автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Установление параметров процесса нарезания щелей в горных породах гидроаброзивным инструментом

РГ Б ОД

2 П

На правах рукописи

ГОЛОМ! Константин Алексаикропич

УСТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА НАРЕЗАНИЯ ЩЕЛЕЙ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ ЛЩР0АБРАЗКЕН1Й! ИНСТРУМЕНТОМ

Специальность 05.05. С6 - Гершге машины

.'зторефзра?

диссертации на соискание .ученой степени кандидата технических наук

ТУЛА 1997

Габота выполнена в Тульском государственном университете.

Научнко руководители

Докт. техн. наук, профессор Бреннер Б. а. Докт. техн. наук, доцент Кабин Д. Б.

Официальные оппоненты

Докт. тзхн. наук, профессор Харитонов К.И. Канд. техн. наук. Мерзляков В. Г.

Ведуне предприятие Акционерное общество "Подмосковный НИУИ"

Защита диссертации состоится " Ч » 06 1997 г. в чл-соз на заседании диссертационного совета К 063.47.04 при Тульской государственном университета по адресу: 300600. г.Тула, пр. Ленина 92 учебннй корпус 9, аудитория 101. •

С диссертацией мопшо ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан _" " 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн.

Пнскуноз

о

- 3 -

05ПМ1 ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОГЬ!'

Актуальность работа. В 1995 году на угольных шахтах России из общего объема (940 км) проходческими комбайнами пройдено 370 км,' или 40 % выработок. Дальнейший прирост будет -происходить в основном за счет- проведения выработок по более крепким и абразивным породам. Известно, что применение проходческих комбайнов с резцовым инструментом в таких условиях невозможно. Не случайно поэтому в последнее время било разработано несколько опытных конструкций комбайнов, оснащенных ворошками и предназначенных для проведения * выработок по породам средней и выше средней крепости. Однако разрушение пород этими комбайнами • характеризуется значительной удельной , знерге -^костью, большими напорными усилиями и повышенным шшеобразованием.. Для устранения этих недостатков необходимо интенсифицировать процесс разрушения пород. Одним из реальных путей решения этой задачи может стать предварительное (опереаащее) ослабление массива щелями. Некщелевыо целики предпочтительнее'разрушать дисковыми шарошками, а прорезать пели целесообразно гидрсабразивным инструментом. Это устройство реализует гпдроабразнвнкй способ разрушения пород, основанный на совместном воздействии на массив струй водч высокого давления и абразивных частиц, находящихся внутри этих струп, и имеющий значительные преимущества перед другими известными способами прореза-' ния целей (механичоскини, термическими, _ лучевыми и др.). На исполнительном органе гидроабразивный 'Инструмент может- быть агрега-тирован с дисковыми шарошками. Если вопрос о закономерностях разрушения • пород дисковыми шзооЕками носит самостоятельный характер и достаточно хорошо изучен, то процесс нарезания щелей гпдроабра-знвныи инструментом почти не исследован и параметры для него не установлены.

Работа выполнялась в рамках основного направления "Новые способы разрушения горных пород, технологии проведения горных выработок и бурения скважин" государственной научно-технической программы России "Прогрессивные технологии комплексного, освоения топливно-энергетических ресурсов недр России" (ГНТПР "Недра России") совместно с ИГД им. А.Л.Скочинского и Фирмой "НИТЕИ" (шифр темы 0143060000).

Даль работа. Установление закономерностей процесса разрушения горных пород гидроабразивным инструментом для выбора.и обоснования параметров процесса нарезания щелей, обеспечивающих расширение области эффективного применения проходческих комбайнов.

Идея- работы. Эффективное разрушение крепких горных пород достигается за счет использования в конструкциях исполнительных органов проходческих комбайнов для нарезания опережающих щелей гидроабразивного ...инструмента с учетом закономерностей взаимодействия его с массивом при рациональных параметрах процесса щелеоб--разования и с последующим скалыванием межщелевых целиков дисковыми шарошками.

Метод исследования - комплексный, включающий анализ и обобщение опыта использования технологии гидроабразивной резки в технике и результатов ранее выполненных работ по гидравлическому и гидроаОразивному разрушению пород и различных материалов; экспериментальные исследования процесса разрушения пород гидроабразивным инструментом по щелевой схема в стендовых условиях; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики, методов подобия и размерностей; сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Научные положения, раэработ<.;;:'ые лично соискателем, и их новизна:

. обоснован и выбран критский оценки сопротивляемости горных пород разрушению гндроабразик'.'ыми струями, позволяющий правильно рассчитывать показатели процесса щелеобразовання при конструиро-' гании исполнительных органов проходческих комбайнов для различных .горно-геологических условий и^ определять.рациональные области их использования;

• установлены закономерности процесса щелеобразовання с учетом геометрических, гидравлических и режимных параметров инструмента, крупноста абразивных частиц- и прочности пород, обеспечивающие обоснование показателей работы гидроабразивных резаков исполнительных органов проходческих комбайнов;

на основании исследований взаимосвязи прочностных свойств пород, геометрических, гидравлических и режимных параметров инструмента с показателями процесса щелеобразовання выявлены области минимальных удельных энергозатрат и максимальных скоростей приращения боковой поверхности щели, что позволило установить закономерности изменения рациональных давлений воды и скоростей перемещения для гидроабразивных резаков исполнительных органов .проходческих комбайнов. ■ - . - '

Достоверность, научных положений, выводов и. рекомендаций подтверждается корректностью постановки задач; представительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных средств измерений и методов исследова-

ний; корректным применением методов теории вероятности и-математической статистики, а также методов подобия и размерностей при обработке и анализе экспериментальных данных; устойчивостью пор-' реляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах, 0,80 -- 0,99); удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами экспериментов (отклонение не превышает 19 %). .

Научное значение работа заключается в установлении закономерностей процесса щелеобразования с учетом крупности абразивных частиц, прочности пород, а также геометрических, гидравлических и рекимных параметров инструмента, позволивших выявить их рацио--нальные сочетания и обосновать показатели работы гидроабразивннх ■ ■ резаков для исполнительных органов, обеспечивающих расширение области эффективного применения проходческих комбайнов. Практическое значение работы:

разработана конструкция экспериментального стенда, обеспечивавшего исследование процесса разрушения пород гидроабразивным инструментом в широком диапазона изменения режимных и гидравпи-ческпх параметров;

разработан параметрический ряд источников ¡¡ода высокого давления. являющихся состзрнш• элементом технологии гидроабразивной резки;

предложена конструкция гидроабразивного инструмента, способствующего повышении технического уровня проходческих комбайнов;

получены расчетные зависимости для определения рациональных давлений воды и скоростей перемещения гидроабразивного инструмента. обеспечивающих минимум удельных энергозатрат и максимум скоростей приращения боковой поверхности щели;

установлено рациональное соотношение диаметров коллиматора и струеТормпругицей насадки гидроабразивного инструмента, рациональное расстояние между срезом коллиматора и поверхностью разрушаемой породы, а также определена крупность абразивных частиц, соответствующая максимальной глубине щели;

разработан метод расчета эффективности процесса щелеобразо копия. учитивающнй влияние диаметра струе,формирующей насадки, давления воды, прочности пород, а также скоростей истечения вссо-конапорной воды и перемещения инструмента;

разработана и.реализована на персональном компьютере "Методика расчета основных параметров гидроабразивннх резаков для пополнительных органов проходческих комбайнов, осигн^нных дисковыми шарошками". ;

Реализация результатов работы. "Методика расчета основных параметров гидроабразивных резаков для исполнительных. органов проходческих комбайнов, оснащенных дисковыми шарошками", а также все конструктивные решения и рекомендации' в полном объеме используются Фирмой "НИТЕП" при создании гидроабразивных резаков и исполнительных органов проходческих комбайнов.

Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на XXXI - XXXIII научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула. 1995-1997 гг.), I Международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи . полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (г. ■ Тула. •1996 г.), научном симпозиуме "Неделя горняка - 97" в МГГУ (г. Москва, 1997 г.). научных семинарах ТулГТУ (г. Тула, 19951997гг.), технических советах фирмы "НИТЕП" (г. Тула, 19951997 гг.) и Скуратовского экспериментального завода (г. Тула, 19S6, 1997 гг. ). '

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано .7 работ.

Структура и объем работы. "Диссертация состоит из введения.' или; глав и заключения, изложенных на 118 страницах машинописного текста, содершт 54 рисунка, 23 таблиц, список использованный литературы из 105 наименовании и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ результатов исследований. ■ выполненных Summers, D., Hashish,М-, Mazurklewlcz. я., VIJay,W., Бафталовским В.Е.. Кузьмичам К. А. и другими учеными, позволил, в частности, установить, что из известных способов нарезания «¡елей в горных породах и различных материалах (лазерная и плазменная резка, разрушение алмаз-ниш; пилами и др.) наиболее эффективными являются гидравлический и гидроабразивный способы. Однако на основании литературных данных и проведенных нами предварительных исследований можно сделать вывод о том, что технология гидроабразивной резки имеет значительные преимуществ:; перед технологией нарезания щелей высоконапорными водяными струями- Основными из них являются:' увеличен«* глубины прорезаемой челн в несколько "раз; снижение рабочего давления ьоди при одной и той же глубине цели; способность разрушат! крепкие и весьма крепкие породы; повышение безопасности работ дп:

. - г -

*

обслуживающего персонала; снижение стоимости оборудования и работ.

Анализ опыта использования технологии гидроабразивной .резки в различных областях техники показал, что применительно к гидроабразивному инструменту исполнительных органов проходческих комбайнов для получения'гидроабразивных струй целесообразно исполь-' зовать так называемы]'? способ увлечения. Суть его сводится к следующему. Абразивные частицы подаются в камеру смешения инструмента, где они увлекаются высокснапорным потоком воды. Затем образовавшаяся смесь направляется в коллиматор (фокусирующую трубу), где она ускоряется, создавая суспензионную гидроабразивную струю-Оборудование для реализации технологии гидроабразивного резания-помимо инструмента включает в себя и источник воды высокого давления. При непосредственном участии автора был разработан параметрический ряд источников воды высокого давления на базе преоб-разевателей мультипликаторного типа. Наличие мобильного источника воды высокого давления в шахтном исполнении позволит" агрегатиро-вать его с исполнительными органами проходческих комбайнов.

Вместе с тем, как показал анализ, гидроабразивный способ разрушения в горной промышленности еще не получил должного распространения как. например, в машиностроении для точной резки труднообрабатываемых материалов. В. настоящее время широкое использование гидроабразивного способа разрушения горних пород по щелевой схеме в исполнительных органах проходческих комбайнов с последующим скалыванием межщелевых целиков дисковыми шарошками, затруднено по следующим причинам:

- наличие противоречивых сведений по влиянию крупности абра- ' зивных частиц на эффективность процесса щелеобразования;

- не установлены закономерности процесса нарезания щелей' в .породах'в зависимости от их прочности, а также гидравлических, геометрических и режимных параметров гидроабразивного инструмента и не существует конкретны^ рекомендаций по выбору их рациональных значений;

- не разработан метод расчета глубины прорезаемой щели гидроабразивным инструментом в породах, что затрудняет его использование в качестве породоразрушающего на проходческих комбайнах;

- не разработана методика расчета основных параметров гидроабразивных резаков^для исполнительных органов проходческих комбайнов.

На основании изложенного, а также в соответствии с целью ра- • боты были поставлены следующие задачи исследований:

- установить основные факторы, определяющие процесс нареза-

ния щелей в горных породах гидроабразивнкм инструментом;

- установить влияние крупности абразива на эффективность процесса щелеобразованпя;

- обосновать чи выбрать критерий оценки сопротивляемости горных пород разрушению гидроабразивными струями;

- установить влияние геометрических, гидравлических и режимных, параметров гидроабразивного инструмента на показатели процесса щелеобразованпя; ;

- определить рациональные параметры процесса щелеобразсва-

ния;

- разработать метод расчета эффективности процесса щелеобразованпя;

- разработать методику расчета основных параметров гидроабразивных резаков для исполнительных органов проходческих комбайнов. оснащенных дисковыми шарошками.

Процесс нарезания щели в породах гидроабразизяым инструментом ■ с учетаг присущих ему особенностей (рис. 1) определяется следующими

• основными факторами: геометричеспи-■ ми параметрами инструмента, характеризующимися диаметром с]к и длиной

• 1К коллиматора; гидравлическими параметрам!! инструмента, характеризующимися давлением воды перед насадкой Р0,' скоростью истечения струи

диаметром струеформирувщэй насадки. а0 и коэффициентом расхода режимными параметрами; характеризующимися скоростью перемещения инструмента Уп, концентрацией абразивных частиц в струе воды 0 и расстоянием между срезом' коллиматора и поверхностью породы 10; а также крупностью . абразивн:дх частиц А и физико-мзханическими свойствами пород. Рис. 1

В качестве основных критериев оценки эффективности процесса нарезания щелей в породах гидроабразивным инструментом были при--пяти глубина прорезаемой щели п, скорость приращения боковой .поверхности Щели Г0 = 11V,,, к удельная энергоемкость-процесса щепе-".образования Е0 = Нг/Р0 (где кг - гидравлическая мощность струи).

Схема нарезания вдали в массива гкдроабразкбиьа инструменте;-:

\

Для установления закономерностей процесса нарезания щелей в породах гидроабразивным инструментом были проведены экспериментальные исследования. Для этого была разработана специальная установка. состоящая из приводного насосного блока, водяного насосного блока низкого давления, преобразователя давления, блока фильтров, "'гидроабразивного инструмента и системы подвода абразива. Преобразователь давления мультипликаторного типа позволял обеспечивать давление воды до 200 МПа и расход ее до 30' л/мин. Породные блоки с различными физико-механическими свойствами крепились на подвижной тележке стенда, перемещавшейся по раме при помощи винтового податчика. Для регистрации давления воды стенд был оборудован измерительной системой, состоящей из стрелочного манометра прямого действия, тензоманометров. усилителя ТА - 5 и шлейфового осциллографа Н - 117/1.. В исследованиях использовался гидроабразивный инструмент оригинальной конструкции, позволяющий варьировать параметры в широких пределах и обеспечивающий постоянство концентрации абразивных частиц в водоабразивной струе на. уровне 15 %, Такая концентрация по сведениям зарубежных ученых позволяет получать щели с наибольшей глубиной. В качестве абразива применялся кварцевый песок.

Влияние крупности абразивных частиц А на глубину щели изучалось на образцах мрамора с пределом прочности на одноосное сжатие 27,2 МПа при давлении воды 100 МПа, диаметре струеформирующей насадки 0.4 мм, диаметре коллиматора 3.5 мм, длине коллиматора 95 мм; скорости перемещения инструмента 3, 5 мм/с и расстоянии от среза коллиматора до поверхности породы 6 мм. Диапазон изменения А составлял 0, 05-0,5 мм, а исходный песок подвергался рамеву на пять фракций. Выявлено, что при повышении А глубина щели вначале возрастает, а затем уменьшается. Установлено, что при крупности абразивных частиц 0,14-0,16 мм глубина щели является1 максимальной. Поэтому дальнейшие эксперименты проводились с использованием абразивных частиц данной крупности. ' ' .

Для обоснованного выбора критерия оценки сопротивляемости горного массива разрушению гидроабразивннми струями за основные показатели Физико-механических свойств .были приняты характеристики пород, нашедшие широкое применение в качестве критериев при различных способах разрушения (табл. 1). ■

Определение критерия оценки сопротивляемости породного массива разрушению гкдроабразквнцми струями осуществлялось с использованием метода парного корреляционного анализа. ■ заключающегося в отысканий по, экспериментальна« данным взаимосвязи глубины щели с

каждым из показателей свойств в отдельности.

Таблица 1

'Показатели физико-механических свойств пород

Наименование показателей Диапазон варьирования

Временное сопротивление пород одноосному растяжению бр. !.Ша Временное сопротивление пород одноосному сжатии бс„, М1а ¡Контактная прочность Гк, МПа ~ ¡Условный предел прочности Ку = (бРбск/3)°•5 3.5 - 18.6 . 2.7.2 - 159. 1 1В6 - 3640 5.6 - 31.4

Оксперимецтальныз исследования проводились при нарезании целен в краморе. известняке, песчанике и граните гидроабразивным инструментом при давлении воды 100 МПа, диаметре струеформирувдей насап1';: 0, 4 мм, диаметре коллиматора 3,5 им, длине коллиматора 95 мм,' Скорости перемещения инструмента 3,5 мм/с, и расстоянии от среза коллиматора ди образца породы'6 мм.

За критерий устойчивости связи принят индекс корреляции й, а етеш-.чь тесноты связи оценивалась коэффициентом вариации Ксар. Рассмотрены пять вариантов корреляционной связи: у = А + Ьх, у = А Вх +. Сх2, у = АеВх, у = Аха и у •-• А + В. Анализ результатов исследований показал, что корреляционная связь мевду глубиной цели и свойствами, пород независимо от вариантов связи достаточно устойчивая и тесная. Минимальные значения индексов корреляции (за редким исключением) превышали 0,7. Вместе с тем установлено', что наибольшее значение Р. =■ 0,992 и наименьшее "гьр 5,5 % имеет место при сопоставлении глубины цели с показа-' телем по зависимости вида у = Ах8. Поэтому, в качестве критерия оценки сопротивляемости пород разрувскив гвдроабразнвными струями рекомендовано' врзмонное сопротивление^ пород одноосному ехгтив б,*. Связь между глубиной щели Ь (в им). и показателем б^ (в МПа) имеет следуювдй ниц:

1) =" 50Э16са"1 •э8. __ (1)

Влияние диаметра коллиматора с!к иа Глубину щели изучалось при разрушении мрамора с бС5 " 27,2 Ш1а в.два этапа.

Ка первом этапе исследования проводились при диаметре струе-' форнирующей .насадки 0,4 мм, скорости перемещенная инструмента

- и -

3.5 мм/с и расстоянии от среза коллиматора до породы 6 мм. Давление воды в опытах составляло 60. 120 и 180 МПа, длина коллиматора - 65 и 95 мм, а диаметр коллиматора - 2; 2,5; 3.5; 4,5; 5 и 5,5 мм. Анализ результатов экспериментов показал, что при увеличении диаметра коллиматора глубина цели вначале возрастает, достигая максимального значения при dK =3,5 мм. а затем уменьшается для всех значений давления води*и длины коллиматора. Это происходит потому, что при малых диаметрах с увеличением dK сопротивление гидроабразивной струе при прохождении ее через коллиматор уменьшается. При больших диаметрах гидроабразивная струя пролетает через коллиматор, не заполняя собой всего его сечения. Коллиматор в этом случае, утрачивает свои Функции по эффективному насыщению водяной струн абразивными частицами и по успокоению потока. Скорость разгона абразивных частиц.и их энергия снижаются, а следовательно, уменьшается и производимая работа по разрушению породы. Поэтому в дальнейших исследованиях для получения наибольшей глубины щель при диаметре струефсркирущеЯ .насадки 0,4 мм,, использовался коллиматор диаметром 3,5 мм.' Кроме того, анализ экспериментальных данных показал, что с.повышением длины коллиматора с 65 до 95 ни для всех значений dK и Р0 глубина щели увеличивается. Это связано с тем. что в удлиненном коллиматоре происходит более качественное перемешивание абразивных частиц о 'внеоконапор-ноп водой и лучшее успокоение потока. Скорость разгона абразивных частиц в этом случае увеличивается, кинетическая энергия их позывается. а следовательно, возрастает и эффективность разрушения пород; Поэтому в дальнейших исследованиях для получения наибольшей глубины челн использовался коллиматор длиной 95 мм.

Па втором этапе исследований определялось влияние диаметра . коллиматора dx на г.чубнну/щмн при диаметре струеформирувщей насадки 0,6 и 0,0 мм а давлении воды 100 МПа. 3 этой серии экспериментов V„ - 3, 5 мм/с, а 10 = б мм. Проведенные исследования позволили установить, .что для инструмента с d0 = 0,'6 мм максимальная глубина агли соответствует диаметру коллиматора 5,5 мм. При увеличении диаметра коллиматора от 3,5 до 5,5 мм глубина щели возрастает, а с дальнейшим повышением d„ от 5. 5 до 7,5 мм значения h уменьшаются. Для .инструмента с d„ =0,3 ми глубина щели возрастает при увеличении dK от 3,5 до 7.5 мм. Полученные результаты полностью подтвердили сделанные нами предположения, которые приведены £нве и касаются взаимодействия коллиматора и гидроабразивноП' струн. Обобщая результаты этих исследований, можно сделать вывод о существовании для данной конструкции гилроабразивного инстру-

_ 1 о _

иента рационального соотношения диаметров' коллиматора и струефор-мирующей насадки с1к/(30 ~ 9 с точки зрения получения максимальной глубины щели. Поэтому в дальнейших исследованиях с целью получения наибольшей глубины щели при диаметрах струеформирующей насадки 0,4; 0,6 и 0,8 мм использовались коллиматоры- диаметром 3,5; 5,5 и-7,5 мм соответственно.

Влияние расстояния от среза коллиматора до поверхности породы 10 на глубину щели изучалось при разрушении мрамора с 6С* - 27,2 МПа. В ходе опытов Р0 = 40, 80. 120, 150 и 180 МПа, (10 =0.4, 0,6 И 0,8 мм, йк = 2,5. 3.5, 4.5 и 5,5 мм, а Уп> 0,7. 1,75, 3,5 и 7.0 мм/с. Расстояние 10 изменялось от 0 до 50 мм. Установлено, что независимо от параметров Р0. с30, (1К и Уа значения 10, соответствующие наибольшей глубине щели, составляет 4 - 6 мм и являются с этой точки зрения рациональными. На наш взгляд, увеличение Ь с увеличением 10 от 0 до 4 - 6 мм происходит потому, что процесс струеформирования заканчивается не непосредственно у срез-а коллиматора, а на некотором расстоянии от него. Увеличение 10. свыше- 6 мм.приводит, к уменьшению Ь из-за.того, что' гидроабразивная струя начинает рассеиваться, а скорость абразивных частиц уменьшаться в результате взаимодействия со средой, в которую происходит истечение. Кроме того, выявлено, что с увеличением 10 от О до 4 мм значения 1) возрастают в среднем' на 30 %, а при дальнейшем росте 10 от 6 до 10 мн П снижается в среднем на 2-3 %, .(аналогично, -при росте 10 от 6 до 20 мм значения Ь снижаются в среднем на 5-8 %,- а при росте 10 от 6 до Во ми значения П уменьшаются е среднем на 25 Следовательно, при разработке конкретной технологии но нарезанию щелей в породах гидроабразивным инструментом следует учитывать, что уменьшение 10 относительно рационального значения снижает глубину Ь более.интенсивно, чем при увеличении 10 относительно рационального. Поэтому в дальнейших исследованиях расстояние от срсза коллиматора до поверхности породы принималось равным 6 мм.

Влнлние давления ьиооконапорноЯ воды р0 и диаметра струеформирующей. насадки о0 на глубину щели и энергоемкость процесса щ.з-деобразования Е0 исследовалось на образцах мрамора, известняка и гранита с 6СЖ = 27,2, 90,1 п 115.5 МПа соответственно. Опыты проводились при слгдуюсак параметрах:_ Р0 = 20 - 200 МПа. й0 = 0.4. 0,6 и 0,8. мм и Уп =3,5 мм/с.

Вначале была проведена серия опытов по разрушению мрамора. Проведенные исследования позволили установить, что глубина щели прямолрспорцнопально увеличивается с повышением давления Р0 и дн~

акз'тра <30. ■ Повышение Р0 в указанном интерзале вызывает рост П в зависимости от б„' примерно в'20 - 40 раз, что объясняется увеличением скорости разгона абразивных частиц в струе. Увеличение с30 от 0,4 до 0,8 км приводит к росту 11 примерно в 2 - 2. 5 раза. 5то происходит потому, что с увеличением й0 повышается расход высоконапорной воды через насадку, а' следовательно, большее количество частиц взаимодействует с поверхностью породы, вызывая разрушение. Кроме того, при использовании насадки большего диаметра, при неизменной скорости перемещения инструмента, увеличивается время воздействия гидроабразивной струи на породу.

Следующие серии опытов были проведены ка образцах известняка и гранита. Установлено, что для крепких пород глубина щели также прякопропорционально возрастает с увеличением давления воды. Увеличение би тояе приводит к увеличения и. При повышении даеления води от 75 до 200 КПа глубина щели возрастает в 4 - 5 раз. Увеличение а0 от 0,4 до 0,8 мм Еызывает рост 11 также как и при разрушении мрамора в среднем в 2 - 2.5 раза. Совместный анализ результатов экспериментов показал, что с увеличением бая значения и уменьшаются. Зто.объясняется тем, что для разрушения более крепких пород требуются больше энергозатраты. .Поэтому для получения требуемой глубины щели в крепких породах следует либо увеличить давление высоксшапорной волы, либо - диаметр струефсрмирушпй насадки. ■ •

Установлено, что зависимость удельной энергоемкости процесса щелеобразования Е0 от давления воду Р, носит параболический характер с наличием точки минимума, соответствующего "рациональному значении. Р0 рац. Это объясняется тем, что при малых значениях давления воды интенсивность возрастания скорости приращения бокс-вой поверхности щели выше интенсивности увеличения гидравлической мощности струи, а при больших' значениях давления - наоборот. Показано, что с возрастанием ().„ и соответствующего сЗк значения ми-' нииальной удельной онер: оемкостн процесса щелеобразования возрастают. В то ке время, значения Р0 ра,(, соответствующее минимальной удельной энергоемкости процесса щелеобразования, с возрастанием о10 счияаются. Кроме того, с ростом бС8 значения миникал'^мс удельных энергозатрат увеличива.ятся, и соответствуащие им рациональные значения давления воды такке повышаются.

Для определения рациональных значений давления высоконапор .чей воды Р„ ,,а была получена расчетная зависимость

Р0 , ,.. - 42.3 + 1.гбси " 48. 3(30 + 0. 2с1эбся. ч (?

Влияние скорости перемещения гцдроабразивного инструмента относительно породы V„ на глубину щели и скорость приращения .боковой поверхности щели F0 изучалось при разрушении мрамора, известняка и гранита с 6t, с 27.2, 90.1 й 115,5 МПа. Опыты выполнялись при Р0 = 50, 100 И. 150 МПа, d0 --= 0.4. 0,6 и 0,8 мм, ' И V„ »'0,7; 1.75; '3.5 и .7,0 мм/с. Анализ экспериментальных данных • показал, что для всех пород с изменением Vn значения h изменяемся по закону близкому к гиперболическому для всех значений Р0 и d0, так как с увеличением V„ уменьшается время воздействия гидроабразивной струи на породу, а значит, и количество абразивных частиц, вызывающих разрушение, также уменьшается.

Кроме того, установлено, что для всех пород', принятых к исследованию, значения F0 • независимо от. Р„ и d„ с увеличением у„ сначала возрастают, а затем снижаются. Это объясняется тем, что большим значениям h"соответствуют меньшие значения Vn и наоборот. Выявлено, что с увеличением Р0 и d0 значения F0 также возрастают. Анализ зависимостей F0 = f(V„) показал, что они могут быть аппроксимирования параболическими кривыми с наличием максимума, соответствующего рациональному значению скорости перемещения Vn рац.

Для определения рациональной скорости перемещения гидроабразивного инструмента была установлена расчетная зависимость

. V„ рац = 4.073 - 0. 032бсж + 0.006Ро + 0.0002РобС1. (3)

Принятый за основной экспериментально-статистический метод предусматривал проведение экспериментальных исследований с последующим графоаналитическим анализом опытных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики. При этом эксперименты планировались таким образом, чтобы можно было последовательно получить качественную и количественную оценку различных влияющих факторов. Однако наибольший практический интерес представляет разработка метода расчета эффективности процесса ще-леобразования в виде обобщенной зависимости, позволяющей с известной степенью точности определять глубину щели и энергоемкость процесса при различных условиях. Решение этой задачи теоретическим путем в настоящее время не представляется возможным. Поэтому при. установлении основных количественных связей между глубиной щели и различными влияющими факторами приходится основываться на результатах экспериментальных исследований с использованием методов подобия и размерностей. '

■Функциональная зависимость между глубиной щели и параметрами

разрушения может быть представлена в следующем общем виде:'

11 = Г(р);р2:рз^,^2;б;ьт;Р0;У0;(30;3;1;А;1к;10;Уп;бсж;С), (4)

где р!-, рг и р3 - плотность воды, воздуха . и абразива соответственно, (г/мм3); V, и \г - вязкость воды и воздуха, (г/мм с); б - поверхностное натяжение воды, (г/с2); е - ускорение свободного падения, (мм/с2);- Б - площадь поперечного сечения камеры смешения, (мм2); Ь - высота" камеры.смешения, (мм); Р0(МПа); У0(мм/с); (мм); Л (мм); 1к(мм); 10(мм); У„ (мм/с); бсж(МПа); С (35).

Применив методы -подобия и размерностей и воспользовавшись тремя первичными единицами измерения массы, расстояния и времени с масштабами С; Ь; Т..можно записать выражение (4) в безразмерном виде: ■ ...

И

=

Рг

Рз

СЬ3

I- сь3

ат

сьт

р(б3

V14g

С414Т6

[ Й4Ь4Т6

аь2

сь2

У, г и

1 !,Т

1А

г12 1* Ь

;-; ; с

- ь2 1„ 1

(5)

Из общего числа безразмерных критериев, входящих в выражение (5)', р2/р3; г>,/г2: р,б34в); БЛШ: 1х/1„ и С, в процессе данных исследований не изменялись. С учетом постоянства безразмерных критериев зависимость для безразмерной глубины щели примет следующий вид:

И

Гз

V«

бс,

(6)

■"С* 41 '

В результате обработки 'опытных данных в соответствии с выражением (6) получена обобщенная формула для расчета глубины щели прорезаемой гидроабразивным инструментом 11 V. Р0 - '- = 0.0003 —;-. (7)

Йо Уп бс

На основании результатов исследований разработана "Методика расчета основных параметров гидроабразивных резаков для исполни-: тельных органов проходческих комбайнов, оснащенных дисковыми шарошками" (рис. 2). Исходной информацией для. расчета является: глубина щели, прочность пород и установленная мощность привода насосной установки высокого давления.

ЗАКЛЙЧЕНИЕ

В диссертационной работе, на основании выполненных автором экспериментальных исследований/ решена актуальная- задача установления параметров процесса нарезания опережающих щелей в горных породах гидроабразивным инструментом, использование которого в конструкциях исполнительных органов с учетом закономерностей взаимодействия его с массивом при рациональных параметрах процесса щелеобразования ■ и с последующим скалыванием межщелевых целиков.дисковыми шарошками, обеспечит повышение эффективности работы и расз;ирение области применения проходческих комбайнов, что-имеет большое практическое значение для горной промышленности.

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

1. Выявлено, что при повышении крупности абразивных частиц от 0,05 до 0,5 мм глубина щели-вначале возрастает, а затем уменьшается. Определено, что при крупности абразивных частиц 0,14 -0.16 мм глубина.щели является ¡.аксиыальнои.

2. Установлено, что при разрушении породного массива гидро-вбразиь,йяш струями между глубиной щели и временны« сопротивлением пород на одноосное сзатие существует корреляционная связь (индекс корреляции составляет 0,99). ' Получена-зависимость, отражающая связь глубины щели с показателем На основании всей совокупности проанализированных дачных в качестве критерия оценки сонротав доеное га горних пород разрушению гндроабразинныж: стружи рекомендовано .-»реизшгое сопротивление пород на одноосное сжатие.

3. Показано, что с- увеличением длины коллиматора глубина щзлп возрастает. Установлено рациональной соотношение диаметров коллиматора п отруейорнпрувщой насадки равное 9 и определено рациона инюе расстояние иадцу срезом коллиматора и поверхностью порода составляющее «1 - г> мм, которые соответствуют максимальной

Схема разрушения массива дисковой шаросжоЯ совместно с гидроабразивным резаком.

глубине щели.

4. Установлено, что давление воды и диаметр струеформирующей насадки оказывают существенное влияние.на процесс щелеобразова-ния. При увеличении давления воды от 20 до 200 МПа при разрушении мрамора глубина щели возрастает в 20 - 40 раз, а при разрушении гранита и известняка повышение давления с 75 до 200 МПа приводит к увеличению глубины щели в 4 - 5 раз. Изменение диаметра струеформирующей насадки от 0,4 до 0,8 мм вызывает рост глубины щели в среднем в 2 - 2,5 раза.

5. На основании взаимосвязи давления воды, диаметра струеформирующей насадки и соответствующего ей диаметра коллиматора, а также прочности пород с показателями-процесса щелеобразования выявлены области минималык" удельных энергозатрат, определяющие рациональные значения давления воды. При этом обнаружено, что с увеличением диаметра струеформирующей насадки и соответствующего ей диаметра коллиматора рациональное давление воды снижается, а с повышением прочности пород - увеличивается. Получена расчетная Формула для определения рациональных давлений волы применительно к различным условиям работы гидроабразивного инструмента.

6. При сопоставлении скорости перемещения гнлроабразивного инструмента, давления зоды и прочности пород с показателями процесса щелеобразования определены области максимальных скоростей приращения боковой поверхности щели, соответствующие рациональным значениям скорости подачи. При этом выявлено, что' с увеличением давления воды рациональная скорость перемещения инструмента увеличивается, а с повышением прочности пород - уменьшается. Предложена расчетная формула для определения рациональных скоростей перемещения гидроабразивного инструмента для различных условий.

7. Разработан метод расчета эффективности процесса щелеобразования с использованием положений теории подобия и размерностей,, учитывающий влияние диаметра струеформирующей насадки, давления воды, прочности пород, а также скоростей истечения высоконанорной воды.и перемещения инструмента.

8. Разработана "Методика расчета основных параметров гидро-абразлвных резаков для исполнительных органов проходческих комбайнов, оснащенных .дисковыми шарошками", которая принята - фирмой "НИТЕП" и используется при создании гидроабразивных резаков и исполнительных органов проходческих комбайнов.

Основные' положения диссертации опубликованы в следующих ра ботах:

- 18 -1. Бафталовскнй »I.E., Кузьмич И. А.. * Айткалиев Н.,М., Головин ¡i.A. Результаты экспериментальных исследовании в области гидроабразивного резания//Лроблемы создания экологически - чистых и ресурсосберегающий технологий добычи полезных ископаемых-и переработки отходов горного производства/Тез. докл. 1-я Межд. конф. -Тула, 1996. - С. 162.

2.. Пушкарев Л. Е., Головин К. А., Ерухкмович И. 3. Влияние давления выеоконансрной воды на "эффективность гидроабразивного резания горных пород//Тульский государственный университет, -' Тула, 1997. - 13 е.: пл. деп. В ВИНИТИ, 24.02.97, Ii 592-В97.

'3 Пушкарев А.Е., Головин К.А.. Ерухимович П.Э. Влияние геометрических параметров гидроабразивного инструмента на показатели процесса щелеобразованпя//Тульский государственный университет, -Тула, 1997. - 12 е.: ИЛ. дай. В ВИНИТИ, 24.02.97, N 593-ВЭ7. .

4. Головин К.А. Исследование влияния параметров абразива на процесс'гидроабразивной резки горных гюрод//Тульский государственный университет, - Тула, lOQ7. - 6 б.: ил. деп. в ВИНИТИ, 24.02.97, N 594-В97.

"5. Бреннер В. А., Пушкарр А. Е., Головин К. А. Исследование гидреаоразианого разрушения горных пород//Экология и безопасность газнелеятельности/'Извес'П!1; Тульского государственного университета... Выпуск 3. - Тула, 1997.- С. 94 - 37.

6. Кабин А. Б., Пушкарев А. Е.. Головин Ii. А., Ерухимович Ю. У. Исследование насыщения высоконапорной водяной струи абразивными, частицами при реализации технологии гидроабразивного разрушения горных пород//Экологкя и безопасность жизнедеятельности/Известия Тульского государственного университета. Еыпуск 3. - Тула, 1997.-С. 97 - 101.

7. Головин К.А. Исследование ■влияния крупности абразивных частиц на процесс гидроабразивной резки горных пород//Экология и безопасность жизнедеятельности/Известия Тульского государственного университета. Выпуск 3. - Тула, 1997.- С. 102 - 104.

Подписано в utrssTb'-i1, Ctrfi Оориат йунат бОжЗ-S 1/tS. Бумага типограф. Kl 2. Офсепая ме-wrs.. Усл. f,C. Усл. кр.-afr. С С . Уч.-изд.л. i J 1краж rCC-зics.'

Тульский гос^дарствиьшй' утшвсрситст. 30050',), Тула, проса.- Лсшта, S2. •йэдразделеши; колтЕграф*:^ Тульского государственною унисср-.

скгсга. 24>OCfr3 Туга, у.Е.Боддкш, iSi. 3