автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Обоснование технологических параметров добычи блоков мрамора канатными пилами

Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

Московский ордена Трудового Красного Знгчени горный институт

На правах рукописи ПЕРШИН Геннадий Дальтонович

УДК 622.271.2 : 622.23,054.72 ( 043.3)

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДОБЫЧИ БЛОКОВ МРАМОРА КАНАТНЫМИ ПИЛАМИ

Специальность 05.15.03 — «Открытая разработка месторождений полезных ископаемых», 05.05.06—«Горные машины»

Автореф ерат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в -Московском ордена Трутового Красного Знамени норном институте.

Научный консультант

академик Российской 'АН РЖЕВСКИЙ В. В.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук,'проф. БАККА Н. Т., докт. техн. наук, проф. КАРТАВЫЙ Н. Г., докт. техн. наук БЕЙ В. П.

Ведущая организация — Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-кзыскатсльский институт .по ¡проблемам добычи, транспорта и переработки минерального сырья в про-. •мЫ'Шленности строительных '.материалов («.ВНИПИИстроол-сырье»).

Защита диссертации состоится « У.^. » 1992 г.

в . ^ час. 'на заседании специализированного совета Д-С53.12.01 при Московском ордена Трудового Красного Знамени торнам институте по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-49, Ленинский [проспект, д. 6, МГИ.

'С диссертацией ¡можно ознакомиться в библиотеке института.

'' Автореферат разослан « . » . 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета..

докт. техн. наук, проф. ИЛЬИН С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Природный камень является одним из эстетичных и долговечных отделочных материалов, применяемых для наружной и внутренней облицовки зданий, сооружений гражданского л промышленного назначения.

Потребность в облицовочных изделиях' удовлетворяется в стране на 50...75%, экспортные возможности камнеперераба-тывающей подотрасли очень низки. Такое положение объясняется в первую очередь отставанием объемов добычи блоков •камня от воз-можностей их дальнейшей (переработки. Для достижения соответствия между производством и потреблением облицовочных (материалов и выхода на международный рынок необходимо увеличить ;в 1.5...2 раза добычу блоков, решить вопросы комплексного и полного использования сырья и отходов, повысить качество добываемой продукции до требований «коммерческого блока».

Природно-структурные свойства массива—трочность и трещииоватость—определяют эффективность отработки месторождений облицовочного камня, так как влияют на выход кондиционных блоков и трудоемкость 'подготовки их к выем-■ке. Поэтому в последние годы усилия исследователей к -практиков были, направлены на изыскание таких технологических ¡процессов и технических средств, которые позволяли бы с высокими технико-эконам-и'ческими показателями осуществлять добычу «амня в широком спектре структурно-прочностных свойств породного -массива.

Таким условиям в (полной мере отвечает породоразрушаю-щий инструмент, имеющий в качестве несущей основы стальной (проволочный ¡канат. Канатно-алмазные и «анатно-а-бра-зивные пилы дают возможность добывать облицовочный ¡камень практически любой (прочности и, максимально учитывать горно-геологические особенности 'Месторождения, обеспечивая шри этом требуемые размеры (пиленым товарным блокам и. сохраняя природные качества исходного материала.

В настоящее время создание отечественного режущего ка-натно-алмазного инструмента и канатопильных установок находится на стадии разработки и эксплуатации опыгно-промы-

тленных образцов, а канатно-абразивные ¡пилы имеют ограниченное использование. Сдерживает широкое применение ¡канатных пил на карьерах страны и отсутствие общепризнанной, научно обоснованной методики расчета и оптимизации взаимосвязанных параметров забоя, режима резания и пород ©разрушающего инструмента.

Эти обстоятельства ¡предопределяют актуальность научной проблемы — разработки теории 'комплексной оптимизации технологических параметров добычи блоков мрамора ¡канатными гаилами. Решение проблемы .имеет важное народнохозяйственное значение, поскольку позволяет повысить эффективность добычи бложов облицовочного камня за счет увеличения производительности оборудования, сокращения издержек производства и роста качества продукции.

Цель работы заключается в разработке эффективной технологии добычи блоков природного камня (на примере мрамора) канатны'ми .пилами на основе оптимизации геометрических параметров забоя, 'режимов алмазно-абразивного резания породы и конструктивных параметров инструмента.

Идея работы состоит в установлении и использовании в технологических расчетах зависимости усталостно-прочностных свойств гибкого режущего инструмента, его износостойкости и .затрат на разрушение пород от прочности и трещиноватое™ массива.

Основные научные положения, выносимые на защиту. Автором установлено и доказано, что:

технико-экономическая эффективность применения канатных пил шри ¡крупноблочной добыче мрамора достаточно характеризуется тремя режимно-связанньши показателями ¡процесса распиловки, породы—производительностью, удельной работой и удельным расходом инструмента. Минимизация затрат на распиловку при стоимостной оценке данныех показателей позволяет оптимизировать параметры забоя, режим разрушения н конструкцию инструмента;

влияние прочностных свойств-природного камня на производительность его распиловки предлагается оценивать энергоемкостью и .коэффициентом разрушения материала породы, которые в ¡совокупности определяют обрабатываемость горных иород под воздействием алмазно-абразивного инструмента. Использование показателя обрабатываемости, рассчитанного при рациональных режимах разрушения, дает возможность классифицировать горные 'породы по их способности сопротивляться поверхностному разрушению в технологических операциях пиления, бурения, фрезерования и шлифования;

необходимы,м условием .минимизации удельных затрат на распилоаку ¡природного камня канатными пилами следует считать оптимальное соотношение между шириной щели пропила и длиной контакта инструмента с породой, соответству-

гощее минимуму удельного расхода алмазов, энергозатрат я осевых нагрузок на канат. Данное соотношение должно учитывать время работы каната до его усталостного обрыва и время износа алмазного слоя на режущих элементах;

минимальные удельные затраты на распиловку мрамора достигаются для канатно-абразивных пил — три высоте добычного уступа 5,0...-7,5 м и длине пропила 15...20 м, для ка-натно-алмазных пил — при высоте добычного уступа 1,5... 2,5 м, при этом рациональное ее значение с увеличением прочности лороды снижается, а в пределах данной прочности изменяется обратно пропорционально относительной длине ал-мазорежущей части инструмента.

Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы: теоретическими и экспериментальными исследованиями, проведенными в лабораторных и производственных условиях, достаточной их сходимостью; результатами 'Моделирования и использования предложенных критериев оценки и методов расчета в проектных разработках; опытно-промышленной проверкой и внедрением с положительным эффектом разработанных технологических и технических решений на карьере. Научная новизна:

обоснована экономико-математическая модель алмазно-абразивного резания горных пород при отделении монолитов камня от «массива;

разработан энергетический принцип расчета процесса взаимодействия системы «порода-инструмент» с определением производительности резания, удельных энергозатрат и расхода ^инструмента;

предложен энергетический показатель обрабатываемости камня в процессах разрушения алмазно-абразивньш инструментом, на основе которого дается количественная 'оценка сопротивляемости горных пород механическому 'воздействию;

установлена взаимосвязь между геометрическими, конструктивными, физико-механическими параметрами гибкого режущего инструмента и режимами /процесса распиловки, отражающая рациональное соотношение между шириной щели пропила и протяженностью контакта инструмента с породой;

предложен метод расчета предельных режимов разрушения различных горных пород и проведен анализ причин, приводящих к неплоскосгности реза при канагно-абразивной распиловку;

обоснована аналитическим путем оптимальная геометрия забоя. Проведена систематизация эффективности применения канатных пил в различных схемах отделения /монолитов мрамора. от .массива, в основу которой принята оптимальная геометрия забоя, определяемая по предложенной методике расчета}

'предложены методы расчета конструкций гибкого режущего инструмента с максимальной его работоспособностью.

Значение работы. Научное значение работы заключается в теоретическом обосновании высокоэффективной технологии добычи блоков природного камня канатными .пилами.

Практическое значение работы состоит в разработке (методических принципов для выбора рациональной технологии крупноблочной добычи природного камня с применением канатных шил, методики расчета оптимальных геометрических параметров забоя и режимов алмазно-абразивного резания горных пород гибким инструментом; методе расчета конструктивных параметров гибкого режущего инструмента и рекомендаций по его рациональной эксплуатации.

Реализация выводов и рекомендаций работы

Основные научные положения и рекомендации диссертации использованы при разработке технологической инструкции (ТИ) и технологической .карты (ТК) шо (Добыче блоков (мрамора канатными иилами на .Кибик-Кор до иском карьере ПО «Саянмрамор», а также при разработке технических условий (ТУ) и другой технико-технологической документации в .производстве специальной проволоки, канатов, комплектующих металлоизделий для канатно-абразивных и канатно-ал-мазных -пил.

На экспериментальном заводе ВНИИметиза (г. Магнитогорск), в объеме существующей потребности, организовано опытно-лромышленное .производство гибкого режущего- инструмента.

Новизна технических решений, реализованных в конструкциях «анатно-реж'у.щег.0 инструмента, и приоритет технологических предложений по добыче мрамора канатными .пилами, разработанных на основе результатов представленной работы, защищены атятыо авторскими свидетельствами.

Фактический экономический эффект от внедрения результатов исследования составил 600 тыс. руб. в год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной ■работы докладывались и обсуждались на Научно-технических конференциях Магнитогорского горно-металлургического института и о итогам выполнения НИР за 1985—1988 гг. (г. Магнитогорск), .на Научно-технических (конференциях «Проблемы повышения прочности и надежности стальных канатов» (ir. Одесса, 1988, 1S89 irr.), Всесоюзной научно-технической конференции «Ускорение научно-технического лрогресса в ¡метизном производстве» (г. Магнитогорск, 1986 г.); Первой межотраслевой научно-технической конференции «Прогрессивные технологии скрутки мнотопровол'очны-х элементов и изделий» (г. Ташкент; 1986 г.), Республиканской научно-технической конференции «Технология и оборудование для производства многопроволо'чных витых изделий» (г. Севастополь,

1988 г.), на технических советах ПО «Саянмрамор» (г. Сая-ногорок, 1983—1991 гг.), на заседаниях научного семинара кафедры ТО МГИ «Открытая геотехнология» (т. Москва, 1989—1991 гг.).

Созданные технология и оборудование для (Производства канатно-абра.зишюго режущего инструмента, а также конструкция шильных канатов экспонировались и отмечены серебряными медалями ВДНХ (1977, 1980, 1989 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, в том числе получено 5 авторских свидетельств.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложена на ЗЧЗ страницах, имеет таблиц, 69 рисунков и список литературы из НО наименований.

Автор искренне признателен коллективу сотрудников кафедры «Технология, механизация и организация открытых горных разработок» МГИ за ¡поддержку и полезные советы, сделанные при ¡подготовке настоящей работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

По ресурсам облицовочного камня СНГ (принадлежит ведущее место в мире. В настоящее время разрабатывается 300 месторождений с годовым объемом 920 тыс. .м3 природного камня. Несмотря на существенный рост объемов добычи (за последние 10 лет добыча камня увеличилась ¡в 2 раза) (потребности страны в облицовочных изделиях удовлетворяются не •полностью и практически, не реализуются возможности экспорта.

По сравнению с ка<мнеобработкой, ¡где высокий технический уровень достигнут благодаря внедрению эффективного алмазного инструмента, отсталым и не совершенным является производство добычных работ на карьерах. Особенно сложна '.механизация ¡процессов добычи прочных абразивных разновидностей лриродного камня в сложных горно-геологических условиях, так как использование камнерезных .машин с твердосплавным режущим инструментом (кальцевая фреза, бар) не эффективно из-за быстрого износа и затупления резцов, а буроклиловой и буровзрывной способы — трудоемки, малопроизводительны и приводят к существенным потерям сырья от принятой технологии добьгчных работ и соответствующего оборудования.

Высокие эксплуатационные качества и способность разрушать породы .практически любой крепости дозволяют использовать алмазный инструмент не только для обработки камня, но и для оснащения рабочих органов добычных машин. Поэтому наибольшие резервы совершенствования техники и тех-

нологии при добыче камня средней прочности связаны с разработкой и внедрением алмазного породоразрушающего инструмента.

Использование алмазного инструмента для нарезания, вертикальных и. горизонтальных щелей с целью отделения от (массива единичных блоков впервые было осуществлено на дисковых ¡пилах с диаметром диска 2,5; 2,7; 3 ,м, что позволило производить .пропил шириной 13...15 мм на глубину 1...1,25 м. Ограничение по высоте пропила отражается на конечных «показателях вы,хода товарных блоков, ¡которые предопределяет природная трещиноватость массива.

Применение три добыче .камня баровых машин с цепным приводом и резцами, армированными алмазами, имело цель увеличить глубину ,пропила в массиве породы с тем, чтобы снизить влияние трещиноватости' массива на выход ¡блоков. По сравнению с алмазно-дисковыми пилами баровые ¡камнерезные машины позволяют увеличить тлубину пропила, до 1,5...2,5 м в зависимости от модификации установки. Однако невысокая скорость резания, недостаточная жесткость бара и несущая способность ¡цепи не дают возможности данным машинам достигнуть .производительности дисковых лил, поэтому скорость распиловки единицы поверхности массива у баровых /машин существенно выше, чем у дисковых пил.

Суммируя вышеизложенное, можно -констатировать, что основные недостатки, то которым алмазно-дисковые и алмаз-но-баровые камнерезные машины не нашли достаточно широкого применения на карьерах при добыче природного камня средней прочности, следующие: сложное, громоздкое оборудование (вес 2,5...3 т) и высокая его стоимость; низкая технологическая ¡маневренность ,по фронту работ; ограничение по высоте пропила и высокие потери сырья; значительные удельные затраты на распиловку и добычу кубометра блока; ¡высокий уровень шума, (превышающий нормы техники безопасности.

Все ¡перечисленные недостатки устраняет канатно-алмаз-ная пила, в ¡которой органично совмещаются высокая производительность и экономичность, простота и надежность работы оборудования, технологическая гибкость и универсальность, что открывает перспективу широкого промышленного использования данных установок для добычи и разделки природного декоративного камня ¡практически во всем спектре его физюко-сиеханических свойств. Уникальность по возможностям выполнения глубоких и протяженных пропилов ¡позволяет свести до минимума влияние геометрических ' параметров отделяемых монолитов и естественной трещиноватости массива на выход товарных блоков, ¡что удовлетворяет также и широкому диапазону горно-геологичеоких характеристик место-

рождения. В .мировой практике -канатно-алмазные пилы оценены по достоинству и эксплуатируются .во всех странах, обладающих развитой минерально-сырьевой базой.

Создание и развитие канатно-ал.мазной распиловки природного камня при его добыче базируются на опыте и результатах применения для этой цели канатно-абразивных пил, резервы совершенствования которых далеко не исчерпаны, та/к ¡как отсутствует единая научно обоснованная методология расчета и выбора оптимальных параметров технологии и технических средств .отделения блоков «а.мня /гибким режущим инструментом.

В СНГ на настоящий .момент только Кибик-Кордонский мраморный 'Карьер ПО «Саянмрамор» в промышленном -масштабе освоил и эксплуатирует .канатные пилы. Накопленный опыт и рациональное совмещение работы канатно-абразивных и канатпо-алмазных пил позволили производственному объединению добиться крупных успехов .в (повышении производительности и, эффективности добычи блоков мрамора.

Дальнейшее внедрение и распространение на мраморных карьерах страны канатно-алмазных пил полностью зависит от способности специализированных отечественных предприятий оперативно и в объеме существующих потребностей организовать выпуск «анатно-алма.зного режущего инструмента и канатно-пильных установок. В настоящее время проведена опытно-промышленная проверка отечественного гибкого режущего инструмента, разработаны /проекты установок и изготовлены их образцы, что дает основание для ускорения наметившейся тенденции перевооружения ¡подотрасли отечественным высокопроизводительным оборудованием. Важным фак-торо/м, обеспечивающим успешное использование канатных пил, является разработка научно обоснованных рекомендаций до выбору областей и условий эффективного их применения в системе добычи и разделки природного -камня средней .прочности и на этой базе создание основ рационального ¡конструирования соответствующих технических средств.

Изложенное обуславливает актуальность научных и практических обобщений в теории комплексной оптимизации процесса добычи природного камня .канатными, пилами.

Процессам и технологии открытых разработок на /карьерах строительных горных пород .посвящены труды В. В. Ржевского, Н. В. Мельникова, К. Н. Трубецкого, В. Р. Рахимова, Н. Т. Бажкн, И. В. Шлаина, Р. А. Родина, А. С. Чиркова, А. И. Косолапова, В. И, Дьячу-ка, М. Т. Мамасаидова, Р. В. Акопяна, Н. А. Малышевой, >В. Н. Сиренко, К. Е. ¡Винницкого, В. П. Бея.

Общие вопросы исследования и создания породоразруша-ющего алмазно-абразивного инструмента для добычных работ разработаны в трудах В. А. Александрова, К. С. Ва.рда-

няна, А. Ф. Кичигина, Ю.И.Сычева, Ю. А. Черкашина, Е. К. Субботина, Н. Г. Картавого.

Учитывая в структуре себестоимости добычи существенную долю затрат до 70—80%, приходящуюся на технологический процесс отделения от массива блоков камня, особое вни,-|.мание в работе уделяется режимам алмазно-абразивного резания, влиянию геометрии забоя и конструктивных параметров инструмента на эффективность распиловки.

Экономико-математическая ¡модель поверхностного разрушения торной породы алмазно-абразивным инструментам составлена на осносе взаимосвязанных через режимные параметры резания и геометрические параметры забоя критериев процесса взаимодействия системы «порода — инструмент», достаточно характеризующих эффективность применения инструмента в технологическом комплексе добычи блоков природного камня различной прочности. Полученное уравнение имеет вид:

= -Л, + Ь (СэА^ + Си?аЯуд)> РУб/м2' 0>

где С5—'удельные затраты на алмазно-абразивную распиловку; Со — стоимость одного часа работы канатной ¡пилы без учета стоимости инструмента и электроэнергии; С» —стоимость электроэнергии в единицу времени; С„ — стоимость одного карата алмазов в инструменте (или стоимость единицы веса пильного «аната); К„0 —коэффициент использования камнерезного оборудования во времени; уа — масса алмазов в каратах, -содержащихся в единице объема алмазонесущего слоя инструмента (или удельный весшильного каната); /4уд — работа взаимодействия системы «порода-инструмент», отнесенная к единице объема разрушенной породы; Яул — объемный износ алмазного инструмента' (пли пильного каната), приходящийся на единицу объема разрушенной породы; Уп — скорость подачи инструмента, на забой; Л — высота пропила (уступа или блока камня); Ь — ширина щели пропила.

Ширина щели пропила определяется внешним диаметром алмазорежущей втулки, поперечные размеры которой зависят как от диаметра, каната, так и от толщины алмазонесущего слоя. Оптимальным соотношением указанных геометрических параметров инструмента ¡можно считать такую взаимосвязь между ними, при которой заданная наработка каната по условиям его усталостного разрушения должна соответствовать времени полного износа алмазонесущего слоя режущих элементов. При канатно-абразивной распиловке ширину, щели ¡пропила определяет диаметр каната, поэтому его величина должна обеспечивать такую несущую способность канату, которую необходимо иметь для безаварийной эксшгуата-

ции в течение времени, заданном степенью износа каната на соответствующую величину. В общем виде рассмотренная связь имеет следующую форму:

b ~ J h), (2)

гдеа„—контактное напряжение между инструментом и породой.

Критерии КП) Лу1 и /?ул представляют функции от режимов резания, физико-механических свойств .породы и алмазно-абразивного инструмента. Поэтому экономико-математиче-сжая модель (1) дает возможность произвести оптимизацию ■процесса распиловки как то геометрии забоя, так и по режимным параметрам в зависимости от (прочностных свойств породы и конструктивных особенностей инструмента. Задача в такой (постановке тем более актуальна, так как (позволяет через оптимальную геометрию забоя выявить рациональные схе-1мы отделения блоков камня от массива »обоснованно делать расчеты элементов системы разработки.

В свою очередь геометрия пришила и естественная трещи-новатость массива месторождения определяют выход товарных блоков облицовочнгоо камня и себестоимость добычных работ, отнесенных к единице объема .породы Cv. Учет влияния природных структурных особенностей .месторождения и геометрических параметров отделяемых объемов камня на эффективность процессов .подготовки камня к выемке и разделки его на товарные блоки существенно дополняет экономико-математическую модель (1), так как дает возможность комплексно оценить взаимосвязь природных факторов и .применяемой технологии на конечные результаты работы по добыче блочного камня. Синтезирующим уравнением такой взаимосвязи является выражение:

Ск - IS (CsSp) + К6\ /<с'Дел, руб/м3, (3)

где Кь —удельные затраты на бурение скважин и завалку монолита; 5Р — удельная площадь разделки (распила); В6л —• коэффициент выхода блоков; Кс — степень использования камня (пониженного качества для производства облицовочного и строительного материалов.

Таким образом, основное содержание и .последовательность изложения материала диссертационной работы вытекают из необходимости определения критериев, составляющих экономико-математическую .модель процесса отделения блоков камня от природного .массива различной .прочности и естественной трещиноватости путем резания канатными пилами,с последующей оптимизацией на основе данной модели режимов разрушения, геометрии забоя и параметров системы разработки.

Процесс разрушения горной породы необходимо рассматривать во взаимодействии системы «порода—алмазно-абразивное зерно — инструмент», в которой одновременно путем .многократно (повторяющихся на микроуровне актов взаимодействия ¡происходит разрушение ¡как породы, так и инструмента. Момент разрушения материала ¡породы (инструмента) наступает при достижении предельной энергии, которую способна (Поглотить кристаллическая решетка. Поэтому, сточки зрения энергетической теории, механизм поверхностного разрушения породы алмазно-абразивным инструментом с качественной стороны носит общий характер и отличается только количественными .показателями, зависящими от физико-меха-ничеоких свойств породы и инструмента и технологических особенностей ¡процесса, из которых следует выделить условия выноса шлама из зоны резания (разрушения) и условия охлаждения инструмента.

Показатели производительности разрушения горных пород алмазно-абразивньш инструментом могут быть определены из энергетического принципа, постулирующего линейную (пропорциональность количества диспергированного материала от механической энерти сил алмазно-абразивного резания:

Q = nb=Vnbl = *i.P„V„ (4)

■Эп

где Q — объемная производительность разрушения; П — производительность распиловки; I—длина или высота, пропила в зависимости от схемы распиловки; Р„ — сила нормального давления инструмента на (Породу; Vp—скорость резания;

—1 коэффициент алмазно-абразивного разрушения (реза-зания) породы; Эп — энергоемкость разрушения материала породы.

Направленное разрушение горной .породы идет при непрерывном износе режущего инструмента, поэтому необходимы исследование и расчет закономерностей протекания износа инструмента во времени. Так, показатель скорости объемного .износа инструмента определяется как

(5)

•где Эк, Рр" — энергоемкость и коэффициент разрушения материала инструмента.

Критерием же эффективности взаимодействия системы «порода — режущий инструмент» является удельный расход инструмента, представляющий собой отношение интенсивности износа инструмента к показателю ¡производительности

(процесса, наиболее полно (качественно) характеризующему данный способ разрушения:

D И И1Ь И/Ы Э„ «уд — — -7f- — —7- — -г- • w

Q // VB jip

Одновременное разрушение породы и инструмента сопровождается поглощением внешней энергии. Показателем энергетического баланса исследуемого процесса служит мощность распиловки, бурения, шлифования, ¡которая представляет собой (.мощность непосредственного разрушения (породы и мощность, связанную с непроизводительными затратами энергии на трение, а также на износ инструмента:

/V --= ^р" + iV + Ьр) Ра Ур = ?РЯ Vp, (7)

где ртр —/коэффициент трения; ¡л—коэффициент распиловки.

Однако наиболее показательно энергетические затраты при взаимодействии системы «порода — инструмент» отражает удельная работа процесса, определяемая как отношение

/мощности & объемной производительности:

= J^ . ; 8

* Q П tV

Данный »критерий устанавливает взаимосвязь между интенсивностью (темпом) изменения мощности и производительности процесса и поэтому является контрольным показателем энергетической эффективности процесса и его режимов.

Для определения энергоемкости разрушения принята, существующая аналогия ¡между процессами поглощения энергии кристаллической решеткой три /механическом нагружении до разрушения и при нагреве до состояния полного расплавления. Данная аналогия базируется на положении о независимости удельной энергии разрушения от вида подводи-мой энергии, что позволяет использовать термодинамические константы материала, для расчета условий разрушения .при механическом нагружении. На основе рассмотренной аналогии и анализа напряженно-деформированного упругого полупространства, вызванного воздействием сферического индентора, нагруженного нормальными и ¡касательными силами, определены аналитические выражения для количественной оценки энергоемкости разрушения материала горной /породы Э„ и .коэффициента разрушения как функции свойств породы, комплекса свойств и показателей инструмента, а также режимных параметров Ра и Vp.

Наряду с аналитическими расчетами возможен /полностью экспериментальный метод нахождения Э и рр по ¡показателям .производительности разрушения породы, стойкости инстру-

менга и затраченной при этом энергии. Однако в этом случае определяется не каждая в отдельности величина Э и |хр, а их соотношение и:з установленных уравнений связи (6; 8)

__L.. (9)

9 ~~ А ' Ч А уд'

^п ""'п "уд

для чего необходимо располагать экспериментальными данными зависимостями удельной работы разрушения Луд, удельного расхода инструмента Ryí и коэффициента ц, от режимных параметров (Процесса для каждой конкретной пары «порода — инструмент».

В (практике камнсдобычи и. обработки природного камня существуют различные классификащии количественной оценки сопротивляемости 'пород .механическому разрушению, (построенные на использовании базовых (физико-технических свойств материала, отражающих в основном его способность поддаваться разрушению на (Макроуровне. Энергетический .принцип в теории поверхностного разрушения материалов дает общий подход к обоснованию показателя обрабатываемости .природного камня в технологических процессах алмазно-абразивного пиления., бурения,, шлифования, фрезерования.. Степень эффективности обработки строительных горных пород под дей-стем рабочего инструмента в полной мере характеризует показатель А уд/ц, определяемый для конкретных (оптимальных) режимов обработки. При этом оптимальным режимам разрушения должны соответствовать следующие .минимаксные условия: Q-í-max при ->min или Ryi ->-min. В качестве объединяющего все три технологических критерия эффективности процесса разрушения (Q, Луд, Ryí) может быть использовано экономическое условие минимальных удельных затрат, связанных непосредственно с конкретной операцией обработки продукции. Тогда показатель обрабатываемости ЛУд /¡л, -будет находиться для режимов разрушения горной .породы, которым соответствуют .минимальные удельные затраты на обработку Cs = min.

Практический интерес .представляет сравнение технологической 'производительности процессов алмазно-абразивной обработки эталонного и испытуемого камня /Со= Qst/Q; • Обрабатываемость одних и тех же торных пород неодинакова в связи с применением различных видов инструмента, а также режимов обработк», так как на производительность процесса, помимо »показателя энергоемкости разрушения породы Эп, оказывает влияние коэффициент разрушения црп, который зависит от свойств породы, инструмента и от режимов разруше-

ния. .Показатель обрабатываемости Ко — (-ь- I ||-£Г • оп"

1 Л )эт I ( Эи \

ределенный аналитическим 'путем три разрушении породы единичным зерном для существующих в настоящее время силовых режимов работы дисковых, «штрипсовых и канатных пил, приведен на рис. 1, где в качестве эталонного образца породы принят наиболее распространенный вид камня — ко-елгинский ¡мрамор со следующими физико-механическими показателями: модуль упругости Е = 460 МПа; микротвердость Н = 1420 МПа.

Эффективность поверхностного разрушения породы во многом определяется силовым режимом работы гибкого инструмента, поэтому всестороннее изучение рациональных условий контактного взаимодействия является основой для выработки практических рекомендаций по обоснованию схем пиления и. отделения блоков камня от массива, по эксплуатации и конструированию инструмента, а также для расчета энергосиловых параметров оборудования. Зависимости для определения «максимальной силы натяжения «каната Ртах, силы рас-«пиловки Ярзс , силы резания Ррез,'силы «подачи Р„ инструмента на забой имеют следующий вид:

Р —Р р!' ?- Р __ Р /р!*? - 1 V

1 гпах ' ос- > 1 рас - г о I1- 1 п

- 1)

, =~- Ро —-- ; Рп = Ро (е^ + 1) з1п <?/2.

(10)

Как видим, силовой режим процесса, разрушения канатным режущий1 инструментом обеспечивается двумя технологическими параметрами, через которые реализуется нормальное давление инструмента на породу: силой натяжения каната на входе в пропил Р0 (сила предварительного натяжения) к углом охвата «ср блока камня «канатом. Сила резания характеризующая шородоразрушающую способность инструмента, будет увеличиваться по «мере роста силы предварительного натяжения Ро и угла охвата, ср. Ограничивающим фактором роста Р рез является условие предельной несущей способности каната, обеспечивающее безаварийную (безобрывную) работу инструмента за планируемый период его эксплуатации,:

Ятзх --- Рпр1[п],

где Рпр- — статическая прочность каната; [п] —коэффициент запаса «прочности.

С учетом сказанного зависимость «предельной силы резания принимает вид:

^р" Рпр ^р" Рпр

7" _М ?Т \п\'

^рез" (1 — е-"'-?) ---------, (11)

где —коэффициент полезного использования несущей способности гибкого режущего инструмента.

Важным результатом полученного соотношения является аналитическое доказательство повышения эффективности распиловки гибким инструментом заданной несущей способности с ростом угла охвата (рис. 2).

На /практике это нашло отражение в применении канатных пил с углами охвата распиливаемой породы в 180° и выше. Распиловка кольцевым гибким контуром по схеме «петлевого охвата» монолита или блока камня становится возможной с разработкой и внедрением канатно-алмазного инструмента, так как инерционный срыв абразивной пульпы в ка.натно-аб-разивных «илах не позволяет эффективно вести процесс разрушения породы с углами охвата свыше 60°. Кроме того, внедрение «анатно-алмазното лиления по схеме «.петлевого охвата» породы привело к разработке и созданию установок, существенно отличных от «анатно-абразивных шил, так как они ¡получили принципиально новое конструктивное решение на основе компоновки традиционных узлов и механизмов в единый малогабаритный агрегат на 'Передвижной тележке.

На эффективность пиления канатно-алмазным инструментом, помимо угла, охвата ср, оказывают влияние количество участков изгиба и радиус изгиба несущего каната в системе навески гибкого контура, определяемой схемой отделения блоков камня от массива породы (рис. 2). Применение направляющих роликов малого диаметра существенно, иногда на. порядок, снижает усталостную стойкость несущего каната и, таким образом, время.его работы (ом. табл. 1).

■В дисковых и .полосовых (штрипсовых) пилах форма поверхности забоя в нарезаемой щели однозначно определяется геометрией рабочего инструмента. 'В канатных .пилах геометрия линии контакта инструмента с породой в плоскости, распила зависит как от силовых факторов, так и геометрических параметров процесса резания. Используя принцип возможных перемещений и модель канатного режущего инструмента в форме абсолютно гибкой нерастяжимой нити, были определены условия равновесия и отвечающая им поверхность забоя, вдоль которой выполняется .постоянство погонного нормального давления, т. е. f„ = const. Таким образом, форма кривой контакта инструмента с породой определяется траекториями (изолиниями) равного погонного нормального давления со следующими геометрическими параметрами:

длина контакта инструмента с породой —

. (12)

fi sin 9/2 (е*? + 1)

текущий радиус кривизны линии контакта —

е*Ч (13)

sin ©/2(е|"?-+- 1)

Таблица 1

Техническая характеристика и время работы канатно-алмаэного инструмента при различных схемах выполнения пропилов

в массиве породы

Номер схемы (рис. 2) Длина контура в системе навески м Скорость перемещения контура Ур» м/с Минимальное количество участков изгиба контура Отношение диаметра изгиба к диаметру каната О/4 к Число циклов изгиба до разрушения каната г Прогнозируемое время работы контура 'ю ч

I 20-40 20—30 4 40—200 (100—150)103 15—20

II 20—40 20—30 6 40—200 (100—150) 103 10—15

III 20-40 30—40 2 150—200 (400—500) 103 60—80

IV 20-40 30—40 4 80—200 (300—400) 103 20—40

•где I — протяженность пропила в направлении, перпендикулярном направлению действия скорости (силы) подачи инструмента на забой; в зависимости от схемы распиловки это может быть длина или высота блока (монолита) камня; к1 — .коэффициент' приведения длины ¡контакта инструмента с породой к высоте (длине) пропила.

.Решение данной задачи позволило записать все силовые факторы контактного взаимодействия системы «порода — инструмент» В1 дифференциальном виде через нормальное напряжение оа на элементарном уровне, характеризующем эффективность процесса алмазно-абразивного разрушения. В этом случае каждая результирующая сила будет представлять сумму соответствующих элементарных сил, действующих вдоль линии контакта:

Лпах = Р&ЛЧ^: ^рас = рЬакра1Ь\

= :P* = Vl + (14)

где kt — kn — lbl(lb -f lc) — коэффициент прерывисто-

сти режущей поверхности гибкого контура —длина алма-зорежущего элемента; 1С—расстояние между алмазорежу-щими элементами).

Далее рассмотрено влияние геометрии тропила (высоты и длины) на такой важный .критерий эффективности процесса как производительность резания. При этом необходимо различать три стадии пиления: запиловку, основное пиление, до-лиливание реза. На первой и третьей стадиях происходит непрерывное изменение длины контакта инструмента с породой, поэтому данные стадии пиления можно охарактеризовать как нестационарные. На основе расчета времени проходки пропила заданной площади в стационарном и нестационарном режимах определена как средняя по забою величина .производительности:

П3 —-^-. (15)

(1+0,5 А//)

С уменьшением отношения hjl производительность резания по забою увеличивается, так ¡как в этом случае ¡уменьшается доля площади нестационарных .процессов пиления по отношению .к общей площади пропила.

Входящие в выражение производительности скорость подачи инструмента на за'бой Уп и высота пропила h могут быть определены через предельный силовой режим, которому отвечают следующие условия:

JC Лф/М

Эа vknkL b[an[n

На практике .предельное контактное напряжение [сг„ ]п устанавливают, исходя из факта отсутствия прироста производительности распиловки с увеличением нормального давления инструмента на породу. Поэтому (предельную величину |п определяет максимально допустимое заглубление алмазных зерен инструмента, когда отсутствует контакт материала связки с неразрушенной .породой.

Ширина пропила Ь и статическая прочность каната Р пр — взаимосвязанные величины, так как ширину пропила определяет диаметр несущего каната с1к и поперечные размеры ал-мазо'режущих элементов. Эта взаимосвязь может быть установлена из силового расчета минимального допустимого диаметра каната от (параметров его эксплуатационного нагруже-ния, основу которого составляют напряжения растяжения от усилий распиловки и напряжения изгиба, возникающие .при огибании натянутого инструмента вокруг распиливаемого монолита камня, приводного шкива и направляющих роликов камнерезной установки. В работе установлено и доказано, что если выполняется условие 1>/б/к>100 (£> — диаметр изгиба), то расчет минимального диаметра каната, можно вести без учета влияния изгибных напряжений по следующей упрощенной зависимости:

где й?„ — внешний диаметр алмазорежущей втулки (йв —Ь)\ ов — временное сопротивление разрыву материала, проволоки каната; А,—коэффициент заполнения сечения каната металлической частью.

Из полученной зависимости следует функциональная связь между диаметром каната и шириной пропила, согласно которой с увеличением ширины пропила увеличивается и; диаметр каната, поскольку повышается уровень осевой нагрузки на инструмент. При этом выбор внешнего диаметра алмазорежу-щих втулок, т. е. ширины .пропила, остается произвольным и не связывается какими-либо дополнительными условиями. На .практике, как правило, применяют режущие втулки с неоправданно завышенным алмазоносным слоем. Поэтому наблюдается существенное несоответствие между временем работы каната до полного, либо частичного разрушения наружных .проволок из-за их усталостного обрыва и временем износа алмазоносного слоя на рабочих элементах. Данное обстоятельство заставляет (после браковки каната по признаку усталостного разрушения) работавшие алмазорежущиё втулки попользовать на новых канатах второй и третий раз, что предусматривает операции разборки отработанного инструмента и извлечения рабочих элементов. Завышенный диаметр

режущих втулок, .кроме увеличения осевой нагрузки на канат, повышает также удельный расход алмазов и. электроэнергии, т. е. удельную себестоимость пиления.

Задача определения рационального соотношения между усталостно-шрочностньши свойствами несущего каната и абразивной износостойкостью алмаз о режущих элементов является необходимой и относится к комплексу мер по .повышению эффективности .применения канатных лил при. добыче и разделке природного камня. 1В основу расчета рационального соотношения поперечных размеров каната и режущей внулки положено условие их равной во времени наработки. Время работы ¿к кольцевого контура, каната длиной Ь до усталостного обрыва наружных проволок и время разрушения (износа) ta алмазоносного слоя на режущих элементах определены следующим образом:

¿к = — и- (А2—'/2)---(Ш)

у Ур Мз5в/М #уд Ур

где к = с?в/йк; у — с101ёи (й0—внешний диаметр .металлической втулки, на которой расположен алмазоносный слой); / — количество участков изгиба в системе навески гибкого инструмента; г — количество «циклов изгиба до разрушения наружных проволок каната.

Число циклов наработки каната, примем .в форме статистической ¡модели, в «оторой число циклов на изгиб при полном либо частичном разрушении проволок каната характеризуется многофакторной зависимостью вида:

где од; сц; аг; аз — постоянные, характеризующие материал, конструкцию каната и условия его нагружения (в области многоцикловой усталости а)>|Г; а2> 1; аз<1).

Искомое уравнение, рациональным образом связывающее основные поперечные размеры канатно-алмазного инструмента, определяется из равенства ¿к

К \Шз „„„ /й^о^-^

(20)

Параметр К в данном случае есть комплексный коэффициент, выражающий усталостнонпрочностные свойства несущего каната, его конструкцию и конструктивные особенности гибкого режущего инструмента (¿гг; /г3; кп\ ав), а также условия-силового нагружения .каната (1>; \ [л]; ]). Кроме того, данный

где К

Чг } К А

уд

/ и«/ ч«ь

Рис. I. Показатель относительной обрабатываемое«

(галимоспг) камня алиаенш ревущим инструментом

0,60" 0,45 0,30 0,15

Щг

с у

1 1

л ; [г - Гяо+к/г

--=г-—-— .

1 1Г

\

Ж -

ш .—-—1— Ал) * / \ 1ч *

у

Рис. 2. Значение коэффициента полезного г пользования несущей способности гибкого рекущего инструмента от угла охвата и схемц выполнения пропилов

Рис. 3. Зависимость оптимальной высоты пропила (уступа) от коэффициента £„ для камня различной прочности (I - с./си =0,5 карат/ч; 2 - с„/с, = 0,75 карат/ч)

Рис.4. Изменение удельных затрат на распиловку от высоты уступа и прочности камня

О 2,5 5,0 15

Рис;,Ь. График аышсимоети относительной производительности резания канатно-алшзной пилой от длины пропила

?ко. 6. Прело¿ыш о1»{!^оук розашш «ашагни-аорсщиыюй ш»«ои

и у£:ыю::;.;осш от угла охмата в длили пропила

ка оптимальный угол охвата

аз

О 20 40 60 ВО

Рво.8. Гр^нк ааииог-'ласти щювзиоднтслыаотя расашш от

ух ля охэр'-а при рэилзташх отвзгктмт дли;:'; к кис ото пропила

Пу

Мус

го

<Р 0,5

О М М й (ПИ6 2о £

Рис,9. Графкк зависимости производительности резания от длтшы прошла при различных отношениях длины к высоте пропила

Рис. 10. Рациональная связь между длиной и высотой пропила при канахно-абразивной распиловке

V

мЧ1 ¿Р

1,0

Рио. II. Зависимость максимальной производительности резания канатно-абразивной пилой от высоты пропила (уступа)

коэффициент отражает абразивную износостойкость режущих элементов (/?уд) и сопротивляемость горных пород алмазно-абразивному разрушению (Л?д).

Совместное решение системы уравнений (1(7), (20) ¡позволяет определить как диаметр жаната, так и соответствующий ему внешний диаметр рабочих элементов (ширину пропила) в зависимости от технологических .показателей процесса распиловки и .конструктивных параметров гибкого режущего инструмента.

Исследования показали, что наиболее эффективным направлением конструирования гибкого режущего инструмента является вариант, по которому диаметр несущего каната йк принимается постоянным, а коэффициент прерывистости режущей поверхности. устанавливается, сообразуясь с высотой пропила Л, для поддержания значений оп и [п] на неизменном заданном уровне. Тогда, необходимо иметь лишь набор различных то длине дистанционных элементов (пружин) при полной унификации всех элементов инструмента .по диаметру. Снижения производительности распиловки из-за уменьшения высоты пропила не происходит, так как при этом увеличивается коэффициент Конечный выбор диаметра каната в данном случае связан с технико-экономическим обоснованием оптимальной ширины пропила по критериям, оценивающим эффективность работы .канатной пилы (1).

Задача в такой постановке становится возможной с определением зависимости ширины пропила от технологических параметров .процесса резания. Анализ зависимости ширины Ь от высоты к пропила показывает, что в первом приближении рассматриваемая связь имеет линейную форму:

Ь = (21)

где к3 — комплексный коэффициент пропорциональности.

Данное допущение упрощает оптимизацию функции (1) с целью обоснования рациональной высоты пропила и силовых режимов алмазно-абразивного разрушения породы. Минимальной себестоимости пиления единицы поверхности камня соответствует условие йС^йк = 0 и тогда оптимальная величина к определяется .как

Ас

1

кпо„

1 С0

0,5

. (22)

На область оптимальных значений высоты пропила существенное влияние оказывают коэффициент прерывистости режущей поверхности /г„ и величина (контактного напряжения ап-Контактное напряжение а„ должно всегда отвечать условию разрушения породы в режиме .микрорезания, когда .вели-

2*

19

чина заглубления алмазного зерна достигает определенных величин, достаточных для возникновения в зоне контакта напряжений, 'Превышающих п-редел прочности горной породы. В противном случае реализуется упругий контакт на поверхности взаимодействия и практически вся подводимая энер.гия расходуется на трение и формоизменение алмазного зерна на уровне его микронеровностей. В результате этого наблюдается так называемое «.заполирование алмазного инструмента» и. снижение до минимума его породоразрушающей способности. Таким образам, эффективный силовой режим разрушения породы, предотвращающий заполирование алмазного инструмента, можно выразить в виде следующего неравенства: а„>- [о„|м, где контактное напряжение [ол]ы отражает условие перехода от внешнего трения к микрорезанию.

Анализ доказал, что в качестве переменного управляемого параметра гори определении оптимального диапазона высоты пропила должен рассматриваться лишь коэффициент прерывистости режущей поверхности. Закономерность экономического соотношения между высотой пропила и коэффициентом fen такова, что наименьшему значению последнего соответствует предельная оптимальная величина высоты; пропила, т. е. между параметрами h0„ и k„ существует обратно пропорциональная связь.

Коэффициент шрерывистости режущей .поверхности kB является основной характеристикой конструкции инструмента, так как показывает долю длины контура, приходящуюся на. алмазорежущие элементы. Данный коэффициент имеет максимальное и минимальное значения. Минимальная величина /г"1'" 'соответствует такому положению алмазорежущих втулок вдоль каната, когда при его изгибе на распиливаемом блоке камня отсутствует контактное давление дистанционных элементов на. дно пропила. Расчеты и практика, доказывают, что применение гибкого режущего контура с коэффициентом ka меньше 0,15 нецелесообразно из-за низкой стойкости дистанционных элементов.

С другой стороны, максимальное значение коэффициента ограничивает конструктивное условие, при котором жесткость гибкого режущего инструмента существенно повышается с уменьшением расстояния между алмазорежущими втулками. , что в итоге ведет к снижению усталостной работоспособности каната. На. основании конструктивных соображений максимальная величина коэффициента прерывистости режущей поверхности инструмента может быть рекомендована в пределах ft™" =0,5...0,6.

Определив таким образом реальный интервал варьирования коэффициента k„, .мы устанавливаем и экономически обоснованные пределы изменения высоты пролила, в рамках ко-

торых достигаются наименьшие удельные затраты, связанные непосредственно с производством пролила (рис. 3, 4).

Исследования показывают, что для применяемого в настоящее время канатно-алмазного инструмента с удельньим расходом уарр"/Э„ ='(0,75...2,0) • 10~8 карат/Дж на горных породах типа мрамор с пределом прочности стсж =50,0...150,ОМПа для соотношения удельных долей затрат на зарплату, обслуживание и инструмент в пределах С0/С„ =¡(0,5..Л,0 карат/ч) и коэффициентом использования оборудования /С„0 =0,5...0,75, минимальные затраты по обнажению единицы поверхности забоя достигаются при нивкоуступной технологии добычи объемов камня, когда высота уступа не превышает максимального размера товарного (кооммерческого) блока. С повышением прочности мрамора оптимальная высота уступа снижается, а предельной величине добычного уступа /гу =¡1,5—2,5 м соответствует =0,2...0,11|5, для которого удельные затраты на распиловку минимальны. Для разделки и пассировки некондиционных блоков А <1 м в зависимости от прочности по-конгактного взаимодействия системы «порода — инструмент» мазный инструмент с коэффициентом прерывистости режущей поверхности /гп =0,25...0,5.

Рациональная длина пролила может быть установлена из условия обеспечения максимальной производительности, распиловки по забою (15), откуда следует, что уже при /г//> 2 средняя производительность резания выше 4/5 от производительности установившегося режима, т. е. Я3>0,81/ПЛ (рис. 5). Поэтому длина пропила для добычного уступа /гу =1,5 м должна быть />3м, а для /¡у =2,5 м />5 м.

Обоснование рациональной высоты пропила дает возможность определить и рациональную ширину щели пропила Ь = = 6...8 мм согласно соотношению (21). Тем самым решается задача по проектированию и созданию высокоэффективного канатно-алмазного инструмента, в котором основные геометрические параметры, характеризующие конструкцию инструмента, взаимосвязаны с технологическими показателями процесса распиловки.

Предложенная методика расчета рациональных геметриче-ских параметров пропила имеет экономическую основу и направлена на разработку и внедрение алмазосберегающей технологии добычи и обработки природного камня. С помощью полученных оптимальных соотношений устанавливают экономически целесообразные ло высоте габариты монолита, блока камня, разделываемые канатными пилами как непосредственно в забое, так и при последующей переработке их в блоки или плиты-заготовки. При> этом рациональная высота пропила закономерно увязывается с конструктивными параметрами гибкого режущего инструмента, а именно с внешним диаметром алмазорежущих элементов и шагом их расположения

>по длине контура. Результаты исследований имеют основополагающее значение для технико-экономических расчетов процесса резания горных пород и .могут быть обобщены на все виды алмазного инструмента.

Характерной особенностью процесса канатно-абразивной распиловки является применение свободного абразива, в результате чего наблюдается ряд отличий динамического характера при взаимодействии системы «порода—абразивное зерно— инструмент». С движущимся в пропиле канатом сцепление абразвных частиц, расположенных вне режущей зоны, осуществляется вследствие силы тяжести абразива. Следовательно, при движении каната по кривой, заданной уравнением линии реза, абразивные частицы, также вместе с канатом, перемещаются по данной кривой. Беспрепятственное проникновение абразива в зону резания обеспечивается при сохранении связи частиц абразивной пульпы с канатом. Нарушение связи происходит в результате инерционного срыва частиц, когда скорость движения каната превышает критическое значение:

VKP = te?. Sin ?/2р = {kvglf-\ (23)

;где g —ускорение свободного падения; ро — радиус кривизны траектории забоя в точке входа каната в пропил;

kv = (]ír+J2 cig Ф/2)/(е"+1).

При инерционном срыве абразивных частиц наблюдается снижение коэффициента абразивного резания и производительности распиловки. Полученные расчетным путем величины предельных (критических) скоростей резания для различных значений длины пропила и углов охвата ¡приведены на рис. 6. Расчет шолностью согласуется с экспериментальными данными, что позволяет достоверно и обоснованно рекомендовать критическую скорость в качестве оптимального режимного параметра.

Наряду с предельными скоростями резания при канатно-абразивной распиловке существует и предельное силовое наг гружение инструмента на породу. Такое положение связано с особенностями силового нагружения абразивной частицы в зазоре между поверхностью каната и дном пропила. В случае, если тангенциальная сила взаимодействия частицы и. породой .(сила распиловки) уравновешивается силой нормального контактного взаимодействия между частицей и, канатом (сила давления каната), то возникает состояние равновесия, когда все абразивные частицы, заклиненные в межпроволач-ных зазорах каната, будут передвигаться «месте с канатом вдоль поверхности распиливаемой породы. Это означает, что отсутствует перемещение каната относительно ¡поверхностей

контакта с частицами. Погонную силу давления каната на породу [/п], соответствующую данному равновесному состоянию, можно считать предельной, так как ее дальнейшее повышение вызывает только увеличение непроизводительных сил трения .между канатом и породой и не влияет на .погонную силу резания. С другой стороны, осуществляя распиловку с нормальным усилием, меньшим предельного значения, мы допускаем (перемещение каната относительно контактных поверхностей абразивных частиц, т. е. работаем в заведомо неблагоприятных условиях дл'я каната, когда происходит его непосредственный износ от применяемого абразива. ■

Аналитическим путем найти предельную силу давления инструмента на забой практически невозможно из-за произвольной ориентации режущих поверхностей частицы, прерывистости резания, переменой толщины среза и других непостоянных в процессе разрушения факторов. Поэтому объективные и достоверные данные могут быть получены только из эксперимента. Обработка экспериментальных результатов, полученных на стационарной канатной пиле при использовании в .качестве абразива кварцевого песка и пильного каната трехпроволочной конструкции для различных горных пород (мрамор, андезит, базальт, гранит), дает следующие значения предельного погонного давления: [/„] = 100... 300 н/м ([ст.,] =0.025...0,075 МПа). Применение другого абразива и конструкции пильного каната ..может существенно изменить предельное давление и предельную силу резания.

Таким образом, условию предельной погонной силы [/„] или предельного контактного напряжения [с„] = [7,,]/^ соответствует .процесс разрушения горной породы с максимальной .производительностью при минимальных удельных энергозатратах к удельном износе каната. Уравнение связи, отвечающее (Предельному силовому режиму, имеет .вид:

¿к. (24)

4 [=.„]

Данное соотношение позволяет оценить предельную длину пропила в зависимости от прочностных возможностей .каната ■и рациональных условий контактного взаимодействия системы «порода — инструмент», обеспечивающих максимальную эффективность процесса распиловки.

С установлением предельных значений режимных параметров [оп] — ^п]/Ь, = и накладываемых на процесс технологических связей в форме (24) появляется возможность расчета максимальной производительности канатно-абразив-ной распиловки:

(25) 23

Полученная зависимость производительности резания характеризует этап установившегося (основного) .пиления. Для определения средней по забою производительности необходи-«мо рассмотреть нестационарные процессы, относящиеся к стадиям запиловки и допиливания ре:за, когда происходит непрерывное изменение во времени угла охвата и длины контакта каната с породой. На стадии залиливания, постепенно увеличивал угол охвата, создают давление .каната на породу и врезаются в массив. На стадии допиливания угол охвата непрерывно уменьшается от значений, с которыми ведут основное пиление <р, до значений угла, которыми оканчивают рез, <?к.

В зависимости от длины I, высоты Н пропила и угла охвата ф соотношение площадей пропила, приходящихся на стадии запиловки, установившегося пиления и допиливания будет различным. В общем случае на долю нестационарных процессов приходится следующая площадь: — фI2. Тогда вре-

8

мя запиловки и допиливания ¿н а также время основного пиления ¿о определяется по следующим соотношениям:

(26)

п0 па

На основании, этого определяем среднюю производительность пиления по забою .площадью 5 = 1к:

S П —=---. (27)

Анализ выражения (27) .показывает, что с уменьшением 1/к ■при условии равенства I предельной величине (24), средняя .производительность Я3 возрастает до значений производительности основного пиления П0, так как уменьшается доля .площади, пиления в нестационарном режиме в общей площади. забоя. Минимальная средняя производительность соответствует отношению ///г = ,8/ср, при .котором отсутствует процесс основного пиления, т. е. когда пиление монолита полностью осуществляется 'в нестационарном режиме.

Зависимость средней производительности по забою П3 имеет .максимум, которому соответствуют углы охвата, определяемые из следующего трансцендентного уравнения:

р <1^11 _ 0.51^/2 = -----11/гЫ^-_ (28)

— 1)

1 + у |-(1п?/9к-1)

На рис. 7 графически представлено решение данного уравнения. Для рассмотренного вььше диапазона изменения соот-

кошения //Л оптимальные углы охвата находятся в интервале ?оа =40°...100°, что необходимо учитывать проктически при назначении режимов распиловки и выборе рациональной геометрии пропила.

(В результате совместного решения уравнений (24), (25), (27), как параметрической системы относительно ср, получена зависимость средней производительности резания от угла охвата и длины пропила для различных отношений Ith (рис. 8, 9), после чего определены искомые оптимальные значения длины и высоты пролила (рис. 10), соответствующие максимальной производительности распиловки .по забою. Приведенные на рис. 7—10 зависимости относятся к следующим технологическим параметрам: dK =4,4 мм; [л] =5; фк =4°; [/л] = 125 Н/м, ji=0,2 и рассчитаны для горной породы с Л Уд = 1,45 Дж/.мм3.

На абсолютную величину времени .пиления существенно влияют длина пропила и отношение ее .к высоте, поэтому разделка заваленного монолита в поперечном и /продольном на^ правлениях экономически нецелесообразна по причине снижения в 2 и более раз производительности резания, по сравнению с вертикальной проходкой при отделении монолита от массива .породы. Такое положение делает малоэффективным применение канатно-абразивных пил при технологических операциях разделки и пассировки объемов камня с геометрией пропила, отличной от параметров добычных работ (рис. 10).

Расчеты показали, что максимальная производительность по забою Я™" .повышается с увеличением его высоты (рис. 11), при этом соответственно возрастает и площадь пропила, от которой зависят суммарный расход пильного каната и количество навесок каната на камнерезную установку. Принятый в настоящее время размерный ряд каната включает три диаметра: 3,5; 4,1; 4,8 м.м, поэтому, если трех канатов не хватает для осуществления пропила заданной площади, то необходимо производить разработку реза, чтобы завести в пропил канат того же диаметра, что и .предыдущий. Время, затраченное на замену канатов и. разработку реза, в целом снижает производительность пиления по забою. С учетом вышеизложенного, фактическая производительность составит:

/73ф=—------~--■----, (29)

t -b I и — 1)^„3D -b (n - o) tpii

где n = гуд • S/L — количество навесок каната; гуд —удельный расход.каната (в погонных ¡метрах на 1 м2 пропила); t„ аэ, ¡'раз —время, затрачиваемое соответственно на навеску каната и разработку реза. Для данных, отражающих существующие на практике средние показатели: i„aB =4 ч, tp„3 =4 ч, L =1000 м; гуд =40 пог. м/м2, выполнены расчеты зависимо-

сти /7™фХ от высоты пропила, которая графически изображена на рис. 11. Как видно из рисунка, для (принятых условий высота пропила, начиная с к — 5 м, практически не влияет

Я1ШХ

зф .

С щелью повышения 'Коэффициента выхода товарных блоков необходимо выполнять условие кратности габаритных размеров отделяемого от .массива монолита и получаемых в результате его разделки товарных блоков. Так, в практике добычи мрамора канатными пилами принимают высоту уступа (пропила) равной кратному числу от наибольшего размера блока, а длину пропила равной кратной величине поперечных размеров блока. На Кибик-Кордонском мраморном карьере габаритам товарного блока 2,5X1,5X1,5 .м соответствует отделяемый от уступа монолит размером 15X5X1,5 м, который то высоте равен двум длинам блока. Таким образом, высоту уступа'целесообразно устанавливать из размерного ряда: 5,0—7,5 м, кратного длине (2,5 м) товарного блока, а длину панели уступа (длину пропила) следует назначать в пределах 15—20 м при условии ее кратности поперечному размеру блока (1,5 м). При этом площадь пропила должна находиться в пределах суммарного напила от каждой навески каната согласно существующему типоразмерному ряду: 5<п1/гуд.

Процесс канатно-абразивного пиления всегда сопровождается ¡угодом каната от прямолинейной /плоскости реза. Особенно это заметно при резании крупногабаритных каменных монолитов. Например, при добыче мрамора, когда длина пропила достигает 15—20 /м, боковой увод от вертикальной плоскости может составить 0,3—0,6 ш. Очевидно, что направление (увода .плоскости реза связано с 'направлением свивки каната таким образом, что канату девой свивки, если смотреть по ходу его перемещения, соответствует боковой увод плоскости резания в правую сторону, и наоборот, канат правой свивки имеет увод в левую сторону. Неплоскостность поверхности реза увеличивает затраты при дальнейшей обработке блоков камня, снижает выход готовой продукции и .производительность распиловки из-за увеличения (площади пропила. Искривление плоскости реза недопустимо при горизонтальном пилении в связи с ухудшением условий проникновения абразива в зону резания.

На основе исследования силового взаимодействия гибкого режущего инструмента с распиливаемой породой определена взаимосвязь величины максимального бокового увода плоскости пропила от параметров, определяющих геометрию каната, и от технологических параметров канатно-абразивного резания:

16 в1пч>/2 V '

где Дф = 2 —— з1пф/2; 1\—отрезок каната .между точкой

его схода с направляющего ролика установки и точкой входа каната в пропил; /2 — отрезок каната между точкой выхода его из .пропила и точкой входа каната на второй направляющий- ролик установки; К„ = (1 4- гс., /г к); и, г а, —угол и радиус свивки проволоки в канате; г„ — радиус каната.

Анализ уравнения (30) позволяет сделать ряд рекомендаций по рациональному конструированию пильных канатов с целью повышения .прямолинейности .плоскости ,про.пила. Для каната трехпроволочнон конструкции коэффициент Кя имеет практически постоянное значение, Кк =0,45...0,5, не дающее возможности изменить (уменьшить) боковой увод пропила в зависимости от геометрических параметров каната. Решение в этом направлении было найдено лутем создания и применения пильных канатов попеременной свивки (право- и левосторонней). С изменением направления угла свивки через определенное расстояние величина коэффициента К„ изменяет свой знак с «плюс» на «минус», или наоборот. Поэтому боковой увод также меняет направление, колеблясь, таким образом, относительно вертикальной плоскости .пропила. Трудоемкость .изготовления и невысокая несущая способность в связи с раскручиванием проволок на реверсивных участках ограничивают применение канатов переменной свивки при добыче мрамора и других пород.

Новым направлением в конструировании пильных канатов является разработка канатов прядепроволочной .конструкции, в которых коэффициент Кч практически равен нулю. В наибольшей степени требованиям эксплуатации отвечают канаты трехпрядные, состоящие из двух- и трехпроволочных прядей, направление свивки которых в -канат противоположно направлению свивки проволок в прядь. Если при этом углы свивки подобрать так, что канат не крутится в пропиле под действием сил распиловки, то выполняется условие Кя-+0 и обеспечивается прямолинейность реза.

Комплексные лабораторные и стендовые испытания пильных канатов разных конструкций позволили установить основные закономерности влияния технологических факторов производства и физико-механических свойств каната на эффективность канатно-абразивной распиловки, которую оценивали показателем //у„ = .определяемым как отношение объемного (массового) износа породы к объемному (массовому) износу каната. По своей сути показатель Яуд—это безразмерное выражение наработки каната, которое одновременно определяет такие его свойства, как абразивная износостойкость и режущая способность. Для- канатов' трехлроволочной конструкции, изготовленных из сталей с массовой долей угле-

рода (С) от 0,05 до 0,9% и с различной прочностью (<г'' = 750... 1900 МПа) в результате проведенных исследований и статистической обработки экспериментальных данных получили следующую зависимость:

#уд = 2,9 (-206,5 + 490°С + 0,06ав — 0,14Сса), (31)

где константы определены из условий распиловки цветного мрамора 1Кибик-Кордонского месторождения с (применением кварцевого песка Кичигинского карьера. Выявленная зависимость показывает, 'что чем больше массовая доля углерода в проволоках каната и чем меньше .при этом их прочность (твердость), тем больше ¡показатель наработки #уд.

Как видно, одна и та же величина Ну1 может быть достигнута .при. различном сочетании марки стали и прочности проволок, а рациональному сочетанию должны соответствовать такие значения данных величин, которые обеспечивают канату наивысшие ¡усталостные показатели при знакопеременном изгибе. Для заданной марки стали получена математическая модель оптимальной прочности проволоки каната, которой соответствует максимальный ¡предел ее выносливости:

в,,0" = 67,9 + 254,ТС — 145,8Сг. (32)

Для исследованных сталей оптимальный уровень прочности проволок каната находится в пределах от 1600 до 1800 МПа и возрастает с увеличением массовой доли углерода. Интенсивность изменения оптимальной прочности снижается по мере возрастания массовой доли углерода. При равной надежности работы пильных канатов применение углеродистых сталей типа У9 позволяет увеличить их наработку в 2...3 раза .по сравнению со сталями Ст. 50...70. Промышленные испытания пильных канатов в условиях КибнкЖордоиского мраморного карьера ПО «Саянмрамор» подтвердили технико-экономическую целесообразность изготовления и применения канатов из высокоуглеродистых сталей с оптимальной .прочностью.

Долговечность гибкого режущего инструмента .определяется сроком службы каната в результате его усталостного разрушения в системе навески на камнерезной установке. При этом время безаварийной (безобрывной) работы должно соответствовать времени абразивного износа составляющих проволок до заданной степени изменения (уменьшения) диаметра каната. Применение на добычных канатных пилах погружных роликов .малого диаметра (Д =160—200 мм), когда в цикле нагружения возможно упруго-пластическое состояние проволок каната, учитывается .¡моделью малоцикловой усталости материала, в которой число ¡циклов до разрушения проволок каната рассчитывается ,по формуле:

где До =1,7 • \0г2; «1=3,3; а2 = 1 (трехпроволочный канат).

Диаметр каната, отвечающий отмеченным требованиям рациональной конструкции, определяется из следующего уравнения:

г 2 а0 ( 1 \ а, кЛ3 11/а'

(1К = £>--- 1----— — , (34)

3 ] \ \п\")\п[ Ф1 АУ1

где Ф1 — безразмерная площадь износа проволок для заданной конструкции каната, зависит только от степени его износа по диаметру г = —(¿/о, —диаметры исходного и изношенного каната).

Обоснование оптимальных, либо предельных значений составляющих формулу (34) параметров дает возможность произвести расчеты рационального диаметра пильного каната. Вычисления выполнялись для составляющих канат проволок с прочностью о/, =1600...1800 МПа, изготовленных из углеродистых марок сталей ИЧХ)АХ.Х — (4,5...5,5) -Ю-5 1/МПа,для ка^ ната трехпроволочной конструкции -^=0,65 с предельной степенью его износа Ф1 =0,425 (£ = 0,15), для схем распиловки, у которЕэ!х коэффициент полезного использования несущей способности инструмента =0,15...0,20 (<р =35°...50°; ц = = 0,25), а коэффициент запаса прочности каната [п] =4...6.

При расчетах сделано упрощение, согласно которому учитывается только один участок изгиба на погружном ролике, где реализуется малоцикловая усталость. Остальные участки изгиба, как правило, характеризуют многоцикловую усталость, либо переходную область, когда число циклов до разрушения каната на порядок и более выше, чем при малоцикловой усталости. Поэтому, с целью повышения достоверности и надежности результатов исследований по определению рационального диаметра каната, необходимо рассматривать расчетные данные по формуле (34), как одностороннее ограничение, создающее запас прочности канату по усталостному разрушению. В результате получено следующее условие: <4,5...5,5 мм.

С другой стороны, нецелесообразно уменьшать диаметр каната до размеров, которые в дальнейшем существенно снижают заклинивающее действие абразивных частиц в зоне контакта между породой и составляющими канат проволоками. Как показывает анализ контактного взаимодействия системы «порода —- абразивное зерно — канат», существует определенное соотношение между диаметром проволоки (б) и •диаметром абразивного зерна (ба), обеспечивающее заклинивание частицы и эффективное разрушение породы. В против-

нам случае частицы силами взаимодействия выталкиваются из зоны контакта вдоль винтовой поверхности проволоки, в результате 'чего резко снижаются ¡коэффициент абразивного разрушения породы и производительность резания. Расчетные эксперименты, выполненные при допущении о шарообразной форме зерен, позволяют установить обобщающую связь между рациональной 'геометрией каната и абразивных частиц в виде следующего неравенства: й/6а > 10...15. Для существующих и применяемых в настоящее время песков, месторождения которых содержат не ¡менее 90% кварца, основной фракцией являются частицы размером ОД...0,2 мм. Предельный минимальный диаметр каната, определенный для данной фракции, составляет с?кс (3...4) мм.

Снижению расхода канатов и повышению фактической производительности распиловки мрамора способствует разработанная и освоенная в промышленном масштабе технология механико-термической обработки (МТО) канатов. МТО дает возможность нейтрализовать технологические (свивочные) напряжения в проволоках каната, перераспределить и уравнять осевые усилия в проволоках по сечению и длине каната, что в итоге позволяет получать спокойные, некрутящиеся, прямолинейные канаты с плотным линейным межпроволочным контактом. В условиях эксплуатации это упрощает навеску каната на камнерезную установку, повышает надежность работы сростки концов каната и его усталостную прочность. В результате удалось устранить проктически все аварии, вызванные заклиниванием каната в резе по месту сросток, сократить непроизводительные ¡потерн времени, связанные с навеской каната, в два раза. Увеличилось время работы одной навески каната и как результат — уменьшалось их количество до трех (длина одной навески 900... 1000 ¡м) при суммарной площади пропила 80...90 м2. Внедрение термообработанных канатов на ПО «Саянмрамор» в объеме их годового потребления (250 т) снизило удельный расход канатов в 2,5 раза (с 5 кг на метр квадратный пропила до 2 кг).

¡По результатам проведенных исследований, а также анализа работы карьеров разработаны технологические схемы (табл. 2), позволяющие эффективно производить подготовку ■блоков камня к выемке канатными пилами. Технология ведения горных работ с использованием канатных лил приведена на. рис. 12.

Отделяют объемы камня, как правило, при трех поверхностях обнажения породного массива, для чего фронту работ придают в плане ступенчатую форму (так называемая панельная система отработки уступов), что позволяет осуществлять вырезку блоков без проходки фланговых траншей и тем самым резко снизить объемы подготовительных работ. Универсальность в выполнении технологических операций, высокие техни-

Таблица 2

Технологические параметры и основные технико-экономические показатели добычи блоков

мрамора канатными пилами

Технические средства, Геометрические параметри отделяемого монолита камня Удельная площадь распила Удельная длина пробуренных скважин, м/'м3 Производительность труда по добыче Слокав, м3/'чел. - см Удельные затраты на добычу блоков, руб/м3

применяемые прп добыча блочного камня ЕЫСО-та, м ширина, м длина, м объем, гг< канатно-абразивное пиление, м2/м3 канатко-алмазног пиление, м7м3

Канатно-абразивная лн-ла. Канатно-алмазная пила 5 1,5 7,5 56,25 0,8 0,933 0,15 1,8 60,0

» 5 1,5 3 22,50 1,0 0,733 0,155 1,35 66,5

5 1,5 1,5 11,25 1,333 0,4 .0,18 0,93 76,6

» 4,5 2,5 7,5 84,375 0,533 1,2 0,133 2,54 55,6

4|5 2,5 о 33.75 0,733 1,0 0,167 1^85 61,7

» 4,5 2,5 1.5 16,875 1,066 0,666 0,19 1,22 70,4

Канатно-алмазная пила 2,5 1,5 7,5 28,125 — 1,733 0,4 5,1 76

» 1,5 2,5 9,0 33,75 — 1,733 0,385 5,0 77,4

» 1,5 1,5 10 22,5 — 1,733 0,58 4,6 87,6

Удельные затраты рассчитаны по стоимости работ и ценам, действующим на 01.01.91 г.

ко-экономические показатели работы канатно-алмазных пил дают возможность .применять их в процессе подготовки камня к выемке как .по двухстадийной, так и по одностадийной схемам в зависимости от природного показателя трещиноватости массива. Канатно-абразивные пилы целесообразно применять только при двухстадийной схеме и в комбинации с канатно-алмазньши пилами, когда с -помощью последних на первой стадии отделяется монолит .по .горизонтальной плоскости от подошвы уступа и ¡проходятся при необходимости поперечные вертикальные пропилы на панели, а на второй производится разделка монолита на товарные блоки.

При совместной работе канатно-абразивных и канатно-алмазных пил' возможны две технологические схемы добычи блоков. В первом случае пиление панели уступа производится на «.монолиты — ленты»-шириной 1,5 или 2,5 м, не превышающей предельные размеры товарного блока согласно ГОСТ 9479—84. Длина и высота монолита равны длине и высоте панели добычного уступа и должны составлять: длина 15...20 м; высота 5...7,5 м. С целью .подготовки .забоя оптимальных размеров под горизонтальный пропил .по подошве уступала также снижения трудоемкости завалки (опрокидывания) .монолита, целесообразно напиленные «монолиты — ленты» разделать одним по середине панели либо двумя поперечными резами, параллельными опережающему пропилу.

В ьг,пол пение ряда поперечных резов для -раскроя .панели уступа на «монолиты—столбы» (в этом случае длина «монолита — ленты» становится меньше ее высоты) является особенностью второй технологической схемы и экономически оправданно, несмотря на -существенное увеличение площади «а-натно-абразивного напила д,Л'Я участков месторождения с выходом блоков по горной массе более чем 30—35%. Повышение производительности проходки .поперечных резов достигается с помощью канатно-алмазных пил, работа которых при 'Бысокоустулкой ку >5 ,м технологии добычи блоков эффективна по схемам I и II (рис. 2). Длина поперечного .пропила одной установкой в этом случае ограничена по экономическому критерию и не может .быть больше 2,5...3 м.

Вырезку монолитов из .массива породы канатно-алмазны-ми пилами рекомендуется вести по низкоуступной технологии с высотой уступа ку =1,5...2,5 .м, не превышающей предельные размеры товарного блока, поэтому ширина выпиливаемо-то монолита в зависимости от проектируемого расположения блока по отношению к .монолиту будет также в пределах 1,5... 2,5 -м. Длина монолита определяется возможностями бурения встречных скважин во взаимно перпендикулярных плоскостях н, как показывает опыт работы, не превышает 8... 10 м.

Основные вертикальные лр-опилы для вырезки .монолитов могут выполняться с размещением канатной .пилы как на по-

дсшве, так и на кровле уступа, т. е. по схемам III и IV (рис. 2). Распилозка по схеме IV значительно снижает усталостный ресурс несущего ¡каната и время его эксплуатации (см. табл. 1). Поэтому данная схема .может попользоваться только в особых случаях, когда размеры рабочих площадок не позволяют работать канатной лил ой по схеме III, например, .при нарезке добычного уступа, при разработке уступа вблизи откоса и т. д. С точки зрения .продолжительности эксплуатации несущего каната самой невыгодной является схема И, которую следует применять в специальных случаях, связанных с проходкой затыловочных резов в массиве породы и при нарезке добычного уступа, а также в сложных горно-геологических условиях нагорных .месторождений.

Причины, связанные с трудностями подвода, абразивной пульпы в зону резания, обуславливают неэффективность применения ¡канатно-абразивных пил для выполнения горизонтальных пропилов. Весьма эффективно горизонтальные пропилы при отделении монолита камня от подошвы уступа могут быть произведены канатно-алмазными пилами, для этого необходимо только соблюдать рациональную геометрию забоя, согласно экономическому критерию Cs, т. е. ширину за-ходки назначать не более 2,5...3 ч.

Канатно-абразивпые пилы из-за существенного снижения производительности резания по причине несоответствия геометрических параметров тропила рациональным значениям (когда / = 15...20 >м; l)h<4), не рекомендуются для выполнения технологических операций по разделке и пассировке объемов камня. Разделку монолитов на товарные блоки целесообразно осуществлять канатно-алмазными пилами желательно облегченной конструкции — .пассировочные канатные пилы. В этом случае достигается высокая производительность ■резания, которая по мрамору составляет П3 =5...10 м2/ч, и обеспечиваются минимальные затраты на распиловку.

Научные результаты работы внедрены на Кибик-Кордон-ском мраморном карьере ПО «Саянмрамор» с годовым экономическим эффектом 600 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации предложены научно обоснованные решения по технологии и, техническим средствам добычи блоков природного камня на основе применения гибкого режущего инструмента, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы и рекомендации.

1. Канатные пилы являются универсальным и высокоэффективным средством добычи «блоков облицовочного камня, допуская распиловку пород в диапазоне прочности на одно-

3

33

осное сжатие ac;,t =50...200 МПа. В настоящее время единая теория резания алмазно-абразивным гибким инструментом отсутствует. Она должна базироваться на глубоком изучении особенностей (механизма разрушения пород в результате контактного воздействия движущегося ¡каната.

2. В основу расчета процесса разрушения природного камня алмазно-абразивным инструментом положена энергетическая теория, согласно которой энергоемкость и коэффициент разрушения материала породы в совокупности характеризуют ее обрабатываемость. Количественно оценивать показатель обрабатываемости предложено ¡через модуль упругости и микротвердость породы. Целесообразно использовать показатель обрабатываемости при классификации сопротивляемости горных пород воздействию алмазно-абразивного инструмента.

3. Показатель обрабатываемости, определенный относительно выбранного эталона, зависит от силового режима разрушения и увеличивается с уменьшением контактного давления инструмента на породу. По предложенной классификации горные породы разбиты на ¡пять классов, в которых показатель относительной обрабатываемости, рассчитанный для контактных давлений 0,2... 1,0 МПа, изменяется в следующих пределах: меньше 1—легкообрабатываемые; 1...3 — средней трудности обработки; 3...5,5—труднообрабатываемые; 5,5... 10—очень труднообрабатываемые; больше 10—чрезвычайно труднообрабатываемые ( в качестве эталона' принят коел-гинский мрамор).

4. Эффективность той или иной схемы отделения монолитов камня от массива предлагается определять коэффициентом .полезного использования несущей способности гибкого режущего инструмента и периодом усталостного разрушения каната в результате его изгибных деформаций. Рекомендуется применять схему распиловки по принципу «петлевого охвата», с расположением канатной пилы на подошве добычного уступа, коэффициент полезного использования несущей способности инструмента в этом -случае максимален и равен 0,6, а количество участков изгиба каната минимально и равно двум.

5. Установлено, что минимальные значения удельного расхода алмазов, энергозатрат и осевой нагрузки на канат достигаются согласно условию, когда время работы каната до его усталостного обрыва равно времени износа алмазного слоя на режущих элементах.

6. Наибольший экономический эффект при добыче блоков мрамора канагно-алмазными пилами достигается при высоте уступа 1,5...2,5 м, длине пролила не менее 3...5 м, ширине щели пропила 6...8 мм, угле охвата блока камня канатом 180° и коэффициенте прерывистости режущей поверхности инструмента 0,15.. .0,20.

7. Установлено, что при канатно-абразивной распиловке природного камнл существует предельное давление инструмента на породу ип =0,025...0,075 МПа. и предельная скорость резания Ур = 11...16 ¡м/с, превышение которых не приводит к увеличению производительности канатных пил. Эффективная работа канатно-абразивных пил при добыче блоков мрамора достигается, реализацией предельного режима распиловки при следующих технологических параметрах: высоте уступа. 5...7,5 м; длине пропила 15...20 м; ширине щели пропила 3,5... 5,5'мм; угле охвата монолита камня канатом ф =40...60°.

8. Технико-экономические показатели канатно-абразивных пил определяются конструктивными параметрами пильных канатов, максимальная работоспособность которых обеспечивается ¡рациональным интервалом прочности проволок сгв = = 1600... 1800 МПа, изготовленных из высокоуглеродистых марок сталей типа У8...У9.

9. Годовой экономический эффект от внедрения научных и практических рекомендаций работы составил. 600 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Егоров В. Д., Мамыкина Э. М., Латыпов X. 10., Першин Г. Д. Производство канатов,— М.: Металлургия, 1980, с. 114.

2. Першин Г. Д., Щеголев Г. К., Емельянов В. П. Безрогорная технология изготовления канатов — пил рациональной конструкции.— В кн.: Экономия металла и эффективное его использование в народном хозяйстве/Тез. докл. науч.-техн. семинара.— Челябинск, 1981, с. 38—39.

3. Першин Г. Д., Гимазетдинов Р. Ф., Егоров В. Д. Несущая способность канатов — пил переменной свивши.— Известия вузов. Горный журнал,

1983, Хг 0, с. 79— 82.

4. Першил Г. Д. Определение силовых и технологических параметров распиловки гибким ооганом.— Известия вузов. Горный журнал, 1984, № 2, с. 63—67.

5. Иершпн Г. Д. Расчет критических скоростей резания при канатно-абразивной распиловке.— Известия вузов. Горный журнал, 1984, № 7, с. 78—80.

6. Першин Г. Д., Гимазетдинов Р. Ф., А\осин А. Е., Рачинскин А. Д., Еремин С. Н. Исследование эффективности абразивной распиловки природного камня.— В кн. Энерго- и ресурсосберегающая техника и технология производства нерудных и не.четаллоэудных материалов.— Тольятти, 1984, с. 74—80.

7. Першин Г. Д., Мосин А. Е. Состояние и сравнительный анализ способов канатной распиловки природного камня.— В кн.: Комплексное использование сырья и малоотходная технология разработки и эксплуатации месторождении нерудных н исмсталлорудных материалов.— Тольятти,

1984, с. 20—24.

8. Першин Г. Д., Киреев Е. М., Цун И. М. Повышение усталостной стойкости и надежности работы пильных канатов.— В кн.: Современные пути повышения надежности и долговечности металлопродукции н деталей машин/Тез. докл. науч.-техн. конф,— Челябинск, 1985, с. 44.

9. Першин Г. Д., Егоров В. Д. Метод оценки абразивной износостойкости и режущей способности пильных канатов.— В кн.: Расширение минерально-сырьевой базы и интенсификация производства нерудных и нс-металлорудных материалов.— Тольятти, 1986, с. 56—63.

10. Першин Г. Д., Егоров В. Д., Гимазетдинов Р. Ф. Влияние технологии изготовления проволоки на эксплуатационные свойства пильных канатов.— В кн.: Технология производства экономичных видов метизов.— М.: Металлургия, 1986, с. 31—36.

11. Першин Г. Д., Киреев Е. М. Механико-термическая обработка пильных канатов.— В кн.: Новые технологические процессы и оборудование в метизном производстве.— М.: Металлургия, 1986, с. 53—57.

12. Першин Г. Д. Расчет и выбор рациональных кинетостатических параметров канатно-абразивной распиловки.— Известия вузов. Горный журнал, 1986, Кг 11, с. 54—58.

13. А. с. Лг 1230861 (СССР). Способ канатио-абразивной распиловки блоков природного камня и других подобных материалов/Першин Г. Д., Залялгогдинов К. Г., Егоров В. Д.—Опубл. в Б. И. № 18, 1986.

14. А. с. № 1286773 (СССР). Способ канатно-абразивной распиловки блоков природного камня при его добьме/Першин Г. Д., Петухов В. Н., Котожеков И. И,— Опубл. в Б. И. № 4, 1987.

15. А. с. № 1423376 (СССР). Способ канатно-абразивной распиловки природного камня и других подобных материалов/Першин Г. Д., Рыбаков Н. Р., Попов В. А,— Опубл. в Б. И. № 34, 1988.

16. Рыбаков Н. Р., Котожеков И. И., Петухов В. Н., Першин Г. Д. Итоги и перспектива дальнейшего применения канатно-абразивной добычи блоков мрамора. Экспресс-ииформ,—В сб.: Промышленность нерудных и нс.чегаллорудных материалов.— М., 1987, вып. 8, сер. 7, с. 4—9.

17. Першин Г. Д., Егоров Б. Д., Киселев'В. Я. Пути повышения износостойкости стальных канатов.— В кн.: Экономия ресурсов в производстве и потреблении металлоизделий.— М.: Металлургия, 1988, с. 12—18.

18. Першин Г. Д. Разработка и освоение технологического процесса совмещения свивки с механико-термической обработкой пильных канатов.— Бюллетень института «Чермегннформация», 1988, № 12, с. 29—31.

19. Першин Г. Д., Игметов Б. А. Влияние основных технологических факторов производства на долговечность пильных канатов.— Сталь, 1988, № 4, с. 79—81.

20. Першин Г. Д., Булеков Е. А. К определению оптимального угла охвата при канатно-алмазной распиловке блоков природного камня.—В кн.: Технология производства нерудных строительных и облицовочных материалов— М.: ВНИПИИСтромсырье, 1988, с. 34—40.

21. Першин Г. Д., Воронина В. С. Исследование« выбор рациональных режпмо.в МТО битых проволочных изделий.— В кн.: Теория н практика производства метизов.— Свердловск: УПИ, 1989, вып. 15, с. 58—63.

22. Першин Г. Д. Применение стального каната для распиловки природного камня.— Информационный листок № 469—89.— Челябинск: ЦНТИ, 1989, 2 с.

23. Першин Г. Д. Определение оптимального износа пильных канатов.— Строительные н дорожные машины, 1989, № 4, с. 13—14.

24. Першин Г. Д., Блохин В. Ф. Применение канатных пил при добыче мрамора на Кибик-Кордонскои карьере.— В кн.: Разработка ресурсосберегающих технологий, комплексного освоения месторождений полезных ископаемых открытым способом.— М.: МГИ, 1990, с. 33—41.

25. Першин Г. Д., Булеков Е. А. Влияние скорости на коэффициент абразивного резания при канатно-алмазной распиловке.— Киев, 1990, 6 е.— Дсп. в ВИНИТИ 06.04. 09, № 1889—В90.

26. Першин Г. Д. Определение оптимальных производительности и энергозатрат при канатно-абразивной распиловке природного камня.— 'Строительные .материалы, 1990, № 9, с. 18—4 9.

27. А. с. № 1.586.024 (СССР). Гибкий режущий орган/Першин Г. Д., Демпче'в А. В., Субботин Е. К.— Опубл. в Б. И. № 30, 1990.

28. А. с. № 1678636 (СССР). Канат для абразивной распиловки природного камня/Першин Г. Д., Дсмичев А. В.—Опубл. в Б. И. № 35, 1991.

2°. ГГершин Г. Д. РаШ!с:<!.л;.:ил> гсомсгркя забоя при добыче мрамора качатио-аСра ¡||г.пи';н п-и,т.ш — Строительные материалы, 1991, № 4, с. 9—10.

30. Першин Г. Д., Терсхин С. Л. Определение энергоенловнх режимов канатно-абяазлыюЛ расянлс-вкн природного камня.— Строительные материалы, 1991, № 7, с. 8—10.

31. Першин Г. Д. Анализ причин проясления и расчет неплоскостности канатно-абразивного пиления.— Известия вузов. Горный журнал, 1991, № 9, с. 83—93.

32. Першин Г. Д. Оптимизация параметров добычи природного камня ■канатно-абразмшшм!! пплач.п.— Иагсстия вузов. Горный журнал, 1991, № 11, с. 33—38.

33. Першин Г. Д. Оптимизация сплэзого режима работы канатно-ал-маз'нык пил при добыче природного камня.— Строительные материалы, 1962, № 1, с. 7—9.

34. Першин Г. Д. Энергетический принцип расчета поверхностного разрушения горных пород алмазно-абразивным инструментом.— Известия вузов. Горный журнал, 1992, № 6, с. 69—76.

35. Першин Г. Д. Методика расчета геометрических параметров режущего канатно-алмазяого инструмента.— Известия вузов. Горный журнал, 1992, № 7, с. 77—82.

Подписано в печать 25.06.19С2 г. Формат 60x90/16

Объем 2 п. л.12 вкл. ' Тираж 100 экз. Заказ Лгв 1031

Типография Московского гордо го и.чсти.-уга. Ленинский проспект, д. 6