автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Разработка технологии разрушения горных пород с наложением на инструмент упругих колебаний

На правах рукописи

'Л/ «л,

Шустов Денис Александрович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД , С НАЛОЖЕНИЕМ НА ИНСТРУМЕНТ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ .

Специальность : 05. 15. 14.- "Технология и техника геологоразведочных работ".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук .

Москва 1998 г.

Работа выполнена на кафедре Горного дела Московской Государственной геологоразведачной академии .

Научный руководитель -.. доктор технических наук . профессор Л. Г. Грабчак .

Официальные оппоненты:

1. доктор технических наук Экомасов Сергей Петрович

2. кандидат технических наук Сысоев Генадий Петрович

час., ауд . N на засидании специализированного совета Московской Государственной геологоразведачной академии по адресу: 117873 , Москва , ул . Миклухо - Маклая 23 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии . Автореферат разослан , 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Ведущее предприятие - Тул.НИГП

Защита диссертации состоится 998 г., в /$ ~~

д.т.н. проф.

оЛ*-

. Лимитовский

ВВЕДЕНИЕ.

Одним из физических способов интенсификации различных процессов при шведке , добыче и переработке полезных ископаемых является ¡пользование упругих колебаний . Возможность эффективного применения 1ругих колебаний при подключении к ультразвуковым генераторам (УЗГ) м интенсификации различных процессов , в том числе и для механического цзрушения горных пород , обусловлена их достоинствами в сравнении с зугими способами. К таким достоинствам можно отнести:

1) возможность получения высоко энергетических упругих колебаний тактически любой частоты;

2) возможность изучения колебаний в различных средах и достаточная ггенсивность воздействия на них ;

3) независимость полей упругих колебаний от других полей и возможность связи с этим совместного с ними воздействия на среды ;

4) возможность наложения колебаний различных видов на режущий [струмент при механическом разрушении горных пород .

Анализ возможностей высокоэнергетических упругих колебаний и веющиеся результаты исследований позволяют уже сегодня , рекомендовать >зможные области их применения для целей интенсификации различных юцессов при разведке и добыче полезных ископаемых , а именно :

1) для процесса механического разрушения горных пород;

2) для процессов обогащения полезных ископаемых .

Целью настоящей работы : является исследование механического зрушения горных пород с помощью наложения на инструмент [сокоэнергетических упругих колебаний с частотой от 16 до 24 кгц и учение основных факторов , влияющих на разрушение горных пород.

Диссертация состоит: из введения , 5 глав , заключения , содержит

89 страниц машинописного текста , 24 иллюстраций и 16 таблиц.

Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования .

Анализ исследований , проведенных в области механического разрушени: горных прод применительно ж бурению шпуров позволяет сделать вывод < том , что при бурении горных пород одними из наиболее эффективны; способов является гвращательное бурение режущим инструментом и вибро вращательное бурение . При этом вращательное бурение режущи» инструментом более эффективно по сравнению с вибро - вращательным ] породах с коэффепиентом крепости по М . М . Протодьяконову до 6 .

Применение новых конструкций буровых коронок , позволяют расширил область эффективного использования этого способа бурения на породь крепостью 7 - 12 . Однако применение вращательного бурения режущш инструментом в породах повышеной крепости в оптимальном режиме работь влечет за собой уменьшение глубины внедрения резца в породу ( толщин; стружки ) и , соответственно , увеличение пути трения резцов на 1 мет{ шпура. Это в конечном итоге приводит к снижению эффективности бурения I увеличению себестоимости буровых работ. При некоторой величине крепосп горных пород вращательное бурение режущим инструментом становита экономически невыгодным . Очевидно , что этот предел зависит о: применяемого бурового оборудования , параметров инструмента и егс износостойкости .

Одним из методов интенсификации вращательного бурения шпуров I расширения области его применения является , наложение на режущи! инструмент упругих колебаний .

В общем случае воздействие режущего инструмента , на которьн накладываются дополнительные колебания , характеризуется динамической периодически меняющейся во времени нагрузкой на горную породу в зон1 воздействия . Частота колебаний может быть самой различной - от инфра дс ультразвуковой . В этом смысле упругие колебания могут быть отнесены I общему понятию" вибрация ".

Вибрация в виде высокочастотных ударов находит эффективно! применение в различных горнодобывающих , буровых машинах I механизмах . Из приведенных данных в работах Ю . И . Тагиева ,

Д . Д . Баркана и др . следует что применение в породоразрушающи: машинах и механизмах , помимо статического усилия , вибрации приводит ] снижению средних значений сил сопративления резанию , что равносильн< увеличению скорости разрушения (например бурения) при постоянно»

среднем значении усилия подачи реж}'щего инструмента на породу и товышению износостойкости режущего инструмента . Из работ по изучению разрушения горных пород с применением ультразвука , опубликованных зядом отечественных и зарубежных исследователей , следует что наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмент приводит к резкому ;ниженгао средних значений сил сопротивления резанию .

Осуществление интенсификации процесса разрушения путем наложения 1а породоразрушающий инструмент высокочастотных упругих колебаний фиобретает в настоящее время особое значение в связи с успешным зазвитием машиностроения и производства магнито - пьезострикционных материалов . Анализ отечественной и зарубежной практики свидетельствует о юзможности широкого распространения при бурении шпуров 1сполнительных органов , основанных на применении упругих колебаний 1астотой от 50 до 300 - 400 гц .получаемых с помощью магнитострикционных I пьезострикционых преобразователей . Вместе с тем , до настоящего времени, ! работах Т. Массау , Т. Койдзи и др . не был проведен полный анализ (заимосвязи и описание всего комплекса физических и механических фоцессов разрушения горной породы при бурении шпуров с наложением на юродоразрушающий инструмент упругих колебаний .

Приведенный в главе 1 анализ возможностей применения упругих :олебаний с целью интенсификации процессов механического разрушения орных пород режущим инструментом позволил определить следующие >сновные задачи работы :

1) Исследование эффективности разрушения горных пород при наложении га режущий инструмент упругих колебаний и изучение факторов , влияющих [а величину эффективности.

2) Анализ взаимосвязи параметров колебательного процесса с ехнологическими нагрузками .

3) Исследование износостойкости режущего инструмента при наложении [а него упругих колебаний и изучение микро и макропроцессов , юзникающих на границе режущей кромки инструмента и разрушаемой орной породы с введением в возникающий зазор промывачной жидкости , ■величивающей кавитационные процессы , а также изучение кавитационных ¡роцессов при разрушении горной породы с образованием [редразрушенного слоя .

4) Изучение изменения сил сопративления резанию при обычном >азрушении горных пород и с наложением на инструмент упругих колебаний .

5) Изучение влияния высокочастотных упругих колебаний при их >аспростроненйи" в горной породе на физико - механические свойства госледней.

-а"

6) Технико - экономический анализ интенсификацт вибро - вращательного бурення режущим инструментом с наложении на нег упругих колебаний.

Для выполнения поставленных задач:

- разработана эксперементальная установка для исследования процесс; обычного разрушения горных пород и с наложением на инструмент упруги; колебаний при вращательном бурении режущим инструментом . Проведень исследования на различных горных породах .

Эксперементалыюе исследование влияния наложения упругих колебапий на режущий инструмент на показатели механического разрушения горных пород.

В главе приводятся результаты эксперементальных исследований влияния наложения на режущий инструмент упругих колебаний частотой 16-24 кпд на :илу сопротивления горных пород резанию , скорость бурения и износостойкость режущего инструмента.

При исследовании процесса разрушения горных пород методика жспериментов по оценке эффективности наложения колебаний на инструмент заключалась в измерении сил сопротивления резанию при обычном разрушении и с наложением колебаний при различных скоростях и глубине резания . Исследования проводились на специально разработанной установке, рис. диссертации . За критерий оценки эффективности разрушения породы при наложении колебаний на инструмент принят коэффициент , представляющий собой отношение величин сил сопративления Зез наложения колебаний Р^ , II ^ , и с наложением Р^ , , т. е .

^ ■ ; 1« - т,

(где Р и И. - соответственно силы главного и бокового сопротивления ) .

Наложение колебаний на режущий инструмент осуществлялось в трех ззаимно перпендикулярных плоскостях . Исследования показали , что с точки фения разрушения эффективными являются колебания в двух направлениях : шраллельно скорости резания ( в ) и перпендикулярно скорости резания и таоскости реза ( а ) . Результаты эксперементов по определению влияния «правления колебаний на величину коэффициента эффективности при шлитуде колебаний режущей кромки |= 12-106м и частоте колебаний & - 12 ■ 1051 / сек при резании мрамора -6) приведены в таблице .

Таблица

Средняя скорость резания 10 м/сек 50

Глубина резания /1 -103 м 1.0 1,5 2,5 3,5

Напра -вление а г* 2.9 4,4 2,7 4,2 2,6 3,8 2,0 3,2

продолжение таблицы

4,0 3,8 3,5 3,0

в

коле - 2.8 2,7 2,4 1,9

баний

1,25 1,2 1,15 1,1

с

»¿К 1,20 1,15 1,10 1,08

Первый и второй случаи (а) и (в) наложения колебаний характерны для интенсификации вибро - вращательного бурения с помощью продольных колебаний.

Результаты обработки экспериментальных данных , полученных при разрушении горных пород, позволили установить следующее.

1 . При наложении на режущий инструмент упругих колебаний резке снижаются величины сип сопративления резанию . При этом в большей степени снижается та сила ( главного Р или бокового И. сопротивления ) , е направлении которой наложены колебания на инструмент .

2 . С увеличением гаубины резания в стесненных условиях средние значения сил сопративления резанию возростают несколько быстрее , чем пс прямолинейному закону , как при обычном разрушении , так и пру наложении на инструмент упругих колебаний.

3 . Коэффициент эффективности разрушения при наложении на инструмент упругих колебаний уменьшается с ростом скорости резания е исследованном диапазоне скоростей как:

и = ^ «г.- е

где : - коэффициент эффективности при скорости резания = 50 мм / сек ;

^^ - коэффициент эффективности соответствующий , скороста резания ;

с^ - коэффициент , зависящий от физеко - механических свойсте горных пород , типа и размеров резца , направления , частоты и амплитудь колебаний.

4. С увеличением амплитуды колебаний величины средних значений сил опративления резанию при наложении колебаний уменьшается , а оэффициент эффективности П в диапазоне амплитуд от 5 до 18 мк . озрастает как:

= г-+ кЧ1т,-

где: П0 - коэффициент эффективности при амплитуде колебаний 6 3 = 10 мк; т;. - коэффициент эффективности , соответствующий амплитуде олебаний ;

К* - угловой коэффициент , зависящий от физико - механических вонств горных пород, резца , скорости резания и направления колебаний ,

5. При наложении упругих колебаний на режущий инструмент в аправлении (в) его износостойкость уменьшается с увеличением средней ¡сорости резания , а при наложении колебаний частотой 20 кгц и амплитудой 2 мк в направлении перпендикулярно скорости резания (а) износостойкость овышается в 1,5 - 2,0 раза .

Основной причиной повышения износостойкости режущего инструмента ри наложении на него упругих колебаний следует , очевидно , считать лижение силы бокового отпора К и более ярковыраженный характер рупкого разрушения горной породы при динамическом воздействии на нее ежущего инструмента . Можно считать , что износ режущего инструмента по здней грани определяется силой Я . Поэтому ее уменьшение приводит к овышенгао износостойкости инструмента.

Анализ эксперементальных данных позволил установить :

1. Наложение высокочастотных упругих колебаний колебаний на ежущий инструмент позволяет в 1,5 - 2,5 раза интенсифицировать процесс азрушения горной породы.

2. С точки зрения увеличения скорости процесса разрушения [»фективными являются два направления колебаний режущей кромки иструмента - параллельно скорости резания ( в ) и перпендикулярно сорости резания и плоскости реза ( а ).

3. Наложение упругих колебаний на режущий инструмент вызывает более гзкое снижение той составляющей силы сопротивления , в направлении эторой наложены колебания. По этому без учета влияния колебаний на зносостойкость инструмента наиболее рациональными являются колебания направлении результирующей силы сопративления .

4. Коэффициент эффективности возрастает с увеличением мощности тругих колебаний.

5. Износостойкость инструмента при наложении на него упруги} колебаний перпендикулярно скорости резания возростает 1.5 - 2.0 разг поэтому , оптимальным следует считать направление , определенное и: следующего соотношения:

4 С°А - %

где : I ) \ - проекции амплитуды колебаний в направлениях параллельно и перпендикулярно скорости резания.

Исследования взаимосвязи параметров колебательного процесса с [технологическими нагрузками при разрушении горных пород режущим гаструментом с наложением на него упругих колебаний.

В главе рассмотрены вопросы зависимости параметров колебательного троцесса от статической нагрузки на колебательную систему ; взаимосвязи •ехнологических нагрузок , возникающих в процессе разрушения горной юроды режущим инструментом , с параметрами колебательного процесса ; щияния свойств горных пород на эффективность наложения упругих солебаний на режущий инструмент.

В результате изучения влияния статической нагрузки на параметры солебательного процесса установлено , что с увеличением нагрузки на ¡истему с однородным волноводом от 30 до 50 кг на 1см режущей кромки , ьмплитуда колебаний последней снижается на 50 - 70 % ; при этом зезонансная частота колебаний системы возрастает на 5 - 10% . Применение юлноводов с коэффициентом трансформации мощности выше 1,8 - 2,0 при гагрузках , превышающих 30 кг на 1 см, практически выигрыша в амплитуде « дает.

На основании теоретического анализа экспериментальных данных юлучено следующее выражение для коэффициента эффективности при эазрушении породы одиночным резцом с наложением колебаний тараллельно скорости резания:

\

где : 8>0 - площадь поперечного сечения волновода (упругих колебаний) тиной 1/4 Л. с режущим инструментом ;

.Д. - длина волны , Ц = -^р ;

С. - скорость распространения упругих колебаний в материале юлновода;

? Ч)" - амплитуда и частота колебаний режущей кромки инструмента : 1

> о - плотность материала волновода ; т

^¡^КлЬФ-- интегральное время активного воздействия режущей грани шструмента на породу в течении периода колебаний Т ;

"Ь- ^ - момент начала воздействия режущей грани инструмента на породу ; зависит от соотношения амплитуды колебательной скорости и средней скорости резания •

Исследования влияния прочностных свойств горных пород на эффективность разрушения при наложении колебаний на породоразрушающий инструмент показало , что с увеличением прочности пород при постоянной мощности преобразователя коэффициент эффективности снижается.

Таким образом , проведенный анализ позволил дать объяснения полученные в главе 2 экспериментальных данных , установить взаимозависимость технологических нагрузок с параметрами колебательного процесса и влияние последних на эффективность процесса разрушения .

-ю-

Влияние кавитационных процессов на интенсификацию разрушения горных тород.

8 главе рассмотрены и описаны процессы происходящие при прохождении ультразауковых волн через жидкую среду , а так же факторы оказывающие злияние на процессы кавитации такие как : физические свойства жидкости , температура , частота ультразвука , внешнее давление , мощность ультразвука . Было проведено теоретическое обоснование характера таблюдаемых закономерностей процесса ультразвукового разрушения, где эыла сделана попытка найти связь между амплитудой колебаний и силой 1рижима , с одной стороны , количеством энергии затраченой в процессе ультразвукового разрушения , с другой , исходя из общих соображений на эснове закона сохранения энергии и импульса . Что бы подтвердить теоретическое обоснование , были проведены эксперементальные «следования процесса ультразвукового разрушения горных пород , где было юлучено , что разрушение сводится к трем различным по своей природе троцессам - образованию выколов при ударе инструмента по поверхности »абоя режущим лезвием и при соудорении частичек горной породы с забоем в эезультате схлопывания кавитационных пузырьков , а также за счет теремешивания частичек горной породы в рабочем зазоре . Эксперементально эыло рассмотрено и описано взаимодействие между собой трех ззаимосвязанных систем состояния жидкой фазы.

В результате проделанных исследований удалось сделать следующее 5ыводы :

1. Получен состав промывочной жидкости которая позволяет смачивать эазную породу с одним и тем же показателем смачиваемости .

2. Определено , что для получения межмолекулярных разрывов среды «обходимо давление значительно меньшее расчетного акустического , так сак в воде с поверхностно активным веществом всегда присутствуют тузырьки газов , уменьшающие поверхностное натяжение между молекулами юды.

3. Процессы кавитации позволяют интенсифицировать процесс разрушения в 2,0 - 2,5 раза.

4. Межмолекулярные разрывы среды называют кавитационными тузырьками , которые образуются при интенсивности ультразвука (1 - 3 вт / ;м2 ) . В результате их схлопывания возникают ударные волны , вызывающие эазрушение горной породы.

-и-

Технико - экономический анализ интенсификации вращательного бурени! режущим инструментом с наложением на него упругих колебаний .

В главе рассматривается вопрос энергоемкости процесса разрушенш горных пород и технико - экономической оценки интенсификации вибро вращательного бурения с помощью наложения на инструмент упруги: колебаний . Показано что энергоемкость собственно процесса разрушении при наложении на инструмент колебаний снижается на 10 -15 % по сравнении с такой же при обычном разрушении горных пород режущим инструментом Затраты энергии , потребляемой электросверлом , отнесенные к 1 м . шпура зависят от резонансной частоты колебательной системы . При этом < увеличением частоты затраты возрастают , так как при этом снижается К. П Д. генератора и пьезострикционного вибратора . Проведенные расчеть показали , что при работе на резонансных частотах колебаний 800 - 1 ООО п затраты энергии на 10 - 15 % выше , чем при вибро - вращательном буренш без наложения на инструмент упругих колебаний .

Расчет годовой эффективности , от внедрения нового оборудования < учетом увеличения стоимости бурового органа за счет использованиз пьезострикционного материала , увеличения затрат энергии и повышения пр! этом скорости бурения и износостойкости режущего инструмента , позволю установить, что :

1) производительность труда рабочих занятых на бурении шпуров пс породам с коэффициентом крепости Г = 7 - 12 , при наложении упругш колебаний на породоразрушаюший инструмент на 40 - 70 % выше , чем пр! обычном вибро -вращательном бурени режущим инструментом ;

2) себестоимость буровых работ при этом снижается на 25 - 35 % , что пр! годовом объеме бурения 40000 м в породах крепостью Г = 7 - 12 позволи: сэкономить 8820600000 руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Приведенные экспериментальные и теоретические исследования позволяют зделать следующие основные выводы .

1. Наложение упругих колебаний на породоразрушающий инструмент режущего типа позволяет:

а) в 2,0 - 2,5 раза интенсифицировать процесс разрушения , увеличить жорость вибро - вращательного бурения шпуров режущим инструментом ;

б) в 1.5 - 2,0 раза повысить износостойкость режущего инструмента при зибро - вращательном бурении горной породы крепостью по шкале Протодьяконова f = 7 - 12;

в) за счет увеличения скорости бурения и повышения износостойкости юродоразрушающего инструмента на 2 - 3 категории расширить область »ффекгивного применения вибро - вращательного бурения шпуров на тодземных работах;

г) на 40 - 70 % повысить производительность труда рабочих по сравнению ; производительностью на установках обычного вибро - вращательного 5урения режущим инструментом и на 20 - 40 % снизить себестоимость 5уровых работ при проходке выработок.

2. При интенсификации механического разрушения горной породы в гтесненных условиях подземных горных выработок рациональным следует ¡читать диапазон частот от 16 - 24 кгц.

3. Полученное выражение для коэффициента эффективности позволяет троизвести предварительную оценку эффективности применения упругих солебаний в зависимости от свойств горных пород и режима разрушения .

4. Эффективность наложения упругих колебаний заданной мощности на городоразрушающий инструмент снижается с увеличением технологических гагрузок (осевого усилия и скорости вращения при бурении ).

5. При бурении более крепких горных пород целесообразно увеличение мощности колебаний.

Анализ результатов проведенных исследований свидетельствует о пироких возможностях и несомненной перспективе использования эффекта мложения упругих колебаний на породоразрушающий инструмент режущего una с целью значительного улучшения технико - экономических показателей >урения шпуров в выработках .

Современный уровень машиностроения и производства 1ьезострикционных материалов в России позволяет разработать и >рганизовать серийный выпуск буровых установок с исполнительным >рганом на основе пьезострикционного вибратора . В результате того , что

наложение колебаний на породоразрушающий инструмент дает реальные предпосылки для уменьшения его веса , повышения срока службы и эксплуатационных качеств и улучшения труда рабочих.

Основные положения диссертации были рассмотрены в следующих работах автора :

1. Основы теории по конструированию инструмента для ультразвукового способа обработки камнесамоцветного сырья . Груды конференции " Новые достижения в науках о земле ". Москва , 1995 .

2. Критерий создания технологических средств для улыразвукового способа разрушения пород и выбора базового генератора . Труды конференции " Новые достижения в науках о земле " . Москва ,1995.

3. Эффективность воздействия ультразвуковых преобразователей на горные породы . Труды конференции "Новые достижения в науках о земле ". Москва ,1996 .

4. Исследования процессов кавитации и определение критериев эффективности разрушения горных пород при бурении с использованием ультразвуковых колебаний . Труды конференции " Новые достижения в науках о земле ". Москва ,1997.

-м-

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

Московская государственная геологоразведочная академия ( МГГА )

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД С НАЛОЖЕНИЕМ НА ИНСТРУМЕНТ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ.

Специальность : 05. 15. 14. - " Технология и техника геологоразведочных работ ".

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук .

Научный руководитель - профессор , доктор технических наук Л. Г. Грабчак .

Шустов Денис Александрович

Москва 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................................................................................4-5

Глава 1. Анализ состояния вопроса и постановка задач

исследования..............................................................................................................................................................................................................6-15

§ 1 . Краткий анализ механических способов бурения

горных пород............................................................................................................................................................7-8

§ 2 . Использование вибрации в породоразрушающих машинах и

механизмах.......................................................................................................................................8-9

§ 3 . Влияние вибрации режущей кромки на процесс

разрушения и износостойкость инструмента..........................................................9-13

§ 4 . Средства для получения высокоэнергетических

упругих колебаний............................................................................................................................................13-14

Выводы и постановка задач исследования................................................................14-15

Глава 2. Экспериментальные исследования влияния наложения

упругих колебаний на режущий инструмент и на показатели механического

разрушения......................................................................................................................................................................................................................16-33

§1 . Исследование влияния высокочастотных

упругих колебаний на показатели разрушения

горных пород............................................................................................................................................................16-24

§2 . Влияние упрушх колебаний на износостойкость

режущего инструмента................................................................................................................................24-33

Выводы..................................................................................................................................................................................33

Глава 3. Исследование взаимосвязи параметров колебательного процесса с технологическими нагрузками при разрушении горных пород с наложением на инструмент

упругих колебаний.................................................................................................34-58

§ 1 . Зависимость параметров колебательного

процесса от статической нагрузки на систему....................................34-39

Стр.

§2 . Анализ взаимосвязи технологических нагрузок

с параметрами колебательного процесса............................................................................39-53

§ 3 . Зависимость эффективности разрушения при наложении на инструмент упругих колебаний

от свойств горной породы..........................................................................................................................53-57

Выводы.................................................................................................57-58

Глава 4. Влияние кавитационных процессов на интенси -

фикацию разрушения горных пород..............................................................................................59-73

§ 1 . Основы теории кавитации........................................................................................................................59-61

12 . Факторы , влияющие на кавитацию..........................................................................................61-62

§3 . Теоретическое объяснение характера

наблюдаемых закономерностей процесса

ультразвукового разрушения..................................................................................................................62-68

§ 4 . Экспериментальное исследование

процесса ультразвукового разрушения горных пород....................................68-71

§5 . Описание физических процессов , протекающих в рабочем зазоре между режущим инструментом

и забоем шпура............................................................................................................................................................71-72

Выводы......................................................................................................................................................................................72-73

Глава 5 . Технико - экономический анализ интенсификации вибро - вращательного бурения режущим инструментом с

наложением на него упругих колебаний............................................................................................................................74-82

§ 1 . Основные вопросы технико - экономического

анализа интенсификации бурения шпуров....................................................74-77

"§2 . Определение экономического годового

эффекта от внедрения нового оборудования..............................................................77-82

Выводы......................................................................................................................................................................................82

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................................................................................83-84

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................................................................................................85-89

ВВЕДЕНИЕ

Одним из физических способов интенсификации различных процессов при разведке , добыче и переработке полезных ископаемых является использование упругих колебаний . Возможность эффективного применения упругих колебаний с использованием ультразвуковых генераторов (УЗГ) для интенсификации различных процессов , в том числе и механического разрушения горных пород , обусловлена их достоинствами в сравнении с другими способами . К таким достоинствам можно отнести :

1) возможность получения высокоэнергетических упругих колебаний практически любой частоты ;

2) возможность излучения колебаний в различных средах и достаточная интенсивность воздействия на них ;

3) независимость полей упругих колебаний от других полей и возможность , в связи с этим , совместного с ними воздействия на среды ;

4) возможность наложения колебаний различных видов на режущий инструмент при механическом разрушении горных пород .

Анализ возможностей высокоэнергетических упругих колебаний и имеющиеся результаты исследований позволяют уже сегодня рекомендовать возможные области их применения для целей интенсификации различных процессов при разведке и добыче полезных ископаемых, а именно :

1) для процессов механического разрушения горных пород;

2) ддя процессов обогащения полезных ископаемых.

Целью настоящей работы является исследование механического разрушения горных пород с помощью наложения на инструмент высокоэнергетических упругих колебаний с частотой от 16 до 24 кгц и изучение основных факторов , влияющих на разрушение горных пород .

С точки зрения механического разрушения горных пород упругие колебания могут быть отнесены к "вибрации" - более общему понятию, отражающему динамическое воздействие режущей грани в месте контакта инструмента с разрушаемой поверхностью , с учетом влияния кавитационных процессов на предразрушенный слой и с подбором охлаждающей жидкости , которая увеличивает процесс кавитации , тем самым , влияет на процесс разрушения горной породы , при этом не оказывая вредного воздействия на рабочий инструмет .

Особый интерес представляют исследования по использованию вибрации с частотой от 10 до 40 уд / сек , а также ультразвуковых частот в диапазоне 16-24 кгц .

Это связано с тем , что использование вибрационных нагрузок наряду со статическими усилиями на породо - разрушающий инструмент позволяет значительно интенсифицировать процесс разрушения , а также в связи с открывшимися в последние годы широкими возможностями получения высокоэнергетических упругих колебаний с помощью пьезо - и магнитострикционных преобразователей. Именно эти обстоятельства и явились главными при определении цели настоящего исследования . В данной работе , посвященной исследованию интенсификации механического разрушения горных пород средней и выше средней крепости с помощью наложения на породо - разрушающий инструмент упругих колебаний , применительно , главным образом , к процессу вибро -вращательного бурения режущим инструментом при проходке горных выработок с дополнительно образовавшейся абразивной суспензией в результате наложения на инструмент упругих колебаний , рассматриваются следующие основные вопросы:

1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования .

2. Влияние вынужденных колебаний режущей кромки инструмента на показатели разрушения горной породы и износостойкость режущего инструмента .

3. Анализ взаимосвязи параметров колебательного процесса с технологическими нагрузками .

4. Изменение сил сопротивлений горных пород резанию при обычном разрушении и с наложением на инструмент упругих колебаний .

5. Подбор жидкостей , усиливающих процессы кавитации .

В работе дается технико - экономический анализ интенсификации вибро -вращательного бурения горных пород режущим инструментом с наложением на него упругих колебаний применительно к проходке горных выработок .

Глава 1.

Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования.

Разрушение горных пород механическими способами является одной из главных основ современной добычи и переработки многих полезных ископаемых . Несомненно, что оно сохранит свое значение и в ближайшем будущем . Все это говорит о том , что современные области применения разрушения горных пород механическими способами довольно разнообразны . В таблице 1 приведена классификация областей применения различных способов механического разрушения горных пород при поиске и добыче полезных ископаемых .

Таблица 1.

Область применения Способы механического разрушения слабых горных пород Способы механического разрушения крепких горных пород

Проходка горных выработок Резание и резание со сколом Разрушение вдавливанием, комбинирован -ные способы

Бурение скважин и шпуров Резание Разрушение ударом , разру -шение вдавливанием , резанием , комбинирован -ные способы

Из приведенной таблицы видно , что одной из основных областей применения механических способов разрушения является бурение горных пород . При этом бурение слабых горных пород осуществляется режущим инструментом . Для бурения крепких пород , в зависимости от физико - механических свойств последних , используются различные механические способы .

1. Краткий анализ механических способов бурения горных пород.

Анализ экспериментальных , теоретических и производственных данных [4,6, 18, 24 , 36 , 50 и др . ] механического бурения горных пород позволяет сделать вывод о том что наиболее простым и эффективным способом разрушения горных пород , в том числе и бурения , является разрушение режущим инструментом . Однако , применение этого способа в крепких породах связано с известными трудностями , главными из которых являются ; резкое увеличение сил сопротивления резанию и снижение износостойкости инструмента при увеличении крепости горных пород . Но если на механический резцовый инструмент наложить упругие колебания и применить промывочную жидкость с поверхностно активным веществом , в которой колебания существенно повышают процессы кавитации , то область применения режущего инструмента значительно расширится .

Механическое бурение шпуров при разведке в настоящее время может осуществляется вибро - вращательным способом. Различные исследователи как в России , так и за рубежом приводят в своих работах неодинаковые данные об эффективности различных способов механического бурения. Это очевидно , является следствием того , что получаемые данные зачастую не представляется возможным сравнить из - за резкого различия свойств и состония горных пород , различных типов породоразрушающего инструмента и т. п. Применение новых , более современных , конструкций буровых коронок режущего типа ( напр . 42 ) , а также существующая в настоящее время тенденция перехода на более жесткие режимы вибро - вращателного бурения позволяют повысить эффективность и расширить область применения этого способа на породы крепостью до {I =1 - \2) , интенсифицировав тем самым процесс бурения [ 38 ] . Расширение области эффективного применения вибро - вращательного бурения режущим инструментом имеет особое значение при бурении горных пород с жилистыми прослойками , а также трещиноватых пород , где производительность бурения резко падает [ 36 , 50 ] . Однако , вибро - вращательное бурение режущим инструментом в породах более высокой крепости в оптимальном режиме сопровождается уменьшением толщины разрушаемого слоя породы . Это приводит , во первых , к снижению скорости бурения , во вторых , к увеличению пути трения резцов на один метр шпура и соответствующему снижению износостойкости инструмента . В конечном итоге с увеличением крепости буримой породы снижается эффективность вибро - вращательного бурения и возрастает себестоимость буровых работ . При некоторой величине крепости и состоянии массива пород вибро - вращательное бурение режущим инструментом становится экономически невыгодным . Этот предел определяется совершенством применяемого , бурового обарудования и инструмента и износостойкостью последнего . Таким образом , интенсификация вибро -вращательного бурения с наложением на инструмент упругих колебаний , в результате

которой удалось бы расширить область эффективного применения этого способа бурения на породы крепостью до (£=7 - 12) , то есть на вторую и третию категорию по шкале профессора М. М. Протодьяконова , позволила бы в 3 - 4 раза увеличить целесообразный обьем буровых работ установками вибро - вращательного бурения .

§ 2. Использование вибрации в породоразрушаюших машинах и механизмах.

Применительно к процессу воздействия на горную породу породоразрушающего инструмента под вибрацией понимается динамическое воздействие инструмента периодически меняющейся во времени нагрузкой . При этом вибрация инструмента может быть получена как путем нанесения по нему высокочастотных ударов , когда принудительное движение лезвию инструмента сообщается лишь в течение короткого промежутка времени соударения лезвия инструмента с разрушаемой породой , так и в результате вынужденных периодических упругих колебаний лезвия инструмента в зоне воздействия рабочего органа на породу . В этом случае принудительное движение лезвию инструмента сообщается в течение всего периода колебаний. Причем , колебания являются периодическими не только во времени , но и по длине колебательной системы . Вибрация , получаемая в результате высокочастотных ударов, уже в течение десятков лет используется в различных машинах и механизмах . Процесс разрушения во всех этих случаях сопровождается наложением на породоразрушающий инструмент , помимо статического усилия и вибрационных нагрузок . При этом усилие подачи и вибрационных нагрузок может быть направлено перпендикулярно скорости резания (например при бурении) . Разрушение породы в этих случаях осуществляется резанием со сколом . Результатом применения такого комбинированного способа разрушения явилось создание вращательно - вибрационного и вибро - вращательного способов бурения , сочетающих в себе вращательный способ с вибрационным ( ударным ) . Это отразило стремление использовать преимущества вибро - вращательного бурения режущим инструментом и при этом повысить износостойкость . В зависимости от свойств пород при одних и тех же режимах разрушения , [ 41 ] , основной обьем породы может разрушаться либо в результате усилия резания ( за счет вращения инструмента ) , либо за счет вибрационных ( ударных ) нагрузок ) . Поэтому , в зависимости от вида основного разрушения породы, один и тот же способ может являться вращательно - вибрационным и вибро -вращательным .

Эффективность разрушения зависит как от самого режущего инструмента , так и от возникновения предразрушенного слоя , на который влияют процессы кавитации образивной суспензии .

В зависимости от физико - механических свойств буримых горных пород и оптимальных параметров процесса разрушения , частота вибрации может изменяться .

Однако . при этом для соблюдения условий резонанса необходимо , чтобы :

П.- П4 - ^ (1)

где : - заданная угловая частота вибрации при переходе на другой режим ;

Пд - соответствующий номер гармоники ; п - 1,2,3,.........

Исследования [ 2 , 20 , 56 ] показали , что с увеличением частоты вибрации и энергии единичного воздействия эффективность разрушения возрастает . Однако , увеличение энергии единичного воздействия ограничивается предельно допустимыми напряжениями для армировки режущих инструментов . Практически существующие в настоящее время твердые сплавы позволяют довести энергию единичного удара до 2,02,5 кгм/см длины режущей кромки [ 56 ] при вибро - вращательном бурении .

При вращательном и вращательно - вибрационном бурении резцовым инструментом разрушение породы осуществляется в основном за счет силы резания Р (рис. i) в отличии от ударно(вибро) - вращательного , когда основное разрушение происходит в результате вибрационной нагрузки Б (рис. 4 ) . Это обстоятельство в сочетании с меньшими углам