авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Снижение усилий отделения угля от массива совершенствованием привода резца выемочного модуля

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БАННИКОВ Александр Анатольевич

Снижение усилий отделения угля от массива

совершенствованием привода резца

выемочного модуля

Специальность 05.05.06 Горные машины

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук










Санкт-Петербург

2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Габов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты:

Хорешок Алексей Алексеевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет», кафедра горных машин и комплексов, зав. кафедрой

Розенкевич Виктор Эфроимович

кандидат технических наук, ОАО «ВНИИ Галургии», ведущий инженер

Ведущая организация ОАО «Национальный научный центр горного производства «Институт горного дела им. А.А. Скочинского».

Защита диссертации состоится 25 декабря 2012 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 23 ноября 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д-р техн. наук, профессор ТИМОФЕЕВ И.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Тенденция развития современного горного производства подтверждает неуклонный рост общего объема добычи твердых полезных ископаемых механическим способом. Длительным опытом горных работ подтверждается эффективность механического разрушения углей и горных пород крепостью до 80-90 МПа и дальнейшее его развитие рассматривается как наиболее перспективное. Однако на современном этапе увеличение добычи достигается повышением энерговооруженности горных машин, что увеличивает их массу и габариты, а с ростом производительности повышается выход мелких классов и пыли в добытой горной массе.

Создание горных машин нового технического уровня, способных отделять полезное ископаемое от массива (добывать) заданного гранулометрического состава, с меньшими выделением пыли и энергопотреблением, возможно только с необходимым научным обоснованием, которое опирается на фундаментальные положения теории механического разрушения и глубокое понимание сущности процесса резания углей.



В создание классической экспериментально-статистической теории резания углей большой вклад внесли ученые А.И. Берон, А.С. Казанский, Б.М. Лейбов, З.И. Позин, М.И. Слободкин, В.Н. Гетопанов, А.Г. Фролов и многие другие.

Однако некоторые положения теории резания не согласуются с кинетической теорией трещинообразования при разрушении горных пород, а показатель сопротивляемости резанию углей является осредненной характеристикой по реализациям (нагрузкам по срезам), мощности пласта и длине лавы, что делает его более достоверным в общем, но и маскирует, а по сути ограничивает возможности поиска новых нетрадиционных направлений совершенствования собственно процесса резания. Поэтому необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования процесса резания для совершенствования методик расчетов, используемых при проектировании, конструировании и эксплуатации горных машин.

Исследование процесса резания углей резцами горных машин как последовательности элементарных сколов является новым, позитивным направлением в углублении теории резания и актуальным на современном этапе исследований взаимодействия резца с горным массивом.

Цель исследований - выявление закономерностей отделения угля от массива одиночным эталонным резцом при введении запаса потенциальной энергии в его привод для снижения динамических нагрузок, сокращения удельного расхода энергии и выхода мелких классов отделяемого угля, а также повышения точности оценки сопротивляемости угля резанию.

Задачи исследований:

1. Анализ процесса отделения угля от массива резцами горных машин.

2. Проведение теоретических исследований процесса отделения угля от массива последовательными сколами.

3. Проведение экспериментальных исследований зависимости сил резания на одиночном резце от объема гидроаккумуляторов в его приводе.

4. Обоснование рациональных параметров устройства для определения сопротивляемости углей резанию.

5. Обоснование области применения резцов с запасом потенциальной энергии в их приводе.

Метод исследований: в работе используется комплексный экспериментально-теоретический метод исследований, включающий анализ известных результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса резания углей; приборов для определения сопротивляемости резанию; теоретические исследования процесса резания углей последовательными элементарными сколами; экспериментальные стендовые исследования процесса резания углей одиночным эталонным резцом со спектральным анализом результатов.

Научная новизна:

1. Установлено экспоненциальное снижение среднего значения сил резания при отделении углей эталонным резцом при постоянной толщине среза на 10-15% с увеличением объема гидроаккумуляторов в его приводе.

2. Установлено снижение значений дисперсии нагрузки на одиночном резце с увеличением объема гидроаккумуляторов в его приводе, которое асимптотически приближается к минимальному значению, зависящему от трещиноватости, слойчатости и степени хрупкости угля.

3. Научно обоснована структура и параметры устройства для определения сопротивляемости угля резанию в шахтных условиях на принципе постоянного силового воздействия.

Защищаемые научные положения:

1. Экспериментально установлено, что среднее значение сил на одиночном резце при отделении угля от массива эталонными срезами уменьшается с увеличением объема гидроаккумуляторов в его приводе по экспоненциальной зависимости от значений, определяемых в режиме резания с постоянной скоростью, до значений, определяемых в режиме с постоянным силовым воздействием.

2. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что при отделении угля от массива эталонными срезами дисперсия сил на одиночном резце с увеличением объема гидроаккумуляторов в его приводе асимптотически снижается до минимальных (фоновых) значений, обусловленных трещиноватостью, хрупкостью угля, жесткостью резца и узла его установки.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается: результатами экспериментальных исследований резания угольных блоков эталонным резцом; достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований не менее 90%; непротиворечивостью выводов классическим теориям разрушения пород механическим способом.

Практическое значение работы состоит:  в предложенных методиках выбора параметров устройства для определения сопротивляемости углей резанию и исполнительного органа выемочного модуля; в разработанном и изготовленном опытном образце устройства для определения сопротивляемости угля резанию в шахтных условиях.

Реализация результатов работы.

- приняты к использованию: в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт угля Сибирского отделения РАН; в институте «Печорниипроект» ОАО «Воркутауголь»;

- используются в учебном процессе в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» и его филиале (ВГИ, г. Воркута) при подготовке специалистов по направлению 130400 «Горное дело» по профилю «Горные машины и оборудование».

Личный вклад автора:

- Разработан способ и изготовлен стенд для определения сопротивляемости углей резанию при движении резца с «постоянным силовым воздействием» на массив.

- Проведены экспериментальные исследования по определению влияния потенциальной энергии в приводе резца на среднее значение и дисперсию сил резания, сформулированы научные положения.

- Разработано и изготовлено устройство для определения сопротивляемости углей резанию в шахтных условиях.

Апробация работы

Основные положения диссертации и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на ежегодном научном симпозиуме «Неделя горняка – 2010» (МГГУ, 2010), г. Москва; научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (ВГИ филиал СПГГИ (ТУ), 2009, 2010, 2011) г. Воркута.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 6 работ, в том числе 3 статьи в сборниках, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы

Диссертационная работа содержит 157 страниц текста, 63 рисунка, 7 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 97 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и приведена общая характеристика работы.

В первой главе проведен анализ разрушения угля исполнительными органами современных горных машин, существующих конструкций приборов и установок по определению показателей разрушаемости горного массива, разработана и приведена классификация приборов, сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе проведен анализ классической теории резания углей, обоснованности принятых допущений и констант при определении характеристики разрушаемости массива; проведен анализ факторов, влияющих на механические свойства массива и сопротивляемость его разрушению; проведены теоретические исследования зависимости сил на резце (при эталонном резании) от запаса энергии в приводе резца.

В третьей главе представлены методика экспериментальных исследований, конструкция стенда и результаты экспериментальных исследований процесса резания углей в режиме с постоянной скоростью резания и в режиме с постоянным силовым воздействием.

В четвертой главе приведены сведения о изготовленном устройстве для определения сопротивляемости резанию углей в шахтных условиях при различных режимах резания и о методике выбора параметров исполнительного органа выемочного модуля.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Экспериментально установлено, что среднее значение сил на одиночном резце при отделении угля от массива эталонными срезами уменьшается на 10-15% с увеличением объема гидроаккумуляторов в его приводе по экспоненциальной зависимости от значений, определяемых в режиме резания с постоянной скоростью», до значений, определяемых в режиме с постоянным силовым воздействием.

Объектом исследований является процесс резания угля эталонным резцом (h-const; v-const), при этом процесс резания рассматривается как последовательность элементарных сколов, а каждый временной цикл ТЦ элементарного скола – состоящим из последовательных во времени фаз зачистки Ф-1, дробления Ф-2, образования ядра уплотнения Ф-3 и скола Ф-4 (рис. 1).

Рис.1. Осциллограмма главной составляющей усилия резания Pz

Физическая сущность последовательных фаз объясняется тем, что после достижения максимального усилия PZmax в фазе Ф-3 скорость распространения магистральной трещины (далее МТ) в фазе Ф-4 значительно превышает скорость движения резца, при этом образуется новая поверхность среза под углом к плоскости резания. Резец, перемещается режущей кромкой по плоскости резания, сначала зачищает её, а затем постепенно увеличивает толщину среза. Эта картина характерна для современных выемочных машин с постоянной скоростью резания. Затраты энергии по фазам Ф-1 и Ф-2 элементарного цикла, по данным исследований ИГД А.А. Скочинского, составляют 96-98% от общих затрат за цикл, а на образование трещин в фазе Ф-4 – не более 1%.





На основе анализа условий возникновения, распространения МТ при резании угля и реализации скола «в идеальных условиях МТ, возникшая в породном массиве, может распространяться на неограниченное расстояние при поддержании напряжения в подрезцовой зоне – в полюсе трещины, постоянным по величине и равным критическому». Эта гипотеза не противоречит кинетической теории возникновения и развития МТ (быстрых трещин) в хрупких материалах. В таких условиях в процессе разрушения фазы 1 и 2 могут отсутствовать или существенно видоизменяться, ядро уплотнения в явном виде может не формироваться, а неизрасходованная энергия будет реализовываться в процессе распространения МТ. То есть сила резания при постоянных свойствах породы также будет постоянной и будет изменяться только тогда, когда изменятся свойства породы (кр).

Если при решении задач прочности и долговечности конструкций выработаны методы борьбы с возникновением и развитием МТ, то при отделении угля от массива создание МТ с параметрами, повышающими эффективность отделения угля от массива, является целью исследований. Возникновение МТ, её распространение и реализация в хрупких углях зависит от прочностных свойств и структуры массива, геометрии, конструктивных особенностей резца и его режима работы.

Известно, что угли «Воркутского», «Воргашорского» и «Интинского» месторождений относятся к хрупким, характеризуются наличием систем (первой второй, а иногда третьей) эндогенных трещиноватостей, нормальных к слоистости. Трещины этих систем закрытые, размеры их соизмеримы с размерами режущих кромок резца, существенно снижена прочность угля на сдвиг и растяжение по направлению трещин. Распространение МТ происходит с раскрытием этих трещин. При этом в вершине МТ практически отсутствует смятие и пластические деформации, а происходит последовательный сдвиг по этим экзогенным трещинам, разного направления, что существенно снижает скорость распространения МТ.

Известно, что напряжения в подрезцовой зоне для возникновения МТ должно быть больше, чем критическое напряжение в полюсе трещины после её возникновения м.тр кр, так как часть энергии расходуется на образование мелких трещин. Напряжения растяжения в вершине трещины в момент начала её роста также должно быть больше критического:

 = кр·q = кр(1+2), (1)

где коэффициент концентрации напряжений, c – длина половины центральной трещины (мкм), r – радиус у вершины трещины (мкм). То есть напряжение, образуемое подводом энергии к МТ, равно произведению критического напряжения на коэффициент концентрации напряжения, который зависит от отношения полудлины трещины к радиусу вершины трещины.

А. Гриффитс полагал, что максимальная скорость распространения трещины равна скорости распространения упругих продольных волн в однородных материалах:

Vmax= (2)

где Е - модуль упругости (МПа); - плотность материала (кг/м3). Дальнейшие исследования показали, что предельная скорость роста трещины с учетом её кинетической энергии не может превышать значения Vmax (м/с):

Vmax = kстр= (3)

где kстр - коэффициент структуры материала, то есть максимальная скорость не превышает 40% от скорости продольных упругих волн.

На скорость распространения МТ влияет также радиус вершины трещины (1). В хрупких углях расстояние между закрытыми эндогенными микротрещинами, с реализацией которых распространяется МТ, равны 1-10 мм. При достижении критических напряжений в вершине трещины происходят смещения структурных элементов по плоскостям эндогенных трещин. Радиус в вершине трещин может быть определен как расстояние между экзогенными трещинами или половины длины трещины 1/2lтр.э. в зависимости от направления резания. Такие смещения вызывают значительный расход поверхностной энергии трещин в 10…103 раз больший, чем при распространении трещин в однородных материалах, и соответствующее снижение скорости распространения МТ. Следовательно, скорость распространения МТ в углях, может быть определена по формуле:

vм.тр.=kстр.·kr << vм.тр.О , (4)

где kr – коэффициент радиуса вершины трещины. В таком случае скорость распространения МТ значительно ниже, чем в однородных материалах и оказывается одного порядка со скоростями перемещения резцов горных машин.

Если создать запас потенциальной энергии в приводе резца, то его скорость можно увеличить в момент снижения нагрузки в фазе Ф-4 распространения МТ, чем будет поддерживаться напряжение в её полюсе (вершине) и обеспечиваться дальнейшее распространение трещины, то есть увеличение её прямолинейной части. В таком случае фазы Ф-1, Ф-2 и Ф-3 будут сближаться по моменту возникновения и развития с фазой Ф-4, или будут совпадать с нею, что изменит энергетические затраты по фазам и значимость фаз в процессе элементарного скола вплоть до полного их (Ф-1, Ф-2, Ф-3) поглощения фазой Ф-4 в отдельных циклах формирования элементарных сколов.

В качестве подтверждения реальности изменения фаз элементарного скола поддержанием напряжения в вершине трещины, могут служить результаты экспериментальных исследований резания углей подпружиненными резцами шнековых исполнительных органов, проведенных А.В. Докукиным и А.Г. Фроловым. Введение пружины в посадочное место резца обеспечило его подвижность и возможность накапливать потенциальную энергию и реализовывать её в момент образования МТ. При этом снизилось максимальное усилие на резце и частота сколов. Однако, подпружиненные резцы с малым запасом потенциальной энергии и ограниченной рабочей зоной её реализации на шнековых исполнительных не получили дальнейшего теоретического обоснования и практического применения.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.