Направленный разрыв природного камня ударным воздействием через пластичное вещество в шпуре тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, кандидат технических наук Тамбовцев, Павел Николаевич

• Тамбовцев, Павел Николаевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тамбовцев, Павел Николаевич

Введение

ГЛАВА 1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ, СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Способы разрушения строительных горных пород, обоснование эффективности разрушения пластичным веществом

1.2. Анализ конструкций пневмоударных машин

1.3. Цели и задачи исследований

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗРЫВА СТЕНОК ШПУРА ПЛАСТИЧНЫМ ВЕЩЕСТВОМ

2.1 Поведение пластичного вещества в шпуре при ударных нагрузках

2.2 Экспериментальная оценка соотношения между энергией удара, максимальным давлением в столбе пластичного вещества и его размерами

2.3 Расчетная оценка энергии удара, необходимой для образования начальной трещины

2.4 Факторы, влияющие на направленность разрыва и энергию удара, необходимую для образования трещины в породе

Выводы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПНЕВМОУДАРНОЙ МАШИНЫ ДЛЯ РАЗРЫВА СТРОИТЕЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПЛАСТИЧНЫМ ВЕЩЕСТВОМ

3.1. Обоснование выбора типа машины, конструкция, стратегия расчета

3.2. Расчет мембранного узла

3.3. Предварительная оценка значений основных конструктивных параметров мембранного пневмомолота

3.4. Математическая модель динамики пневмомолота

3.5. Инженерный расчет 78 Выводы

ГЛАВА 4. ЛАБОРАТОРНЫЕ И ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ

4.1. Экспериментальные исследования узлов мембранной пневмоударной машины в лабораторных условиях

4.2. Полевые исследования процесса разрушения гранита

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Направленный разрыв природного камня ударным воздействием через пластичное вещество в шпуре»

Актуальность темы. В последние годы в России интенсивно развивается промышленность природного камня, что связано с возрастающей потребностью использования его в строительстве и архитектуре. Основные затраты в камнепроизводстве ложатся на добычные работы. В настоящее время природный камень добывают в основном буровзрывным, камнерезным и буроклиновым способами. Этим технологиям в разной степени свойственны известные недостатки - значительные потери и повреждения камня, высокая себестоимость продукции, большая трудоемкость работ. В последние годы в практику внедряется, разработанный коллективом ученых ИГД СО РАН под руководством д.т.н. Чернова О.И. - метод добычи блоков с использованием ориентированного гидроразрыва, однако его применение затруднительно в трещиноватых породах. Попадая в случайные трещины, жидкость легко меняет направление разрыва, образуя неровные поверхности. В этом отношении перспективным является создание магистральных трещин в породе путем ударного внедрения инструмента в шпур, заполненный пластичным веществом. Благодаря высокой вязкости пластичное вещество игнорирует случайные трещины и распространяется по магистральной, обеспечивая качественный разрыв камня.

Первые предложения по разрушению твердых пород ударным воздействием через пластичное вещество в шпуре сделаны в ИГД СО РАН д.т.н. Кю Н.Г. Различные варианты этого способа защищены патентами, однако, широкого практического признания данное направление пока не получило. В известной мере это обусловлено недостаточной изученностью особенностей ударного воздействия на породу через столб пластичного вещества, а также отсутствием специализированных устройств для промышленного использования метода. Поэтому задача его развития и совершенствования весьма актуальна.

Цель диссертационной работы состоит в обосновании и разработке технических средств, обеспечивающих применение метода направленного разрыва природного камня ударным воздействием через пластичное вещество в шпуре.

Основная идея работы заключается в осуществлении направленного разрыва породы ударным воздействием через пластичное вещество клиновидным инструментом без применения дополнительных средств для образования концентраторов напряжений.

Задачи исследования:

1. Экспериментально определить особенности передачи энергии удара инструмента на стенки шпура через пластичное вещество и разработать расчетную схему оценки энергии удара, необходимой для образования трещины в породах камня.

2. На основе экспериментов выявить основные факторы, определяющие направленность разрыва.

3. Обосновать тип ударной машины для воздействия на рабочий инструмент, исследовать особенности работы ее базовых узлов, на основе моделирования динамики ее привода сформулировать последовательность инженерного расчета.

4. Испытать опытный образец ударного устройства в лабораторных условиях и провести полевые испытания нового метода направленного разрыва на крупногабаритном гранитном блоке.

Методы исследований. Стендовые эксперименты на физических моделях и образцах, математическое моделирование динамики ударного устройства, обработка и анализ результатов, лабораторные испытания и полевые эксперименты.

Основные научные положения:

1. Ударный импульс давления в каждом поперечном сечении столба пластичного вещества уменьшается по мере удаления сечения от передней кромки инструмента по экспоненциальному закону. Энергия удара, необходимая для образования трещины в породе, при воздействии инструментом через пластичное вещество в шпуре, пропорциональна площади поперечного сечения шпура, квадрату предела прочности на растяжение породы и возрастает с увеличением длины шпура, экспоненциально приближаясь к предельному значению.

2. Ударное воздействие клинового рабочего инструмента на стенки шпура через пластичное вещество обеспечивает направленный разрыв породы, ориентированный по передней кромке клина, причем направленность разрыва ухудшается с уменьшением угла заострения клина ниже 40° и с понижением вязкости пластичного вещества. С увеличением угла заострения клина требуемая для образования трещины энергия удара снижается.

3. В базовом узле пневмомолота с кольцевой мембраной без жесткого центра, работающей с наибольшим суммарным прогибом, увеличение отношения радиуса ограничительной поверхности ударника к радиусу защемления мембраны вызывает уменьшение кинетической энергии, сообщаемой ударнику. Для обеспечения экономичного рабочего цикла мембранного пневмомолота при конструктивно предпочтительных соотношениях между массами и рабочими площадями ударника и золотника (соответственно 87,5 и 2,8) необходимо, чтобы значение безразмерного комплексного параметра /?, отражающего соотношение между массой, рабочей площадью, ходом ударника и рабочим давлением энергоносителя, находилось в пределах 408-412.

Достоверность научных положений подтверждена сопоставлением теоретических и экспериментальных исследований на физических моделях, натурных образцах и в реальных условиях.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Установлена закономерность распределения давления по длине столба пластичного вещества, при ударном нагружении и раскрыта взаимосвязь между значением энергии удара, при котором начинается образование трещины в массиве природного камня, размерами шпура, свойствами породы и пластичного вещества.

2. Экспериментально доказано, что ударное воздействие клинового инструмента через пластичное вещество в шпуре обеспечивает направленный разрыв камня вдоль передней кромки клина. Установлено влияние угла клина и вязкости пластичного вещества на качество разрыва.

3. Получены расчетные зависимости для определения эффективной площади кольцевой мембраны без жесткого центра, являющейся основным элементом пневмопривода молота гравитационного типа. Исследована динамика и определены соотношения конструктивных параметров устройства, обеспечивающие рациональный режим его работы.

Личный вклад автора заключается в постановке и проведении экспериментов по исследованию процесса направленного разрыва горной породы через столб пластачного вещества; в обработке и интерпретации экспериментальных данных; в разработке конструкции мембранного пневмомолота и технических решений устройств для образования направленных трещин в шпурах породы.

Практическая ценность. Полученные результаты составляют основу для разработки технологического процесса создания направленных трещин в массиве природного камня для отделения монолитов и их пассировки.

Реализация работы в промышленности. Результаты работы приняты ИГД СО РАН для изготовления технических средств и дальнейшей реализации направленного разрыва природного камня на карьерах.

Апробация работы. Основные результаты исследований представлялись на 3-й международной научно-практической конференции, ИГД СО РАН, Новосибирск, 2003; докладывались на научных симпозиумах "Неделя горняка" (МГГУ, Москва) в 2004, 2005 и 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ, в том числе три патента на изобретение.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Содержит 103 страницы машинописного текста, включая 53 рисунка, 12 таблиц и список литературы из 81 наименования.

Заключение диссертации по теме «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», Тамбовцев, Павел Николаевич

Выводы

1. Экспериментальные исследования показали, что разработанная схема расчета мембранного узла обеспечивает приемлемые для практики результаты, расчетный ход ударника отличается от экспериментального не более чем на 10%.

2. Экспериментально установлено, что коэффициент передачи энергии ударника инструменту в исследованной ударной системе "ударник-боек-инструмент" составляет 38%.

3. Полевые испытания по ударному разрушению крупногабаритного гранитного блока подтвердили способность образования направленной трещины и, соответственно, направленного разрыва блока без нарезания концентраторов, исключительно за счет применения клинового инструмента, воздействующего на столб пластилина в шпуре.

4. До возникновения трещины заглубление инструмента Зинс в шпур за удар не превышает 1 мм, в процессе развития трещины внедрение инструмента увеличивается в зависимости от величины раскрытия трещины и находится в пределах 5и не =(2-50 )мм.

5. С образованием раскрытой трещины {Зтр > 2мм ) отскока наковальни от торца инструмента не наблюдается.

6. Расчетная (Аа =490 Дж) оценка нижней границы значения энергии единичного удара на инструменте, необходимой для создания начальной трещины в граните, соответствует экспериментальной =515 Дж).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, имеющие существенное значение для экономики страны, заключающиеся в решении задачи создания направленного разрыва крепких горных пород, основанное на применении ударного воздействия на породу через пластичное вещество в шпуре.

Основные научные и практические результаты состоят в следующем:

1. Доказано, что при ударном воздействии на горную породу клиновым инструментом через пластичное вещество в шпуре расположение передней кромки клина определяет направление образования и развития трещины. Определены условия, обеспечивающие достижение этого эффекта.

2. Разработана расчетная схема ударного нагружения горной породы через пластичное вещество в шпуре, которая позволяет оценить энергию удара, необходимую для образования трещины.

3. Показано, что для ударного разрыва горных пород через пластичное вещество предпочтительна пневмоударная машина гравитационного типа с мембранным приводом. Разработан мембранный пневмомолот с энергией удара 1500 Дж, отличающийся простотой конструкции и отсутствием силы отдачи.

4. На основе результатов математического моделирования динамики пневмо-молота определены рациональные значения его конструктивных параметров. Предложен метод инженерного расчета машины. Испытан опытный образец мембранного узла.

5. Проведены полевые испытания по разрыву крупногабаритного гранитного блока. В испытаниях реализован направленный разрыв без использования дополнительных концентраторов напряжений. Испытания показали, что реальное значение энергии удара, обеспечивающей появление начальной трещины, хорошо согласуется с расчетным значением.

6. Получено три патента на пневмоударную машину и устройства для образования направленных трещин. Результаты работы приняты ИГД СО РАН для реализации направленного разрыва горных пород на карьерах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тамбовцев, Павел Николаевич, 2006 год

1. Казарян Ж.А. Природный камень: добыча, обработка, применение. Справочник. Текст. / Ж.А. Казарян М., 1998.

2. Казарян Ж.А. Инструмент для добычи и обработки природного камня. Текст. / Ж.А. Казарян М., 1990.

3. Волуев И.В. Безотходная технология добычи и обработке блочного природного камня. Текст. / И.В. Волуев М., Недра, 1994. — 192 с.

4. Добыча и обработка природного камня. Текст. / А.Г. Смирнов М., Недра, 1992.

5. Текст. / Горный журнал 2001 - № 3, МГГУ.

6. Текст. / Горный журнал 1996 - № 6, МГГУ.

7. Текст. / Горный журнал 2004 - № 2, МГГУ.

8. Технология и механизация добычи пильного камня. Текст. / . . Михайлов — М., 1981.

9. Техника и технология добычи гранитных блоков. Текст. / Б.Р. Ранимов — М., 1989.

10. Бадумян К.А. Оборудование для добычи и обработки природного камня. Текст. / К.А. Бадумян, Ф.А. Мерян, Э.Е. Барсегян М., 1987.

11. Сычев Ю.И. Распиловка камня. Текст. / Ю.И. Сычев, Ю.Я. Берлин М: Стройиздат, 1989.

12. Карасев Ю.Г. Опыт применения буровзрывных работ при вскрытии месторождения мрамора Коелга-Южная. Текст. / Ю.Г. Карасев, Б.Н. Кутузов, H.H. Ано-щенко, Г.И. Чеботарев // Горный журнал 2001 - № 3, МГГУ.

13. Орлов A.M. Добыча и обработка природного камня. Текст. / A.M. Орлов — М., 1977.

14. Бродли Ф. Вопросы технологии добычи и управления камнедобывающими предприятиями. Текст. / Ф. Бродли, К. Музетти // Выездной семинар М., 1996.

15. Кю Н.Г. Добыча блочного камня методом флюидоразрыва горных пород. Текст. / Н.Г. Кю, A.M. Фрейдин, Чернов О.И. // Горный журнал 2001 - № 3, МГГУ.

16. Чернов О.И. О флюидоразрыве породных массивов. Текст. / О.И. Чернов, Н.Г. Кю // ФТПРПИ 1988 - № 6.

17. Чернов О.И. Теоретическое изучение разрушения горной породы растяжением при различных схемах нагружения щели в массиве. Текст. / О.И. Чернов, O.A. Абрамова // ФТПРПИ 1984 - № 2.

18. Чернов О.И. Гидродинамическая стратификация монолитных пород в качестве способа управления труднообрушающейся кровлей. Текст. / О.И. Чернов // ФТПРПИ- 1983 -№2.

19. Чернов О.И. Экспериментальное изучение ориентированного разрыва твердых тел высоковязким флюидом. Текст. / О.И. Чернов, Н.Г. Кю // ФТПРПИ 1996 - № 5.

20. Клишин В.И. Создание технологий и оборудования для разрушения прочных горных пород растягивающими усилиями. Текст. / В.И. Клишин, Ю.М. Лекон-цев, П.В. Сажин // Горный информационно-аналитический бюллетень 2004 - № 11.

21. Клишин В.И. Результаты опытно-промышленного испытания оборудования на каменных блоках. Текст. / В.И. Клишин, Ю.М. Леконцев, П.В. Сажин // Динамика и прочность горных машин. Том 1. Новосибирск - 2003.

22. Чернов О.И. Изучение ориентированного гидроразрыва массива горных пород, вмещающих алмазную трубку "Интернациональная". Текст. / О.И. Чернов, И.И. Барсуков, Г.Е. Посохов // ФТПРПИ 1997 - № 6.

23. Чернов О.И. Направленное воздействие на монолитную труднообрушаю-щуюся кровлю в шахтах. Текст. / О.И. Чернов, О.И. Гребенник // Механика горных пород и механизированные крепи. Новосибирск, ИГД СО РАН - 1985.

24. Кю Н.Г. О методе направленного разрушения горных пород пластичными веществами. Текст. / Н.Г. Кю, Д. А Циганков // ФТПРПИ 2003 - № 6.

25. Патент РФ № 2131032. Способ разрушения горных пород. / Н.Г. Кю, О.И. Чернов. Опубл. в БИ № 15, 1999.

26. Патент РФ № 2168018. Устройство для образования направленных трещин в скважинах. / Н.Г. Кю, Ю.И. Леконцев. Опубл. в БИ № 15, 2001.

27. Патент РФ № 2167293. Способ разрушения горных пород. / Н.Г. Кю и др. — Опубл. вБИ№ 14, 2001.

28. Костылев А.Д. Пневмопробойники и машины для забивания в грунт легких стержневых элементов. Текст. /А.Д. Костылев, К.С Гурков, Б.Н. Смоляницкий. — Новосибирск, 1980.

29. Авторское свидетельство СССР № 607885. Пневматическое устройство ударного действия. / А.Д. Костылев и др. — Опубл. в БИ № 19, 1978.

30. Авторское свидетельство СССР № 727758. Пневматическое устройство ударного действия. / В.П. Богинский, Б.Н. Смоляницкий. Опубл. в БИ № 14, 1980.

31. Авторское свидетельство СССР № 739184. Пневматическое устройство ударного действия. / В.П. Богинский, Б.Н. Смоляницкий и др. — Опубл. в БИ № 21, 1980.

32. Авторское свидетельство СССР № 791846. Пневматическое ударное устройство. / В.П. Гилета и др. Опубл. в БИ № 48, 1980.

33. Авторское свидетельство СССР № 910936. Пневматическое устройство ударного действия. / А.Д. Костылев и др. — Опубл. в БИ № 9, 1982.

34. Авторское свидетельство СССР № 1108170. Пневматическое устройство ударного действия. / А.Д. Костылев и др. Опубл. в БИ № 30, 1984.

35. Гурков К.С. Пневмопробойники. Текст. / К.С. Гурков, В.В. Климашко, А.Д. Костылев, В.Д. Плавских, Е.П. Русин, Б.Н. Смоляницкий, К.К. Тупицин, Н.П. Че-пурной. — Новосибирск, 1990.

36. Смоляницкий Б.Н. Новые пневмоударные машины "Тайфун" для специальных строительных работ. Текст. / Б.Н. Смоляницкий, В.В. Червов, В.В. Трубицин // Механизация строительства 1997 - № 7, М.

37. Червов В.В. Энергия удара пневмомолота с упругим клапаном в камере обратного хода. Текст. // ФТПРПИ 2004 - № 1.

38. Налимов В. В. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. Текст. / В.В. Налимов, Н. А. Чернова. — М.: Наука, 1965.

39. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. Текст. / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. М., 1971.

40. Мельников C.B. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Текст. / C.B. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин. -Ленинград, 1972.

41. Пижурин A.A. Современные методы исследований технологических процессов, в деревообработке. Текст. —М., 1972.

42. Есин H.H. Методика исследований и доводки пневматических молотков. Текст. Новосибирск, 1965.

43. Волошенко-Климовицкий Ю. Я. Динамический предел текучести. Текст. — М.: Наука, 1965.

44. Динамическая прочность металлов. Текст. / Е.Г.Коновалов. — М., 1969.

45. Погодин-Алексеев Г.И. Динамическая прочность и хрупкость металлов. Текст.-М., 1966.

46. Высокоскоростная деформация металлов. Текст. Минск, 1976.

47. Соколов А.Д. Влияние скорости деформации на прочностные характеристики металлов при комнатной температуре. Текст. Горький, 1962.

48. Пластическая деформация сплавов. Текст. / JI.E. Попов. — Томск, 1986.

49. Дарков A.B. Сопротивление материалов. Текст. / A.B. Дарков, Г.С. Шпиро. -М., 1965.

50. Прочность устойчивость колебания. Текст. / И.А. Биргера, Я.Г. Пановко. -М., 1968.

51. Кошкин Н.И. Справочник по элементарной физике. Текст. / Н.И Кошкин, М.Г. Ширкевич. М., 1976.

52. Таблицы физических величин. Справочник. / И.К. Кикоина. М., 1976.

53. Физико-механические свойства горных пород. -№ 37, 1967.

54. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород. / Н.В. Мельников и др. М., Недра, 1975.

55. Исследование физико-механических свойств горных пород. Текст. // Труды ИГЕМ, вып. № 43. АН СССР, М., 1961.

56. Родионов П.В. Экспериментальные исследования характеристик резинотканевых элементов вибровозбудителя. Текст. // Научные основы механизации открытых и подземных горных работ. ИГД СО АН СССР, Новосибирск, 1983.

57. Герц Е.В. Теория и расчет силовых пневматических устройств. Текст./ Е.В. Герц, Г.В. Крейнин. — М., 1960.

58. Иванов К.И. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. Текст. / К.И. Иванов, В.А. Латышев, В.Д. Андреев. М., 1987.

59. Бегагоен И.А. Бурильные машины. Текст. / И.А. Бегагоен, А.Г. Дядюра, А.И. Бажал. М. 1972.

60. Крапивин М.Г. Горные инструменты. Текст. -М., 1979.

61. Алимов О.Д. Бурильные машины. Текст. / О.Д. Алимов, Л.И. Дврников. — М.: Машиностроение, 1976.

62. Ашавский A.M. Силовые импульсные системы. Текст. / A.M. Ашавский, А.Я Вольперт, B.C. Шейнбаум. М.: Машиностроение, 1978.

63. Костылев А.Д. Исследование рабочего процесса реверсивных пневмопро-бойников. Текст. / А.Д.Костылев, В.Д. Плавских, E.H. Чередников // Горные машины. ИГД СО АН СССР, Новосибирск, 1980.

64. Костылев А.Д. О рабочем процессе реверсивного пневмоударного механизма. Текст. / А.Д. Костылев, A.M. Петреев, Е.П. Русин // Виброударные процессы в строительном производстве. ИГД СО АН СССР, Новосибирск, 1983.

65. Русин Е.П. К вопросу об исследовании реверсивного пневмоударного механизма. Текст. // Научные основы механизации открытых и подземных горных работ. ИГД СО АН СССР, Новосибирск, 1983.

66. Петреев A.M. Исследование динамики бесклапанного пневмоударного механизма с одной рабочей камерой. Текст. / A.M. Петреев, В.П. Богинский // Горные машины. ИГД СО АН СССР, Новосибирск, 1980.

67. Суднишников Б.В. Некоторые вопросы теории машин ударного действия. Текст.-Новосибирск, 1949.

68. Суднишников Б.В. Некоторые зависимости, вытекающие из особенностей индикаторных диаграмм пневматических молотков. Текст. // Машины ударного действия. Новосибирск, 1953.

69. Суднишников Б.В. О движении массы под действием силы, заданной в виде функции времени. Текст. // Машины ударного действия. Новосибирск, 1953.

70. Суднишников Б.В. Элементы динамики машин ударного действия. Текст. / Б.В. Суднишников, H.H. Есин. Новосибирск, 1965.

71. Герц Е.В. Пневматические приводы. Теория и расчет. Текст. М, 1969.

72. Водяник В.И. Эластичные мембраны. Текст. -М.: Машиностроение, 1974.

73. Герц Е.В. Расчет пневмоприводов. Текст. -М.: Машиностроение, 1975.

74. Крейнин Г.В. Машинное построение математических моделей устройств с пневмоприводом ударного действия. Текст. / Г.В. Крейнин, Е.Г. Мюнцер, Б.И. Павлов, A.M. Петреев // IY Всесоюзный симпозиум по пневматическим приводам системам управления. - Тула, 1981.

75. Петреев A.M. Программа "ПУМ вариант". Текст. / A.M. Петреев, Е.Г. Мюнцер // Инструкция пользователя. - ИГД СО АН СССР, Новосибирск.

76. Родионов П.В. Математическая модель виброударных пневмомашин. Текст. // Горные машины. ИГД СО АН СССР, Новосибирск, 1980.

77. Родионов П.В. К методике обработки индикаторных диаграмм мембранных виброударных пневмомеханизмов. Текст. // Научные основы механизации горных работ. ИГД СО АН СССР, Новосибирск, 1986.

78. Петреев A.M. О системе безразмерных параметров пневмоударных устройств. Текст. / Ручные пневматические машины ударного действия. Новосибирск, 1982.

79. Тамбовцев П.Н. Пневматический ударный узел общего технического назначения. Текст. // Материалы 3-й международной научно-практической конференции. ИГД СО РАН, Новосибирск, 2003.

80. Патент РФ № 2229558. Пневматическое ударное устройство для забивания в грунт стержневых элементов, например труб (варианты) / Тишков А. Я., Левенсон А. Я., Еременко Ю. И., Тамбовцев П. Н. Опубл. в БИ № 15, 2004.