влиянии свойств горных пород на показатели статического скалывания межщелевых целиков // Науч. сообщ. / ИГД им. А.А. Скочинского. -М., 1972. -Вып. 100. -С. 77-86.

9. Коняшин Ю.Г. О выборе размеров породных целиков для комбинированных щелевых схем разрушения забоя исполнительными органами проходческих машин // Науч. сообщ. / ИГД им. А.А. Скочинского. -М., 1982. Вып. 207. - С. 37-43.

10. Heron М., Saunders P. An advanced System for Rock Tunnelling: 6 th American Water Jet Conference, August 24-27, Houston, Texas. P. 63-70.

11. Загорский С.А., Петров H.H. О характере разрушения межщелевых целиков дисковыми шарошками // Совершенствование горно-подготовителиных работ: Науч. сообщ. / ИГД им. АА. Скочинского. М., 1984.-Вып. 232.-С. 20-22.

12. Петров Н.Н. Установление нагрузок на дисковой шарошке при разрушении породного массива, ослабленного щелями: Автореф. дис. канд. техн.наук. М., 1992.-13 с.

13. Барон Л.И., Хмельнковский И.Е. Разрушение горных пород свободным ударом. М.: Наука, 1971. - 203 с.

14. Патент 2109950 РФ. Инструмент для гидроабразивной обработки твердых материалов /В.Е. Бафталовский, И.А. Кузьмич, В.Г. Мерзляков. -Заявлено 16.10.95; Приоритет 16.10. 95; Опубл. 27.04.98.

15. Разрушение горных пород комбинированными исполнительными органами/ Худин Ю.Л., Маркман Л.Д., Вареха Ж.П. и др. М.: Недра, 1978. -224 с.

16. Алмазный инструмент для разрушения крепких горных пород / Кичигин А.Ф., Игнатов С.Н., Климов Ю.И., Ярема В.Д. М.: Недра, 1980. -159 с.

17. Игнатов С.Н. Научные основы выбора и обоснования параметров алмазного инструмента исполнительных органов породоразрушающих машин: Автореф. дис. д-ра техн. наук. Караганда, 1993. - 48 с.

18. Carlson L. D., Huntey D. Т The Advantages of High Energy Beam Processing Over Conventional Methods, paper MS89-810, Non-Traditional Machining Conference, Orlando, FL., October, 1989.

19. Development of a Waterjet Assisted Cable Plow/ M. Hashish, T. Reich-man, J. Cheung, T. Nelson: 1st U. S. Water Jet Symposium, Golden, CO., April, 1981, P. IV-1.1 -IV-1.15.

20. Louis T.J. Fluid Jet Tehnology Fundamentals and Applications: 5th American Waterjet Conference, Toronto, Canada.-August, 1989. P. 145-168.

21. Vijay M.M. Combustion and Fluids Engineering. National Research Council of Canada, Ottawa, Ontario, Canada, 1994. KLA OR6. P. 1-8.

22. Mazurkiewicz M., Finucan L., Feguson R. "Investigation of abrasive cutting head internal parameters", 9th International Simposium on Jet Cutting Technology, Sendai, Japan: 4-6 October, 1988, Paper B3.

23. Hunt D.C., Kim T.J., Sylvia J.G. "A parametric study of abrasive waterjet processes by piercing experiment", 8th International Simposium on Jet Cutting Technology, Durham, England: 9-11 September, 1986, Paper 29.

24. Sheng G., Fung T.C., Fan S.C. Parametrized formulations of Hamilton's law for numerical solutions of dynamic problems: Part 2. Time finite element approximation // Сотр. Mech. 1998. - Vol. 21. - P. 449-460.

25. Hashish M. Abrasive Jets, Section 4, in Fluid Jet Technology, Fundamentals and Applications, Waterjet Technology Association, St. Louis, MO, 1991.

26. Chalmers E.J. Effect of Parameter Selection on Abrasive Waterjet Performance- 6th American Water Jet Conference, Houston, Texas, August, 1991. P. 345-354.

27. Osman A.H., Busisine D., Thery В., Houssaye G.: "Measure of air flow rate according to the mixing chamber designs", Proceedings of 13th International Conference on Jetting Technology, Sardinia, Italy, 29-31 October, 1996, pp. 223 236.

28. Blikwedel H. " Erzeugung und Wirkung von Hochdruch -Abrasivstrahlen", Fortschritt-Berichte VDI, Reiche 2: Fertigungstechnik, Nr. 206, VDI-Verlag GmbH, Dusseldorf, 1990.

29. M. Knaupp: "Erhohung der Fertigungssicherheit und qualitat beim Hochdruckwasserstrahlen durh den Einsatz von Sensoren", Fraunhofer-Institut fur Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) Stuttgart, Dissertation< Springer Verlag, Berlin, 1994.

30. Abudaka M., Crofton P. S. J. "Theoretical analysis and preliminary experimental results for an abrasive water jet cutting head" 5th American Water Jet Conference August 29-31, 1989: Toronto, Canada, pp. 79-88.

31. Labus T.J., Neusen K.F., Albert D.G., Gores T.J. "Factors influencing the abrasive mixing process". 5th American Water Jet Conference August 29-31, 1989: Toronto, Canada, pp. 205-215.

32. Научные основы гидравлического разрушения угля / Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Ищук И.Г., Гольдин Ю.А.- М., Наука, 1973.

33. М. Simpson Abrasive Particle Study in High Pressure Water Jet Cutting International Jornal of water jet technology, v.l, Number 1, March, 1990. Pp. 17-28.

34. Шавловский C.C. Основы динамики струй при разрушении горного массива М. Наука, 1979, С. 174.

35. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е., Иванушкин И.В., Барабаш В.В., Шубняков А.А. Технология и средства гидроабразивного резания крепких горных пород// Горные машины и автоматика, №3, 2003.- С. 37-40.

36. Шубняков А.А. Физические аспекты исследований гидравлического и гидроабразивного разрушения твердых материалов. // Науч. сообщ. / ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского- 2003, Вып. 323 - С. 124-131.

37. Бафталовский В.Е., Иванушкин И.В., Шубняков А.А. Метод расчета параметров агрегата для гидроабразивного резания твердых материалов. // Науч. сообщ. / ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского- 2005, Вып. 331.- С. 82-89.

38. Бафталовский В.Е. Выбор рациональных параметров малогабаритных струеформирующих устройств. В сб: Разрушение углей и горных пород: Науч. сообщ. /Ин-т горн, дела М., 1989. - С. 55-63.

39. Исследование гидравлического разрушения угля. Коллективная монография.- М.: Наука, 1968. 184 с.

40. Бафталовский В.Е. Исследование гидродинамических характеристик струй давлением 200-500 кгс/см и путей повышения их эффективности как разрушающего органа гидравлических машин. Автореф. кандид. дисс. М., ИГД им. А.А. Скочинского, 1972.

41. Бафталовский В.Е. Влияние качества обработки насадки на компактность водяных струй в автомодельоном режиме истечения- Науч. тр./ ИГД им. А.А.Скочинского, 1977, Вып. 150, С. 97-105.

42. Бафталовский В.Е. Вопросы повышения компактности водяных струй. В сб.: "Совершенствование добычи угля гидравлическим способом" Научные сообщения, вып. 134.- М., ИГД им. А.А. Скочинского, 1975, с. 46-53.

43. Никонов Г.П., Шавловский С.С., Хныкин В.Ф. Исследование динамики и структуры тонких струй воды давлением до 500 ат. М: ИГД им. А.А. Скочинского, 1969. - 38 с.

44. Бафталовский В.Е. Выбор рациональных конструктивных параметров успокоителей в струеформирующих устройствах. // Науч. тр. /ИГД им. А.А. Скочинского, 1976, вып. 138 С.72-77.

45. Бафталовский В.Е. О пороговых значениях скорости истечения водяных струй в автомодельном режиме Науч. тр. / ИГД им. А.А. Скочинского, 1982, вып. 207 С.84-92.

46. Мостков И. А. Гидравлика. М., Трансжелдориздат, 1958.

47. Шлихтинг Г. Возникновение турбулентности. М., Изд-во иностр. лит., 1962.

48. Шавловский С.С., Бафталовский В.Е. Влияние угла конусности и длины цилиндрического участка насадки на компактность струи. // В сб. "Технология добычи угля подземным способом", № 12. М., ЦНИЭИуголь, 1971.

49. Научные основы гидравлического разрушения угля / Никонов Г.П., Кузьмич И.А., И.Г. Ищук, Гольдин Ю.А.- М., Наука, 1973.

50. Бафталовский В.Е. Выбор рациональных параметров малогабаритных струеформирующих устройств. В сб: "Разрушение углей и горных пород": Науч. сообщ. /Ин-т горн, дела М., 1989. - С. 55-63.

51. Гидросистемы высоких давлений/ Под ред. Ю.Н. Лаптева. М.: Машиностроение, 1973.- 151 с.

52. Каталог фирмы "Вома". Насосы высокого давления.

53. Гмурман В.Е. Теория вероятности. Математическая статистика. -М.: Высшая школа, 1972. 368 с.

54. Румшиский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента: Справочное пособие. -М.: Наука, 1971. 192 с.

55. Мерзляков В.Г., Кузьмич И.А., Бафталовский В.Е., Иванушкин И.В., Гольдин Ю.А. Гидроструйные технологии на очистных, подготовительных и вспомогательных работах. Глюкауф (№1), март 2000, С. 11-19.

56. Исследование гидравлического разрушения угля. Коллективная монография.- М., Наука, 1972

57. Верещагин Л.Ф., Семерчан А.А., Секоян С.С. К вопросу о распаде высокоскоростных струй. ЖТФ1959, XXIX, вып1.

58. Алферьев М.Я. Гидромеханика. М.: Речной транспорт, 1961.

59. Бафталовский В.Е. Выбор рациональных параметров струеформирующих элементов гидроабразивного режущего инструмента. // В сб. "Разрушение горных пород и горнотехнологическое породоведение" Научные сообщения, вып. 310-М., 1998. с.193-202.

60. Патент 2059896 РФ. Преобразователь давленияАнтипов/ В.В., Антипов Ю.В., Мерзляков В.Г. и др. №93056692/06, Заявлено 21.12.93. Опубл. 10.05. 96, Бюл. 13.

61. Головин К. А. Установление параметров процесса нарезания щелей в горных породах гидроабразивным инструментом: Автореф. дис. канд. техн. наук. Тула, 199/. - 18 с.

62. Ерухимович Ю.Э. Исследование влияла массового расхода абразива на процесс гидроабразивного нарезания щелей в горных породах // Тульский государственный университет. Тула, 1999. - 11 с: ил. деп. в ВИНИТИ, 18.08.99, №2671-В99.

63. Ерухимович Ю.Э. Математическая модель процесса гидроабразивного резаная щелей в горных породах // Тульский государственный университет. Тула, 1999. -Юс.: ил. деп. в ВИНИТИ, 18.08.99, № 2670 -В99.

64. Summers D.A. Water Jet Technology. Oxford: Alden Press, 1993.630 p.

65. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968. -720 с.