автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование рациональных параметров импульсных струй воды высокого давления и разработка метода расчета эффективности процесса резания ими горных пород

На правах рукописи

ПОЛЯКОВ Андрей Вячеславович

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНЫХ СТРУЙ ВОДЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ИМИ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.05.06 — Горные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула - 2006

Работа выполнена на кафедре Геотехнологий и геотехники в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет».

Научный руководитель:

докт. техн. наук, проф. Жабин Александр Борисович Официальные оппоненты:

докт. техн. наук, проф. Картавый Николай Григорьевич канд. техн. наук Демин Константин Вячеславович

Ведущее предприятие — ООО «Скуратовский машиностроительный завод»

Защита состоится « 2006 г. в /^часов на заседании диссер-

тационного совета Д 212. 271.04 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300600, г. Тула, пр. Ленина, 92, ауд. 6-311).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «_» ¿/¿02006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук

О.М. Пискунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из перспективных направлений развития техники и технологий разрушения горных пород является создание и применение гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов, реализующих как бесщелевой, так и щелевой способы разрушения и предполагающих одновременное воздействие на породный массив непрерывных высокоскоростных струй воды и механического инструмента. Бесщелевой способ разрушения горных пород к настоящему времени достаточно хорошо изучен. Что же касается щелевого способа разрушения, то здесь существуют резервы повышения его эффективности. Как показывают проводимые в последнее время в России и за рубежом научные исследования, направленные на изыскание способов и средств повышения режущей способности высокоскоростных струй воды без увеличения гидравлической мощности оборудования, повышение эффективности щелевого разрушения (повышение производительности резания и снижение энергозатрат или расширение области применения на более крепкие породы) может быть достигнуто на основе создания и применения импульсных струй воды высокого давления. Необходимо отметить, что изучение процесса разрушения породного массива как непрерывной, так и импульсной высокоскоростной струей воды, реализующей щелевой способ, носит самостоятельный характер. Основные результаты исследований с использованием импульсных струй воды сводятся к изучению различных способов их получения, средств формирования струи и влиянию отдельных факторов на показатели процесса разрушения главным образом различных материалов и, только в отдельных случаях, горных пород.

Однако этого недостаточно для успешного использования импульсных струй воды высокого давления в конструкциях гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов, так как не изучена перспектива применения таких струй для нарезания щелей в горных породах. Не обоснованы и не выбраны эффективные способы и средства получения и формирования гидроимпульсной струи при разрушении горных пород. Отсутствуют практические рекомендации по выбору и обоснованию рациональных параметров и режимов работы гидроимпульсного инструмента. Не установлена взаимосвязь показателей процесса щелеобразования с параметрами импульсной струи воды и прочностными характеристиками горных пород, а следовательно, отсутствует метод расчета эффективности процесса разрушения породного массива импульсными струями воды высокого давления. Наличие таких результатов позволило бы разработать методики расчета основных параметров и показателей процесса гидроимпульсного резания горных пород для гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов.

Таким образом, все это вызывает необходимость проведения комплексных исследований, направленных на обоснование рациональных параметров импульсных струй воды высокого давления и разработку метода расчета эф-

фективности процесса резания ими горных пород, и определяет актуальность работы.

Цель работы. Установление рациональных параметров импульсных струй воды высокого давления и разработка метода расчета глубины щели при резании ими горных пород на основе выявленных закономерностей процесса щелеобразования для обоснования и выбора параметров гидроимпульсного инструмента, обеспечивающего повышение производительности и снижение энергозатрат при разрушении или расширение области его применения на более крепкие породы.

Идея работы. Эффективность щелевого разрушения горных пород достигается за счет использования импульсных струй воды высокого давления на основе установленных закономерностей процесса щелеобразования при их рациональных параметрах.

Метод исследования - комплексный, включающий научный анализ и обобщение опыта создания и использования непрерывных и импульсных струй воды высокого давления для разрушения различных материалов и горных пород и результатов ранее выполненных исследований по созданию гидроимпульсных инструментов; экспериментальные исследования процесса нарезания щелей в горных породах импульсными струями воды высокого давления в стендовых условиях; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей; сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- установлены закономерности процесса щелеобразования при резании породного массива импульсными струями воды высокого давления с учетом их гидравлических и режимных параметров и прочности горных пород, позволяющие обоснованно определять глубину прорезаемой щели;

- наибольшая эффективность гидроимпульсного резания горных пород достигается рациональным сочетанием гидравлических и режимных параметров импульсных струй воды высокого давления;

- разработан метод расчета эффективности процесса нарезания щелей в горных породах импульсными струями воды высокого давления, обеспечивающий возможность определения и выбора параметров гидроимпульсных инструментов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки задач исследований; достаточным и статистически обоснованным объемом и представительностью выполненных экспериментальных исследований в стендовых условиях; корректным применением методов теории вероятностей и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей при обработке и анализе экспериментальных данных и удовлетворительной сходимостью (в пределах 28 %)

экспериментальных и расчетных данных; опытом использования основных положений методик расчета и проектирования гидроструйных инструментов.

Научное значение работы заключается в обосновании рациональных параметров импульсных струй воды высокого давления и разработке метода расчета эффективности процесса резания ими породного массива с учетом гидравлических и режимных параметров струи воды и прочности горных пород, что позволяет целенаправленно управлять процессом, производить расчет и выбор параметров гидроимпульсного инструмента, обеспечивающего повышение производительности и снижение энергозатрат при разрушении или расширение области его применения на более крепкие породы.

Практическое значение работы:

- разработана конструкция стендовой установки, обеспечивающей исследование процесса резания горных пород импульсными струями воды высокого давления в широком диапазоне изменения режимных и гидравлических параметров;

- разработан гидроимпульсный инструмент, реализующий принцип внутреннего прерывания непрерывной струи воды при помощи цилиндрического наконечника с пневмоэлектрическим приводом;

- получены расчетные зависимости для определения рациональных параметров импульсной струи воды высокого давления и глубины щели, прорезаемой ею в горных породах;

- разработана и реализована на персональном компьютере методика расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом.

Реализация результатов работы. Методика расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом, а также все конструктивные решения и рекомендации используются фирмой «НИТЕП» при создании машин для гидроструйных технологий применительно к горным породам.

Кроме того, результаты исследований внедрены в учебные курсы «Гидромеханическое разрушение горных пород» и «Гидроструйные технологии и оборудование» для студентов Тульского государственного университета, обучающихся по специальности 150402 «Горные машины и оборудование».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2003—2006 гг.); научном симпозиуме «Неделя горняка» в МГГУ (г. Москва, 2006 г.); 2-ой международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2005 г.); 7-ой научно-технической конференции ученых, аспирантов и студентов (РХТУ им. Д.И. Менделеева, г. Новомосковск, 2005 г.); 15-ой научной конференции профессорско-преподавательского состава и сотрудников НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева (г. Новомосковск, 2006 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 90 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка, 23 таблицы, список использованной литературы из 92 наименований и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ результатов исследований, выполненных В.Е. Бафталовским,

B.А. Бреннером, Ю.А. Гольдиным, К.В. Деминым, И.И. Дорошенко, А.Б. Жа-биным, И.В. Иванушкиным, Ю.Г. Коняшиным, И.А. Кузьмичом, И.М. Навитом, В.Г. Мерзляковым, Г.П. Никоновым, А.Е. Пушкаревым, B.C. Фроловым,

C.Е. Харламовым, М.М. Щеголевским и другими учеными, свидетельствует, в частности, о том, что одной из схем гидромеханического способа разрушения горных пород применительно к исполнительным органам проходческих комбайнов является щелевая схема разрушения, которая однако характеризуется высокой энергоемкостью. Тем не менее, как показывает анализ, существуют резервы повышения эффективности процесса щелеобразования, связанные прежде всего с увеличением глубины щели (производительности), нарезаемой струей воды высокого давления, без увеличения мощности гидравлического оборудования, что в конечном счете приводит к снижению его энергоемкости. Анализ результатов исследований различных способов повышения режущей способности высокоскоростной струи воды при разрушении горных пород, а также проведенных нами предварительных экспериментальных исследований по резанию горных пород импульсной струей воды высокого давления дает основание предположить, что применение импульсных струй воды высокого давления позволит повысить эффективность процесса нарезания щелей (в 1,5 - 2,0 раза), а следовательно, и гидромеханического способа разрушения горных пород в целом.

Большой вклад в изучение импульсных струй воды и гидроимпульсного разрушения различных материалов и горных пород внесли Artingstall, Benzhao, Brunton, Coolie, Conn, Chahine, Eugene, Johnson, Moodie, Nebeker, Rochester, Xiong, Huikun, Vijay и другие ученые. Были разработаны и изготовлены экспериментальные и опытные образцы гидроимпульсных инструментов, реализующих различные способы получения импульсных струй воды высокого давления, исследования которых подтвердили их эффективность. Однако, несмотря на это, практика использования импульсных струй воды высокого давления при разрушении различных материалов и горных пород не дает достаточных знаний, позволяющих производить выбор наилучшего способа получения струи и средства для его реализации, то есть рабочего инструмента. Установленные закономерности гидроимпульсного резания носят фрагментарный характер. Отсутствуют практические рекомендации по выбо-

ру и обоснованию рациональных параметров и режимов работы гидроимпульсного инструмента. Вместе с тем, совместное влияние большого числа разнородных факторов на показатели процесса щелеобразования имеет сложный взаимозависимый характер с труднопрогнозируемым результатом. Все это вызывает необходимость разработки метода расчета эффективности процесса нарезания щелей в горных породах, который должен связывать основные показатели и параметры процесса гидроимпульсного резания горных пород с учетом их прочности единой функциональной зависимостью, позволять целенаправленно управлять им и обоснованно прогнозировать его количественные результаты, а также являться основой для разработки инженерной методики расчета глубины щели и параметров рабочего инструмента для гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов.

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

- установление основных факторов и показателей, определяющих и характеризующих соответственно процесс нарезания щелей в горных породах импульсными струями воды высокого давления;

- установление влияния гидравлических и режимных параметров импульсной струи воды высокого давления, а также прочностных свойств горных пород на показатели процесса щелеобразования для различных способов ее получения и средств формирования;

- обоснование и выбор рационального способа получения и средства формирования гидроимпульсной струи;

- определение рациональных параметров гидроимпульсной струи при резании горных пород;

- разработка метода расчета эффективности процесса нарезания щелей в горных породах импульсной струей воды;

- разработка методики расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом.

На основании выполненного в диссертации анализа существующих способов получения и средств формирования импульсных струй воды высокого давления (рис. 1) для проведения исследований были выбраны искусственные гидроимпульсные струи (как наиболее эффективные), получаемые механическим способом с внешним прерыванием непрерывной струи воды при помощи вращающегося диска с прорезями (рис. 2, а) и внутренним прерыванием струи за счет наконечника, установленного в корпусе гидроимпульсного инструмента (рис. 2, б). Выбор этих способов обусловлен в основном тем, что, во-первых, механическое прерывание представляет собой наиболее перспективный способ получения гидроимпульсных струй, а во-вторых, в этом случае получение и контролирование заданной частоты пульсации скорости струи, как основного ее параметра, возможно без проведения дополнительных исследований. Выбор продиктован также и тем, что при реа-

ГТГЛООИГЛМ Птну Гпллпйлп ТТштиирико НИШ/ТТГ|.и1ТУ 1~ТТЛ\/Й ППТ11Л о^лпи-лгл паштрцио

возможно применение струеформирующих насадок, нашедших широкое применение при гидравлическом резании горных пород непрерывными струями воды.

Импульсные струи воды

естественные

с колебанием »оды & струеф ор м ирующ их устройствах

-принцип-

с саморезонансом

с созданием парогазовой полости

I

с насадками специального профиля

с насадками с резонансной камерой

искусственные (принудительно полученные)

—группа -

с .механическим прерыванием

■принцип......|

с внешним прерыванием

с внутренним прерыванием

с вращающимся наконечником диском и т.п.

Рис. 1. Способы получения и средства формирования импульсных струй воды

> 0 do.fi

Рис. 2. Схема резания горных пород импульсной струей воды высокого давления с механическим внешним при помощи вращающегося диска (а) и внутренним при помощи наконечника (б) прерыванием:

1 - гидроимпульсный инструмент; 2 - горная порода; 3 - наконечник

Процесс нарезания щелей в породном массиве импульсной струей воды высокого давления с учетом присущих ему особенностей (см. рис. 2) определяется следующими основными факторами: гидравлическими параметрами

импульсной струи воды высокого давления, включающими давление воды перед струеформирующей насадкой Р0 (скорость истечения струи воды из струеформирующей насадки 30 ), диаметр отверстия струеформирующей насадки </0 и коэффициент расхода насадки ц; режимными параметрами гидроимпульсной струи, куда входят частота пульсации скорости струи /н, расстояние между срезом гидроимпульсного инструмента и поверхностью породы /0 и скорость перемещения импульсной струи воды над поверхностью породы &„; а также прочностные свойства горных пород.

Поскольку импульсные струи воды высокого давления являются прерывистыми, параметры, управляющие их свойствами, намного сложнее, чем параметры непрерывных струй воды. В качестве основного параметра импульсной струи воды, характеризующего эффективность ее ударного воздействия на горную породу, наряду с частотой пульсации скорости струи /и был принят и безразмерный параметр характеризующий струю как некую систему, имеющую неустановившийся характер движения, и рассчитываемый по выражению

В качестве основных критериев оценки эффективности процесса нарезания щелей в горных породах импульсной струей воды были приняты глубина прорезаемой щели Л, скорость приращения боковой поверхности щели = А • 9п и удельная энергоемкость процесса щелеобразования Е0 = Л'о / , где - гидравлическая мощность, потребляемая инструментом.

Для установления закономерностей процесса разрушения горных пород импульсными струями воды высокого давления были проведены экспериментальные исследования. Для этого была разработана стендовая установка, в которой в качестве источника воды высокого давления использовался гидромультипликатор двухстороннего действия, обеспечивающий максимальное давление воды 120 МПа и ее расход 25 л/мин. Породные блоки с различными прочностными свойствами крепились на поворотном столе установки.

Для реализации способа механического прерывания непрерывной струи воды были разработаны различные гидроимпульсные инструменты, условно обозначенные как «инструмент /», «инструмент 2» и «инструмент 3» (далее кавычки опускаются), схемы которых представлены на рис. 3.

В конструкции гидроимпульсного инструмента 1 (см. рис. 3, а) реализован принцип внешнего прерывания непрерывной струи воды за счет диска с прорезями. При вращении диска, установленного у среза струеформирующе-го устройства (см. рис. 2, а), от электродвигателя с тиристорным регулятором скорости непрерывная высокоскоростная струя воды прерывалась и таким

образом формировалась импульсная струя. Изготовленные три диска с прорезями позволяли получать частоту пульсации скорости струи от 12 до 9750 Гц.

Рис. 3. Схемы гидроимпульсных инструментов:

а — инструмент 1; б — инструмент 2; в — инструмент 3; 1 — струеформирующее устройство; 2 - сварная рама; 3 - электродвигатель с тиристорным регулятором скорости; 4 - диск; 5

- струеформирующая головка; 6 - наконечник; 7 - кулачек; 8 - возвратная пружина; 9

- винт; 10 - пневмораспределитель с электроуправлением; 11 - генератор электрических сигналов; 12 - пневмосистема; 13 - гидроусилитель; 14 — струеформирующая насадка

Принцип внутреннего прерывания непрерывной струи воды был реализован в двух инструментах (см. рис. 3, б и в), отличающихся формой наконечника и типом его привода. Гидроимпульсный инструмент 2 (см. рис. 3, 6) имел конический наконечник и кулачковый привод, а инструмент 3 (см. рис. 3, в) - цилиндрический наконечник и пневмоэлектрический привод. Конструкция ГИДРОИМПУЛЬСНОГО инструмента 2 позволяла ПШТОЧЯТЬ ЧЯГТГУТЛУ пупч-я-

ции скорости струи воды от 12 до 4500 Гц, а инструмента 3 - от 10 до 3000 Гц.

Прерывание потока воды при помощи инструментов 2 и 3 (см. рис. 3, б и рис. 3, в) осуществлялось за счет возвратно-поступательного движения наконечника, обеспечивающего попеременное открытие и закрытие канала подачи воды высокого давления к струсформирующей насадке 14. При этом для инструмента 2 (см. рис. 3, б) движение наконечника вверх обеспечивалось за счет кулачка 7, получающего момент вращения от электродвигателя 3, а движение вниз — за счет возвратной пружины 8. Для инструмента 3 (см. рис. 3, в) движение наконечника вверх производилось за счет подачи воды высокого давления к струеформирующей головке 5, а движение вниз - за счет периодической подачи сжатого воздуха в гидроусилитель 13 посредствам пневмо-распределителя 10, пневмосистемы 12 и генератора электрических сигналов П.

Анализ результатов экспериментальных исследований по определению влияния прочностных свойств горных пород на показатели процесса разрушения их различными высокоскоростными тонкими струями воды, выполненных другими авторами, показывает, что для оценки сопротивляемости горных пород разрушению в этом случае может использоваться предел прочности на одноосное сжатие <тсж, обеспечивающий наиболее тесную корреляционную связь с глубиной прорезаемой щели. Поэтому в качестве прочностного показателя при резании горных пород гидроимпульсной струей был выбран предел прочности на одноосное сжатие.

Исследования, выполненные с целью установления влияния частоты пульсации скорости струи воды на глубину прорезаемой щели, проводились на образцах горных пород с пределом прочности на сжатие асж =12,75; 27,3 и 68,8 МПа при давлении воды перед насадкой Р0 — 80 МПа, диаметре отверстия струеформирующей насадки </0 = 0,4-10-"3 м, скорости перемещения гидроимпульсной струи относительно образца горной породы &п = 1 - Ю-3 м/с и расстоянии от среза гидроимпульсного инструмента до образца горной породы /0 =30-Ю-3 м. Результаты исследований показали (рис. 4), что для инструментов 1, 2 и 3 (см. рис. 3) диапазон значений частоты пульсации скорости струи, равный соответственно 1300 - 1800, 240 - 600 и 270 - 450 Гц, является рациональным с точки зрения нарезания щели максимальной глубины. Установлено, что в диапазоне рациональных значений частот пульсации скорости струи для каждого гидроимпульсного инструмента режущая способность импульсной струи воды оказывается выше, чем для непрерывной.

к 10\м15 '

. | ---------

1 1 '

/..Га

О 2000 4000 6000 8000 ' 10000

А 10 \м 60

а 10'!,

/..Ги

О 1000 2000 3000 4000 5000

|

1 1

М-

1-- 1 1 -».4 N

/..Ги

О 500 1000 1500 200О 2500 3000

Рис. 4. Зависимости глубины прорезаемой щели А от частоты пульсации скорости стРУи /„:

а - гидроимпульсный инструмент 1; б - гидроимпульсный инструмент 2; в - гидроимпульсный инструмент 3; 1 - при СТсж = 12,75 МПа; 2 - при (ТСЗК = 27,3 МПа; 3 - при

Показано, что глубина щели, нарезаемая при помощи инструментов 1 (см. рис. 3, а), 2 (см. рис. 3, б) и 3 (см. рис. 3, в), примерно на 10 - 22; 60 - 110 и 62 — 112% выше, чем глубина щели, нарезаемая непрерывной струей воды, соответственно. При этом энергоемкость процесса резания импульсной струей воды по сравнению с непрерывной снижается пропорционально увеличению глубины прорезаемой щели. Дальнейшие исследования процесса нарезания

щелей в горных породах импульсными струями воды проводились при рациональной частоте пульсации скорости струи из установленного выше диапазона для каждого инструмента.

Для определения влияния давления воды и диаметра отверстия струе-формирующей насадки на глубину прорезаемой щели проведены исследования на породных образцах с асж - 33,5 МПа. Давление воды принималось равным 10, 20, 40, 60, 80, 100 и 120 МПа, диаметр отверстия струеформи-рующей иасадки - (0,2; 0,3; 0,4; 0,6; и 0,8)-10~3 м, частота пульсации скорости струи - 1300, 600 и 350 Гц для инструментов 1 (см. рис. 3, а), 2 (см. рис. 3, б) и 3 (см. рис. 3, в) соответственно, расстояние от среза гидроимпульсных инструментов до образца горной породы - /0 = 25*10~3 м и скорость перемещения гидроимпульсной струи относительно образца горной породы =Ь10"3 м/с. Установлено, что при увеличении давления воды от 10 до 120 МПа и диаметра отверстия струеформирующей насадки от 0,2 до 0,8 • 10~3 м глубина прорезаемой щели увеличивается примерно в 9 - 16 раз и не зависит от конструкции гидроимпульсного инструмента. Показано, что эффективность нарезания щелей гидроимпульсной струей, получаемой тем или иным способом, при равных гидравлических параметрах инструментов в основном определяется рациональной частотой пульсации скорости струи для каждого конкретного инструмента.

Влияние расстояния от среза гидроимпульсного инструмента до образца горной породы /0 на глубину прорезаемой щели А изучалось на образцах горных пород с осж = 33,5 МПа при давлении воды перед насадкой Р0 = 60 МПа, диаметре отверстия струеформирующей насадки (Iо = (0,2; 0,3; 0,4; 0,6; и 0,8) *10~3 м, скорости перемещения гидроимпульсной струи относительно образца горной породы &п = Ь10~3 м/с, частоте пульсации скорости струи /и = 1300, 600 и 350 Гц для инструмента 1 (см. рис. 3, а), 2 (см. рис. 3, б) и 3 (см. рис. 3, в) соответственно. Расстояние от среза гидроимпульсных инструментов до образца породы /0 изменялось от 10 до

200-10~3м. Анализ зависимости А = /(/о) показал, что с увеличением расстояния /0 глубина нарезаемой щели А изменяется по параболической зависимости с наличием максимума. Получено, что наиболее эффективно нарезание щели происходит при значениях /0 в пределах (30-40) -10~3 м при использовании гидроимпульсного инструмента 1 (см. рис. 3, а) и (75 -100) • 10~3 м - инструментов 2 (см. рис. 3, б) и 3 (см. рис. 3, в) для всех значений диаметра отверстия струеформирующей насадки.

На основании анализа результатов выполненных экспериментальных исследований ппоцссса напезания телсй имт/пг.гнг.тми гтт/оми вппч

кого давления, получаемых при помощи инструментов 1, 2 и 3, и оценки их эффективности показано, что использование внутреннего прерывания непрерывной струи воды, реализованного в инструментах 2 и 3, более эффективно, чем внешнее прерывание, реализованное в инструменте 1. Кроме того, при использовании инструмента 3 (см. рис. 3, в) глубина прорезаемой щели оказывается выше по сравнению с инструментом 2 и при оценке в целом результатов проведенных экспериментов, установлено, что наиболее эффективным инструментом, с точки зрения обеспечения прорезания щели наибольшей глубины, является гидроимпульсный инструмент 5. Поэтому все дальнейшие экспериментальные исследования по установлению влияния прочностных свойств горных пород, скорости перемещения гидроимпульсной струи, а также определению ее рациональных параметров при резании горных пород и разработке метода расчета эффективности процесса щелеобразования проводились при использовании гидроимпульсного инструмента 3.

Для установления влияния предела прочности горных пород на сжатие на глубину прорезаемой щели были проведены экспериментальные исследования по разрушению образцов горных пород с агсж = 11,5-115,5 МПа при давлении воды перед насадкой Р0 = 80 МПа, диаметре отверстия струефор-мирующей насадки </0 =0,4-Ю-3 мм, скорости перемещения гидроимпульсной струи относительно образца горной породы Эп = 1 • 10-3 м/с, расстоянии от среза гидроимпульсного инструмента до образца горной породы /0 = 30-Ю-3 м и частоте пульсации скорости струи /и — 350 Гц. Из анализа зависимости к — /(асж) следует, что глубина прорезаемой щели и предел прочности горных пород на сжатие связаны между собой тесной степенной зависимостью с индексом корреляции 0,91. Это свидетельствует о том, что предел прочности на одноосное сжатие может быть принят в качестве критерия оценки сопротивляемости горных пород разрушению импульсными струями воды высокого давления.

Для определения рациональных параметров импульсной струи воды высокого давления, к которым как отмечалось выше, относятся, частота пульсации скорости струи воды и безразмерный параметр использовались результаты выполненных исследований по установлению влияние гидравлических и режимных параметров импульсной струи воды высокого давления на глубину прорезаемой щели.

Анализ результатов экспериментальных исследований (см. рис. 4, в) дает основание предположить, что зависимость между глубиной щели и частотой пульсации скорости струи для пород с различными прочностными свойствами является экспоненциальной и имеет максимум в точке, соответствующей рациональному значению /и. Исследование полученной зависимости А = /(/и) на экстремум и статистическая обработка результатов экспе-

риментов позволили получить уравнение, отражающее связь между рациональной частотой пульсации скорости струи воды и прочностью горных пород

fu.p

( 1,8-10-9<гсж+0,2 ^ 1,6 10'12а-сж+ 0,0006

(2)

Индекс корреляции для зависимости (2) составил 0,92, а коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных — 7,8 %. Значения коэффициентов в уравнении (2) выдерживают проверку на значимость по критерию Стьюдента.

Для установления зависимости безразмерного параметра импульсной струи воды Ба от ее гидравлических и режимных параметров были использованы результаты экспериментальных исследований по определению влияния расстояния от среза гидроимпульсного инструмента /0 на глубину прорезаемой щели. Обработка экспериментальных данных позволила получить зависимость рационального значения безразмерного параметра импульсной струи воды от рационального расстояния между срезом гидроимпульсного инструмента и поверхностью горной породы

^=55,7-ехр(-Ю8,0./0/,ач.). (3)

Индекс корреляции для зависимости (3) составил 0,9, а коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных - 5,3 %. Значения коэффициентов в уравнении (3) выдерживают проверку на значимость по критерию Стьюдента. Характер зависимости ^ = /[1оран) согласуется с физикой процесса формирования струи, изученной другими авторами. В частности, при неизменных гидравлических параметрах струи воды и приближении инструмента к поверхности разрушаемой горной породы требуется увеличение частоты пульсации скорости струи. Другими словами, при /0 —> 0 импульсная струя воды становиться непрерывной, и наоборот, при /0 —> со частота пульсации скорости струи должна уменьшаться.

Исследования по установлению влияния скорости перемещения гидроимпульсной струи относительно разрушаемой породы 9„ на глубину прорезаемой щели А и скорость приращения боковой поверхности щели Р0 проводились при резании образцов горных пород с пределом прочности на сжатие сгсж = 11,5; 33,5 и 68,8 МПа. Опыты выполнялись при диаметре отверстия

струеформирующей насадки 0,3; 0,6 и 0,8 ■ 10~" м, частоте пульсации скорости струи /и = 350 Гц, расстоянии от среза гидроимпульсного инструмента

до образца горной породы /0 =50-10_3 м и давлении воды перед струеформирующей насадкой Р0 = 60 МПа. Скорость перемещения гидроимпульсной струи принималась равной 1; 6,5; 12,5; 15; 27,5 и 110-Ю-3 м/с. В результате

исследований получено, что при разрушении горных пород с различной прочностью и для всех диаметров отверстия струеформирующей насадки с увеличением скорости перемещения гидроимпульсной струи Эп глубина нарезаемой щели А интенсивно уменьшается по зависимости, близкой к степенной, а скорость приращения боковой поверхности щели сначала возрастает, достигая максимума, а затем снижается.

В результате анализа и обработки экспериментальных данных с применением методов теории подобия и размерностей получена расчетная формула в безразмерных параметрах для определения рациональной скорости перемещения импульсной струи воды над поверхностью горной породы, соответствующей максимальной скорости приращения боковой поверхности щели

^-0,071 г , ч-0,51

(4)

- 1480,3 Г0-038

Р о

Ь

где Ь = 901 /и - длина волны импульсной струи воды высокого давления.

Индекс корреляции для выражения (4) составил 0,87, коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных - 3,73 %, а критерий Фишера F = 13,21. Критическое значение критерия Фишера при 5 % уровне значимости составило 2,4, что подтверждает адекватность полученной зависимости (4) экспериментальным данным. Значения коэффициентов в уравнении (4) выдерживают проверку на значимость по критерию Стьюдента.

Таким образом, функциональная зависимость между глубиной прорезаемой щели и основными факторами может быть представлена в следующем виде:

Ь = М<10,1е,/и,90,9п,Р0,<тсж). (5)

Анализ зависимости (5), приведенный в диссертации с применением методов теории подобия и размерностей, позволил установить, что величины Р0, (10 и /и имеют независимые размерности. С учетом этого зависимость (5) примет следующий, более простой, вид:

А

«о

¿0

Здесь и функция, и аргументы - безразмерные величины, а именно:

— - симплекс геометрического подобия; = Но~1 = - критерий го-

¿0 ¿о

мохронности, учитывающий неустановившийся характер движения в подобных потоках; = — - критерий режима разрушения, показывающий ко-¿о ^

JL ' ' (7»

личество отдельных струй (импульсов), укладывающихся на длине /0;

Р д,

—-— симплекс силового подобия; — - симплекс скоростного подобия. асж <Я|

В результате обработки экспериментальных данных была получена расчетная зависимость, позволяющая определять глубину нарезаемой щели с учетом гидравлических и режимных параметров импульсной струи воды высокого давления, а также прочности горных пород

. п \0,24 / „ n.0,78 , ^0,38

Ш /4

Индекс корреляции для зависимости (7) составил 0,8, а критерий Фишера F = 90,14. Критическое значение критерия Фишера при 5 % уровне значимости составило 2,4, что подтверждает адекватность полученной зависимости экспериментальным данным. Значения коэффициентов в уравнении (7) выдерживают проверку на значимость по критерию Стьюдента. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных 28,3 %, что соответствует III классу точности классификационной шкалы горно-технологических показателей и расчетов и указывает на достаточную сходимость расчетных и экспериментальных данных.

На основании результатов экспериментальных исследований разработана методика расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом.

Методика позволяет проводить:

- расчет глубины щели при резании горных пород различной прочности импульсной струей воды высокого давления и геометрии гидроимпульсного инструмента для заданных параметров гидравлической мощности источника воды высокого давления;

- расчет гидравлической мощности, а также выбор источника воды высокого давления для заданной конструкции гидроимпульсного инструмента и глубины щели, нарезаемой в горных породах импульсной струей воды.

Методика расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом, а также все конструктивные решения и рекомендации используются фирмой «НИТЕП» при создании машин для гидроструйных технологий применительно к горным породам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на базе выполненных автором экспериментальных исследований решена задача установления рациональных параметров импульсных струй воды высокого давления и разработки метода расчета глубины щели при резании ими горных пород на основе выявленных закономерностей про-

цесса щелеобразования для обоснования и выбора параметров гидроимпульсного инструмента, обеспечивающего повышение производительности и снижение энергозатрат при разрушении или расширение области его использования на более крепкие породы применительно к гидромеханическим исполнительным органам проходческих комбайнов, что имеет важное значение для горной промышленности.

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

1. Обоснованы способы получения и разработаны средства формирования импульсных струй воды высокого давления. Максимальная глубина щели, нарезаемая импульсной струей воды высокого давления в горных породах, зависит от принципа механического прерывания струи и схемы ее формирования, которые закладываются в конструкцию гидроимпульсного инструмента. Для инструмента, реализующего принцип внешнего прерывания непрерывной струи воды за счет диска, и инструментов, реализующих принцип ее внутреннего прерывания при помощи конического и цилиндрического наконечников с кулачковым и пневмоэлектрическим приводами соответственно, одним из основных факторов, определяющим эффективность процесса резания, является частота пульсации скорости струи воды. Показано, что при рациональных значениях частоты пульсации скорости струи воды, обеспечивающих образование щели наибольшей глубины, существенное влияние на процесс резания оказывают давление воды, диаметр отверстия струеформи-рующей насадки и расстояние от ее среза до поверхности породного массива. При этом глубина прорезаемой щели с увеличением давления воды и ее расхода не зависит от конструкции гидроимпульсного инструмента.

2. Установлено, что при разрушении горных пород импульсная струя воды высокого давления наиболее эффективна по сравнению с непрерывной струей. Показано, что в диапазоне рациональных значений частот пульсации скорости струи воды глубина щели, нарезаемая импульсной струей воды, в зависимости от принципа получения струи и схемы ее формирования выше, чем при использовании непрерывной струи воды на 10 - 112% при равных гидравлических и режимных параметрах.

3. Наиболее эффективным гидроимпульсным инструментом, обеспечивающим прорезание щели наибольшей глубины, является инструмент, реализующий принцип внутреннего прерывания непрерывной струи воды при помощи цилиндрического наконечника с пневмоэлектрическим приводом.

4. Предложено для оценки сопротивляемости породного массива разрушению импульсными струями воды высокого давления использовать предел прочности горных пород на одноосное сжатие.

5. Для инструмента, реализующего принцип внутреннего прерывания непрерывной струи воды при помощи цилиндрического наконечника с пневмоэлектрическим приводом, получены расчетные формулы по определению, во-первых, рациональных значений частоты пульсации скорости струи воды с

учетом прочности горных пород, во-вторых, безразмерного параметра струи

fu'da

—-, характеризующего ее динамику и структуру, с учетом рационального

расстояния от среза струеформирующей насадки до поверхности горной породы, обеспечивающих нарезание щели максимальной глубины и, в-третьих, рациональных значений скорости перемещения импульсной струи воды высокого давления, соответствующей максимальной скорости приращения боковой поверхности щели, с учетом прочности горных пород, гидравлических параметров струи воды, частоты пульсации ее скорости и расстояния от среза струеформирующей насадки до поверхности горной породы.

6. Установлена расчетная зависимость в безразмерных параметрах для определения глубины щели, нарезаемой импульсной струей воды высокого давления, с учетом ее гидравлических и режимных параметров, а также прочности горных пород.

7. Разработана и реализована на персональном компьютере методика расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом.

8. Методика расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом, а также все конструктивные решения и рекомендации используются фирмой «НИТЕП» при создании машин для гидроструйных технологий применительно к горным породам.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Головин К.А., Поляков A.B., Пушкарев А.Е. Динамические и структурные характеристики гидроимпульсных струй // Материалы 2-й междунар. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. -Тула, ТулГУ, 2005. - С. 35 ~ 38.

2. Лукиенко Л.В., Поляков A.B., Головин К.А., Пушкарев А.Е. Предварительные результаты исследования влияния частоты импульсов на эффективность резания горных пород: Докл. и тез. докл. VII научно-технич. конф. ученых, аспирантов и студентов. Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева. — Новомосковск, 2005. - С. 19.

3. Жабин А.Б., Головин К.А., Поляков A.B. Результаты экспериментальных исследований по разрушению горных пород гидроимпульсными струями // Науков1 пращ Донецького нацюнального техшчного ушверситету. Cepin: "Прничо-електромехашчна". - Випуск 99. - Донецьк: ДонНТУ, 2005. -С. 71-77.

4. Поляков A.B. Гидроимпульсный инструмент с пневмоэлектрическим приводом прерывателя // Научно-техническое творчество студентов вузов: Материалы Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчест-

ва студентов высших учебных заведений «Эврика-2005». - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2005. - С. 152 - 156.

5. Поляков A.B., Головин К.А., Пушкарев А.Е., Бафталовский В.Е. Выбор критерия сопротивляемости горных пород разрушению импульсной струей// Техника и технология открытой и подземной разработки месторождений: Научн. сообщ./ ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского. - М., 2005. - №329. -С. 164- 168.

6. Головин К.А., Поляков A.B., Пушкарев А.Е., Лукиенко JI.B. Исследование влияния режимных параметров гидроимпульсного разрушения горных пород на его показатели. XXV науч. конф. профессорско-преподавательского состава и сотрудников НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева: Тез. докл. Часть I/ Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева. - Новомосковск, 2006. - С. 91.

7. Поляков A.B. Некоторые способы получения гидроимпульсных струй И Материалы 3-ей Всероссийской конф. студентов и молодых ученых «Георесурсы и геотехнологии». 19-22 декабря 2005г. / ТулГУ. - Тула. - С. 78 - 84.

8. Жабин А.Б., Головин К.А., Поляков A.B. Разрушение горных пород импульсными высокоскоростными струями воды // Горное оборудование и электромеханика. - 2006. - № 4. - С. 43 - 46.

9. Поляков A.B. Определение рациональных параметров гидроимпульсных струй при разрушении горных пород // Народное хозяйство Республики Коми // Материалы 4-ой межрегиональной научно-практической конф.: «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». 12 -14 апреля. - Воркута-Сыктывкар-Ухта, 2006. - С. 318 - 323.

Изд. лиц. ЛР№ 020300 от 12.02.97. Подписано в печать Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная.

Усл. печ. л.1,2 Уч. - изд. л.1,0 Тираж 100 экз. Заказ 92

Тульский государственный университет.

300600, г. Тула, просп. Ленина, 92

Отпечатано Издательство ТулГУ 300600, г. Тула, ул. Болдина, 151

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ результатов исследований разрушения горных пород тонкими струями воды высокого давления.

1.2. Анализ способов получения и средств формирования импульсных струй воды высокого давления для разрушения различных материалов

1.3. Анализ структуры импульсной высокоскоростной струи воды и существующих критериев оценки ее эффективности. ф 1.4. Анализ результатов исследований разрушения горных пород импульсными струями воды высокого давления.

1.5. Цель и задачи исследований.

2. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

ИМПУЛЬСНЫМИ СТРУЯМИ ВОДЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ.

2.1. Факторы и показатели, определяющие и характеризующие процесс резания горных пород импульсными высокоскоростными струями воды.

V 2.2. Общие положения методики.

2.3. Стендовое оборудование.

2.4. Гидроимпульсный инструмент, измерительная аппаратура и характеристика горных пород.

Выводы.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНОЙ СТРУИ ВОДЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ

РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД.

3.1. Влияние частоты пульсации скорости струи воды на глубину нарезаемой щели. 3.2. Влияние гидравлических параметров импульсной струи воды на глубину нарезаемой щели.

3.3. Влияние расстояния от среза гидроимпульсного инструмента до поверхности разрушаемой породы на глубину нарезаемой щели.

3.4. Обоснование и выбор способа получения и средств формирования гидроимпульсной струи высокого давления.

3.5. Влияние прочности горных пород на глубину щели, нарезаемой импульсной струей воды.

3.6. Определение рациональных параметров гидроимпульсной струи при нарезании щелей в горных породах.

Выводы.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА НАРЕЗАНИЯ ЩЕЛЕЙ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ ИМПУЛЬСНОЙ СТРУЕЙ ВОДЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ.

4.1. Влияние скорости перемещения гидроимпульсной струи высокого давления на показатели процесса щелеобразования.

4.2. Анализ и обобщение экспериментальных данных и разработка метода расчета эффективности процесса нарезания щелей в горных по

Ф родах импульсной струей воды высокого давления.

Выводы.

5. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ГИДРОИМПУЛЬСНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ.

5.1. Общие положения.

5.2. Расчет глубины щели при резании горных пород различной прочности импульсной струей воды высокого давления и геометрии гидроимпульсного инструмента для заданных параметров гидравлической мощности. 5.3. Пример расчета глубины щели при резании горных пород импульсной струей воды высокого давления и геометрии гидроимпульсного инструмента для заданных параметров гидравлической мощности

5.4. Расчет гидравлической мощности, а также выбор источника воды высокого давления для заданной конструкции гидроимпульсного инструмента и глубины щели, нарезаемой в горных породах импульсной струей воды высокого давления.

5.5. Пример расчета гидравлической мощности, а также выбора источника воды высокого давления для заданной конструкции гидроимф, пульсного инструмента и глубины щели, нарезаемой импульсной струей воды высокого давления.

Выводы.

Актуальность работы. Одним из перспективных направлений развития техники и технологий разрушения горных пород является создание и применение гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов, реализующих как бесщелевой, так и щелевой способы разрушения и предполагающих одновременное воздействие на породный массив непрерывных высокоскоростных струй воды и механического инструмента. Бесщелевой способ разрушения горных пород к настоящему времени достаточно хорошо изучен. Что же касается щелевого способа разрушения, то здесь существуют резервы повышения его эффективности. Как показывают проводимые в последнее время в России и за рубежом научные исследования, направленные на изыскание способов и средств повышения режущей способности высокоскоростных струй воды без увеличения гидравлической мощности оборудования, повышение эффективности щелевого разрушения (повышение производительности резания и снижение энергозатрат или расширение области применения на более крепкие породы) может быть достигнуто на основе создания и применения импульсных струй воды высокого давления. Необходимо отметить, что изучение процесса разрушения породного массива как непрерывной, так и импульсной высокоскоростной струей воды, реализующей щелевой способ, носит самостоятельный характер. Основные результаты исследований с использованием импульсных струй воды сводятся к изучению различных способов их получения, средств формирования струи и влиянию отдельных факторов на показатели процесса разрушения главным образом различных материалов и, только в отдельных случаях, горных пород.

Однако этого недостаточно для успешного использования импульсных струй воды высокого давления в конструкциях гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов, так как не изучена перспектива применения таких струй для нарезания щелей в горных породах. Не обоснованы и не выбраны эффективные способы и средства получения и формирования гидроимпульсной струи при разрушении горных пород. Отсутствуют практические рекомендации по выбору и обоснованию рациональных параметров и режимов работы гидроимпульсного инструмента. Не установлена взаимосвязь показателей процесса щелеобразования с параметрами импульсной струи воды и прочностными характеристиками горных пород, а следовательно, отсутствует метод расчета эффективности процесса разрушения породного массива импульсными струями воды высокого давления. Наличие таких результатов позволило бы разработать методики расчета основных параметров и показателей процесса гидроимпульсного резания горных пород для гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов.

Таким образом, все это вызывает необходимость проведения комплексных исследований, направленных на обоснование рациональных параметров импульсных струй воды высокого давления и разработку метода расчета эффективности процесса резания ими горных пород, и определяет актуальность работы.

Цель работы. Установление рациональных параметров импульсных струй воды высокого давления и разработка метода расчета глубины щели при резании ими горных пород на основе выявленных закономерностей процесса щелеобразования для обоснования и выбора параметров гидроимпульсного инструмента, обеспечивающего повышение производительности и снижение энергозатрат при разрушении или расширение области его применения на более крепкие породы.

Идея работы. Эффективность щелевого разрушения горных пород достигается за счет использования импульсных струй воды высокого давления на основе установленных закономерностей процесса щелеобразования при их рациональных параметрах.

Метод исследования - комплексный, включающий научный анализ и обобщение опыта создания и использования непрерывных и импульсных струй воды высокого давления для разрушения различных материалов и горных пород и результатов ранее выполненных исследований по созданию гидроимпульсных инструментов; экспериментальные исследования процесса нарезания щелей в горных породах импульсными струями воды высокого давления в стендовых условиях; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей; сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

- установлены закономерности процесса щелеобразования при резании породного массива импульсными струями воды высокого давления с учетом их гидравлических и режимных параметров и прочности горных пород, позволяющие обоснованно определять глубину прорезаемой щели;

- наибольшая эффективность гидроимпульсного резания горных пород достигается рациональным сочетанием гидравлических и режимных параметров импульсных струй воды высокого давления;

- разработан метод расчета эффективности процесса нарезания щелей в горных породах импульсными струями воды высокого давления, обеспечивающий возможность определения и выбора параметров гидроимпульсных инструментов.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректностью постановки задач исследований;

- достаточным и статистически обоснованным объемом и представительностью выполненных экспериментальных исследований в стендовых условиях;

- корректным применением методов теории вероятностей и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей при обработке и анализе экспериментальных данных и удовлетворительной сходимостью (в пределах 28 %) экспериментальных и расчетных данных;

- опытом использования основных положений методик расчета и проектирования гидроструйных инструментов.

Научное значение работы заключается в обосновании рациональных параметров импульсных струй воды высокого давления и разработке метода расчета эффективности процесса резания ими породного массива с учетом гидравлических и режимных параметров струи воды и прочности горных пород, что позволяет целенаправленно управлять процессом, производить расчет и выбор параметров гидроимпульсного инструмента, обеспечивающего повышение производительности и снижение энергозатрат при разрушении ^ или расширение области его применения на более крепкие породы.

Практическое значение работы:

- разработана конструкция стендовой установки, обеспечивающей исследование процесса резания горных пород импульсными струями воды высокого давления в широком диапазоне изменения режимных и гидравлических параметров;

- разработан гидроимпульсный инструмент, реализующий принцип внутреннего прерывания непрерывной струи воды при помощи цилиндрического наконечника с пневмоэлектрическим приводом;

- получены расчетные зависимости для определения рациональных параметров импульсной струи воды высокого давления и глубины щели, прорезаемой ею в горных породах;

- разработана и реализована на персональном компьютере методика расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом.

Реализация результатов работы.

Методика расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом, а также все конструктивные решения и рекомендации используются фирмой «НИТЕП» при соз-II дании машин для гидроструйных технологий применительно к горным породам.

Кроме того, результаты исследований внедрены в учебные курсы «Гидромеханическое разрушение горных пород» и «Гидроструйные технологии и оборудование» для студентов Тульского государственного университета, обучающихся по специальности 150402 «Горные машины и оборудование».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2003-2006 гг.); научном симпозиуме «Неделя горняка» в МГГУ (г. Москва, 2006 г.); 2-ой международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2005 г.); 7-ой научно-технической конференции ученых, аспирантов и студентов (РХТУ им. Д.И. Менделеева, г. Новомосковск, 2005 г.); 15-ой научной конференции профессорско-преподавательского состава и сотрудников НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева (г. Новомосковск, 2006 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 90 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунков, 23 таблицы, список использованной литературы из 92 наименований и 3 приложения.

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

1. Обоснованы способы получения и разработаны средства формирования импульсных струй воды высокого давления. Максимальная глубина щели, нарезаемая импульсной струей воды высокого давления в горных породах, зависит от принципа механического прерывания струи и схемы ее формирования, которые закладываются в конструкцию гидроимпульсного инструмента. Для инструмента, реализующего принцип внешнего прерывания непрерывной струи воды за счет диска, и инструментов, реализующих принцип ее внутреннего прерывания при помощи конического и цилиндрического наконечников с кулачковым и пневмо-электрическим приводами соответственно, одним из основных факторов, определяющим эффективность процесса резания, является частота пульсации скорости струи воды. Показано, что при рациональных значениях частоты пульсации скорости струи воды, обеспечивающих образование щели наибольшей глубины, существенное влияние на процесс резания оказывают давление воды, диаметр отверстия струеформирующей насадки и расстояние от ее среза до поверхности породного массива. При этом глубина прорезаемой щели с увеличением давления воды и ее расхода не зависит от конструкции гидроимпульсного инструмента.

2. Установлено, что при разрушении горных пород импульсная струя воды высокого давления наиболее эффективна по сравнению с непрерывной струей. Показано, что в диапазоне рациональных значений частот пульсации скорости струи воды глубина щели, нарезаемая импульсной струей воды, в зависимости от принципа получения струи, и схемы ее формирования выше, чем при использовании непрерывной струи воды на 10 - 112% при равных гидравлических и режимных параметрах.

3. Наиболее эффективным гидроимпульсным инструментом, обеспечивающим прорезание щели наибольшей глубины, является инструмент, реализующий принцип внутреннего прерывания непрерывной струи воды при помощи цилиндрического наконечника с пневмоэлектрическим приводом.

4. Предложено для оценки сопротивляемости породного массива разрушению импульсными струями воды высокого давления использовать предел прочности горных пород на одноосное сжатие.

5. Для инструмента, реализующего принцип внутреннего прерывания непрерывной струи воды при помощи цилиндрического наконечника с пневмоэлектрическим приводом, получены расчетные формулы по определению, во-первых, рациональных значений частоты пульсации скорости струи воды с учетом прочности горных пород, во-вторых, безразмерного параметра струи , характере) ризующего ее динамику и структуру, с учетом рационального расстояния от среза струеформирующей насадки до поверхности горной породы, обеспечивающих нарезание щели максимальной глубины и, в-третьих, рациональных значений скорости перемещения импульсной струи воды высокого давления, соответствующей максимальной скорости приращения боковой поверхности щели, с учетом прочности горных пород, гидравлических параметров струи воды, частоты пульсации ее скорости и расстояния от среза струеформирующей насадки до поверхности горной породы.

6. Установлена расчетная зависимость в безразмерных параметрах для определения глубины щели, нарезаемой импульсной струей воды высокого давления, с учетом ее гидравлических и режимных параметров, а также прочности горных пород.

7. Разработана и реализована на персональном компьютере методика расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом.

8. Методика расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом, а также все конструктивные решения и рекомендации используются фирмой «НИТЕП» при создании машин для гидроструйных технологий применительно к горным породам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на базе выполненных автором экспериментальных исследований решена задача установления рациональных параметров импульсных струй воды высокого давления и разработки метода расчета глубины щели при резании ими горных пород на основе выявленных закономерностей процесса щелеобразования для обоснования и выбора параметров гидроимпульсного инструмента, обеспечивающего повышение производительности и снижение энергозатрат при разрушении или расширение области его использования на более крепкие породы применительно к гидромеханическим исполнительным органам проходческих комбайнов, что имеет важное значение для горной промышленности.

1. Чирков С.Е., Присташ В.В. О прочностных критериях сопротивляемости горных пород разрушенияю //Научное сообщение ИГД им. А.А.Скочинского. Сб. ст.-М., 2002, N322.-с. 143-151.

2. Hashish М. The waterjets as a tool. 14th International Conference on jetting technology, Belgium. 1998.

3. Верещагин JI.Д. Высокие давления в технике будущего. М., ОНТИ, 1950.

4. Киселев П.Р. Основы уплотнений в арматуре высокого давления. М., Гос-энергоиздат, 1957.-335 с.

5. Захаров Ю.Н., Кузнецов Г.И., Ухачев A.B. Источники концентрированной энергии в горном деле//Разработка месторождений полезных ископаемых (Итоги науки и техники).- М., 1976. с. 51 66.

6. Кузьмич И.А., Гарбуз Г.Д., Кузнецов Г.И. Разрушение твердых тел высо-скоростными жидкостными струями//Разработка месторождений полезных ископаемых (Итоги науки и техники).- М., 1981. с. 71 - 84.

7. Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Гольдин Ю.А. Разрушение горных пород струями воды высокого давления. М., "Недра" 1986. — с. 143.

8. Александров В.Е., Нилова Э.Э. Стратегические направления научно-технического прогресса в области горно-подготовительных работ//Научное сообщение ИГД им. А.А.Скочинского. Сб. ст. М., 1986, N253. - с. 4 - 9.

9. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е. Физико-технические основы гидроструйных технологий в горном производстве. М.: ННЦГП-ИГД им. A.A. Ско-чинского, 2004. - 645 с.

10. Иванушкин И.В. Установление влияния параметров струи воды и режимов резания на силовые показатели гидромеханического бесщелевого разрушениягорных пород: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1998. - 16 с.

11. Иванушкин И.В. Мерзляков В.Г. Область применения гидромеханических проходческих комбайнов и методика определения сил резания и подачи на резцовом инструменте// Горная механика: Научн. сообщ. ИГД им. A.A. Скочин-ского. М., 1998. - Вып. 307. - С. 54-59.

12. Мерзляков В.Г. Научные основы создания гидромеханических исполнительных органов для очистных и проходческих комбайнов: Автореф. дис. докт. техн. наук. М., 2000. - 40 с.

13. Мерзляков В.Г. Определение рациональных параметров и сил резания при гидромеханическом разрушении угля и горных пород// Технология и механизация горных работ: Сб. науч. тр.- М.: Изд-во АГН, 1998. С. 222 - 226.

14. Мерзляков В. Г. Разрушение угля высокоскоростной струёй воды и дисковой шарошкой. М.: Недра, - 1997. - 212 с.

15. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е. Методика определения рациональных параметров и режимов работы гидромеханических исполнительных органов горных машин. М.: ИГД им. A.A. Скочинского, 1998. - 64 с.

16. Мерзляков В.Г., Кузьмич И.А., Иванушкин И.В. Гидромеханическое разрушение горных пород// Горный информационно-аналитический бюллетень. -М.: МГГУ, 1999.-Вып. 1.-С. 138- 140.

17. Научные основы гидравлического разрушения углей/ Г. П. Никонов, И. А. Кузьмич, И. Г Ищук и др. М.: Наука, 1973.- 12 с.

18. Водяная и гидроабразивная струя состояние вопроса и перспективы развития /Поляков A.B. //Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна: Труды 3-й междунар. науч.-практич. конф. - Тула, 2002. - С. 192 - 199.

19. Барон JI.И., Коняшнн Ю.Г. Об эффективности комбинированных методов механического разрушения горных пород проходческими комбайнами// Науч. сообщ./ ИГД им. A.A. Скочинского.- М., 1975.- № 75.- С. 24 28.

20. Коняшин Ю.Г. О создании проходческих машин с гидравлическими исполнительными органами// Науч. сообщ./ ИГД им. A.A. Скочинского-М., 1973-№ 113.-С. 82-91.

21. Коняшин Ю.Г. Определение необходимых параметров струй воды, формируемых одиночными насадками, оснащающими гидромеханический исполнительный орган проходческого комбайна// Науч. сообщ./ИГД им. А.А Скочинского. М., 1975. - № 126.- С. 38 - 44.

22. Коняшин Ю.Г. Эффективность применения насадок различных видов для гидравлического разрушения горных пород// Науч. сообщ./ИГД им. А.А Скочинского. М., 1979 - Вып. 178. - С. 21 - 29.

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

24. Коняшин Ю.Г., Захаров Ю.Н. Новые направления в разрушении горных пород//Технология разработки месторождений твердых полезных ископаемых: Итоги науки и техники/ ВНИТИ. М., 1973. -Т. 11 - 320 с.

25. Расчет и проектирование гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов / Н.М. Качурин, В.А. Бреннер, А.Б. Жабин и др. М.: Изд-во МГГУ. 2003. - 293 с.

26. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных пород/ В.А. Бреннер,, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголевский. -М.: Изд во АГН, 2000. - 343 с.

27. Жабин А.Б. Разрушение крепких горных пород гидромеханическими резцами проходческих комбайнов: Автореф. дис. докт. техн. наук.- Тула, 1995. -42 с.

28. Гольдин Ю.А., Фролов B.C. Выбор рациональных параметров гидромеханического способа разрушения горных пород// Разрушение углей и горных пород и их физико-механические свойства: Науч. сообщ./ИГД им. A.A. Скочинско-го М., 1982. - № 207. - С. 55 - 62.

29. Барон Л.И., Глатман Л.Б., Губенков E.K. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. Научно-методические основы. Разрушение резцовым инструментом. М.: Наука, 1968. - 216 с.

30. Мерзляков В.Г. Исследование и выбор рациональных параметров схем комбинированного разрушения угольного массива высокоскоростной струей воды и дисковой шарошкой: Автореф. дис. канд. техн. наук. -М.: 1981. 19 с.

31. Дорошенко И.И. Разработка и обоснование параметров устройств комбинированного способа разрушения горных пород с подачей воды в зону режущего инструмента: Автореф. дис. канд. техн. наук. JI., 1987. - 22 с.

32. Харламов С. Е. Моделирование процесса разрушения горных пород гидромеханическими резцами проходческих комбайнов и разработка метода расчета их нагруженности: Автореф. дис. канд. техн. наук. Тула, 1998. -17 с.

33. Проведение исследований параметров и режимов гидромеханического разрушения горных пород. Отчет по теме N 0146170003 ИГД им. А.А.Скочинского. Руководитель Кузмич И.А. М., 1979, 116 с.

34. Савицкая М. Н., Холодова Ю. Д. Полиакриламид. К., «Техника», 1969187с.

35. Козлов Jl. П. Пдродинам1чний ефект Томса i його можлив1 техшчш за-стосування. BicH. АН УРСР, 1987, №1. - с. 23-33.

36. Кобец Г. Ф. Объяснение эффекта Томса анизотропией вязкости раствора. Прикладная мех. и техн. физ., 1969, №1. - с. 107-111

37. Hinderliter R.W. Industrial Cleaning Contractor, Vol. 1, No. 2, April, 1993. pp. 263-271.

38. Savanick G.A., Krawza W.G., An Abrasive Water Jet Rock Drill, 4th U.S. Water Jet Conference, Berkeley, CA, August, 1987, pp. 129 132.

39. Бреннер В.А., Пушкарев A.E., Головин К.А. Исследование гидроабразивного разрушения горных пород//Экология и безопасность жизнедеятельности/Известия Тульского государственного университета. Выпуск 3. Тула, 1997 — С. 94-97.

40. Hashish М. Data Trends in Abrasive Waterjet Machining, SME Automated Waterjet Cutting Processes, Southfield, MI, May, 1989. pp. 64 68.

41. Wang F.D. Editor. Proceedings of the International Water Jet Symposium, Beijing, China. 1987. pp. 77 79.

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

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

44. Faber K., Oweinah H. Influence of Process Parameters on Blasting Performance with the Abrasive Jet, paper 25, 10th International Symposium on Jet Cutting Tehnology, Amsterdam, October, 1990, pp. 365 384.

45. Vijay M.M. Pulsed jets: Fundamentals and applications. Proc. 5th Pacific Rim International Conference on Water Jet Technology, pp. 9-23. WJTSJ, Tokyo, Japan & ISWJT, Ottawa, Canada.

46. Conn A. F. On the fluid Dynamics of working waterjets: continuous, pulsed and cavitating. Pros. 5th Pacific Rim International Conference on Water Jet Technology, pp. 9 21.

47. Chahine G.L., Conn A.F., Johnson V.E. Cleaning and cutting with self-resonating pulsed waterjet. Pros. 2nd U.S. Water Jet Conference, St. Louis, USA. -1983. pp. 167-173.

48. Vijay M.M. Ultrasonically generated cavitating or interrupted jet. U.S. Patent №5,154,347.

49. Жабин А.Б., Головин К.А., Поляков А.В. Разрушение горных пород импульсными высокоскоростными струями воды // Горное оборудование и электромеханика. 2006. - № 4. - С. 43 - 46.

50. Chahine G. L., Johnson Jr. V. Е., Frederick G. S. The feasibility of passively interrupting water-jets for rock cutting applications HYDRONAUTICS, Incorporated Technical Report 8228-1, 75 p.

51. Conn A. F., Johnson Jr. V. E., Lindenmuth W. T. Some industrial applications of CAVIJETS cavitating fluid jets, Proc. First U. S. Water Jet Sympos., Golden, Colorado, p. V-2.1-V-2. 11.

52. Danel F., Guilloud, J. C. A high speed concentrated drop stream generator, Proc., Second Int'l. Sympos. on Jet Cutting Technology, Cambridge, England, p. A3-33 -A3-38.

53. Erdmann-Jesnitzer F., Louis H., Schikorr W. Cleaning, drilling and cutting by interrupted jets, Proc., Fifth Int'l. Sympos. on Jet Cutting Technology, Hannover, F.G.R., p. 45-55.

54. Johnson Jr. V. E., Conn A. F., Lindenmuth W. T. Selfresonating cavitating jets, Proc., Sixth Int'l. Sympos.

55. Nebeker E. G., Development of large-diameter percussive jets, Proc., First U. S. Water Jet Sympos., Golden, Colorado, p. IV5.1 IV5.11.

56. Summers D. A. Presentation during Session 3 (untitled), Workshop on the Application of High Pressure Water Jet Cutting Technology, Rolla, Missouri, p. 107 — 133.

57. Vijay M.M. How Does a Pulsed Waterjet Work? www.chem.arizona.edu/smith/50.pdf.

58. Поляков A.B. Некоторые способы получения гидроимпульсных струй (Сушков)

59. Vijay M.M. Numerical analysis of pulsed jet formation by electric discharge in nozzle. Pros. 14th International Conference on Jetting technology, Brugge, Belgium. -1998. pp. 73-89.

60. Brook N., Summers D. The penetration of rock by high-speed water jets. Int. J. Rock mech. Min. Sci. Vol. Pergamon press 1969. Printed in Great Britain pp. 249258.

61. Xiong D., Benzhao Т., Huikun J. Study on the erosion performance of two-nozzle interrupted waterjet. Pros. International Symposium on new application of water jet technology, Ishinomaki, Japan. 1999. pp. 157- 163.

62. Ландау JI.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Гидродинамика. М.: Наука, 1988. Т. 7. 733 с.

63. Головин К.А., Поляков А.В., Пушкарев А.Е. Динамические и структурные характеристики гидроимпульсных струй// Материалы 2-й междунар. конф.по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. Тула, Тул-ГУ, 2005.-С. 35 -38.

64. Eugene В., Nebeker P. D. Standoff distance improvement using percussive jets. Pros. 2nd U.S. Water Jet Conference, St. Louis, USA. 1983. pp. 25 - 39.

65. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидроабразивное резание горных пород / В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголев-ский. М.: Изд - во АГН, 2003. - 279 с.

66. Барон Л.И. О познавательной ценности экспериментально-статистического метода в науке о разрушении горных пород. В кн.: Науч. со-общ. ИГД им. A.A. Скочинского, 1973. - Вып. 113. - С. 3-21.

67. Седов Л.И. Методы подобия и размерностей в механике. М., Наука., 1967.-С.428.

68. Леман Э. Проверка статистических гипотез. М., Мир., 1975.-С. 450.

69. Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М., Наука., 1965.-С. 256.

70. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений. М., Физматгиз., 1962. С. 387.

71. Крамер Г. Математические методы статистики. М., Мир., 1975. С. 243.

72. Тутубалин В.Н. Статистическая обработка рядов наблюдений. М., Знание., 1973.-С. 301.

73. Барон Л.И. Горнотехническое породоведение. М., Наука, 1977. С. 323.

74. Венецкий И.Г., Кильдищев Г.С. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Статистика, 1975. - 264 с.

75. Гнурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1972. - 368 с.

76. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента: Справочное пособие. -М.: Наука, 1971. 192 с.

77. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. М.: Машиностроение, 1973.-697 с.

78. Койфман М.И. Скоростной комплексный метод определения механических свойств горных пород. В кн.: Механические свойства горных пород. - М.: 1963, с. 73-84.

79. Атанов Г.А. Гидроимпульсные установки для разрушения горных пород. К.: Вища школа, 1987 - 155 с.

80. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗОВ. М.: гос. изд-во технико-теоретической лит-ры, 1953.-608 с.

81. Качурин Н.М., Бреннер В.А., Жабин А.Б., Щеголевский М.М., Лавит И.Г. Расчет и проектирование гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов. М.: Изд-во МГГУ, 2003. - 293 с.

82. Никитин Г.А. Щелевые и лабиринтные уплотнения гидроагрегатов. -М.: Машиностроение, 1982. 135 с.

83. Башта Т.М. Гидравлические приводы летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1967.-495 с.