Исследование процесса разрушения горных пород при обработке алмазным дисковым инструментом

Повышенное внимание общества в последнее время к таким требованиям товаров и услуг, как надежность, долговечность, выразительность и экологичность привело к предпочтению в выборе в качестве строительного, облицовочного и художественно-декоративного материала — природного камня. Доля применения этого «самого древнего и самого современного отделочного материала» в архитектуре, строительстве, технике, художественной обработке неумолимо растет из года в год. Требования рынка, как к объемам выпускаемой продукции, так и к разнообразию по физико-механическим свойствам, цветовой гамме и фактурным рисункам, обуславливают наращивание мощностей действующих, а также введение в эксплуатацию разведанных месторождений природного камня, возникновение новых камнедобывающих и камнеперерабатывающих предприятий.

Основной показатель, определяющий величину спроса на изделия из природного камня, — это цена, которая может быть снижена путем уменьшения себестоимости готовой продукции.

В процессах добычи и переработки природного камня основная доля затрат связана с износом дорогостоящего алмазного инструмента. При этом износ инструмента сильно зависит от режимов его эксплуатации. Так, при эксплуатации добычного оборудования в области рациональных режимов стоимость алмазного инструмента составляет 75% от общей стоимости затрат на отделение блока от массива, а при эксплуатации перерабатывающего — 52% от стоимости операции на обработку. Если алмазный инструмент используется в режимах, отличных от рациональных, то этот показатель значительно возрастает. Поэтому с целью снижения себестоимости и повышения конкурентоспособности готовой продукции изделий из природного камня необходимо установить рациональные режимы пиления, фрезерования и шлифования алмазным инструментом, при которых расход алмазного инструмента будет минимален.

Процесс переработки природного камня связан с большим объемом распиловочных работ. Основным инструментом в данных операциях являются алмазные диски. Несмотря на значительный период применения алмазного дискового инструмента и многочисленные эксперименты по выявлению факторов и степень их влияния на износ, до сих пор нет единых рекомендаций по рациональным режимам эксплуатации. В настоящее время предлагаемые рекомендации исследовательских институтов и фирм изготовителей алмазного инструмента не дают исчерпывающей информации об области рациональных режимов пиления алмазным дисковым инструментом. Поэтому установление режимов работы алмазного дискового инструмента, при которых наработка его будет максимальна, а эксплуатационные затраты на процесс обработки — минимальными, является актуальной задачей.

Объект исследований: процесс поверхностного разрушения горных пород под воздействием алмазно-абразивного инструмента.

Предмет исследований: физико-технические параметры горных пород в процессах распиловки алмазным дисковым инструментом.

Цель работы: повышение эффективности работы поверхностного разрушения горных пород алмазным дисковым инструментом.

Идея работы: достижение минимума удельных затрат процесса поверхностного разрушения горных пород обеспечивается оптимизацией режимных параметров.

Основные задачи исследований: выявление параметров, влияющих на интенсивность износа материала горной породы при воздействии на нее алмазно-абразивного инструмента и составление классификации по трудоемкости обработки в процессах пиления, шлифованияустановление режимов воздействия инструмента на породу, при которых наблюдается минимальный удельный износ режущей поверхности алмазного инструмента и выявление зависимости данных режимов с физико-механическими свойствами обрабатываемой породы и конструкционными особенностями инструментавыдача рекомендаций по рациональным режимам воздействия «алмазного инструмента на горную породу применительно к классам по трудоемкости обработки природного камня, обеспечивающих минимальные затраты на распиловку единицы поверхности.

Методы исследований включают анализ опыта эксплуатации алмазно-абразивного инструмента в процессах добычи и переработки природного камняэкспериментальные исследования влияния режимов воздействия на энергосиловые показатели процесса распиловки алмазным дисковым инструментом и их зависимость от физико-механических свойствстатистическая обработка результатованалитические расчеты по установлению рациональных режимов процесса распиловки алмазным дисковым инструментом.

На защиту выносятся научные положения:

1. Поддержание показателя обрабатываемости в области максимальных значений в процессах поверхностного разрушения природного камня алмазно-абразивным инструментом обеспечивает минимальный уровень удельных эксплуатационных затрат.

2. Объем диспергированной породы при ее поверхностном разрушении алмазно-абразивным инструментом в режиме оптимальных технологических параметров характеризует показатель обрабатываемости природного камня. При этом количественная оценка показателя относительной обрабатываемости, производимая с учетом таких физико-механических свойств природного камня как твердость и модуль упругости, позволяет ранжировать его по степени сопротивляемости поверхностному разрушению в рамках единой универсальной классификации.

3. Каждому значению длины контакта дискового инструмента с распиливаемой породой соответствует определенное значение нормального давления, при котором показатель обрабатываемости имеет максимальное значение. 4. Увеличение длины контакта инструмента с породой с соблюдением оптимального силового режима ведет к повышению показателя ее обрабатываемости до величины абсолютного максимума, а затем к снижению, что обусловлено совместным влиянием на среднюю величину заглубления алмазных зерен длины контакта и удельного нормального усилия с учетом зашламовывания межконтактного пространства.

Научная новизна работы состоит в установлении: зависимости показателя относительной обрабатываемости природного камня от физико-механических свойств горных пород и степени внедрения алмазных зерен инструмента в породузависимости показателя обрабатываемости от контактного давления и длины контакта в процессах распиловки горных пород алмазным дисковым инструментомрациональных режимных параметров для каждого класса обрабатываемости горных пород единой универсальной классификации с учетом зернистости и концентрации алмазов дискового инструмента.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований, результатов экспериментов и данных практики.

Практическая значимость работы состоит в разработке методики оценки и составлении единой классификации обрабатываемости природного камня алмазно-абразивным инструментом, учитывающей физико-механические свойства горных пород, конструкционные особенности инструмента и силовой режим воздействияустановлении рациональных режимных параметров распиловки алмазным дисковым инструментом в пределах каждой категории предложенной классификации.

Личный вклад автора состоит в проектировании и сборке экспериментального стенда по распиловке природного камня алмазным дисковым инструментомпроведении стендовых экспериментов по распиловке природного камня алмазным дисковым инструментом с целью выявления энергосиловых показателей процесса пиленияустановлении взаимосвязи между энергетическими показателями и режимными параметрами процесса пиления природного камня в промышленных условияхлабораторном определении показателей микротвердости и твердости по Бринеллю природного камня и определении связи между данными физико-механическими свойствамиустановлении рациональных алмазосберегающих режимов распиловки природного камня алмазным дисковым инструментом.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, выводы и рекомендации могут быть использованы при подготовке и реализации проектов строительства и реконструкции камнеперерабатывающих предприятий.

Апробация работы: результаты, основные положения докладывались на международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня» (Магнитогорск, 2003, 2004, 2005 гг.) — всероссийской научно-технической конференции «Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (Красноярск, 2003 г.) — международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатывающей промышленности» (Москва, 2004 г.) — ежегодных научно-технических конференциях МГТУ (Магнитогорск, 2003, 2004, 2005 гг.) — научно-практическом семинаре «Особенности организации работ и применения оборудования в карьерах при различных технологиях добычи природного камня» (Екатеринбург, 2005 г.) — на заседаниях научного семинара кафедры МиЭГП и факультета ГТиТ МГТУ (Магнитогорск, 2005 г.).

При решении поставленных в диссертации задач использованы следующие методы научных исследований: анализ литературных данных и существующего опыта добычи и переработки природного камня и процессов трибологиитехнико-экономический анализ, аналитические и графико-аналитические методы, математическое и экспериментальное моделирование.

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. На основе аналитических исследований выявлено, что стойкость алмазного инструмента, отнесенная к единице площади пропила, прямо пропорциональна величине показателя обрабатываемости или обратно пропорциональна величине удельной работы, что подтверждено анализом экспериментальных данных по бурению, шлифованию и пилению алмазным инструментом горных пород.

2. Установлена относительная трудоемкость обработки природного камня алмазно-абразивным инструментом при одинаковых режимах нагружения, которая оценивается соотношением индексов категорий.

2/3.

Индекс категории обрабатываемости, равный Кц/Е, устанавливает степень разрушаемости горной породы единичным алмазным резцом при упруго-хрупком контакте.

3. Установлена зависимость коэффициента разрушения породы множественного контакта от коэффициента разрушения породы единичным резцом, позволяющая в интервале от 0 до 0,14 средней величины относительного заглубления алмазного зерна в породу описывать процесс резания множеством зерен инструмента процессом резания единичным резцом (относительная ошибка 15%).

4. Определены аналитически зависимости коэффициентов относительной обрабатываемости от индекса категории и силового режима нагружения для процессов шлифования и пиления, которые позволяют производить расчеты производительности обрабатывающего оборудования при неизменных режимах нагружения.

Установлена зависимость показателя обрабатываемости от контактного давления и длины контакта инструмента с породой. Данные зависимости позволяют рекомендовать рациональную производительность распиловочного оборудования дисковым инструментом, характеризуемую максимальными значениями показателя обрабатываемости: класс I — 1661 см2/мин и вышекласс 11 — 565+1765 см2/минкласс III -314+706 см2/минкласс IV — 217+3 71 см2/минкласс V — 141+314 см2/мин. Установлены рациональные значения длины контакта инструмента с породой, обеспечивающие максимальные значения показателя обрабаты ваемости: класс 1−0,13 ми болеекласс II -0,055+0,21 мкласс III — 0,046+0,081 мкласс IV-0,045+0,067 мкласс V — 0,045 м и менее. Полученные величины позволяют рекомендовать многопроходное резание крепких горных пород инструментом диаметром 1250 мм за один проход на глубину: габбро-норита Шрау-Тау месторождения -1,7 ммгранита Мансуровского месторождения -1,7 мм.

7. Определена оптимальная скорость подачи алмазного дискового инструмента, которая является функцией физико-механических свойств породы и зернистости алмазов инструмента: габбро-норита Шрау-Тау месторождения -19,2 м/мингранита Мансуровского месторождения — 12 м/мин.

8. Расчетный экономический эффект от внедрения рекомендуемых режимов на примере распиловки гранита Мансуровского месторождения на пассировочном однодисковом станке инструментом диаметром 1250 мм составляет 74,5 руб/м2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, являющейся законченной квалификационной работой, дано новое решение актуальной научно-практической задачи повышения эффективности работы дисковых пил путем оптимизации физико-технических параметров природных камней.