Федосеев Алексей Петрович. Выбор рациональных параметров ударного инструмента для дробления негабаритов : Федосєєв Олексій Петрович. Вибір раціональних параметрів ударного інструменту для дроблення негабаритів Fedoseev Alexey Petrovich. The choice of rational parameters of the percussion instrument for crushing oversized

Краткое описание

Федосеев Алексей Петрович. Выбор рациональных параметров ударного инструмента для дробления негабаритов: диссертация ... кандидата технических наук: 05.05.06 / Федосеев Алексей Петрович;[Место защиты: ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»].- Екатеринбург, 2014.- 111 с.

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

На правах рукописи

Федосеев Алексей Петрович
ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ УДАРНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ДРОБЛЕНИЯ
НЕГАБАРИТОВ
Специальность 05.05.06 - Г орные машины
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель - д-р техн. наук, профессор Г. А. Боярских
Екатеринбург - 2014 
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 4
Глава 1. Обзор методов и средств ударного разрушения негабаритных кус- 9
ков горной массы
1.1. Техническая характеристика и сравнение эффективности 9 средств разрушения негабаритов
1.2. Анализ известных моделей ударного разрушения горной по- 21
роды.
1.3. Анализ конструкций инструмента для ударного разрушения. 32
1.4. Цели и задачи исследования ^ ^
Глава 2. Определение геометрических параметров рабочей части инстру- 42
мента для дробления негабаритов при расчете на статическую прочность
2.1. Аналитическое определение контактных напряжений рабочего 42 инструмента эллипсоидного типа.
2.2. Определение контактных напряжений методом конечных эле- 46 ментов и общая характеристика модели
2.3. Результаты расчета инструмента на статическую прочность 54
2.4. Выводы 66
Глава 3. Напряженно-деформированное состояние ударника для дробления 67 негабаритов при динамическом нагружении
3.1. Общая характеристика расчетной модели 68
3.2. Результаты расчета на прочность при динамическом нагруже- 72
3.3.
79
Выводы
нии 
Глава 4. Исследование дробимости ударом отдельных кусков горных пород 80 на физической модели
4.1. Стенд для исследования процесса разрушения горных пород 80
ударом
4.2. Методика проведения исследований 83
4.3. Результаты исследований разрушения горных пород ударом 84
4.4. Методика расчета параметров рабочего инструмента дизель- 92
молота для разрушения негабаритов
4.5. Выводы 95
Заключение 97
Библиографический список 99
Приложение 1 110
Приложение 2 111
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. До настоящего времени важнейшими проблемами для большинства горнодобывающих предприятий остаются повышение эффективно¬сти производства, конкурентоспособности выпускаемой продукции и уменьшение вредного воздействия на окружающую среду. Даже применением прогрессивных способов ведения буровзрывных работ не удается полностью исключить выход крупной фракции (негабаритов), о чём свидетельствует опыт разрушения крепких и особо крепких горных пород при ведении горных работ. Выход негабаритов от взорванной массы, в зависимости от горно-геологических условий горных пред¬приятий, может изменяться от (2+-3) % до (15^-20) %. Загромождение негабарит¬ными кусками рабочей площадки ведет к снижению эффективности ведения гор¬ных работ. Попадание негабаритного куска в приемную щель головной дробилки сопряжено с остановкой всей технологической цепочки предприятия.
Дробление негабаритов до требуемых размеров может осуществляться либо с помощью взрыва, как шпуровым способом, так и накладными зарядами, либо невзрывными способами: термическими - за счет электроэнергии, превращаемой в тепло; электрофизическими - за счет энергии электромагнитного поля. Однако эти способы имеют ограниченное применение, так как их эффективность зависит от физических свойств горных пород - теплоемкости, тепло-, электропроводно¬сти, магнитной проводимости. На горных предприятиях в основном используется механическое разрушение, осуществляемое устройствами воздействия на разру¬шаемую среду сосредоточенными динамическими нагрузками - молотами.
Традиционный буровзрывной способ, наряду с определёнными преимуще¬ствами, имеет и ряд недостатков, важнейшими из которых являются негативные воздействия на окружающую среду, сейсмические воздействия на здания и со¬оружения, повреждение кабелей и оборудования разлетающимися кусками поро¬ды, пыле- и газовыделения. Кроме того, взрывные работы вызывают остановку горного производства, эвакуацию людей и оборудования из опасной зоны, что приводит к существенным экономическим потерям.
Наиболее распространенным способом разрушения негабаритов является механический способ. К настоящему времени производителями предлагается множество типов ударных механизмов, основанных на преобразовании различ¬ных видов энергии в механическую. Наибольшее применение нашли гидравличе¬ские и гидропневматические молоты.
В настоящее время ведутся исследования возможности более широкого применения других источников ударной энергии, альтернативных гидравличе¬скому и гидропневматическому источникам, например, дизельных молотов, ши¬роко применяемых в строительстве, адаптированных для дробления негабаритных кусков породы.
Однако существующие дизельные молоты имеют относительно невысокую эффективность функционирования рабочего инструмента, торец рабочей поверх¬ности которого выполняется, как правило, в виде долота, пики, конуса, сферы.
В связи с этим исследования, направленные на совершенствование рабочего инструмента, позволяющие снизить затраты энергии при разрушении негабари¬тов, являются актуальными.
Работа выполнена в рамках программы Г6 «Исследование надежности и энергоэффективности породоразрушающего инструмента».
Объект исследований - породоразрушающий ударный инструмент для дробления негабаритов при ведении горных работ.
Предмет исследования - конструктивные параметры рабочего инструмен¬та и его напряженно-деформированное состояние при ударном разрушении гор¬ных пород.
Идея работы - наиболее эффективное разрушение негабаритов возможно при применении в устройствах для дробления эллиптической формы ударного инструмента, адаптированных к различным горным породам.
Цель работы - повышение эффективности работы машин для разрушения негабаритов за счет использования ударного инструмента с рациональной формой и конструктивными параметрами, обеспечивающего снижение энергетических за¬трат на разрушение.
Методы исследований - анализ литературных источников и их обобщение, физическое и математическое имитационное моделирование, экспериментальные исследования, основанные на законах физики и механики, методы математиче¬ской статистики.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Контактные напряжения в рабочей части инструмента нелинейно зави¬сят от радиусов его кривизны и их соотношения.
2. Повышение эффективности работы машины для дробления негабаритов горных пород может быть достигнуто за счет создания комбинированного эллип-соидного инструмента, обладающего преимуществами клиновидной и сфериче¬ской форм.
3. Взаимосвязь удельной энергии разрушения отдельного куска породы с энергией единичного удара с достаточной информативностью описывается рег-рессионными уравнениями и позволяет определить форму и рациональные пара¬метры рабочего инструмента.
Научная новизна работы:
1. Разработана математическая модель напряженно-деформированного со-стояния комбинированной рабочей части инструмента, позволяющая определять контактные напряжения породоразрушающих инструментов различных модифи¬каций.
2. Установлена рациональная форма рабочего инструмента, сочетающая в себе основные преимущества клиновидной и сферической форм, обеспечивающая снижение энергозатрат при разрушении кусков горной породы.
3. Получены зависимости удельной энергии разрушения куска породы от энергии единичного удара для комбинированной формы разрушающего инстру¬мента.
Практическая значимость работы:
1. Определены рациональные параметры инструмента эллиптической фор¬мы для разрушения негабаритов горных пород.
2. Разработан инструмент, наконечник которого выполнен с уменьшаю¬щимся переменным поперечным сечением, имеющим геометрическую форму эл¬липса, позволяющую расширить область его применения в различных горнотех¬нических условиях дробления негабаритов.
3. Разработана методика расчета параметров рабочего инструмента дизель- молота для разрушения негабаритов.
Личный вклад автора заключается:
- в разработке комбинированной формы ударного инструмента, сочетающей в себе основные достоинства клиновидной и сферической форм;
- в обосновании рациональных параметров, исходя из его напряженно-дефо-рмированного состояния и энергоэффективности;
- в установлении зависимости удельной энергии разрушения отдельного кус¬ка горной породы от энергии единичного удара;
- в разработке методики расчета параметров рабочего инструмента дизель- молота для разрушения негабаритов.
Достоверность и обоснованность основных научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена корректным использованием методов математиче¬ского и физического моделирования, положений теории вероятности и математи¬ческой статистики, апробированными методами экспериментальных исследова¬ний. Удовлетворительная сходимость результатов теоретических и эксперимен¬тальных исследований (относительное расхождение не превышает 12 %) под¬тверждает их достоверность.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и ее отдельные положения докладывались: на Международных научно-технических конференциях «Математическое моделирование механических явлений», Екате¬ринбург, (2009-2013 г.); научно-практических конференциях уральской горно¬промышленной декады. Екатеринбург, (2009-2014 г.); на «Неделе горняка - 2013» Москва, 2013 г.; международной научно-технической конференции «Чтения па¬мяти В. Р. Кубачека», Екатеринбург, 2014 г.
Реализация результатов работы
По результатам исследовательской работы получен патент на полезную мо¬дель № 131788 «Устройство ударного действия». Результаты исследований ис¬пользуются при проектировании установки для дробления негабаритов горных пород в ООО «Уральские технологии бурения» (г. Екатеринбург).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 9 статей, из которых 4 - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, и 1 патент РФ на полезную модель.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 132 наименований, работа изложена на 111 страницах машинописного текста, содержит 42 иллюстрации, 8 таблиц и 2 приложения.

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе приведено решение актуальной задачи - иссле¬дование рабочего инструмента, направленное на совершенствование его конст¬рукции и, следовательно, повышение эффективности работы машин для разруше¬ния негабаритов.
1. Доказано, что напряженно-деформированное состояние (НДС) комбинирован-ного инструмента методом конечных элементов является адекватной и информа¬тивной моделью его основных конструктивных параметров;
2. В результате численного решения задачи теории упругости о контактном взаи-модействии стальной эллипсоидной ударной части инструмента с плоской гранью параллелепипеда, имитирующего негабарит из гранита, установлено, что отноше¬ние размера большой оси к размеру малой оси должно составлять 3,5. Для гор¬ных пород, имеющих отличный от гранита модуль упругости и прочность, отно¬шение размеров осей эллипсоида лежит в диапазоне от 2 до 3,5.
3. Для гранита были получены зависимости удельной энергии разрушения от энергии единичного удара для различных видов рабочего инструмента. Доказано, что рабочий инструмент эллипсоидного типа обладает свойствами как сфериче¬ского, так и клинового инструментов. Удельная энергоемкость разрушения грани¬та эллипсоидным инструментом на 30^50 % меньше, чем сферическим.
4. На основании теории Герца определена зависимость контактных напряжений в рабочем инструменте, имеющем различные радиусы кривизны в рабочей части. Адекватность формулы для определения контактных напряжений проверена с помощью метода конечных элементов. Расхождение результатов не превышает 12 %.
Наибольший уровень напряжений, не превышающий 200 МПа, локализует¬ся в зоне ударного взаимодействия инструмента и негабарита. В остальной части инструмента напряжения существенно ниже.
5. Разработана методика определения параметров рабочей части эллипсоидного инструмента. По экспериментальным данным, приведенным в известных работах, установлена зависимость модуля упругости горных пород от прочности, позво¬ляющая определить геометрические параметры рабочего органа, обеспечивающе¬го для данных горных пород минимальную энергоемкость.
6. Результаты работы использованы при проектировании установки для дробле¬ния негабаритов горных пород в ООО «Уральские технологии бурения» (г. Екате¬ринбург).