Разработка технологии разрушения горных пород с наложением на инструмент упругих колебаний тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.14, кандидат технических наук Шустов, Денис Александрович

• Шустов, Денис Александрович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шустов, Денис Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ состояния вопроса и постановка задач

исследования

§ 1 . Краткий анализ механических способов бурения

горных пород

§ 2 . Использование вибрации в породоразрушающих машинах и

механизмах

§ 3 . Влияние вибрации режущей кромки на процесс

разрушения и износостойкость инструмента

§ 4 . Средства для получения высокоэнергетических

упругих колебаний

Выводы и постановка задач исследования

Глава 2. Экспериментальные исследования влияния наложения

упругих колебаний на режущий инструмент и на показатели механического

разрушения

§1 . Исследование влияния высокочастотных

упругих колебаний на показатели разрушения

горных пород

§2 . Влияние упрушх колебаний на износостойкость

режущего инструмента

Выводы

Глава 3. Исследование взаимосвязи параметров колебательного процесса с технологическими нагрузками при разрушении горных пород с наложением на инструмент

упругих колебаний

§ 1 . Зависимость параметров колебательного

процесса от статической нагрузки на систему

Стр.

§2 . Анализ взаимосвязи технологических нагрузок

с параметрами колебательного процесса

§ 3 . Зависимость эффективности разрушения при наложении на инструмент упругих колебаний

от свойств горной породы

Выводы

Глава 4. Влияние кавитационных процессов на интенси -

фикацию разрушения горных пород

§ 1 . Основы теории кавитации

12 . Факторы , влияющие на кавитацию

§3 . Теоретическое объяснение характера

наблюдаемых закономерностей процесса

ультразвукового разрушения

§ 4 . Экспериментальное исследование

процесса ультразвукового разрушения горных пород

§5 . Описание физических процессов , протекающих в рабочем зазоре между режущим инструментом

и забоем шпура

Выводы

Глава 5 . Технико - экономический анализ интенсификации вибро - вращательного бурения режущим инструментом с

наложением на него упругих колебаний

§ 1 . Основные вопросы технико - экономического

анализа интенсификации бурения шпуров

"§2 . Определение экономического годового

эффекта от внедрения нового оборудования

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии разрушения горных пород с наложением на инструмент упругих колебаний»

ВВЕДЕНИЕ

Одним из физических способов интенсификации различных процессов при разведке , добыче и переработке полезных ископаемых является использование упругих колебаний . Возможность эффективного применения упругих колебаний с использованием ультразвуковых генераторов (УЗГ) для интенсификации различных процессов , в том числе и механического разрушения горных пород , обусловлена их достоинствами в сравнении с другими способами . К таким достоинствам можно отнести :

1) возможность получения высокоэнергетических упругих колебаний практически любой частоты ;

2) возможность излучения колебаний в различных средах и достаточная интенсивность воздействия на них ;

3) независимость полей упругих колебаний от других полей и возможность , в связи с этим , совместного с ними воздействия на среды ;

4) возможность наложения колебаний различных видов на режущий инструмент при механическом разрушении горных пород .

Анализ возможностей высокоэнергетических упругих колебаний и имеющиеся результаты исследований позволяют уже сегодня рекомендовать возможные области их применения для целей интенсификации различных процессов при разведке и добыче полезных ископаемых, а именно :

1) для процессов механического разрушения горных пород;

2) ддя процессов обогащения полезных ископаемых.

Целью настоящей работы является исследование механического разрушения горных пород с помощью наложения на инструмент высокоэнергетических упругих колебаний с частотой от 16 до 24 кгц и изучение основных факторов , влияющих на разрушение горных пород .

С точки зрения механического разрушения горных пород упругие колебания могут быть отнесены к "вибрации" - более общему понятию, отражающему динамическое воздействие режущей грани в месте контакта инструмента с разрушаемой поверхностью , с учетом влияния кавитационных процессов на предразрушенный слой и с подбором охлаждающей жидкости , которая увеличивает процесс кавитации , тем самым , влияет на процесс разрушения горной породы , при этом не оказывая вредного воздействия на рабочий инструмет .

Особый интерес представляют исследования по использованию вибрации с частотой от 10 до 40 уд / сек , а также ультразвуковых частот в диапазоне 16-24 кгц .

Это связано с тем , что использование вибрационных нагрузок наряду со статическими усилиями на породо - разрушающий инструмент позволяет значительно интенсифицировать процесс разрушения , а также в связи с открывшимися в последние годы широкими возможностями получения высокоэнергетических упругих колебаний с помощью пьезо - и магнитострикционных преобразователей. Именно эти обстоятельства и явились главными при определении цели настоящего исследования . В данной работе , посвященной исследованию интенсификации механического разрушения горных пород средней и выше средней крепости с помощью наложения на породо - разрушающий инструмент упругих колебаний , применительно , главным образом , к процессу вибро -вращательного бурения режущим инструментом при проходке горных выработок с дополнительно образовавшейся абразивной суспензией в результате наложения на инструмент упругих колебаний , рассматриваются следующие основные вопросы:

1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования .

2. Влияние вынужденных колебаний режущей кромки инструмента на показатели разрушения горной породы и износостойкость режущего инструмента .

3. Анализ взаимосвязи параметров колебательного процесса с технологическими нагрузками .

4. Изменение сил сопротивлений горных пород резанию при обычном разрушении и с наложением на инструмент упругих колебаний .

5. Подбор жидкостей , усиливающих процессы кавитации .

В работе дается технико - экономический анализ интенсификации вибро -вращательного бурения горных пород режущим инструментом с наложением на него упругих колебаний применительно к проходке горных выработок .

Заключение диссертации по теме «Технология и техника геологоразведочных работ», Шустов, Денис Александрович

Выводы.

Следовательно , себестоимость буровых работ при наложении на породоразрушающий инструмент упругих колебаний на 25 - 35 % ниже , чем при обычном вибро - вращательном бурении .

При увеличении скорости бурения за счет наложения на инструмент упругих колебаний в 2,0 - 2,5 раза производительность труда рабочих , занятых на бурении шпуров в горной породе с коэффициентом крепости 1=1 - 12, возрастает на 40 - 70%.

Таким образом , наложение упругих колебаний на породоразрушающий инструмент при вибро - вращательном бурении шпуров позволит снизить ¿себестоимость буровых работ и увеличить производительность труда рабочих .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные экспериментальные и теоретические исследования позволяют сделать следующие основные выводы :

1. Наложение упругих колебаний на породоразрушающий инструмент режущего типа позволяет : а) в 2,0 - 2,5 раза интенсифицировать процесс разрушения , увеличить скорость вибро - вращательно бурения шпуров режущим инструментом ; б) в 1,5 - 2,0 раза повысить износостойкость режущего инструмента при вибро -вращательном бурении горной породы крепостью по шкале Протодьяконова f = 7 - 12; в) за счет увеличения скорости бурения и повышения износостойкости породоразрушающего инструмента на 2 - 3 категории расширить область эффективного применения вибро - вращательного бурения шпуров на подземных работах ; г) на 40 - 70 % повысить производительность труда рабочих по сравнению с производительностью на установках обычного вибро - вращательного бурения режупдам инструментом и на 20 - 40% снизить себестоимость буровых работ при проходке выработок .

2. При интенсификации механического разрушения горной породы в стесненных условиях подземных горных выработок рациональным следует считать диапазон частот от 16-24 кгц .

3. Полученное выражение для коэффициента эффективности , позволяет произвести предварительную оценку эффективности применения упругих колебаний в зависимости от свойств горных пород и режима разрушения .

4. . Эффективность наложения упругих колебаний заданной мощности на породоразрушающий инструмент снижается с увеличением технологических нагрузок (осевого усилия и скорости вращения при бурении) .

5. При бурении более крепких горных пород целесообразно увеличение мощности колебаний .

Анализ результатов проведенных исследований свидетельствует о широких возможностях и несомненной перспективе использования эффекта наложения упругих колебаний на породоразрушающий инструмент режущего типа с целью значительного улучшения технике - экономических показателей бурения шпуров в выработках .

Современный уровень машиностроения и производства пьезострикционных материалов в России позволяет разработать и организовать серийный выпуск буровых установок с исполнительным органом на основе пьезострикционного вибратора . В результате того , что наложение колебаний на породоразрушающий инструмент способствует значительному снижению вибрации буровых установок , создаются реальные предпосылки для уменьшения их веса , повышения срока службы , эксплуатационных качеств и улучшения условий труда рабочих .

Предварительные расчеты показывают , что реализация результатов исследований при бурении шпуров позволит уже в настоящее время получить ежегодный экономический эффект 8820600000 руб. в год . При этом исполнительный орган , изготовленный согласно изложенным в работе основным положениям методики расчета , может быть использован на применяемых в настоящее время в выработках установках вибро - вращательного бурения . Дальнейшее развитие отечественного машиностроения в направлении разработки более современных генераторов электромагнитной энергии , в частности , мощных импульсных генераторов , а также снижение стоимости пьезо и магнитострикционных материалов - позволит получить еще более высокий экономический эффект .

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шустов, Денис Александрович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Аида Тосио , Окамото Такаси , Сато Акира . Исследование резания пород с помощью ультразвука . Нихон Коге Кайси . "Jornel of Mining end Metallurgical institute of Japan " , т . 78 , NN 883 ,1962 ( японский ) .

2. Баркан Д. Д. Виброметр в строительстве . Госстройиздат, Москва , 1959 .

3. Барке В. Н. Исследования колебательной системы вибратора ультразвукового станка . Диссертация , Московского станкостроительного института , 1958 .

4. Барон Л . И . Анализ различных способов разрушения горных пород применительно к созданию проходческих комбайнов . ЦИТИУГЛЯ , Москва , 1962 .

5. Барон Л. И. Основные научно - методические вопросы разрушения горных пород . Сб . " Разрушение горных пород механическими способами " . Изд - во Наука , Москва , 1966 .

6. Бергман Л. Ультразвук и его применение в промышленности. Перевод с немецкого . Изд - во иностранной литературы , Москва , 1956 .

7. Беранек Л. Акустические измерения . Изд - во иностранной литературы , Москва , 1958 .

8. Бержерон Л. От гидравлического удара в трубах до разряда в электрической сети . Машгиз , Москва , 1962 .

9. Берон А. И. , Казанский А. С. , Лейбов Б. М. , Позин Е. 3. Резание угля . Госгортехиздат , Москва , 1962 .

10. Бессикерский В. А. , Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования . Физматгиз , Москва ,1966 .

11. Bodine A. G. Polyphase sonik Earth Bore Drill . Патент США N 2970660 , кл . 175 -55 .

12. Bodine A. G. Звуковое бурение с вращающимся инструментом . Патент США N 3211243 , кл . 175 - 57 (английский) .

13. ВНИИБТ . Новые методы бурения . Гостоптехиздат , Москва, 1963.

14. Горелик Г. С. Колебания и волны . Введение в акустику , радиофизику и оптику . Физматгиз , Москва , 1959 .

15. Дикушин В. И. , Барке В. Н. Ультразвуковая эрозия и ее зависимость от колебательных характеристик инструмента . "Станки и инструмент " , N 5 , 1958 .

16. Докукин А. В. , Красников Ю. Д. Автоколебательные процессы при работе струговых установок . ( Доклад на 15 совещании горняков и металлургов во Фрайберге ) . ИГД имени A.A. Скочинского , Москва ,1965 .

17. Докукин А. В. , Красников Ю. Д. , Хургин 3. Я. Аналитические основы динамики выемочных машин . Изд - во "Наука " , Москва , 1966 .

18. Дусев В. И. Сравнительная энергоемкость различных способов бурения . Сб . " Взрывное дело " , N 46/3 . Госгортехиздат , Москва , 1961 .

19. Захаров В. И. Влияние согласующих алиментов опор на колебательную систему при ее статическом нагружении . Научно - технический реферативный сборник "Ультразвуковая техника " , вып . 5 , 1966 .

20. Иванов В. Н. , Юрченко С. В. , Альцев Б. М. , Кассир Г. А. Режимы вибро или ударно - вращательного бурения скважин в крепких породах . Сб . " Разрушение горных пород механическими способами " . Изд - во " Наука " , Москва , 1966 .

21. Ильницкая Е. И. Физика разрушения горных пород . Вестник АН СССР , N 4 , 1959 .

22. Имас А. Д. , Соломко В. П. К вопросу о физической природе разрушения горных пород и углей режущим инструментом . "Уголь" , N 2 , 1962 .

23. Источники мощного ультразвука . Физика и техника мощного ультразвука . Под редакцией JI. Д. Розенберга . Изд - во " Наука " , Москва , 1967 .

24. Казак Ю. Н. , Любащенский Д. М. О законе распределения показателя сопротивляемости угольного пласта резанию рабочим инструментом горных машин . Сб . трудов Гипроуглемаша , N 1 , 1964 .

25. Коняшин Ю. Г. Экспериментальное исследование влияния параметров удара на показатели разрушения горных пород . Сб . " Разрушение горных пород механическими способами " . Изд - во " Наука " , Москва , 1966 .

26. Кухтенко А. И. Теоретико - вероятностный метод определения нагрузочных диаграмм угледобывающих машин . Сб . " Прочность и износ горного оборудования " . Углетехиздат , Москва , 1958 .

27. Кроуфорд А. Э. Ультразвуковая техника . Изд - во иностранной литературы , Москва , 1958 .

28. Ландау Л. Д. , Лившиц Е. М. Механика сплошных сред . ГИТТЛ, Москва , 1954 .

29. Ландау Л. Д. , Лившиц Е. М. Теоретическая физика , т . УП . Теория упругости , Изд - во " Наука " , Москва , 1965 .

30. Zow - fuaguancy magnetoctrictiwe transducer . Патент США N 2842689 , кл . 310 -26 .

31. Miller G. Е. Special Tehong of Ultrasonik Maschining J Appl . Phgs , 1957 28 , N 2 , 149 . ( английский ) .

32. Мальчонок В. О. , Иванов К. И. Перспективы применения магнитострикционного бура в горной промышленности . "Горный журнал" , N 3 , 1967 .

33. Марков А. И. Резание труднообрабатываемых материалов при помощи ультразвуковых и звуковых колебаний . Машгиз , Москва , 1962 .

34. Матаушек И. Ультразвуковая техника . Перевод с немецкого . Металлургиздат , Москва , 1962 .

35. Медведев И. Ф. , Пуляев А. И. Вращательно - ударное бурение шпуров и скважин . Госгортехиздат , Москва , 1962 .

36. Мельников Н. В. Задачи горной науки в связи с развитием промышленности . Изд - во ИГД имени Скочинского, Москва , 1964 .

37. Мейсон T. , Линдли Дж. , Девидсон Р. , Лоример Дж. , Гудвин Т. Химия ультразвука . Перевод с английского . Под общей ред. д-ра хим . наук Козьмина А. С. Изд - во Мир , Москва , 1993 .

38. Миндели Э. О. Буровзрывные работы при подземной добыче полезных ископаемых . Госгортехиздат , Москва , 1966 .

39. Neppiras Е. A. Report on Ultrasonic Machining . " Metalworking Production " , v 100 , N 27 - 31 , 33 - 34 , 1956 ( английский ) .

40. Нисимацу Юити , Кодзуми Седзо. Изучение механизма процесса резания угля , горных пород и других подобных материалов .2-ой доклад .

Нихон Коге Кайси . " Journal of the Mining and Metallurgical institute of Japan ", v. 80 , N 912 , 1964 ( японский ) .

41. Остроушко И. А. Бурение твердых горных пород . Изд - во "Недра " , Москва , 1966 .

42. Перетолчин В. А. , Коледин Ю. М. , Страбыкин H. Н. , Долгун Я. Н. , Бушманов В. М. Режущий буровой инструмент . Иркутск , 1966 .

43. Пономарев П. В. Динамический метод расчета процессов , происходящих при разрушении горных пород ударом . "Издательство вузов , Горный журнал " , N 12 , 1964 .

44. Пономарев П. В. Об усталостном разрушении горных пород при ударах . "Известия вузов , Горный журнал" , N7 , 1966.

45. Пугачев В. С. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления . Физматгиз , Москва , 1962 .

46. Ржевский В. В. , Новик Г. Я. Основы физики горных пород . Изд - во " Недра " , Москва , 1965 .

47. Ржевский В. В. , Вайншток И. С. , Ямщиков В. С. Ультразвуковой импульсный прибор для исследования горных пород . Горный журнал , N 1 , 1965 .

48. Рудавский И. Е. Некоторые итоги исследования электровращательного способа бурения шпуров . Горный журнал , N 4 , 1959 .

49. Сидоренко А. К. , Савельев М. С. , Жуковский Ю. Э. Новый вибросиловой способ бурения горных пород . Сб . Горная электромеханика и автоматика , вып . 3 , 1965 .

50. Суханов А. Ф. , Кутузов Б. Н. Разрушение горных пород Изд- во . МГИ -МИРГЭМ , Москва , 1960 -1965 .

51. Стретт Дж. В. ( Лорд Релей ) Теория звука , т . 1. Перевод с английского , Изд - во технико - теоретической литературы . Москва . 1955 .

52. Стретт Дж. В. ( Лорд Релей ) Теория звука , т . 2 . Перевод с английского , изд - во технико - теоретической литературы . Москва , 1955 .

53. Суханов А. Ф. , Кутузов Б. Н. Разрушение горных пород Изд- во МГИ - МИРГЭМ , Москва , 1960 - 1965 .

54. Стамов - Витковский А. В. , Ярочкин В. В. Бесконтактные методы измерения вибрации . Труды научно - исследовательского технологического института , вып. 6 , ч. 1 , Москва , 1964 .

55.Справочник норм основных расходов ( CHOP ) . Выпуск 4 , горнопроходческие работы . Изд - во " Недра " , Москва , 1993 .

56. Тарасенко В. П. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук . МГИ , 1966 .

57. Тер - Азарьев И. А. , Сувалян П. Г. , Варданян Р. С. Некоторые показатели ультразвукового резания камня . Труды института камня и силикатов , г . Ереван , вып . 2 , 1965 .

58. Теумин И. М. Ультразвуковые колебательные системы . Машгиз , Москва , 1959 .

59. Теумин И. И. Ультразвуковые волноводно - излучающие устройства . ГОСИНТИ , Москва , 1968 .

60. Танака Массау , Танеда Кайдзи. Исследование процесса бурения с использование ультразвука . " Journal of the Mining and Metallurgical institute of Japan . Нихон Kore Кайси " , v. 80 , N915, 1964 (японский ) .

61. Терских В. П. Расчеты крутильных колебаний . Справочное пособие . Машгиз , Москва , 1954 .

62. Теумин И. И. Шариковый индикатор амплитуды колебаний . Технико -информационный бюллетень ОКБ ультразвуковых и высоко частотных установок N 1

63. Ультразвуковое бурение . " South African Mining and Engineering jour nal " , N 31199 , 1954 ( английский ) .

64. Ультразвуковой бур . " Mining Elektrikal and Mechanikal Engineering " N 405 , 1954 ( английский ) .

65. Ультразвуковой бур " Oil and Gas journal " , v 53 , N 5 , 1954 (английский ) .

66. Уткин И. А. и др . Магнитострикционный вибратор . Авторское свидетельство N 188048 , 1966 .

67. Уткин И . А . и др . Авторское свидетельство N 188048 , 1966 .

68. Федоров В. С. Научные основы режимов бурения . Гостоптехиздат , Москва , 1951 .

69. Ферхерст С. Волновая механика ударного бурения . N 26 , 28, 1961 . Перевод с английского . Институт ЦНИИ Подземшахтострой , Москва , 1962 .

70. Фурдуев В. В. Акустические основы вещания . Изд - во лителатуры по вопросам связи и радио . Москва , 1960 .

71. Харкевич A.A. Спектор и анализ . Гостехиздат , Москва , 1953 .

72. Шкуренко Н. С. , Рахлин А. Б. и др . Виброметод разработки мерзлых грунтов . Изд - во литературы по строительству , Москва , 1965 .

73. Шмид Р. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук . МГИ , 1967 .

( 19 ) , 1961 .

74. Шрейнер Л. А. Физические основы механики горных пород . Госгортехиздат , Москва , 1950 .

75. Ямщиков В. С. Исследование упругих и прочностных свойств горных пород ультразвуковым методом . Диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук , МИРГЭМ , 1965 .

76. Яшин В. П. , Шустов Д. А. Основы теории конструирования инструмента для ультразвукового способа обработки камнесамоцветного сырья . Труды конфренции "Новые достижения в науках о земле " . ( тез . докл . ). Москва , 1995 .

77. Яшин В. П. , Андреев М. Ю. , Шустов Д. А . Критерий создания технологических средств для ультразвукового способа разрушения пород и выбора базового генератора . Труды конференции " Новые достижения в науках о земле " . ( тез . докл. ) . Москва, 1995 .

78. Яшин В. П. , Шустов Д. А. Эффективность воздействия ультразвуковых преобразователей на горные породы . Труды конференции " Новые достижения в науках о земле ". ( тез . докл . ) . Москва . 1996.

79. Яшин В. П. , Шустов Д. А. Исследования процессов кавитации и определение критериев эффективности разрушения горных пород при бурении с использованием ультразвуковых колебаний. Труды конференции " Новые достижения в науках о земле". ( тез . докл . ) . Москва . 1997 .