автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование режимов работы гидроструйного инструмента для обработки горных пород

На правах рукописи

I ГРИГОРЬЕВ Георгий Владимирович

I

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГИДРОСТРУЙНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула - 2003

Работа выполнена в Тульском государственном университете.

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники РФ,

лауреат Государственной премии СССР, докт. техн наук, профессор В.А. Бреннер

Научный консультант - докт. техн. наук, доцент А.Е. Пушкарев

Официальные оппоненты:

докт. техн. наук, проф. Л.С. Ушаков канд. техн. наук, доцент Ю.Н. Казак

Ведущее предприятие - открытое акционерное общество «Скуратовский экспериментальный завод».

Защита диссертации состоится ¿/¿¿Я-/^ 20.03 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.271 04 при Тульском государственном университете по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, 90.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан " 3 " ¿О^сУ 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета _

¿¿¿<Г$- - У

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из направлений развития горной техники является реализация гидротехнологий, основанных на использовании энергии высоконапорных струй воды. Применяемые в настоящее время традиционные способы обработки природного камня, в частности, механический, имеют ряд недостатков, существенно сдерживающих расширение области применения такого оборудования.

Известные результаты научных исследований определили целый ряд достоинств гидроструйной обработки горных пород и показали, что камнеобрабаты-вающие станки, в которых роль породоразрушающего инструмента выполняют тонкие высоконапорные струи, могут эффективно использоваться как для раскроя породных плит (гидрорезка), так и для обработки породных образцов с целью придания им определенной формы (гидрофрезерование), а также для удаления поверхностного слоя материала (гидроочистка). Универсальность струй как инструмента и их способность разрушать даже крепкие породы, высокая скорость резания, отсутствие пыли и реакции забоя на инструменте, эрозионный характер разрушения, при котором происходит удаление верхнего слоя обрабатываемого материала без нарушения его внутренней структуры, делает гидротехнологии весьма перспективными. Однако, если механизм гидрорезки достаточно глубоко изучен, то для гидрофрезерования и гидроочистки закономерности процесса не установлены.

При участии автора разработан комплект оборудования для гидроструйной обработки. Оборудование позволяет осуществлять гидрофрезерование и гидроочистку не только горных пород, но и различных конструкционных и строительных материалов, однако, отсутствие исследований по определению влияния гидравлических, геометрических и режимных параметров инструмента на показатели процесса, а также отсутствие обоснованных методов выбора высоконапорного оборудования сдерживают практическое применение такой техники и определяют актуальность работы.

Работа выполнялась по темам НИР ТулГУ (грант Администрации Тульской области X? ГШ72/Д 0033-Ц), а также в рамках международного гранта Европейского фонда ШТАБ (проект ШТАБ 00-0268).

Цель работы. Установить закономерности процесса обработки горных пород высоконапорными струями для выбора и обоснования рациональных параметров гидроструйного инструмента, обеспечивающих расширение области его эффективного применения.

Идея работы. Эффективность гидроструйной обработки горных пород достигается путем обеспечения рациональных режимов работы на основе выявленной взаимосвязи гидравлических, геометрических и режимных параметров инструмента с показателями процесса, с учётом структуры высоконапорной струи в пределах её активного участка.

Метод исследования - комплексный, включающий научный анализ и обобщение опыта ранее выполненных работ по гидроструйному разрушению горных пород и материалов, а также опыта эксплуатации машин с гидроструйным инструментом; экспериментальные исследования структуры тонких высокона-

ЬЯ ( ■

глкмдя !»м

» -«■>-■ »г

порных струй и процесса их взаимодействия с горными породами; обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики на ЭВМ.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- установлены закономерности изменения длины и ширины активного участка высоконапорной струи в зависимости от геометрических и гидравлических параметров инструмента, позволяющие определить рабочую зону струи для реализации технологии гидроструйной обработки горных пород;

- установлены закономерности процесса гидроструйной обработки с учетом геометрических, гидравлических и режимных параметров инструмента и прочности разрушаемого материала, обеспечивающие обоснование показателей работы гидроструйного инструмента.

- на основании исследований взаимосвязи прочностных свойств горных пород, геометрических, гидравлических и режимных параметров инструмента с показателями процесса гидроструйной обработки выявлены области минимальных удельных энергозатрат, что позволило установить рациональные давления воды и расстояния между срезом струеформирующей насадки гидроструйного инструмента и обрабатываемой поверхностью.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается представительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных средств измерений и методов исследований; корректным применением методов теории вероятности и математической статистики, а также методов подобия и размерностей при обработке и анализе экспериментальных данных; устойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах 0,77-0,99); удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами экспериментов (отклонение не превышает 20 %).

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей гидроструйной обработки с учетом прочностных характеристик обрабатываемого материала, а также геометрических, гидравлических и режимных параметров инструмента, позволивших выявить их рациональные сочетания и обосновать режимы работы, обеспечивающие расширение области эффективного применения машин для гидроструйной обработки горных пород.

Практическое значение работы:

- разработана конструкция экспериментального стенда, обеспечивающего исследование процесса гидроструйной обработки горных пород и материалов в широком диапазоне изменения режимных и гидравлических параметров;

- получены расчетные зависимости для определения рациональных давлений воды и расстояний между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемой поверхностью, обеспечивающих минимум удельных энергозатрат и максимум скоростей приращения площади и объёма удаляемого материала;

- разработан метод расчёта режимов работы гидроструйного инструмента, учитывающий влияние диаметра и типа струеформирующей насадки, давления воды, расстояния между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемой поверхностью, прочности пород, а также скорости перемещения инструмента;

- разработана и реализована на персональном компьютере «Методика расчёта основных режимов работы гидроструйного инструмента камнеобрабаты-вающего станка и выбора высоконапорного оборудования для гидроструйной обработки горных пород».

Реализация результатов работы.

"Методика расчета основных режимов работы гидроструйного инструмента камнеобрабатывающего станка и выбора высоконапорного оборудования для гидроструйной обработки горных пород", а также все конструктивные решения и рекомендации в полном объёме используются фирмой "НИТЕП" при создании машин для гидроструйной обработки горных пород и гидроструйной очистки.

Изготовленный экспериментальный стенд для испытаний и исследований процесса гидроструйной обработки горных пород и гидроструйной очистки используется Скуратовским экспериментальным заводом и фирмой «НИТЕП» для испытаний выпускаемых изделий.

"Станок гидродинамической очистки - СГДО" прошел промышленные испытания и принят на эксплуатацию Скуратовским экспериментальным заводом.

Основные результаты проведённых исследований использовались в грантах Администрации Тульской области и Европейского фонда INTAS.

Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2001-2003 гг.), 2-ой международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2002 г.), 3-й международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности подмосковного бассейна» (г. Тула, 2002 г.), всероссийской научно-технической конференции 10-12 апреля 2002 "Аэрокосмическая техника и высокие технологии 2002" (г. Пермь, 2002 г.), научном симпозиуме «Неделя горняка» в МГГУ (г. Москва, 2003 г.), технических советах фирмы «НИТЕП» (г. Тула, 2001-2003 гг.) и Скуратовского экспериментального завода (г. Тула, 20022003 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 197 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 33 таблицы, список использованной литературы из 90 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ результатов исследований, выполненных Г.П. Никоновым, Ю.А. Голь-диным, И.А. Кузьмичом, Ю.Г. Коняшиным, P.A. Тихомировым, В.А. Бреннером, А.Б. Жабиным, А.Е. Пушкаревым, Г.К. Асатуром, М. Хашишем, Д.А. Саммерсом и другими учеными, позволил определить эффективность гидроструйных технологий и их перспективность, в частности, для обработки горных пород. Традиционно комплексы оборудования по добыче и переработке природного камня осуществляют механическую обработку природных блоков (резку, фрезерование, шлифовку, поли-

ровку) Однако, присущие мех-аническому способу недостатки (большое количс -сгво пыли, низкий ресурс инструмента, наличие на поверхности следов обрабо!-ки, микротрещин и сколов) существенно повышают себестоимосм> работ и сАер-живаю) расширение области применения таких машин В свою очередь, известные достоинства высоконапорных сфуй как породоразрушающего инсфумента, выражающиеся в их универсальности (с помощью струй можно разрушать различные материалы), способности разрушать даже крепкие породы, высокой скорости резания, отсутствии пыли и реакции забоя на инструменте, что позволяет сделать последний компактным и легко управляемым, делают их весьма привлекательными для реализации в конструкциях камнеобрабатывающих станков Кроме того, установлено, что гидроструйная обработка осуществляет эрозионный характер разрушения, при котором происходит удаление верхнего слоя обрабатываемого материала без нарушения его внутренней структуры Это особенно важно при реализации технологий гидрофрезерования горных пород и гидроочистки, поскольку в этом случае основной задачей является удаление слоя материала с поверхности на заданную глубину для придания образцу определенной формы (для гидрофрезерования), или удаление слоя покрытия без нарушения основного материала (для гидроочистки). Следует отметить, что применительно к гидрорезанию, механизм эрозионного разрушения является изученным Также, была исследована структура струи в пределах её начального участка, как наиболее технологичного применительно к технологии гидрорезания Эта технология реализована в широком спектре гидрорезных машин, предлагаемых как на международном, так и на российском рынке Названные машины предназначены для решения таких задач, как гидроструйное резание, нарезание зарубных щелей, бурение, точение, очистка и фрезерование различных материалов (рис 1) При этом первые четыре задачи (резание, нарезание зарубных шелей бурение и точение) достаточно хорошо изучены в мире, и для них приведены конкретные рекомендации по наиболее эффективным режимам разрушения Так, следует отметить широко известные работы школы гидроразрушения ННЦ ГП - ИГД им А А Скочинского, в частности, работы В.Е. Бафтаповского и В.Г Мерзлякова, в которых авторами приведены расчётные зависимости по определению рациональных параметров гидре струйного резания, рекомендованные для предварительного расчёта показателей такого процесса Однако, эти рекомендации в существующем виде не могут быть использованы для обоснования параметров гидрофрезерования и гидроочистки, поскольку не определяют взаимосвязь основного показателя процесса - ширины обрабатываемого паза (ширина следа струи) - с другими параметрами Известны и машины для гидроструйной очистки поверхностей и гидроструйного фрезерования горных пород Однако, реализуемые в их конструкции технологические режимы носят частный характер, что существенно ограничивает область эффективного применения весьма дорогостоящего оборудования С другой стороны, литературные источники содержат единичные упоминания об исследованиях процессов гидрофрезерования, отмечая при этом перспективность этой технологии Так, в высокотехнологичных отраслях промышленности гидрофрезерование составляет серьезную конкуренцию традиционному (механическому) способу обработки высокопрочных материалов, цветных металлов и керамики. Расширение же области применения сдерживается отсутствием экспериментально отработанных методов обеспечения рациональных

режимов работы, учитывающих взаимосвязи гидравлических, геометрических и режимных параметров инструмента с показателями процесса в целом.

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

1. Установить основные факторы, определяющие процесс гидроструйной обработки горных пород.

2. Установить влияние гидравлических параметров гидроструйного инструмента на длину и ширину активного участка высоконапорной струи.

3. Установить влияние геометрических, гидравлических и режимных параметров инструмента на показатели процесса гидроструйной обработки.

4. Определить рациональные параметры процесса гидроструйной обработки.

5. Разработать методику расчета режимов работы гидроструйного инструмента для обработки горных пород.

а) - резание, б) - нарезание зарубных щелей, в) - бурение, г) - точение, д) - очистка, е) - фрезерование

Процесс гидроструйной обработки горных пород с учётом характерных ему особенностей (см рис 1 - е) определяется следующими основными факторами: гидравлическими параметрами инструмента, характеризующимися диаметром струеформирующей насадки </», давлением воды перед насадкой Р„, скоростью истечения струи У„, коэффициентом расхода через струеформирующую насадку режимными параметрами, характеризующимися скоростью перемещения инст-

румента относительно обрабатываемой поверхности V„ и расстоянием между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемой поверхностью l<¡, геометрическими параметрами инструмента, характеризующимися длиной проточного канала насадки 1„ и длиной цилиндрического участка проточного канала насадки /„, а также физико-механическими свойствами горных пород.

В качестве основных критериев оценки эффективности процесса гидроструйной обработки горных пород были приняты: скорость приращения площади обработки S0, ширина обработки b и удельная энергоемкость процесса £,/.

Следует отметить, что в случае, когда в процессе фрезерования или очистки необходимо удалить значительную толщину материала (при соотношении глубины обработки с диаметром струеформирующей насадки Л > dB) в качестве основных критериев оценки эффективности процесса были приняты: скорость приращения объёма удаляемого материала W0, ширина b и глубина Л гидроструйной обработки и удельная энергоёмкость процесса обработки Е0.

Для изучения структуры высоконапорной струи, а также процесса гидроструйной обработки были проведены экспериментальные исследования на специальном стенде, состоящем из следующих основных узлов- приводного насосного блока 1. водяного насосного блока низкого давления 2, преобразователя давления (мультипликаторного типа) 3, аккумулятора 4, гидроструйного инструмента 5, блока фильтров 6, поворотного стола с кронштейнами для крепления образцов 7, привода поворотного стола 8 и гидравлических магистралей 9 (рис. 2). Преобразователь давления позволял обеспечивать давление воды до 200 МПа и расход её до 30 л/мин. Испытуемые образцы горной породы с различными физико-механическими свойствами крепились на поворотном столе 7 при помощи специальных кронштейнов. Поворотный стол приводился в движение благодаря приводу 8, представляющему собой электродвигатель с теристорным преобразователем, планетарным редуктором и цепной передачей. Для регистрации давления высоконапорной воды стенд был оборудован измерительной системой, состоящей из стрелочного манометра прямого действия, преобразователя разности давлений «Сапфир-22 ДИ-Ех 2182» и персональной ЭВМ. В проводимых исследованиях использовались струеформирующие насадки фирм «НИТЕП» (Россия) с коэффициентом расхода ц = 0,7 и «Procer» (Франция) с коэффициентом расхода ц = 0,81. Диаметр струеформирующих насадок d(, составил 0,2, 0,4, 0,5, 0,6 и 0,8 мм.

Исследования по влиянию давления высоконапорной воды Р(, и диаметра струеформирующей насадки d0 на длину /„, и ширину b активного участка струи проводились на специальных образцах, к которым предъявлялись следующие требования: улавливание следа от отдельных капель; удобство считывания следа - сканирование; высокая механическая прочность; удобство замены. Этим требованиям отвечает конструкция образцов, представляющих собой жесткую металлическую подложку, обладающую твердостью НВ 241. 248 с полированной поверхностью и трехслойным покрытием. Первый слой покрытия, прилегающий непосредственно к подложке - это считывающий слой. Промежуточный слой - это слой красящей односторонней пленки, при механическом воздействии на которую часть красящего состава переносится на первый слой. Наружный ¿лой - это гидроизолирующее покрытие При прохождении струи по поверхности образца на первом, считывающем слое, оставались следы от воздействия разрозненных ка-

пель жидкости и активного участка струи, в зависимости от параметров процесса Исследования проводились при изменении давления воды Р„ от 25 до 150 МПа (для насадок с ц - 0,7), и от 25 до 100 МПа (для насадок с /л = 0,81) и при скорости перемещения образцов V„ = I м/с Выявлено, что при увеличении давления воды длина активного участка струй /„, и ширина b увеличиваются Так, например, для насадок с ц = 0,7 при увеличении Р0 от 25 до 150 МПа длина /„, возрастает примерно в 4 раза, a b увеличивается примерно в 1,5 раза. Установлено, что с увеличением диаметра струеформирующей насадки при неизменном давлении, длина активного участка струи /„, и ширина b также увеличиваются Так, изменение d0 с 0,4 до 0,8 мм вызывает рост /„, в 1,3 раза, a b - в 2 раза.

Рис 2 Экспериментальный стенд-I-приводной насосный блок; 2-водяной насосный блок низкого давления , 3-преобразователь давления; 4-аккумулятор; 5-гидроструйный инструмент; 6-блок фильтров; 7-поворотный стол; 8-привод поворотного стола; 9-гидравлические магистрали

На наш взгляд, рост 1а}, с увеличением Ран , связан с увеличением скорости истечения струи (за счёт увеличения расхода), а поток воды, обладающий большей скоростью, распадается на большем расстоянии. Увеличение ширины Ь струи связано с образованием в струе поперечных скоростей, которые возникают из-за турбулентности потока при вылете из насадки, и взаимодействия струи с внешней средой (воздухом). Причём, чем больше давление воды, тем больше и поперечная скорость частиц воды Именно рост скорости в поперечном направлении приводит к увеличению разлёта частиц относительно центра струи. Также было установлено, что с увеличением расстояния между насадкой и исследуемым образцом 10 ширина активного участка Ь растёт. Так, увеличение 1„ (в исследуемом диапазоне) ведёт к росту Ь в среднем в 2-3 раза. Данное обстоятельство также объясняется тем, что с увеличением /»струя высоконапорной воды расширяется за счёт разлёта частиц

В результате обработки экспериментальных данных методом множественной регрессии были получены следующие итоговые зависимости, определяющие влияние давления высоконапорной воды Ри и диаметра струеформирующей насадки й» на длину активного участка струи воды высокого давления 1„.у и ширину Ъ.

= 9658,97 +1138,54(10 + 1,48Р0 + 665,66~ ~ 16976ц , (1)

'ч

Ь = 0,032Р0 + 0,0151„ + 4,168(10 - 9.018-" + 209,807ц -119,67. (2)

1ц

Влияние давления высоконапорной воды и диаметра струеформирующей насадки на рациональное расстояние (с точки зрения минимальной удельной энергоёмкости процесса) между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемым материалом исследовалось на образцах мрамора (сгсж = 27,2 МПа) и известняка (сгсж = 100 и 120 МПа) при скорости перемещения гидроструйного инструмента относительно обрабатываемого материала У„ = 50 мм/с. Опыты проводились при изменении давления высоконапорной воды для мрамора от 15 до 50 МПа, для известняка от 40 до 80 МПа.

Анализ экспериментальных данных показал, что рациональное расстояние между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемым материалом 1о Ра» возрастает с увеличением давления высоконапорной воды Р0 и диаметра струеформирующей насадки (1п. Так, при обработке известняка (ег^ = 100 МПа) с увеличением Р0 от 40 до 80 МПа значение 10рац растёт примерно в 3,2 раза, а изменение й0 (при соответствующем Рв) с 0,6 до 0,8 мм ведёт к увеличению 1орац примерно в 1,8 раза. Также исследования показали, что на рациональное расстояние между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемым материалом влияет предел прочности обрабатываемого материала на одноосное сжатие <усж и при его увеличении расстояние 1оР„ц снижается. Так, изменение асж от 27,2 до 120 МПа ведёт к снижению 10рац примерно в 2,7 раза. В результате обработки данных экспериментальных исследований методом множественной регрессии была получена итоговая зависимость, определяющая влияние давления высоконапорной воды Р0, диаметра струеформирующей насадки й0 и предела прочности разрушаемого материала на одноосное сжатие <тсж на рациональное расстояние между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемым материалом 10рац.

10риц = 3,8Р0 + 634,3(1, + 55,3 + 196,5ц - 3,8аж - 357,9 . (3)

ч

Экспериментальные исследования по установлению влияния расстояния от среза струеформирующей насадки до поверхности обрабатываемого материала 10 на ширину обрабатываемого паза Ь проводились на образцах мрамора с °"сж= 27,2 МПа и известняка с осж = 100 и 120 МПа при скорости перемещения гидроструйного инструмента относительно обрабатываемого материала Уп = 25 мм/с.

Опыты проводились в следующих диапазонах: давление высоконапорной воды Р„ менялось от 15 до 125 МПа, расстояние от среза струеформирующей насадки до обрабатываемой поверхности 10 задавалось в интервале от 5 до 200 мм.

Анализ результатов экспериментов показал, что для всех значений давления высоконапорной воды Р№, диаметра струеформирующей насадки йо и предела прочности разрушаемого материала на одноосное сжатие сг^ ширина гидроструйной обработки Ь растёт с увеличением расстояния от среза струеформирующей насадки до обрабатываемой поверхности 10 Так, например, при обработке мрамора насадками с ц = 0,7 с увеличением 4 от 10 до 100 мм при давлении высоконапорной воды Р()= 50 МПа ширина гидроструйной обработки Ь увеличивается в среднем на 55 %. Это связано с тем, что с увеличением расстояния между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемой поверхностью 10 увеличивается ширина струи.

Экспериментальные исследования по установлению влияния давления высоконапорной воды, диаметра струеформирующей насадки и скорости перемещения струеформирующей насадки относительно обрабатываемой поверхности на ширину гидроструйной обработки проводились на образцах мрамора (<?сж~ 27,2 МПа) и известняка (<тсж = 100 и 120 МПа).

Опыты проводились в следующих диапазонах: давление высоконапорной воды Р0 менялось от 15 до 125 МПа, расстояние от среза струеформирующей насадки до разрушаемой поверхности 10 составило от 5 до 100 мм, скорость перемещения гидроструйного инструмента относительно обрабатываемого материала Уп задавалась в диапазоне от 12,5 до 50 мм/с.

Проведённые экспериментальные исследования позволили установить, что ширина гидроструйной обработки Ь растет прямо пропорционально с увеличением давления высоконапорной воды Р$. Увеличение Ри от 15 до 50 МПа для заданных й0 и Уп при обработке мрамора вызывает рост Ъ примерно в 1,6-2 раза для насадок с ц = 0,7 и 1,2-1,5 раза для насадок с ц - 0,81. Кроме того, было установлено, что увеличение диаметра струеформирующей насадки также приводит к увеличению ширины гидроструйной обработки. Увеличение й0 для заданных Р« и Уп при обработке мрамора вызывает рост Ъ примерно в 2-2,5 раза. Это связано с увеличением ширины области воздействия струи на обрабатываемую поверхность. Следует отметить, что изменение скорости перемещения гидроструйного инструмента относительно обрабатываемой поверхности Уп в указанном диапазоне оказывает незначительное влияние на ширину обработки (отклонение Ъ находится в пределах 3-8 %). В свою очередь глубина гидроструйной обработки А с увеличением У„ снижается. Так, увеличение Уп в указанном интервале ведёт к снижению к для заданных Р0 и й0 примерно в 1,5-2 раза. Этот факт также отмечается в литературных источниках посвящённых исследованию процесса гидроструйного резания.

Следующая серия опытов была проведена на образцах известняка с пределом прочности на одноосное сжатие асж= 100 и 120 МПа. Установлено, что для крепких пород ширина гидроструйной обработки растёт также прямо пропорционально с увеличением давления высоконапорной воды. Кроме того, увеличение йо тоже приводит к росту Ь, а изменение У„ оказывает незначительное влияние на Ь (отклонение Ь находится в пределах 3-8 %). При увеличении давления высокона-

пбрной воды от 40 до 100 МПа ширина гидроструй ной обработки возрастает примерно в 2-2,5 раза Увеличение d„ с 0,6 до 0,8 мм и с 0,2 до 0,5 мм вызывает рост Ь в 1,3-1,8 и 1,5-2,5 раза соответственно. Совместный анализ экспериментальных исследований показал, что с увеличением а^ значение b уменьшается Данный факт объясняется тем, что для обработки более крепких пород требуются большие энергозатраты. Поэтому для получения необходимой ширины гидроструйной обработки в крепких породах следует либо увеличивать давление высоконапорной воды, либо увеличивать диаметр струеформируюшей насадки.

Установлено, что зависимость удельной энергоёмкости процесса гидроструйной обработки Ец от давления высоконапорной воды Р№ носит параболический характер с наличием экстремума, соответствующего рациональному значению давления РПр11ц (см. рис 3) Это объясняется тем, что при небольших значениях давления высоконапорной воды интенсивность скорости приращения удаляемого объёма выше интенсивности роста гидравлической мощности струи, а при больших значениях давления воды - наоборот. Также установлено, что с ростом d0 значения минимальной удельной энергоёмкости процесса гидроструйной .обработки снижается В то же время, значение Р№1НЩ, соответствующее минимальной удельной энергоёмкости процесса гидроструйной обработки, с увеличением di, также снижается Помимо этого, с ростом сг1Ж минимальная удельная энергоёмкость растёт, и соответствующее ей рациональное значение давления воды также увеличивается. Установлено, что аппроксимация прямыми линиями зависимостей V„=f (Рцрац) и l0=f (Рорин), построенных для каждого материала и каждого диаметра струеформируюшей насадки даёт в результате либо прямую параллельную оси абсцисс, либо прямую с незначительным коэффициентом регрессии при переменной Роран по критерию Стьюдента при 5 % уровне значимости Поэтому, при выводе формулы для Р0 р1Щ, скорость перемещения струи высоконапорной воды относительно обрабатываемого материала У„ и расстояние между срезом струеформируюшей насадки и разрушаемой поверхностью 1п не учитывались Вместо значений Рцрац, полученных экспериментально при различных У„ и /«, при выводе конечной зависимости использовались средние арифметические значения Р0раЦ-

В результате обработки данных экспериментальных исследований методом множественной регрессии была получена следующая зависимость, определяющая рациональное давление воды; соответствующее минимальной удельной энергоёмкости процесса гидроструйной обработки.

Popa, = 0,77<*1Ж + 5,Л -8,24d„ - 9,61 . (4)

ч

Принятый за основу экспериментально-статистический метод предусматривал проведение экспериментальных исследований с последующим графоаналитическим анализом опытных данных с применением методов математической статистики и теории вероятности. При этом эксперименты были спланированы так, чтобы можно было последовательно получить качественную и количественную оценку различных влияющих факторов и условий.

Е о, 3 МДж/м3 2,5

2

1,5

1

0,5 0

-- г 1 л

I ] -1

• Уп< ■ Угг А Уп: ОУ1Г а Уп: л Уп: ж Уп= о Уп= - Уп: + Уп: х Уп=

♦ Уп=

=12,5 мм/с, <ки=0, -25 мм/с, ¿о=0,4 =50 мм/с, d&=0J4 = 12.5 мм/с, <1о=а =25 мм/с, ёо=0,6 =50 мм/с, do=0,6 = 12,5 мм/с, do=0. =25 мм/с, do=0,8 =50 мм/с, do=0,8 =25 мм/с, do=0,4 =25 мм/с, do=0,6 =25 мм/с, do=0,8

37,5 50

Ро, МПа

4 мм. 1о=50 мм мм 1о=50 мм мм !о=50 мм 6 мм. 1о=50 мм мм 1о=50 мм мм, 1о=50 мм 8 мм, 1о=50 мм мм, 1о=50 мм мм, 1о=50 мм мм, 1о=30 мм мм, ¡о=30 мм мм, 1о=30 мм

12,5

25

37,5 50 Ра, МПа

• Уп=12,5 мм/с do=0,2 мм, 1о=50 мм ■ Уп =25мм/с do=0,2 мм, 1о=50 мм

• Уп=50 мм/с, do=:0,2 мм, 1о=50 мм

о Уп=12,5 мм/с, do=0,5 мм, 1о=50 мм □ Уп =25мм/с, do=0,5 мм, 1о=50 мм л Уп=50 мм/с, do=0,5 мм, 1о=50 мм

• Уп =25мм/с, йо=0,2 мм, 1о=100 мм о Уп =25мм/с, ¿о=0,5 мм, 1о=100 мм

Рис 3. Зависимость удельной энергоёмкости процесса гидроструйной обработки Еа от давления воды Р„ при обработке мрамора с <тсж- 27,2 МПа

Следует отметить, что наибольший практический интерес представляет получение обобщенной зависимости, позволяющей с известной степенью точности рассчитывать ширину Ь и энергоемкость Е0 процесса гидроструйной обработки при различных условиях. Решение данной задачи теоретическим путем в настоящее время не представляется возможным. Поэтому при установлении основных количественных связей между шириной гидроструйной обработки и различными влияющими факторами приходится основываться на результатах экспериментальных исследований с использованием методов подобия и размерностей.

Функциональная зависимость между шириной гидроструйной обработки и параметрами обработки может быть представлена в следующем общем виде' Ь =/(Рь р2; V,; у2; 5; g; Р0; У„;(10; 10; У„; асж; Л; /„; 1„), (5)

где: р, - плотность воды, кг/мм'; р2 - плотность воздуха, кг/мм ^ V, - вязкость воды, Н с/м2, К? - вязкость воздуха, Н с/м:; 5- поверхностное натяжение воды, кг/с2; g - ускорение свободного падения, м/с2; Р0 - давление воды перед струеформирующей насадкой, МПа; У№ - скорость истечения воды через струеформируюицую насадку, мм/с.

(10 - диаметр отверстия струеформирующей насадки, мм;

/»- расстояние между срезом струеформирующей насадки и поверхностью обрабатываемого материала, мм;

У„ - скорость перемещения гидроструйного инструмента, мм/с; - предел прочности горной породы на одноосное сжатие, МПа,

Л - глубина гидроструйной обработки, мм;

/„ - длина цилиндрической части проточного канала струеформирующей насадки, мм;

/„ - длина проточного канала струеформирующей насадки, мм.

Используя метод подобия и размерностей, и воспользовавшись тремя первичными единицами измерения массы, расстояния и времени с масштабами С, £ и Т, можем записать выражение (5) в безразмерном виде:

' рЛ?Ы.

Р2 I

<1„

ри/хх^ип«

-ЧЧ

вьт ' .р,*1 (¡4 [4Т6 . Р. сь2

сьт \ 'у,4* в4 Ь4Т* » (Т сж сь1

\kmmm

(6)

Из общего числа безразмерных критериев, входящих в выражение (6), часть критериев в процессе экспериментальных исследований не изменялась. К числу неизменяемых критериев относятся следующие:

Р±

Р2

еЛ1 г/ж

Учитывая постоянство безразмерных критериев, зависимость для безразмерной ширины гидроструйной обработки примет следующий вид:

±= г А Л)

V 'и.'*'/. '

(7)

В результате обработки данных экспериментальных исследований в соответствии с выражением (7) методом множественной регрессии была получена обобщённая зависимость для расчёта безразмерной ширины гидроструйной обработки:

/ \0,»69 г \ —6,059 , -0.212 { \й»25

Ь _____( Р„

¿о

= 6,0704 -

ег.

V»

.(к) и,

к

(8)

На основании результатов выполненных исследований была разработана "Методика расчета параметров работы гидроструйного инструмента камнеобра-батывающего станка и выбора высоконапорного оборудования для гидроструйной обработки горных пород". Исходными данными для расчета являются- гидравлические (/V, и Р„тах) и режимные параметры (У„ „„„ и У„тах) камнеобрабатывающе-го станка, а также геометрические и прочностные параметры исходного изделия из камня.

Методика расчета, а также конструктивные решения и рекомендации используются фирмой "НИТЕП" при саздании машин для гидроструйной обработки

горных пород и гнлроструймой_ очистки Изготовленный экспериментальный стен л хыя испытаний и исследований процесса гидроструйной обработки юрных пород и гидроструйной очистки используется Скуратовским эксперимен гальным заводом и фирмой «НИТЕГ1» для испытаний выпускаемых изделий "Станок гидродинамической очистки - СТДО" прошел промышленные испытание и принят на эксплуатацию Скуратовским экспериментальным заводом

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертационная работа является научным квалификационным трудом, в котором на базе выполненных экспериментальных исследовать решена актуальная задача Установления закономерностей процесса гидпоструй-ной обработки горных пород и изменения рациональных режимов работы в зависимости от гидравлических геометрических и режимныч характеристик инструмента, с учетом структуры высоконапорных струй, позволяющих научно обосновать режимы обработки горных пород и обеспечить повышение эффективности применения камнеобрабатывающих станков, что имеет большое практическое значение для горной отрасли

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

1 Установлено, что давление высоконапорной воды диаметр стр>сформирующей насадки и расстояние между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемой поверхностью оказывают существенное влияние на длину и ширин) активного участка высоконапорной струи воды При увеличении давления водь от 25 до 150 МПа длина активного участка струи растёт примерно в 1.6-4 раза. 2 ширина струи - примерно в 1,4-1,7 раза Изменение диаметра насадки от 0.2 д. 0,8 мм вызывает соответствующий рост длины активного участка струя в 1.3-2 8 раза, а ширины в 1.6-2.6 раза Увеличение расстояния между насадкой и обрабатываемой поверхностью (в исследуемом диапазоне) ведет к росту ширины след; струи примерно в 2-5 раз Получены зависимости, отражающие связь пины •• ширины активного участка струи от Р№, (¡„ и 1„

2 Установлено, что давление высоконапорной воды диаметр струеформирующей насадки и временное сопротивление пород на одноосное сжатие омывают значительное влияние на рациональное (с точки зрения минимальной удельной энергоёмкости) расстояние между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемым материалом при обработке незначительных по толшине слоев Пре увеличении давления воды от 15 до 80 МПа рациональное расстояние между насадкой и обрабатываемым материалом растет примерно в 2-1,5 раза Изменение диаметра насадки от 0.2 до 0.8 мм ведёт к увеличению рационального расстояни: примерно в 1,3-4,8 раза Изменение предела прочности обрабатываемой горноГ-породы от 27.2 до 120 МПа ведёт к снижению рационального расстояния между насадкой и обрабатываемым материалом примерно в 2.7 раза Получена зависимость отражающая связь рационального расстояния 1„р1111 от Р„, (!„ и <т(Ж

Ч Выявлено, что расстояние между срезом струеформирующей насадки обрабатываемым материалом оказывает значительное влияние на процесс гидр!.-

струйной обработки. Так с увеличением /д от 5 до 200 мм, ширина гидроструйной обработки Ь увеличивается в среднем на 60 %.

4. Установлено, что давление воды и диаметр струеформирующей насадки оказывают существенное влияние на процесс гидроструйной обработки. При увеличении давления высоконапорной воды от 15 до 125 МПа ширина гидроструйной обработки растёт в 2-2,5 раза. Увеличение йл с 0,2 до 0,8 мм вызывает рост Ъ в 1,3-2,5 раза. Увеличение скорости перемещения гидроструйного инструмента относительно обрабатываемой поверхности У„ с 12,5 до 50 мм/с несущественно влияет на Ь, однако ведёт к снижению А, в среднем, в 2,2 раза.

5. На основании результатов исследования взаимодействия давления воды, диаметра струеформирующей насадки и прочности пород с показателями процесса гидроструйной обработки выявлены области минимальных удельных энергозатрат, определяющих рациональные значения давления воды. При этом выявлено, что с увеличением диаметра струеформирующей насадки рациональное давление воды снижается, а с повышением прочности пород - растёт. Получены расчётные зависимости для определения рационального давления воды применительно к различным условиям работы гидроструйного инструмента.

6. Разработан метод расчёта режимов работы гидроструйного инструмента для обработки горных пород с использованием положений теории подобия и размерностей, учитывающий влияние давления высоконапорной воды, диаметра струеформирующей насадки, расстояния между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемым материалом, прочности пород, скорости истечения высоконапорной воды, скорости перемещения гидроструйного инструмента, а также длины цилиндрического участка проточного канала струеформирующей насадки и длины всего проточного канала.

7. Разработана "Методика расчета основных режимов работы гидроструйного инструмента камнеобрабатывающего станка и выбора высоконапорного оборудования для гидроструйной обработки горных пород". Методика расчета, а также конструктивные решения и рекомендации используются фирмой "НИТЕП" при создании машин для гидроструйной обработки горных пород и гидроструйной очистки.

8. Экспериментальный стенд для испытаний и исследований процесса гидроструйной обработки горных пород и гидроструйной очистки используется Скура-товским экспериментальным заводом и фирмой «НИТЕП» для испытаний выпускаемых изделий.

9. "Станок гидродинамической очистки - СГДО" прошел промышленные испытания и принят на эксплуатацию Скуратовским экспериментальным заводом.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Григорьев Г.В., Головин К.А. Влияние параметров гидроабразивной резки на эффективность процесса резания пластических масс//1-я Международная научно-практическая конференция «Технологические проблемы разработки месторождений минерального сырья в сложных горнотехнологических условиях». 25-28 сентября 2000 г./Тез. докл. Тула: Изд. ТулГУ, 2000. - С. 78-79

2. Пушкарёв А.Е., Григорьев Г.В., Ян РИД. Перспективность применения гидромеханического способа разрушения горных пород//2-я Международная научно-практическая конференция «Технологии: проблемы и перспективы месторождений минерального сырья в сложных горнотехнологических услови-ях»/Сборник трудов: Изд. ТулГУ, 2001. - С. 170-172.

3. Бреннер В.А., Головин К.А., Григорьев Г.В., Пушкарёв А.Е., Сазонов Д.Ю., Сладков В.Ю., Теребова Д.Н., Чуков А.Н. Экспериментальная оценка возможности гидроструйного удаления прочноскрепленных покрытий с элементов конструкций/ЯТроблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства./2-я Международная Конференция по проблемам рационального природопользования. Материалы конференции: ТулГУ, Тула, 2002. -С. 306-310.

4. Головин К.А., Григорьев Г.В., Дёмин К.В., Пушкарёв А.Е., Наумов Ю.Н. Установление гидравлических параметров водоструйного инструмента на ширину следа и длину активного участка струи//Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства/2-я Международная Конференция по проблемам рационального природопользования. Материалы конференции: ТулГУ, Тула, 2002. - С. 358-363.

5. Головин К.А., Григорьев Г.В., Пушкарёв А.Е., Дёмин К.В., Зоткин П.А. Способы получения и перспективы применения водоледяных струй для разрушения горных пород и других твёрдых материалов/ЯТроблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства/2-я Международная Конференция по проблемам рационального природопользования. Материалы конференции: ТулГУ, Тула, 2002. - С. 355-358.

6. Бреннер В.А., Пушкарёв А.Е., Головин К.А., Григорьев Г.В., Наумов Ю.Н. Исследование режимных параметров процесса гидроструйной очистки поверхностей//Аэрокосмическая техника и высокие технологии 2002/ Всероссийская научно-техническая конференция 10-12 апреля 2002 г., Пермь, Россия, Программа и тезисы докладов, под ред. Ю. В. Соколкина и А. А. Чекалкина. -С. 302.

7. Головин К.А., Григорьев Г.В., Дёмин К.В., Пушкарёв А.Е., Louis H. О влиянии на эффективность процесса гидроструйной очистки конструктивных параметров струеформирующего инструмента/ЛПроблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна/Международная научно-практическая конференция 26-27 ноября 2002 Тульский государственный университет. -Тула, 2002. - С. 163-166.

8. Головин К.А., Григорьев Г.В., Дёмин К.В., Григорьева E.H. Стойкость струеформирующего инструмента при реализации технологии гидроабразивного резания горных пород//Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна/Международная научно-практическая конференция. 26-27 ноября 2002.Тульский государствен-ный университет. - Тула, 2002. - С. 166-168.

9. Головин К.А., Дёмин К.В., Пушкарёв А.Е., Григорьев Г.В., Поляков Ал.В., Поляков Ан.В. Некоторые результаты исследований водоледяной технологии разрушения материалов//Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна/Международная научно-практическая конференция 26-27 ноября 2002 Тульский государственный университет. - Тула, 2002. - С. 168-171.

10. Антоненко C.B., Дёмин К.В., Головин К.А., Григорьев Г.В. Установление основных закономерностей процесса формирования гидроабразивных струй//Депонировано ВИНИТИ, М„ 2003. - Спр. № 995-В2003.

11. Григорьев Г.В., Наумов Ю.Н., Пушкарёв А.Е., Головин К.А., Сахарова О.В. К вопросу о установлении параметров эффективного гидроструйного разрушения хрупких материалов//Депонировано ВИНИТИ, М., 2003. - Спр. № 996-В2003.

12. Григорьев Г.В. Влияние гидравлических параметров инструмента на показатели процесса гидроструйной очистки//Депонировано ВИНИТИ, М., 2003. -Спр. № 997-В2003.

Подписано в печать 4 О3- Формат бумаш 60x84 1/16 Буча! а типографская № 1 Офсетная печать. Усл. печ. л. /, / . Усл. кр.-отт. / / . Уч. изд. л./ О Тираж экз. Заказ '

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92. Редакиионно- ищательский центр Тульского государственною университета. 300600, г. Тула, ул. Болдина, 151

II

Y

РНБ Русский фонд

2005-4 17412

27 ИЮН 2003

ВВЕДЕНИЕ >

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Гидроструйный способ обработки горных пород и его 9 практическое использование

1.2. Анализ результатов исследований гидроструйной обработки 26 горных пород и прочных материалов

1.3. Анализ основных элементов технологии гидроструйной обработки 35 поверхностей

1.4. Цель и задачи исследований

2. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Факторы и показатели, определяющие и характеризующие 43 процесс гидроструйной обработки горных пород

2.2. Общие положения методики

2.3. Стендовая база

2.4. Гидроструйный инструмент

2.5. Измерительная аппаратура

2.6. Характеристика горных пород 73 Выводы

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И /J ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОСТРУЙНОГО ИНСТРУМЕНТА НА СТРУКТУРУ ВЫСОКОНАПОРНОЙ СТРУИ

3.1. Влияние гидравлических параметров инструмента на длину 75 активного участка струи высоконапорной воды

3.2. Влияние гидравлических параметров инструмента и расстояния до 83 обрабатываемой поверхности на ширину активного участка струи

Выводы

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ, 92 ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНСТРУМЕНТА НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА ГИДРОСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКИ

4.1. Влияние гидравлических параметров инструмента на показатели 92 процесса гидроструйной обработки при удалении незначительных по толщине слоев

4.2. Влияние расстояния от среза струеформирующей насадки до 100 поверхности обрабатываемого материала на ищфину гидроструйной обработки при удалении относительно толстых слоев ■ *.''•"

4.3. Влияние гидравлических 'и режимных параметров гидроструйного 115 инструмента на показатели процесса гидроструйной обработки при удалении значительных по толщине слоёв

Ф 4.3.1. Влияние гидравлических и режимных параметров инструмента на ширину гидроструйной обработки 4.3.2. Влияние давления высоконапорной ьоды. на удельную 132 энергоёмкость процесса гидроструйной обработки 4.4. Анализ и обобщение экспериментальных данных и разработка 159 метода расчета режимов работы гидроструйного инструмента Выводы

5. МЕТОД РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И ПАРАМЕТРОВ 167 ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ГОРНЫХ ПОРОД ГИДРОСТРУЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

5.1. Методика расчета режимов работы гидроструйного инструмента 167 ^ камнеобрабатывающего станка и выбора высоконапорного оборудования для гидроструйной обработки горных пород

5.2. Комплект оборудования для реализации технологии 172 гидроструйной обработки горных пород

5.3. Пример расчета режимов работы гидроструйного инструмента 174 камнеобрабатывающего станка и выбора высоконапорного оборудования для гидроструйной обработки горных пород

Выводы

Актуальность работы. Одним из направлений развития горной техники является реализация гидротехнологий, основанных на использовании энергии высоконапорных струй воды. Применяемые в настоящее время традиционные способы обработки природного камня, в частности, механический, имеют ряд недостатков, существенно сдерживающих расширение области применения такого оборудования.

Известные результаты научных исследований определили целый ряд достоинств гидроструйной обработки горных пород и показали, что камнеобрабатывающие станки, в которых роль породоразрушающего инструмента выполняют тонкие высоконапорные струи, могут эффективно использоваться как для раскроя породных плит (гидрорезка), так и для обработки породных образцов с целью придания им определенной формы (гидрофрезерование), а также для удаления поверхностного слоя материала (гидроочистка). Универсальность струй как инструмента и их способность разрушать даже крепкие породы, высокая скорость резания, отсутствие пыли и реакции забоя на инструменте, эрозионный характер разрушения, при котором происходит удаление верхнего слоя обрабатываемого материала без нарушения его внутренней структуры, делает гидротехнологии весьма перспективными. Однако, если механизм гидрорёзкй достаточно глубоко изучен, то для гидрофрезерования и гидроочистки закономерности процесса не установлены.

При участии автора разработан комплект оборудования для гидроструйной обработки. Оборудование позволяет осуществлять гидрофрезерование и гидроочистку не только горных пород, но и различных конструкционных и строительных материалов, однако, отсутствие исследований по определению влияния гидравлических, геометрических и режимных параметров" инструмента на показатели процесса, а также отсутствие обоснованных методов выбора высоконапорного1 оборудования сдерживают практическое применение такой техники и определяют актуальность работы.

Работа выполнялась то темам НИР- ТулГУ (грант Администрации;; Тульской области № ГШ72/Д 0033-Ц), а также в рамках международного гранта Европейского фонда INTAS (проект INTAS 00-0268).

Цель работы. Установить закономерности процесса обработки горных пород высоконапорными струями для выбора и обоснования рациональных параметров гидроструйного инструмента, обеспечивающих расширение области его эффективного применения.

Идея работы. Эффективность гидроструйной обработки горных пород достигается путем обеспечения рациональных режимов работы на основе выявленной взаимосвязи гидравлических, геометрических и режимных параметров инструмента с показателями процесса, с учётом структуры высоконапорной струи в пределах её активного участка.

Метод исследования - комплексный, включающий научный анализ и обобщение опыта ранее выполненных работ по гидроструйному разрушению горных пород и материалов, а также опыта эксплуатации машин с гидроструйным инструментом; экспериментальные исследования структуры тонких высоконапорных струй и процесса их взаимодействия с горными породами; обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики на ЭВМ.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- установлены закономерности изменения длины и ширины активного участка высоконапорной струи в зависимости от геометрических :и гидравлических параметров инструмента, позволяющие определить рабочую зону струи для реализации технологии гидроструйной обработки горных пород; [

- установлены закономерности процесса гидроструйной обработки с учетом геометрических, гидравлических и режимных параметров инструмента и прочности разрушаемого материала, обеспечивающие обоснование показателей работы гидроструйного инструмента.

- на основании исследований взаимосвязи прочностных свойств горных пород, геометрических, гидравлических и режимных параметров инструмента с показателями процесса гидроструйной обработки выявлены области минимальных удельных энергозатрат, что позволило установить рациональные давления воды и расстояния между срезом струеформирующей насадки гидроструйного инструмента и обрабатываемой поверхностью.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается представительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных средств измерений и методов исследований; корректным применением методов теории вероятности и математической статистики, а также методов подобия и размерностей при обработке и анализе экспериментальных данных; устойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах 0,77-0,99); удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами экспериментов (отклонение не превышает 20 %).

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей гидроструйной обработки с учетом прочностных характеристик обрабатываемого материала, а также геометрических, гидравлических и режимных параметров инструмента, позволивших выявить их рациональные сочетания и обосновать режимы работы, обеспечивающие расширение области эффективного применения машин для гидроструйной обработки горных пород.

Практическое значение работы: I - разработана конструкция экспериментального стенда, обеспечивающего исследование процесса гидроструйной обработки горных пород и материалов в широком, диапазоне изменения режимных и гидравлических параметров; ■

- получены расчетные зависимости для определения рациональных давлений воды и расстояний между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемой поверхностью, обеспечивающих минимум удельных энергозатрат и максимум скоростей приращения площади и объёма удаляемого материала; разработан метод расчёта режимов работы гидроструйного инструмента, учитывающий влияние диаметра и типа струеформирующей насадки, давления воды, расстояния между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемой поверхностью, прочности пород, а также скорости перемещения инструмента;

- разработана и реализована на персональном компьютере «Методика расчёта основных режимов работы гидроструйного инструмента камнеобрабатывающего станка и выбора высоконапорного оборудования для гидроструйной обработки горных пород».

Реализация результатов работы.

Методика расчета основных режимов работы гидроструйного инструмента камнеобрабатывающего станка и выбора высоконапорного оборудования для гидроструйной обработки горных пород", а также все конструктивные решения и рекомендации в полном объёме используются фирмой "НИТЕП" при создании машин для гидроструйной обработки горных пород и гидроструйной очистки.

Изготовленный экспериментальный стенд для испытаний и исследований . процесса гидроструйной обработки горных пород и гидроструйной очистки используется Скуратовским экспериментальным заводом и фирмой «НИТЕП» для испытаний выпускаемых изделий.

Станок гидродинамической очистки - СГДО" прошел промышленные испытания и принят на эксплуатацию Скуратовским экспериментальным заводом.

Основные результаты проведённых исследований использоёались в грантах Администрации Тульской области и Европейского фонда INTAS.

Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2001-2003 гг.), 2-ой международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2002 г.), 3-й международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности подмосковного бассейна» (г. Тула, 2002 г.), всероссийской научно-технической конференции 10-12 апреля 2002 "Аэрокосмическая техника и I высокие технологии 2002" (г. Пермь, 2002 г.), научном симпозиуме «Неделя горняка» в МГГУ (г. Москва, 2003 г.), технических советах фирмы «НИТЕП» (г. Тула, 2001-2003 гг.) и Скуратовского экспериментального завода (г. Тула, 2002-2003 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 статей:

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

1. Установлено, что давление высоконапорной воды, диаметр струеформирующей насадки и расстояние между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемой поверхностью оказывают существенное влияние на длину и ширину активного участка высоконапорной струи воды. При увеличении давления воды от 25 до 150 МПа длина активного участка струи растёт примерно в 1,6-4 раза, а ширина струи - примерно в 1,4-1,7 раза. Изменение диаметра насадки от 0,2 до 0,8 мм вызывает соответствующий рост длины активного участка струи в 1,3-2,8 раза, а ширины в 1,6-2,6 раза. Увеличение расстояния между насадкой и обрабатываемой поверхностью (в исследуемом диапазоне) ведёт к росту ширины следа струи примерно в 2-5 раз. Получены зависимости, отражающие связь длины и ширины активного участка струи от Р0, d0 и 10.

2. Установлено, что давление высоконапорной воды, диаметр струеформирующей насадки и временное сопротивление пород на одноосное сжатие оказывают значительное влияние на рациональное (с точки зрения минимальной удельной энергоёмкости) расстояние между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемым материалом при обработке незначительных по толщине слоев. При. увеличении давления воды от 15 до 80 МПа рациональнее расстояние между насадкой и обрабатываемым материалом растёт примерно в 2-3,5 раза. Изменение диаметра насадки от 0,2 до 0,8 мм ведёт к увеличению рационального расстояния примерно в 1,3-4,8 раза. Изменение предела прочности обрабатываемой горной породы от 27,2 до 120 МПа ведёт к снижению рационального расстояния между насадкой и обрабатываемым материалом примерно в 2,7 раза. Получена зависимость, отражающая связь рационального расстояния 10рац от Ро, do и сгсж.

3. Выявлено, что расстояние между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемым материалом оказывает значительное влияние на процесс гидроструйной обработки. Так с увеличением 10 от 5 до 200 мм, ширина гидроструйной обработки b увеличивается в среднем на 60 %.

4. Установлено, что давление воды и диаметр струеформирующей насадки оказывают существенное влияние на процесс гидроструйной обработки. При увеличении давления высоконапорной воды от 15 до 125 МПа ширина гидроструйной обработки растёт в 2-2,5 раза. Увеличение d0 с 0,2 до 0,8 мм вызывает рост b в 1,3-2,5 раза. Увеличение скорости перемещения гидроструйного инструмента относительно обрабатываемой поверхности V,, с 12,5 до 50 мм/с'несущественно влияет на Ь, однако ведёт к снижению h, в среднем, в 2,2 раза.

5. На основании результатов исследования взаимодействия давления воды, диаметра струеформирующей насадки и прочности пород с показателями процесса гидроструйной обработки выявлены области минимальных удельных энергозатрат, определяющих рациональные значения давления воды. При этом выявлено, что с увеличением диаметра струеформирующей насадки рациональное давление воды снижается, а с повышением прочности пород - растёт. Получены расчётные зависимости для определения рационального давления воды применительно к различным условиям работы гидроструйного инструмента.

6. Разработан метод расчёта режимов работы гидроструйного инструмента для обработки гбрных пород с использованием положений теории подобия и размерностей, учитывающий- влияние давления высоконапорной воды, диаметра струеформирующей насадки, расстояния между срезом струеформирующей насадки и обрабатываемым материалом, прочности пород, скорости истечения высоконапорной воды, скорости перемещения гидроструйного инструмента, а также длины цилиндрического участка проточного канала струеформирующей насадки и длины всего проточного канала.

7. Разработана "Методика расчета основных режимов работы гидроструйного инструмента камнеобрабатывающего станка и выбора высоконапорного оборудования для гидроструйной обработки горных пород". Методика расчета, а также конструктивные решения и рекомендации используются фирмой "НИТЕП" при создании машин для гидроструйной обработки горных пород и гидроструйной очистки.

8. Экспериментальный стенд для испытаний и исследований процесса гидроструйной обработки горных пород и гидроструйной очистки используется Скуратовским экспериментальным заводом и фирмой «НИТЕП» для испытаний выпускаемых изделий.

9. "Станок гидродинамической очистки - СГДО" прошел промышленные' испытания и принят на эксплуатацию Скуратовским экспериментальным заводом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертационная работа является г. научным квалификационным трудом, в котором на базе выполненных экспериментальных исследований решена актуальная задача установления закономерностей процесса гидроструйной обработки горных пород и изменения рациональных режимов работы в зависимости от гидравлических, геометрических и режимных характеристик инструмента, с учетом структуры высоконапорных струй, позволяющих научно обосновать режимы обработки горных пород и обеспечить повышение эффективности применения камнеобрабатывающих станков, что имеет большое практическое значение для горной отрасли.

1. Жабин А.Б. Разрушение крепких горных пород гидромеханическими резцами проходческих комбайнов: Авторефер. дис. докт. техн. наук. - Тула, 1995. - С. 42.

2. Пушкарев А.Е. Обоснование и выбор параметров гидроабразивного инструмента исполнительных органов горных машин с разработкой модулей высоконапорного оборудования. Дис. . докт. техн. наук. - Тула, 1999. -С. 231.

3. Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Гольдин Ю.А. Разрушение горных пород струями воды высокого давления. М.: Недра, 1986. С. 143.

4. Кузьмич И.А., Рутберг М.И., Кузнецов Г.И. Гидромеханическое разрушение горных пород // Экспресс-информ. / ЦНИИЭИуголь. М., 1988. -С. 29.

5. В.А. Бреннер, А-.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголевский. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных пород. М.: Издательство Академии горных наук, 2000. -С. 343.

6. Верещагин Л.Д. Высокое давление в технике будущего. М., ОНТИ,1950.

7. Горлин М.Э. Применение твёрдых расширяющихся смесей для разрушения горных пород. Физико-технические способы и процессы разработки и обогащения полезных ископаемых / Ин-т проблем комплексного освоения недр. М., 1989. С. 88.

8. Кузьмич И.А., Гарбуз Г.Д., Кузнецов Г.И. Разрушение твёрдых тел высокоскоростными жидкостными струями // Разработка месторождений полезных ископаемых (Итого науки и техники). М., 1981. С. 71 - 84.

9. Шавловский С.С. Основы динамики струи при разрушении горного массива. М., Наука, 1979. С. 166.i 10. Головин К.А. Установление параметров процесса нарезания щелей в горных породах гидроабразивным инструментом. Дис. .канд. техн. наук. -Тула, 1997. С. 186.

10. Вебер X. Горнотехнические задачи каменноугольной промышленности ФРГ и подход к их решению // Глюкауф. 1981. - № 16. - С. 8-24.

11. Гольдин Ю.А. Исследование гидравлического разрушения угля тонкими струями высокого давления применительно к расчёту параметров исполнительных органов нарезных машин. Дис. .канд. техн. наук. М., 1967.-С. 136.

12. Проходка выработок водяными струями сверхвысокого давления// Глюкауф. 1977. - №23. - С. 42.

13. Кузьмич И.А., Кузнецов Г.И. Опыт гидравлической добычи угля за рубежом // Итоги науки и техники, серия «Разработка месторождений твердых полезных ископаемых», 33. М.: Недра, 1986. - С. 3-70.

14. Пушкарев А. Е., Головин К. А., Ерухимович Ю. Э. Влияние геометрических параметров гидроабразивного инструмента на показатели процесса щелеобразования//Тульский государственный университет, Тула, 1997. -13 е.: ил. деп. в ВИНИТИ, 24.02.97, 593 - В97.

15. Проведение исследований параметров и режимов гидромеханического разрушения горных пород. Отчет по теме № 0146170003 ИГД им. А. А. Скочинского. Руководитель Кузьмич И. А. М., 1979. - 116 с.

16. Бреннер В. А., Дорофеев С. В., Пушкарев А. Е., Чуков А. Н. Исследование влияния параметров водоструйного инструмента на показатель процесса щелеобразования. / В сб. "Известия ТулГУ. Машиностроение", 1998, т. 1, вып. 3, 4.2.-с. 158-163.

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

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

19. Anon, High pressure water jet systems Part 2, № 4, June, 1993, pp. 20-23.

20. Hashish M., A model of abrasive waterjet (AWJ) machining, ASME transactions, Journal of engineering materials and technology, vol. Ill, 1989, pp. 154- 162.

21. V.A. Brenner, A.Y. Pushkarev, K.A. Golovin, Y.N. Naumov. V.Y. Slad-kov. Measurement of noise characteristics of hydro-jet cutting tools // BHR Group 2000 Jetting Technology Conference. Sweden, Ronneby 2000, p. 277-281.

22. Water Jetting A'ccessori Catalog // NLB Corporation, 1999. - c. 69.

23. Установка гидродинамической очистки Г0-3270 // Материалы сайта http://www.talnah.ru.

24. Машины для снятия старой изоляции с труб // Материалы сайта http://www.mtu-net.ru.

25. Свистунов О.С. Совершенствование схем гидродинамической очистки шахтных водосборников // Автореферат магистерской выпускной работы / Материалы сайта http://masters.donntu.edu.ua.

26. Цех по ремонту и восстановлению насосно-компрессорных труб//Материалы сайта http://www.nrcm.ru.

27. Пушкарев А.Е., Головин К.А., Антипов Ю.В. к вопрсу о создании источников воды высокого давления // Депонировано ВИНИТИ, М.,1999. -Спр. № 248 В99.

28. Бреннер В.А., Жабин А.Б,, Пушкарев А.Е., Щеголевскн&М.М. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных пород. М.: Издательство Академии горных наук, 2002. - С. 343.

29. Пушкарев А.Б., Головин К.А., Ерухимович Ю.Э. Влияние давления высоконапорной воды на эффективность гидроабразивного резания горных пород // Тульский государственный университет. Тула, 1997. - 13 е.: ил., деп. в ВИНИТИ, 24.02.97. - Спр. № 592 - В97.

30. Vijay М.М. Combustion and Fluids Engineering, National Research Council of Canada Ottawa, Ontario, Canada, 1994 KLA OR6. Pp. 1 - 8.

31. Антипов Ю.В. Обоснование параметров водоструйной бурильной машины с встроенным преобразователем давления. Дис. .канд. техн. наук. -Тула, 1999.-С. 157.

32. Summers D.A. Water Jet Technology. Oxford: Alden Press, 1993.-P. 630.

33. Vijay M.M., Brierley W.H. Drilling of Rock by High Pressure Liquid Jets: A Review, ASME Preprint 80-Pet-94, Energy Technology Conference, New Orlean, LA, Februaru, 1980. P. 11.

34. Vijay M.M., Brierley W.H. Drilling of Rock by High Pressure Liquid Jets: An Assessment of Nozzles. Paper G 1,5th International Symposium on Jet Cutting Technology, Gannover, FRG. June, 1980. - P. 327 - 338.

35. Vijay M.M., Brierley W.H., Grattan-Bellew P.E. Drilling of Rock by High Pressure Liquid Jets: Influence of Rock Properties. Paper El, 6th International Symposium on Jet Cutting Technology, Gannover, UK. April,1982.-P. 179- 198.

36. Коняшин Ю.Г., Захаров Ю.Н. Новые направления в разрушении горных пород. В кн.: Технология разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых: Итоги науки и техники, т. 11, - М., ВИТИТИ,1973.-С. 320.

37. Коняшин Ю.Р. Эффективность применения насадок различных видов.для гидравлического ^разрушения горных пород // Научн: Сообщ. / ИГД: им. А.А. Скочинского. Вып. 178. М., 1979. - С. 38-44.

38. Коняшин Ю.Г. Определение необходимых параметров струй воды, формируемых одиночными насадками, оснащающими гидромеханический исполнительный орган проходческого комбайна // Научн. Сообщ. / ИГД им. А.А. Скочинского. Вып. 126. М., 1975. - С. 21-29.

39. Bitting Н. С. Precision cleaning using С02 jet spray, presented at the SPIE international symposium on optics, imaging and instrumentation, San Diego, CA, July, 1994.

40. Galecki G. and Vickers G.W. The development of ice blasting for surface cleaning, 6th international symposium on jet cutting technology, 1982.

41. Geskin, E. S., Shishkin D., Babetc K. Applications of ice particles for precision cleaning of sensitive sufaces, 10,h American waterjet conference, Houston, TX, August 1999.

42. Geskin, E. S., Tismenetskiy L., Li F., Sishkin D. Investigation of ice jet mashining, Proceedings of 1997 NSF design and manufacturing grantees conference, Seattle, WA, 1997.

43. Патент № 20.77683 (РФ). Способ получения потока ледяных гранул.

44. Hashish М. The waterjet as a tool // 14th International conference on jetting technology, organized and sponsored by BNR Group Limited./Held in Brugge, Belgium, 21-23 September, 1998.-Pp. 1-14.

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

46. Hashish M. Modeling Studi of Metal Cutting with Abrasive Waterjets, ASME Transaction//Journal of Engineering Materials and Technology. 1984. -Vol. -№ 1,- P. 88- 100.

47. Hashish M. Development of Abrasive Waterjets Technology Water Jets: 6lh American Water Jet Conference, 1991. P. 44 - 58.

48. Operating and maintenance instruction abrasi.ve jet cutting system г- инструкция по эксплуатации оборудования фирмы «HAMELLMANN»;OPr.

49. Тихомиров Р.А., Бабанин В.Ф., Петухов Е.Н., Стариков И.Д., Ковалёв В.А. Гидрорезание судостроительных материалов. J1.: Судостроение, 1985.-С. 162.

50. Семерчан А.А., Верещагин Л.Ф., Филлер Ф.М. и др. Распределение количества движения в непрерывной жидкостной струе сверхзвуковой скорости // ЖТФ. Т. XXVIII. 1958. - Вып. 9. - С. 2062-2071.

51. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е. Методика определения рациональных параметров и режимов работы гидромеханических исполнительных органов горных маши // ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 1998. -С. 64.

52. Берлин Ю.А., Сычёв Ю.И., Кипнис Л.Г. Материаловедение для камнеобработчиков // Издание 2-е, переработанное и дополненное. JL, Стройиздат, 1990. - С. 272.

53. Орлов A.M. Добычами обработка природного камня. М., Стройиз-дат, 1977.-С. 349.

54. Бреннер В.А., Жабин А.Б., Пушкарёв А.Е., Щеголевский М.М. Гидроабразивное резание горных пород. М.: Издательство МГГУ, 2003. - С. 279.

55. Тимоти Д. Мур. Процесс очистки поверхностей гранулами сухого льда. Пример применения на Судоремонтном Заводе "PEARL HARBOR" // Симпозиума индустриальной инженерии морского флота. Норфолк, Вирджиния, 19-20 июня, 1991 г.

56. Roadheaders with high pressure water jet-assisted cutting// Mining G. -1985.-304.-№7796.-P. 40.

57. Верещагин Л.Ф., Семерчан А.А., Секоян С.С. К вопросу о распаде высокоскоростной водяной струи // ЖТФ. Т. XXIX., 1959. -Вып. 1.-С. 45-50.

58. Бафталовский В.Е. Выбор рациональных конструктивных параметров успокоителей в струеформирующих устройствах. В кн.: Научн. Сообщения ИГД им. А.А. Скочинского, вып. 138. М., 1976. - С. 72-77.

59. Тихомиров Р.А. Гидравлическая резка листовых пластиков // Пластические массы. —1982. № 2. - С. 43-45.

60. Тихомиров Р.А., Гхенко B.C. Гидрорезание неметаллических материалов. К.: Техника, 1984. - С. 150.

61. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. — М. «Машиностроение», 1971. С. 672.

62. Шиллер J1. Движение жидкостей в трубах. М. J1. ОНТИ, 1936.г* 69. Конторович Б.В. Гидравлика и воздуходувные-.машины."М., Метал-лургиздат, 1950. С. 358.

63. Шерман. Измерение расхода жидкостей. М., Машгиз, 1961. С. 97.

64. Киселёв П.Р. Справочник по гидравлическим расчётам. М. J1., Судпромгиз, 1962. - С. 234.

65. Френкель Н.З. Гидравлика. М. J1., Госэнергоиздат, 1956. - С. 477.

66. Френкель Н.З. Основы гидравлических расчётов. М. Л., Госэнергоиздат, 1951. - С. 363.

67. Ковалевский В.Ф. Исследование и расчет гидросистем горных машин. М., «Машиностроение», 1981. - С. 496.

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

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

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

71. Большее Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М., Наука., 1965.-С. 256. .

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

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

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

75. Венецкий И.Г., Кильдищев Г.С. Теория вероятностей и математическая статистика. М., Статистика., 1975. С. 264.

76. Гнурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М., Высшая школа., 1972. С. 368.84.: Иванов В.М., Калинина ВН., Нешумова Л.А. и др. Математическая статистика. М., Высшая школа., 1981. С. 371.

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

78. Барон Л.И., Глатман Л.Б. Контактная прочность горных пород. М., Недра., 1966. С. 228.

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

80. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов экспериментов//Справочное пособие., М., Наука., 1971.-С. 192.

81. Герасимович А.И. Математическая статистика // Учеб. Пособие для инж. техн. и экон. ВТУЗов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Выш. школа , 1983. - С. 279.

82. Бочаров П.П., Печинкин А.В. Математическая статистика // Учеб. Пособие М.: РУДН, 1994.-С. 164.