Обоснование рациональных параметров гидроабразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов

В настоящее время большое внимание уделяется созданию эффективных средств разрушения угля, горных пород и других твердых материалов, обеспечивающих наряду с повышением технико-экономических показателей горношахтного оборудования безопасные условия труда при ведении очистных и проходческих работ.

Одним из решений указанной проблемы является использование оборудования для гидравлического резания различных горных пород и твердых материалов. Эффективность резания существенно повышается при введении в высоконапорную водяную струю абразивных частиц. Технология гидроабразивного резания в полной мере обладает положительными качествами технологии гидравлического резания, а именно: отсутствием пылеобразования, высокой скоростью резания, многофункциональностью, отсутствием затупления режущего инструмента, термических и деформационных напряжений в обрабатываемом материале, а также высокой пожаровзрывобезопасностью.

Вместе с тем технология гидроабразивного резания по сравнению с технологией резания материалов обычными высоконапорными водяными струями имеет значительные преимущества: увеличение глубины и скорости резания в несколько раз при одинаковом исходном давлении водыснижение давления воды, необходимого для получения заданной глубины резанияспособность разрушать высокопрочные материалы и крепкие породыповышение безопасности работ для обслуживающего персонала и другие.

Гидроабразивная технология может быть с успехом использована при выполнении широкого спектра работ на угольных шахтах: оконтуривании забоя подготовительных выработок, ослаблении горного массива нарезанием разгрузочных щелей, ремонте горных выработок, в том числе в условиях пожаров-зрывоопасной среды. Кроме того, с использованием технологии гидроабразивного резания на рудниках, карьерах и других объектах угольной промышленности может быть безопасно и эффективно выполнен большой объем монтажных и демонтажных работ, включая резание металлических конструкций, резинот-росовой ленты, рештаков, рельсов, бронированного кабеля и т. д.

Выполнение разноплановых операций по резанию различных горных пород и угля, а также металлов и других твердых материалов с различными физико-механическими свойствами требует дифференцированного подхода к выбору параметров гидроабразивного агрегата. Существующие методики расчета не учитывают реальные свойства и характеристики водяных струй, что не позволяет научно обоснованно выбирать рациональные параметры гидроабразивного инструмента и систем подачи абразива.

До настоящего времени отсутствует достаточно полная физическая интерпретация процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте, а следовательно, отсутствует их адекватное математическое описание. Как следствие, рекомендации по выбору параметров режущих инструментов нередко в 1,5-ь2 раза отличаются друг от друга. Все это свидетельствует о необходимости проведения дополнительных исследований, направленных на изучение физических процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте и разработку метода расчета его рациональных параметров с учетом реальных динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления.

Цель работы. Обоснование и выбор рациональных параметров гидроабразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов на основе установленных зависимостей формирования гидроабразивных струй.

Идея работы. Повышение эффективности использования гидравлической энергии при формировании гидроабразивных струй в режущем инструменте достигается за счет создания специальной конструкции проточной части гидроабразивного инструмента на основе установленных закономерностей изменения динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления и оптимального расхода абразива.

Методы исследования включают в себя: анализ и обобщение опыта создания и использования оборудования для гидравлического и гидроабразивного резания твердых материалов и результатов ранее выполненных работ по экспериментальному изучению структуры и динамики водяных струй высокого давления, а также аналитическому и экспериментальному моделированию процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструментеэкспериментальные исследования, направленные на установление рациональных параметров проточной части режущего инструмента и системы дозированной подачи абразиваанализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики, а также методов подобия и размерностейсопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

— при равной глубине щелей в твердом материале, получаемых с использованием гидравлической и гидроабразивной технологий резания, давление воды при гидроабразивном резании составляет 33 -г 40% от давления воды при гидравлическом резании, что подтверждает значительное присутствие гидравлических механизмов разрушения в процессе гидроабразивного резания;

— при автомодельном режиме истечения водяных струй выбор рациональных параметров струеформирующих элементов гидроабразивного инструмента не зависит от давления воды перед струеформирующей насадкой, а определяется в зависимости от динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления, характеризующих качество их формированиярациональные геометрические параметры проточной части гидроабразивного инструмента определяются в зависимости от динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления с использованием разработанной математической модели процесса формирования гидроабразивных струй в камере смешивания и коллиматоре инструмента, учитывающей расход абразива, диаметр насадки, длину начального участка и изменение диаметра водяной струи по ее длине, характеризующих качество ее формирования;

— расход абразива, при использовании самовсасывающей разомкнутой системы подачи в режущий инструмент не зависит от изменения гидравлических параметров (давления воды и диаметра струеформирующей насадки), а определяется диаметром шайбы дозирующего устройства. При этом рациональный диаметр шайбы дозирующего устройства определяется в зависимости от геометрических параметров проточной части гидроабразивного инструмента.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью поставленных задачпредставительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных средств, методов исследований и средств измерениякорректным применением методов теории вероятности и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей при обработке и анализе экспериментальных данныхустойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах 0,80 -г 0,99) — удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами эксперимента.

Научное значение работы заключается:

— в установлении закономерностей формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте в зависимости от параметров его проточной части, динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления и расхода абразива;

— в разработке физической интерпретации и математической модели процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте, позволяющих определять рациональные геометрические параметры его проточной части и самовсасывающей разомкнутой системы дозированной подачи абразива;

— в установлении влияния расхода абразива на выбор рациональных параметров гидроабразивного инструмента и определении параметров системы подачи абразива;

— в установлении зависимостей для определения диаметра факела струи на различных расстояниях от насадки и длины начального участка водяных струй высокого давления, учитывающих качество изготовления струеформирующих насадок и параметры подводящего канала гидроабразивного режущего инструмента.

Практическое значение работы:

— разработана конструкция гидроабразивного инструмента нового технического уровня с изменяемой геометрией проточной части, позволяющая расширить область его эффективного применения при использовании струеформирующих насадок диаметром 0,4-г1,2 мм;

— разработана принципиальная схема разомкнутой самовсасывающей системы подачи абразива в режущий инструмент, позволяющая стабилизировать подачу заданного количества абразива независимо от изменения гидравлических параметров инструмента;

— разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров проточной части режущего инструмента и системы дозированной подачи абразива и инженерный метод расчета основных параметров гидроабразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов.

Реализация работы. Результаты исследований были использованы ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочинского и ООО «НИТЕП» при проектировании и изготовлении на ОАО «Скуратовский машиностроительный завод» экспериментальных и опытных образцов гидроабразивных агрегатов для резания горных пород и металлических изделий.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 2-й Международной конференции по проблемам рационального природоис-пользования. (г. Тула, 14−17 мая 2002 г.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию ННЦ ГПИГД им. А. А. Скочинского (г. Люберцы, 27−29 ноября 2002 г.), на 2-й Международной Конференции «Динамика и прочность горных машин» (г. Новосибирск, 28−29 мая 2003 г.), а также на научных семинарах ННЦ ГПИГД им. А. А. Скочинского (2002;2005 гг.).

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

1. При разрушении твердых материалов с использованием струеформирующих насадок диаметром 0,5−1-1,0 мм и давлений воды, превышающих предел прочности разрушаемого материала, равная глубина прорезаемой щели может быть достигнута с использованием гидравлической и гидроабразивной технологий резания. При этом давление воды при гидроабразивном резании составляет 33 4- 40% от давления воды при гидравлическом резании, что свидетельствует о значительном присутствии механизмов гидравлического разрушения твердых материалов в процессе гидроабразивного резания и подтверждает необходимость учета динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления при определении рациональных параметров гидроабразивного режущего инструмента.

2. При автомодельном режиме истечения водяных струй выбор рациональных параметров струеформирующих элементов гидроабразивного инструмента не зависит от давления воды перед струеформирующей насадкой, а определяется в зависимости от диаметра насадки и длины начального участка водяной струи, характеризующего качество ее формирования.

3. Получены расчетная зависимость длины начального участка водяных струй высокого давления от качества изготовления струеформирующих насадок и параметров подводящего канала и насадки гидроабразивного режущего инструмента, а также расчетная зависимость диаметра водяных струй высокого давления по их длине, позволяющая определять диаметр факела струи на различных расстояниях от насадки с учетом качества её формирования.

4. На основе комплексного изучения физических процессов формирования гидроабразивных струй в камере смешивания и коллиматоре гидроабразивного инструмента дана физическая интерпретация этих процессов, учитывающая динамические и структурные характеристики водяных струй высокого давления, и разработана математическая модель.

165 формирования гидроабразивных струй, позволяющая определять рациональные параметры проточной части гидроабразивного режущего инструмента.

5. Разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров проточной части режущего инструмента и дозированной подачи абразива в зависимости от диаметра используемых струеформирующих насадок, а также инженерный метод расчета основных параметров гидроабразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов.

6. Разработаны конструкция гидроабразивного инструмента нового технического уровня с изменяемой геометрией проточной части и система подачи абразива по разомкнутой самовсасывающей схеме, позволяющие при использовании струеформирующих насадок диаметром 0,4-И, 2 мм обеспечить максимальное использование гидравлической энергии водяных струй высокого давления для резания горных пород.

7. Для гидроабразивного инструмента нового технического уровня с изменяемой геометрией проточной части установлено, что при использовании струеформирующих насадок диаметром 0,4И, 2 мм оптимальный удельный расход абразива составляет 0,245 кг/л. Получена зависимость для расчета диаметра дозирующей шайбы разомкнутой самовсасывающей схемы, обеспечивающей подачу заданного количества абразива в гидроабразивный инструмент.

8. Подтверждены высокая эффективность разработанной конструкции гидроабразивного инструмента и основные концептуальные положения математической модели, использованной при расчете его основных параметров. При резании гранитных блоков со скоростью перемещения струи 0,5 мм/с при использовании струеформрующих насадок диаметром 0,8+1,0 мм с давлением воды 100+150 МПа глубина нарезаемой щели составляла 80-И 50 мм, а при резании конструкционной стали с давлением воды 90+100 МПа глубина щели достигала 32-S-35 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований дано новое решение актуальной научной задачи, связанной с обоснованием рациональных параметров гидрообразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов, что имеет важное научное и практическое значение для повышения эффективности использования в шахтных условиях гидроабразивной технологии резания, обеспечивающей безопасные условия труда при ведении очистных и проходческих работ.