Исследование взаимосвязи параметров электромагнитных молотов с физико-механическими свойствами горных пород при дроблении негабаритов

На правах рукописи

ЧУПРОВ Игорь Валерьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МОЛОТОВ С ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ДРОБЛЕНИИ НЕГАБАРИТОВ

Специальность 05.05.06 – Горные машины

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург

2006

Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель –

доктор технических наук, профессор Саитов

Виль Ирхужеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Ляпцев

Сергей Андреевич

кандидат технических наук Табарин

Александр Дмитриевич

Ведущая организация – ОАО «Научно-технический центр «Научно-исследовательский проектный институт открытых горных работ»

Защита состоится «____»_____________ 2006 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу:

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «_____ » _______________ 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Хазин М. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Повышение эффективности производства и конкурентоспособности товарной продукции горнодобывающих предприятий с одновременным снижением давления на окружающую среду являются важнейшими проблемами для большинства горнодобывающих предприятий. Опыт разработки скальных горных пород при ведении горных работ показывает, что даже при применении прогрессивных способов ведения буровзрывных работ не удается полностью исключить выход крупной фракции (негабаритов). Процент выхода негабаритов от взорванной массы в зависимости от горно-геологических условий может изменяться от 2…3 до 15…20 процентов. Попадание негабаритного куска в приемную щель головной дробилки сопряжено с остановкой всей технологической цепочки предприятия. Загромождение негабаритными кусками рабочей площадки при ведении добычных или вскрышных работ ведет к снижению эффективности ведения горных работ.

Дробление негабаритов до требуемых размеров может осуществляться либо с помощью взрыва (шпуровым способом или накладными зарядами), либо невзрывными способами, большинство которых основано на механическом разрушении под действием локальных концентрированных напряжений, превышающих сопротивление внутренних связей в породе. К настоящему времени производителями предлагается множество типов ударных механизмов, основанных на преобразовании различных видов энергии (от гравитационной до энергии химических процессов) в механическую. В силу ряда причин, в основном экономических, к настоящему времени наиболее распространенным является механический способ разрушения негабаритов с использованием гидравлических и гидропневматических молотов. Однако гидромолоты - изделия высокотехнологичные и требуют высокой культуры производства в процессе изготовления и строгого соблюдения технологического регламента при их эксплуатации. Кроме этого, при применении гидромолотов в качестве базовой машины используются гидроэкскаваторы, что ведет к увеличению стоимости процесса дробления негабаритов.

Альтернативой гидравлическим и гидропневматическим ударникам могут быть электромагнитные молоты. Эти молоты позволяют создавать механические импульсные нагрузки с энергией единичного удара от 0,5...2 до 30 кДж и частотой от 400...600 до 2...4 ударов в минуту. Принцип их работы основан на преобразовании электрической энергии, аккумулируемой конденсаторной батареей, в механическую энергию подвижного якоря-ударника. Они имеют более простую конструкцию и меньшую массу и стоимость. В этой связи выполненная работа, направленная на повышение эффективности процесса дробления негабаритов за счет рационального использования электромагнитных молотов, является актуальной.

Объект исследований – технические средства дробления негабаритов при ведении горных работ.

Предмет исследований – электромагнитные молоты и взаимосвязи их главных параметров с основными свойствами горных пород.

Идея работы. Существенное снижение затрат на разрушение негабаритов возможно при использовании электромагнитных молотов, адаптированных к конкретным горнотехническим условиям.

Целью работы является исследование структуры и основных параметров электромагнитного молота и разработка конструкции, отвечающей условиям использования его для разрушения негабаритов в конкретных горно-технических условиях.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Модель органоструктуры комплекса средств механизации для технологического процесса разрушения негабаритов позволяет с максимально возможной степенью полноты отобразить множество вариантов использования молота в технологической цепи горного предприятия.

2. Установленная взаимосвязь удельной энергии разрушения отдельного куска породы с энергией единичного удара.

3. Совокупность обобщенной функциональной модели ударного устройства, модели органоструктуры электромагнитного молота и результатов лабораторных экспериментов позволяет установить связь основных параметров электромагнитного молота с физико-механическими свойствами разрушаемых горных пород.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована: использованием фундаментальных положений теории вероятности и математической статистики, системного анализа и теории технических систем, корректным применением методов математического и физического моделирования, теории подобия, апробированными методами экспериментальных исследований. Достоверность подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. С вероятностью не менее 0,9 относительная ошибка результатов не превышает 10 %.

Научная новизна работы заключается:

в разработке моделей органоструктуры комплекса средств механизации технологического процесса горного предприятия

в установлении связи энергетических параметров и физико-механических свойств горных пород с рациональными параметрами электромагнитного молота.

Практическую ценность представляет предложенный метод выбора структуры И основных параметров электромагнитных молотов.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы ЗАО «Импульсная техника и технологии» при проектировании электромагнитного молота с энергией удара 2 кДж, предназначенного для разрушения негабаритов в шахтах Кузбасса и ОАО «Уралредмет».

Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались: на «Неделе горняка» Москва, 2004, 2005 гг.; I Международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатывающей промышленности». Москва, 11-12 марта 2004 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы открытой разработки месторождений полезных ископаемых» Екатеринбург, 24-25 ноября 2004 г.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 4 работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 87 наименований, содержит 92 страницы машинописного текста, 28 иллюстраций, 17 таблиц и приложение.

Основное содержание работы

Во введении отражена актуальность работы.

В первой главе показана значимость разрешения проблемы дробления негабаритов до требуемых по технологии размеров. Например, попадание негабаритного куска в приемную щель головной дробилки сопряжено с остановкой всей технологической цепочки предприятия. Если негабариты не дробить, то может быть загромождена рабочая площадка, и это сказывается на эффективности ведения горных работ в целом на предприятии. Если на предприятии объем негабаритов значителен, то стоимость этой на первый взгляд вспомогательной технологической операции может составить существенную долю в общей себестоимости извлечения горной массы. Отсюда ясно, что задача снижения затрат на операцию разрушения негабаритов актуальна для горнодобывающих отраслей промышленности.

Дробление негабаритов до требуемых размеров осуществляется либо с помощью взрыва (шпуровым способом или накладными зарядами), либо механическим способом при помощи импульсной техники, использующей различные виды энергии: гравитационную, механическую (пневматические, гидравлические и гидропневматические молоты), электрическую и энергию взрыва и энергию сгорания различного вида энергоносителей (дизельные, бензиновые).

В странах СНГ и в России работы по созданию импульсной техники и исследованию процесса разрушения пород с их помощью проводились и проводятся в ИГД СО РАН, ЦНИИС Минтрансстроя, КарГТУ, СКБ «Импульс» АН Кирг. ССР, ИГД им. А.А. Скочинского, ДонУГИ, МГГУ, КузГТУ, ОрелГТУ, ВИИстройдормаше, на Копейском машзаводе, УГГУ, МГТУ и других НИИ и вузах.

Большой вклад в исследования и освоение техники и технологии ударного разрушения горных пород при ведении горных работ внесли: Алабужев П.М., Анистратов Ю.И., Бирюков А. В., Васильев Е.И., Зайцев Л. Д., Кантович Л.И., Кичигин А.Ф., Котылев Ю.Е., Кравченко В.А. Кузнецов В.И., Курехин Е.В., Лабутин В.Н., Лазуткин А.Г., Лысенко Л.Л., Ляпцев С.А., Маттис Р.А., Ряшенцев Н.П., Ташкинов А.С., Тимошенко Е.М., Фролов А.В., Угаров Г.Г., Ушаков Л.С., Кравченко В.А., Федулов А.И., Цветков В.Н, Шемякин Е.И., Янцен И.А. и многие другие.

Анализ научно-технической литературы по исследованию процесса ударного разрушения горных пород показал, что повышение эффективности процесса дробления негабаритов при использовании электромагнитных ударных машин на базе имеющегося научно-технического задела в этой области проблематично без проведения дополнительных исследований.

В соответствии с целью работы были сформулированы следующие задачи исследования:

- провести анализ структуры горнодобывающего предприятия и выявить все возможные варианты сопряжения установок для дробления негабаритов со смежным оборудованием;

- установить связь физико-механических свойств разрушаемых пород с основными параметрами молота;

- выявить необходимые и достаточные условия подобия процесса разрушения негабарита механическим ударом и установить индикаторы подобия;

- разработать методику выбора структуры и основных параметров электромагнитного молота для разрушения негабаритов.

Во второй главе на примере циклично-поточной технологии ведения открытых горных работ с использованием основных принципов теории множеств проведен анализ внутренней структуры комплекса средств механизации (КСМ).

В соответствии с теорией множеств, КСМ рассматривается как подсистема большой технической системы горного предприятия (ГП), которая, в свою очередь, рассматривается как множество разнородных элементов E. Макромодель структуры КСМ на первом уровне иерархии выражена формулой

, (1)

где A – система ГП как множество, объединяющее множества E:

, (2)

где Op = {Odi, Tpi, TSi, Umgi,} – множество операндов, технологических принципов, технических систем, элементов окружающей среды соответственно.

На этой основе предложена модель внутренней структуры системы КСМ и окружающей среды (рис. 1). В модели обозначено: Od1 – первоначальное, естественное состояние операнда в массиве; Od2 - конечное для данной системы состояние операнда, то есть руда или порода меньшей крупности, чем после взрывания, доставленная на обогатительную фабрику или в отвал; БУР, ВР - подсистемы бурения и взрывания, функцией которых является подготовка горной массы к выемке; ВПР - выемочно-погрузочная подсистема; ТРТВТ - подсистема внутрикарьерного транспорта, функцией которой является преобразование циклично поступающей горной массы в непрерывный поток; ПДУ - подсистема перегрузки и дробления, функцией которой является преобразование циклично

поступающей массы горной и дробление или удаление негабаритных для ленточных конвейеров кусков; ТРТвн – подсистема транспорта за пределы борта карьера; ДОФ – дробильно-обогатительная фабрика.

Рис. 1. Модель внутренней структуры КСМ и окружающей среды

На рис. 2 представлена модель органоструктуры, где СБР, СБУ, СБШ СБШТ – бурильные станки вращательного, ударного, шарошечного и шарошечно-термического бурения соответственно; СУЗН-5А,..., ЗС-2М - типы зарядных забоечных машин; ГМ, ГПМ, ЭМ – ударные устройства для дробления негабаритов: гидравлические, гидропневматические и электрические молоты соответственно.

КМБ – фрезерные и стреловые комбайны; ЭДА – экскавационно-дробильные агрегаты; ЭКГ, ЭГ, ЭГО – экскаваторы: соответственно прямая мехлопата, гидравлические экскаваторы, прямая и обратная лопаты; ПДМ - погрузочно-доставочные машины; ГМАР – горные машины с активными рабочими органами; ЗК - забойные конвейеры; АТТ - внутрикарьерный автотранспорт; СДА, ПДУ, СтДУ - соответственно самоходные дробильные агрегаты, передвижные и стационарные карьерные дробильные установки; ППГУ– передвижные стационарные грохотильно-перегрузочные установки; МГЛК - магистральные ленточные конвейеры; ЛКП - ленточные конвейерные подъемники.

Модель органоструктуры подсистемы 3 в виде меченого орграфа приведена на рис. 3. Дуги графа отображают отношения смежности, или совместимости тех или иных вершин графа со смежной вершиной в единой системе.

Вершины графа идентифицированы следующим образом:

1.1; 1.2; 1.3; 1.4; 1.5 – типы электромолота: электромагнитный, электромагнитный многоступенчатый, магнитного, индукционного или магнитно-индукционного действия. Тип электромолота определяется его назначением.

1.6; 1.7 – молоты: импульсные с частотой ударов до 4 Гц или вибрационные с частотой ударов свыше 4 Гц, выбираются в соответствии с назначением с учетом экономических факторов;

2.1; 2.2; 2.3; 2.4 – типы электрических конденсаторов для аккумуляции энергии: электролитические, с органическим диэлектриком, на основе комбинированного диэлектрика, на бумажной основе. Основные параметры: C – емкость, mФ; Uл – напряжение заряда В;

3.1; 3.2 – однополюсный или многополюсный статор, определяется назначение молота;

4.1; 4.2 – якорь-ударник цельный или составной, определяется выбранным типом статора;

4.3; 4.4 - исполнение торца якоря-ударника с плоской или сферической поверхностью соответственно;

5.1; 5.2; 5.3; 5.4; 5.5; 5.6 – конструктивное исполнение контактной поверхности рабочего инструмента: плоская, сферическая, коническая, клиновая, пирамидальная, крестообразная. Определяется назначением молота.

Выбор принципа действия и частоты ударов, вершины 1.1 … 1.5, определяется функциональным назначением молота.

Введение в модель органоструктуры электромолота элементов 2.1 … 2.4, отображающих множество возможных типов конденсаторов, установленных в импульсном преобразователе энергии, объясняется тем, что они оказывают решающее влияние на такие параметры установок, как масса, габариты и стоимость.

Таким образом, модель органоструктуры, представленная на рис. 3, с достаточной полнотой отражает возможные варианты исполнения основных элементов электромагнитных молотов, следовательно, она позволит определиться с рациональной структурой электромолота, технически возможной в настоящее время.

Третья глава посвящена исследованию свойств дробимости горных пород при воздействии механическим ударом. Поскольку в натурных условиях проведение экспериментов по дроблению горных пород невозможно по экономическим и техническим причинам, предпочтение было отдано лабораторным исследованиям на физической модели. Для проведения исследований был разработан и изготовлен специальный испытательный стенд (рис. 4).

В результате статистической обработки результатов эксперимента для образцов из гранита были получены следующие регрессионные уравнения:

для клинового рабочего инструмента

Еур = -13 + 1720/Е ; (3)

для конического рабочего инструмента

Еур = -11 + 2377/Е ; (4)

для сферического рабочего инструмента

Еур = -51 + 7153/Е. (5)

Корреляционные отношения этих зависимостей соответственно равны 0,88,0,7 и 0,86, что свидетельствует о наличии устойчивой связи между удельной энергией разрушения и энергией единичного удара. Значимость корреляционного отношения определялась по t–критерию. С доверительной вероятностью 95 % корреляционные отношения уравнений 3, 4, 5 статистически значимы, так как расчётные значения t–критерия соответственно:tрасч1= 5,13; tрасч2= 3,52; tрасч3= =3,52, а критическое значение tкр1 = 0,35; tкр1 = 0,36; tкр1 = 0,40. Проверка значимости уравнений 3, 4, 5 по критерию Фишера показала, что с надёжностью, соответственно 95 %, 90 % и 99 % они адекватно описывают влияние энергии единичного удара на удельную энергию разрушения куска горной породы, так как Fрасч1= 3,91> Fкр1 = 1,85; Fрасч2= 1,66 > Fкр2 = 1,60; Fрасч3= 37,2 > Fкр3 = 2,84.

Корреспондирование полученных результатов на натурные условия возможно при соблюдении критериев подобия процессов разрушения. В работе на основе – теоремы были рассмотрены условия, при которых возможно подобие процессов разрушения негабаритов в натурных условиях и процессов разрушения отдельных кусков в лабораторных условиях. На основе анализа существующих в этой области работ физическое уравнение процесса разрушения породы ударом механическим воздействием представлено в виде функционала

= (Э, С, Ед,, V, mя, mи,, n,,, k, D,, i, T), (6)

где Э – энергия, расходуемая на процесс разрушения, Дж; С - жесткость основания, на котором покоится разрушаемый негабарит, Н/м; Ед – динамический модуль упругости породы, МПа; – прочность горной породы на сжатие, МПа; V – скорость соударения подвижного якоря с рабочим инструментом, м/с; mя – масса подвижного якоря устройства дробления, кг; mи – масса рабочего инструмента, кг; – коэффициент Пуассона дробимого материала; n – показатель упругопластических свойств породы; – коэффициент внешнего трения; – плотность породы, кг/м3; k – коэффициент восстановления дробимой породы; D – эквивалентный диаметр дробимого куска, м; – относительная деформация куска под действием ударного импульса; i – степень дробления куска по массе; T – время, с.

Анализ размерностей параметров позволил выявить все возможные сочетания групп независимых параметров и соответственно критерии подобия:

, 2= VE-0,5 0,5, 3=mя -1 D-3, 4=TE0,5 -0,5D-1,5=mя m-1, 6=E-1,

7=, 8=n, 9=, 10=k.

Индикаторы подобия для группы независимых параметров имеют вид

; ; ;

Масштабы для оставшихся параметров будут определяться следующими соотношениями

mE = mD0,5 m0,25/mT0,5 (7)

Соотношения (7) устанавливают взаимосвязь между размерными параметрами процесса дробления негабаритов при корреспондировании результатов моделирования с условий модели на натурные процессы.

В четвертой главе рассмотрен метод выбора внутренней структуры и основных параметров электромагнитного молота для конкретных заданных условий эксплуатации. На рис. 5 представлена блок-схема алгоритма расчета основных параметров.

Рис 5 Блок схема расчета основных параметров электромагнитного молота

Вид – стационарный или мобильный и место установки электромагнитного ударного механизма (ЭММ) определяются в результате анализа органоструктуры КСМ, т. е. системы верхнего уровня, составной частью которой и является рассматриваемая установка. Как правило, местом установки стационарного ЭММ является перегрузочный пункт, а мобильного – забой экскаватора. Следовательно, выбор места рассматриваемого устройства в структуре КСМ и его назначение определяются заказчиком.

Для расчета используются следующие параметры:

п – прочность горной породы на сжатие, Па; Dэ – максимальный, эквивалентный диаметр негабарита, м; –выход негабаритов в отбитой горной массе, %; Uk – напряжение зарядки конденсаторов, В; [] – допускаемое напряжение материала рабочего органа, т. е. рабочего инструмента электромолота, Па; iд– степень дробления куска; kз – коэффициент запаса, учитывающий неполный разряд конденсаторов, токи утечки, механический кпд молота, электрические и магнитные потери в электрических и магнитных цепях молота, снижение емкости конденсаторов при отрицательных температурах, старение электролита и т. п. принимаем в первом приближении равным 2,5 … 3; fy – частота ударов молота, 1/с; [a] – допускаемое значение виброускорения рабочего места оператора, если оно располагается на базовой машине, м/с2.

Один из главных параметров молота - частота ударов в единицу времени - определяется исходя из требуемой производительности установки:

(8)

где Q – производительность перегрузочного пункта (участка), т/час; – выход негабарита, %; D - эквивалентный диаметр куска, м; - плотность горной породы, т/м3; nу – число ударов до разрушения негабарита (принимается в пределах от 1 до 5).

Энергия единичного удара якоря перед его ударом по рабочему органу для электромагнитного молота (в Дж) находится из формулы

Е1=1000ЕурD2,

где Еур - удельная энергия единичного удара, необходимая для разрушения негабарита, кДж/м2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится решение задачи, состоящей в разработке органоструктуры комплекса средств механизации для ведения технологического процесса разрушения негабаритов, установлении закономерностей связи энергетических параметров и физико-механических свойств разрушаемых горных пород с рациональными параметрами ударных машин, имеющей существенное значение для теории проектирования ударных машин.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана модель внутренней структуры КСМ, которая позволяет формализовать процесс позиционирования установки для дробления негабаритов в общей структуре ГП, что упрощает процесс выбора рационального типоразмера установки и смежного оборудования в конкретных условиях, а также наиболее рациональный вариант их сочетания.

2. Основой для разработки математического обеспечения при принятии решения по структуре установок для дробления негабаритов, а также КСМ в целом служат модели структуры КСМ. Их необходимо использовать на этапе проектирования и в процессе эксплуатации ГП.

3. Эффективность установок необходимо производить по таким интегральным показателям как: энергоемкость выполнения той или иной функции технического процесса; материалоемкость этих технических средств; возможность выполнения дополнительных вспомогательных функций или совмещения основных функций, а также её цена и затраты при эксплуатации.

4. Суммарная удельная энергия удара, необходимая для разрушения куска горной породы, увеличивается не линейно с уменьшением энергии единичного удара. Разрушение куска породы прекращается, когда величина энергии удара становится меньше порога чувствительности. Величина удельной энергии удара, обеспечивающей стабильное разрушение кусков горной породы за 1…5 ударов и соответственно требуемую производительность ударной машины, должна быть на 15…20 % меньше Еур.max.

5. Разработанный алгоритм расчета основных параметров электромагнитного молота позволяет учитывать следующие факторы: прочность горной породы на сжатие, эквивалентный диаметр негабарита, процент выхода негабаритов в отбитой горной массе, напряжение зарядки конденсаторов, допускаемое напряжение материала рабочего органа, степень дробления куска. При этом определяются такие параметры молота, как: энергия единичного удара, частота ударов, масса молота.

6. Основные результаты работы и практические рекомендации использованы ЗАО «Импульсные техника и технологии» при проектировании электромагнитных молотов с энергией удара 2 и 10 кДж, предназначенных для разрушения негабаритов в шахтах и разрезах Кузбасса и в ОАО «Уралредмет» при проектировании установки для дробления лигатур. Суммарный экономический эффект от использования результатов исследования составляет 360 тыс. руб. в год.

Основные результаты работы опубликованы в следующих работах:

1. Саитов В.И., Чупров И.В. Энергетические аспекты проблемы дробления негабаритов при ведении горных работ//Научные основы и практика разведки и переработки руд и техногенного сырья: Мат-лы Междунар. науч.-техн. конф. - Екатеринбург, 18-21 июня 2003 г.

2. Афанасьев А.И., Саитов В. И. Чупров И. В. Технические средства дробления негабаритов, перспективы и тенденции развития//Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатывающей промышленности: Мат-лы I Междунар. науч.-практ. конф. Москва, 11-12 марта 2004 г. GLOBAL EXPO –УГГГА. - Екатеринбург, 2004. - С. 96-99.

3. Саитов В.И., Чернышов А.А., Чупров И.В. Моделирование структур передвижных дробильных установок// Горные машины и автоматика. – 2004 - № 4.- С. 29-31.

4. Саитов В.И., Чупров И.В. Проблема выбора технических решений в процессе оптимизации комплекса средств механизации для открытых горных работ. Известия Уральского государственного горного университета. Вып. 21. Сер. Горное дело. – Екатеринбург, 2005. - С. 151-155.

5. Саитов В.И., Чупров И.В. «Критерии подобия процесса дробления горных пород несвободным ударом» Горный информационно-аналитический бюллетень. Москва, 2006 г.№3. С.351-353.

6. Чупров И.В. Взаимосвязь удельной энергии разрушения горной породы с энергией единичного удара//Известия вузов.Горный журнал. – 2004 - №5. С.66-69.

Подписано в печать _______________ Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ

Издательство УГГУ

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30