авторефераты диссертаций www.z-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

На правах рукописи

АВЕРИН Евгений Анатольевич

РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ

РАСЧЕТА ЭРОЗИИ ГОРНЫХ ПОРОД ПОД ДЕЙСТВИЕМ

ГИДРОАБРАЗИВНОЙ СТРУИ ДЛЯ ГОРНЫХ МАШИН

Специальность 25.00.20 – Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Тула - 2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова-

тельном учреждении высшего образования «Тульский государственный уни-

верситет» (ТулГУ) на кафедре геотехнологий и строительства подземных со-

оружений.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ЖАБИН Александр Борисович.

Официальные оппоненты:

ЮНГМЕЙСТЕР Дмитрий Алексеевич, доктор технических наук, профес-

сор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего

профессионального

образования

«Национальный

минерально-

сырьевой университет «Горный»/ кафедры машиностроения, профессор;

ПОЛЯКОВ Алексей Вячеславович, кандидат технических наук, ООО

«Экспертно-консультационный центр»/ ведущий инженер.

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический уни-

верситет (НПИ) имени М.И. Платова».

Защита диссертации состоится «06» октября 2015 г. в «1400» часов на засе-

дании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном

университете по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 90, 6 уч. корпус, ауд.

220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государст-

венного университета и на сайте http://tsu.tula.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные пе-

чатью организации, просим выслать по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина,

92, Ученый совет ТулГУ, факс: (4872)33-81-81.

Автореферат разослан «17» июля 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Галина Викторовна Стась

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в различных отраслях

промышленности широкое применение находят гидроструйные технологии,

основанные на использовании энергии высокоскоростных струй воды. Эти

технологии позволяют решать задачи увеличения производительности

горных машин или расширения области их применения на более прочные

породы,

а

также

повышения

безопасности

ведения

очистных

и

вспомогательных работ на горных предприятиях. При этом из всего спектра

гидроструйных технологий только гидроабразивное резание позволяет

разрушать горные породы и прочие материалы любой прочности. Благодаря

этому оно уже получило широкое распространение при обработке камня, в

том числе декоративной. Гидроабразивный способ может быть также

реализован

в

конструкциях

исполнительных

органов

проходческих

комбайнов при проходке выработок по весьма крепким и абразивным

породам для нарезания ослабляющих щелей определенной глубины.

Образующиеся целики при этом разрушаются механическим инструментом

скалывающего действия.

В результате исследований гидроабразивного способа воздействия на

материалы, проведенных за последние десятилетия, установлено, что

разрушение материалов под действием гидроабразивной струи происходит

вследствие

эрозии,

причем

характер

эрозии

определяется

типом

разрушаемого материала – хрупким или пластичным (большинство горных

пород относится к хрупким материалам). Также исследованы различные

аспекты технологии гидроабразивного резания по отдельности и в

совокупности,

получены

зависимости,

позволяющие

оценивать

эффективность использования гидроабразивных инструментов. Однако,

несмотря на обширные исследования и практический опыт, существующие

методы прогнозирования эффективности разрушения различных материалов,

в том числе горных пород, носят фрагментарный характер, не учитывая

отдельных значимых параметров и не объясняя механизм эрозии, а также

содержат эмпирические коэффициенты, определение которых слишком

сложно или не ясно (что затрудняет их использование).

Поэтому возникает необходимость в разработке новых и совершенствовании

имеющихся методов расчета эффективности эрозионного разрушения под

действием гидроабразивной струи применительно к горным породам.

Работа выполнялась в соответствии с ФЦП «Научные и научно-

педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (ГК

№ П1120).

Цель работы. Обоснование параметров и определение показателей

эрозии горных пород под действием гидроабразивной струи на основе

установленных и уточненных закономерностей взаимодействия с ними

абразивных частиц для разработки и совершенствования методов расчета,

4

направленных на повышение эффективности применения гидроабразивных

инструментов горных машин.

Идея работы. Повышение эффективности разрушения горных пород

достигается за счет использования гидроабразивных струй отдельно или

совместно

с

механическим

инструментом

с

учетом

современных

представлений о взаимодействии абразивных частиц с горным массивом и

механизме разрушения горных пород.

Метод исследования – комплексный, включающий научный анализ и

обобщение опыта использования гидроабразивных струй для разрушения

различных материалов и горных пород, а также результатов ранее

выполненных

экспериментальных

и

теоретических

исследований

гидроабразивного

разрушения;

теоретические

исследования

на

базе

математического моделирования эрозии горных пород под действием

гидроабразивных струй; методы теории упругости, механики разрушения,

линейной алгебры, математического анализа и размерностей, а также

проверку адекватности математической модели на соответствие известным

функциональным закономерностям; обработку экспериментальных данных с

применением методов теории вероятности и математической статистики;

сопоставление расчетных и экспериментальных данных.

Научные положения, выносимые на защиту.

- эрозия горных пород под действием гидроабразивной струи

представляет собой динамический процесс, в ходе которого наблюдаются

деформации различного характера – упругопластические и растрескивание;

-

растрескивание

в

упругом

полупространстве

в

результате

нормального удара абсолютно твердой сферической частицы происходит на

расстоянии, зависящем от радиуса частицы и глубины ее внедрения в массив,

вглубь полупространства от места контакта частицы с его плоской

поверхностью в направлениях, выраженных в цилиндрических координатах и

соответствующих углам ±45°, ±90° и ±45°;

- показатели эффективности разрушения горных пород необходимо

определять на основе установленных аналитических зависимостей с учетом

гидравлических

и

режимных

параметров

процесса

и

механизма

взаимодействия абразивных частиц с поверхностью разрушаемой горной

породы;

- при эффективном насыщении водной струи абразивными частицами в

камере смешивания гидроабразивного инструмента, реализующего способ

увлечения абразива, скорость гидроабразивной струи на выходе из

коллиматора равна половине

струеформирующей насадки.

Научная новизна работы:

скорости водной струи на выходе из

- получена зависимость для определения объема горной породы,

уносимого в результате одиночного нормального удара абразивной частицы,

складывающегося из объема части сферы, внедрившейся в массив частицы

5

абразива, и части объема породы в зоне поперечного растрескивания

непосредственно под частицей;

- получены зависимости для определения критической (пороговой)

скорости разрушения горных пород, характеризующие начало процесса

эрозии, в идеализированном квазистатическом и динамическом случаях;

- уточнены зависимости для определения скорости гидроабразивной

струи, а также скорости эрозии с учетом возникновения поперечных трещин

для двух случаев: трещины от ударов соседних частиц или сливаются, или не

взаимодействуют между собой;

- получены зависимости для определения значений коэффициентов,

учитывающих угол резания при гидроабразивном разрушении для хрупких и

пластичных материалов и способ подачи абразива;

- разработан аналитический метод для расчета глубины нарезаемой

щели, уносимого объема и скорости приращения боковой поверхности щели;

-

усовершенствован

полуэмпирический

метод

расчета

глубины

нарезания

щели

в

горном

массиве

гидроабразивным

инструментом,

учитывающий способ подачи абразива и угол резания, а также пригодный для

применения к любому инструменту, работающему по принципу увлечения

абразива.

Достоверность научных положений выводов и рекомендаций

подтверждается

корректностью

постановки

задач;

корректным

использованием при математическом моделировании эрозии горных пород

под действием гидроабразивных струй методов теории упругости, механики

разрушения,

математического

анализа,

линейной

алгебры,

анализа

размерностей;

представительным

объемом

теоретических

данных;

корректным применением методов теории вероятности и математической

статистики при обработке и анализе данных; устойчивостью корреляционных

связей

установленных

зависимостей

(значения

индексов

корреляции

находятся в пределах 0,73 – 0,99); удовлетворительной сходимостью

расчетных данных с результатами эксперимента.

Научное значение работы заключается в развитии теории эрозии

хрупких

материалов,

в

том

числе

горных

пород,

под

действием

гидроабразивной струи путем установления физической картины механизма

эрозии и разработки и совершенствования методов расчета, позволяющих

определять различные показатели эффективности разрушения горных пород

гидроабразивным способом с учетом основных параметров процесса.

Практическое значение работы:

- определен диапазон рациональных значений отношения массового

расхода абразива к массовому расходу воды, при котором обеспечивается

разрушение материалов и горных пород на максимальную глубину при

минимальной энергоемкости процесса разрушения, применимый к любому

гидроабразивному инструменту, реализующему принцип увлечения абразива;

6

-

модифицированы

методики

расчета

основных

параметров

гидроабразивного резака, а также показателей и основных параметров

фрезерования горных пород гидроабразивным инструментом;

-

разработана

методика

определения

показателей

и

основных

параметров

разрушения

горного

массива

гидроабразивным

резаком

совместно со скалывающим инструментом.

Реализация работы. Результаты исследований, методики расчета и

рекомендации в полном объеме используются ООО «Скуратовский опытно-

экспериментальный завод» (г. Тула) и ООО «БЕЛРА-Центр» (г. Тула) при

разработке и создании горных машин, реализующих гидроструйные

технологий применительно к горным породам.

Кроме того, результаты исследований внедрены в учебный курс

«Гидроструйные технологии в горном машиностроении» для студентов

Тульского государственного университета, обучающихся по специальности

21.05.04 «Горное дело».

Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении результатов

теоретических

и

экспериментальных

исследований,

обработке

и

интерпретации экспериментальных и расчетных данных, разработке и

совершенствовании

методов

расчета

с

получением

и

уточнением

зависимостей, разработке и модифицировании методик, апробации работы,

подготовке публикаций.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 10-й

международной конференции по проблемам горной промышленности,

строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические

проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 6 –

7 ноября 2014 г.), 4-й международной научно-практической конференции

молодых ученых и студентов «Опыт прошлого – взгляд в будущее» (г. Тула, 6

– 7 ноября 2014 г.), 23-м международном научном симпозиуме «Неделя

горняка – 2015» (г. Москва, 26 – 30 января 2015 г.), 2-й международной

конференции

«Современные

инновационные

технологии

подготовки

инженерных кадров для горной промышленности и транспорта» (г.

Днепропетровск, Украина,

21 – 22 мая 2015 г.), а также на научных

семинарах профессорско-преподавательского состава кафедры ГиСПС ТулГУ

(2012

2015),

технических

советах

ООО

«Скуратовский

опытно-

экспериментальный завод» (г. Тула, 2013 – 2015 гг.) и ТРО МОО «Академия

горных наук» (2012 – 2015 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 статей, в

том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации, и

одна в издании, включенном в базу данных Scopus.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,

четырех

разделов

и

заключения,

изложенных

на

172

страницах

машинописного

текста,

содержит

31

рисунок,

23

таблицы,

список

использованной литературы из 251 наименования и 2 приложения.

7

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ

результатов

исследований,

выполненных

M. Hashish,

D.A. Sammers,

M.

Mazurkiewicz,

M. Hessling,

W. Vijay,

B.R. Lawn,

В.А. Бреннером,

А.Б. Жабиным,

В.Г. Мерзляковым,

А.Е. Пушкаревым,

К.А. Головиным, В.Е. Бафталовским, Ю.Э. Ерухимовичем, И.М. Лавитом,

М.М. Щеголевским

и другими авторами, показывает, что технология

гидроабразивного резания является одной из наиболее эффективных

технологий, поскольку введение абразивных частиц в высокоскоростную

струю воды позволяет значительно повысить при прочих равных условиях

эффективность процесса. Технология гидроабразивного разрушения и

обработки

материалов

помимо

положительных

качеств,

присущих

гидроструйным технологиям в целом (отсутствие пылеобразования, высокая

скорость резания, многофункциональность, отсутствие затупления режущего

инструмента, термических и деформационных напряжений в обрабатываемом

материале, а также высокая пожаро- и взрывобезопасность), обладает в

сравнении с ними также следующими значительными преимуществами:

увеличением глубины резания в несколько раз при одинаковых исходных

гидравлических

параметрах

процесса;

снижением

давления

воды,

необходимого для получения заданной глубины резания; способностью

разрушать высокопрочные материалы и крепкие горные породы и др.

Однако,

несмотря

на

значительный

объем

проведенных

экспериментальных

и

теоретических

исследований,

а

также

опыт

практического применения гидроабразивной технологии в различных

отраслях промышленности, до сих пор остается нерешенным ряд задач. В

частности:

- отсутствует описание механизма взаимодействия абразивной частицы

с поверхностью горной породы, соответствующее современному представле-

нию об эрозионном разрушении материалов;

- существующие методы расчета исходят из чрезмерно упрощенной

картины протекания процесса, носят фрагментарный характер, не учитывают

отдельных значимых параметров, а также содержат эмпирические коэффици-

енты, определение которых слишком сложно или не ясно (что затрудняет их

использование);

- расчетные зависимости по определению показателей эффективности

разрушения гидроабразивными струями горных пород и других хрупких ма-

териалов имеют ограниченную область применения.

Кроме того, анализ показывает, что совместное влияние большого чис-

ла разнообразных факторов на показатели процесса эрозии имеет сложный

взаимозависимый характер с трудно прогнозируемым результатом. Это вы-

зывает необходимость разработки и совершенствования методов расчета на

основе математического моделирования процесса эрозии горных пород и со-

временных представлений о разрушении материалов в рамках механики раз-

8

рушения. Методы расчета должны связывать

основные показатели процесса разрушения

породного массива и влияющие факторы

функциональными зависимостями, позволять

целенаправленно управлять их изменением и

обоснованно прогнозировать количественные

результаты глубины щели и скорости эрозии,

а также являться основой для разработки ме-

тодик расчета гидроабразивных резаков и

комбинированных исполнительных органов

проходческих комбайнов с использованием

гидроабразивных струй и механического ин-

струмента скалывающего действия.

На основании изложенного, а также в

соответствии с целью работы были поставле-

ны следующие задачи исследований:

- установление и уточнение основных

факторов и показателей, определяющих и ха-

рактеризующих процесс эрозии горных пород

под действием гидроабразивных струй;

- разработка теоретической модели

эрозии горных пород на основе современ-

ных представлений о разрушении материа-

лов;

- проведение теоретических и экспе-

Рисунок 1 - Факторы,

определяющие процесс эрозии

горных пород под действием

гидроабразивной струи

риментальных исследований резания и фрезерования горных пород гидроаб-

разивными струями и проверка адекватности теоретической модели экспери-

ментальным данным;

- разработка и совершенствование методов расчета эрозии горных по-

род гидроабразивными струями;

- разработка и совершенствование инженерных методик расчета про-

цесса резания и фрезерования горных пород гидроабразивными струями.

Процесс эрозионного разрушения горных пород гидроабразивной

струей с учетом присущих ему особенностей (рисунок 1) определяется

следующими

основными

факторами:

гидравлическими

параметрами,

включающими давление воды перед струеформирующей насадкой

P0,

диаметр отверстия струеформирующей насадки d0, коэффициент расхода

насадки μ и плотность воды ρв; режимными параметрами, включающими

скорость перемещения гидроабразивной струи над поверхностью породы vп,

расстояние между срезом коллиматора гидроабразивного инструмента и

поверхностью горной породы l0 и угол резания φ, а также характеристики

абразива (плотность ρ и радиус R); конструктивными параметрами

оборудования

и,

в

первую

очередь,

геометрическими

параметрами

9

инструмента, включающими длину Lкам и диаметр Dкам камеры смешивания,

длину и диаметр коллиматора, радиус Ra и угол наклона ω канала

подвода и способ подачи абразива; а также физическими свойствами горных

пород.

Комплексным показателем, характеризующим гидравлические пара-

метры процесса эрозии, является массовый расход воды ; геометрические

параметры инструмента и характеристики абразива учитываются другим

комплексным показателем – скоростью гидроабразивной струи на выходе из

коллиматора Va; режимные параметры оказывают влияние на третий ком-

плексный показатель – кинетическую энергию абразивной частицы в мо-

мент соударения с поверхностью разрушаемого материала. Эффективность

эрозии, в конечном счете, определяется взаимодействием частицы, обладаю-

щей кинетической энергией, и материалом, имеющим некие физические

свойства. Причем характер взаимодействия определяется типом разрушаемо-

го материала – хрупкий или пластичный. Большинство горных пород отно-

сятся к хрупким материалам.

Особенностью эрозии хрупких материалов, в том числе горных пород,

является то, что это динамическое явление протекает одновременно с имею-

щими различную природу упругопластическими деформациями и растрески-

ванием. Для учета этих явлений в исследовании предлагается использовать

комплекс физических величин: одноосное сопротивление сжатию σсж, модуль

Юнга E и коэффициент Пуассона ν, критическое значение интеграла Эшелби-

Черепанова-Райса Jc, а также инкубационное время хрупкого разрушения τ.

Для решения задачи описания механизма эрозии сначала рассматрива-

ется идеализированная картина процесса. Она выглядит следующим образом.

Абсолютно твердые сферические частицы одинакового размера и плотности,

находящиеся друг от друга на равном расстоянии, непрерывно и нормально

бомбардируют плоскую поверхность упругого полупространства. Причем

взаимодействие каждой частицы с полупространством не зависит от взаимо-

действия других частиц, а эрозионным действием воды можно пренебречь.

Известна полученная (но не решенная) при подобных допущениях сис-

тема уравнений, описывающая направления распространения трещин в упру-

гом полупространстве от удара одиночной абсолютно твердой абразивной

частицы по его плоской поверхности и выраженная в цилиндрических коор-

динатах

(1)

1

1

1

2

2

2

1 cos21 2 cos22 3 cos23  4 (1 3)2  4 (1 3)2;

1 cos2 1 cos2 2 cos2 3  (1 );

2

3

3

2

cos2 1  cos2 2  cos2 3  1,

10

где α1, α2 и α3 – углы распространения трещины, которые нормаль

образует

с осями координат (на площадке с нормалью

и образуется трещина); σ1, σ2 и

σ3 – главные напряжения напряженно-деформированного состояния горного

массива при ударе частицы абразива, причем 1  3.

В системе уравнений (1) первое (верхнее) уравнение является зависи-

мостью квадрата касательной составляющей вектора распределенной нагруз-

ки на площадке с нормалью ; второе (среднее) уравнение – нормальной со-

ставляющей; третье (нижнее) – касательной нагрузки. Неизвестными счита-

ются величины 1, 2 и 3.

Решение системы уравнений приводит к следующему результату:

1  45, 2  90 и 3  45 . Причем система может иметь бесконечное

множество решений при выполнении условий σ1 ≥ σ2 = σ3 или σ1 = σ2 ≥ σ3.

Полученный результат предлагается трактовать следующим образом.

Отрицательные значения α1 и α3 представляют собой направления роста по-

перечных трещин. Заметим, что они образуют кратер лунки выкола, как пока-

зано в расчетной схеме на рисунке 2. Тот факт, что -α1 = -α3 говорит о том,

что в основании лунки выкола лежит круг, а она сама является прямым кру-

говым конусом. Оба значения α2 – направления роста кольцевых трещин. По-

ложительные значения α1 и α3 являются углами распространения поверхно-

стей радиальных (конических) трещин.

При решении системы уравнений (1) найдены поверхности микротре-

щин, образующие замкнутый фрагмент части массива, откалывающийся в ре-

зультате одиночного удара частицы абразива. Однако до момента образова-

ния трещин и формирования замкнутого фрагмента абразивная частица про-

никает вглубь массива на некоторую величину, вытесняя его часть, равную

объему внедрившегося сегмента.

Известно, что количественно эро-

зия определяется главным образом

поперечным растрескиванием. По-

этому целесообразно для начала

определить объем лунки выкола,

которая представляет собой пря-

мой круговой конус, образован-

ный поверхностями поперечных

трещин вблизи частицы. На ри-

сунке 2 известными считаются

следующие величины: радиус час-

тицы абразива R, угол при верши-

Рисунок 1 - Расчетная схема

не конуса (1  45), угол при точке касания поверхности конуса частицы аб-

разива (этот угол прямой, что вытекает из свойств касательной). Отсюда сра-

зу легко найти угол при центре окружности из теоремы о сумме углов тре-

2

угольника: 180  90  45  45. Таким образом, мы получаем равнобедрен-

Подобный подход к определению объема, уносимого при одиночном

ударе абразивной частицы, позволил модифицировать метод расчета скоро-

сти эрозии, суть которого заключается в суммировании таких объемов за не-

который промежуток времени

(4)

Был также рассмотрен случай, при котором трещины от ударов сосед-

них плотно падающих частиц сливаются

Найти полную глубину резания можно просуммировав величины эле-

ментарных глубин резания частиц по всей глубине воронки. Величина за-

глубления частицы при прочих равных условиях варьируется в зависимости

от ее скорости в момент удара. Тогда

11

ный прямоугольный треугольник, катеты которого равны R. Гипотенуза тако-

го треугольника равна R 2. Высота конуса меньше этой величины на

(2)

С учетом вышесказанного и выражения (2) объем лунки выкола опре-

деляется формулой

R

vп

Стоит отметить, что процесс резания не начинается при скорости гид-

роабразивных частиц, отличных от нуля. Существует некоторая критическая

(пороговая) скорость υк. Ее значение находится из выражения

.

(7)

Выражение (7) соответствует реальному динамическому процессу. Бы-

ла также получена зависимость для определения критической скорости для

идеализированного квазистатического случая

(8)

R , где δ – заглубление частицы абразива в массив. Тогда

R 2  R  0,414R .

3

2

5

.

(3)

2

2

4E

51

V  1,047 0,414R R

1,2

2

2

2

1,93R0,39*1,781,2E0,4  51

Wлв

.

0,

10,39 kIC78E0,810,61

2

2

2

0,

0,61

9,7R0,39*1,781,2E0,4  51 

Wст

10,39 kIC78E0,01

0,4

.

(5)

2

5

d .

(6)

2

4Е

51

2

5

Jc E2

9

5

5

2

2

сж

к  0,63

2

1

0,5

2

vk  0,167510,5E0,5.

h

V

h

hэd

0

0

max

a

0,414R Jc



vп

сж

12

Наиболее распространенным подходом к определению скорости гидро-

абразивной струи Va является подход на основе закона сохранения количества

движения с учетом его передачи от струи воды к потоку инжектируемых аб-

разивных частиц в камере смешивания и в коллиматоре режущего инстру-

мента. Известно, что этот процесс определяется коэффициентом, являющим-

ся индивидуальным для каждого инструмента и зависящим от его конструк-

тивного оформления, геометрических характеристик и качества изготовле-

ния. Он представляет собой оптимальное соотношение массового расхода аб-

разива Qa к массовому расходу воды , при котором достигается максималь-

ная глубина нарезаемой щели h с минимальной удельной энергоемкостью

процесса резания E0. Анализ литературных источников позволил обнаружить,

что оптимальное соотношение Qa/Qв, несмотря на наличие экстремума, не

имеет ярко выраженного пикового характера и в диапазоне значений 0,1 – 0,3

можно принять любое значение с потерей точности, не превышающей 10 %.

Тогда с учетом вышесказанного и после преобразования известной зависимо-

сти, связывающей расходы абразива и воды и скорость истечения струи воды

из струеформирующей насадки V0 со скоростью гидроабразивной струи ,

получим

Va  0,5 V0.

(9)

Окончательно формула для определения глубины резания после мате-

матических преобразований и вычислений примет следующий вид:

W

vnсж

Рассмотренный при построении математической модели принцип пере-

дачи количества движения от струи воды к потоку частиц составляет основу

известного

полуэмпирического

метода

расчета

глубины

резания

Ю.Э. Ерухимовича. Его существенным недостатком является применимость

только для инструментов с известным значением оптимального массового

расхода абразива к массовому расходу воды. Этот метод можно усовершенст-

вовать с учетом выражения (9). Усовершенствование заключается также в

учете системы подачи абразива и угла резания φ, поскольку ранее метод был

Подобным образом были получены также выражения для определения

объема горных пород, уносимого в процессе разрушения

2

5

9

9

5

5

0,414R Jc

vпσсж τ

vп

4Е

R 5π1 ν2ρ

V

υк .

(10)

h

a

2

5

9

9

2

5

5

0,4JcR3 1

8,43R3

Va

k

opt

2

E

vn

4

5

13

13

2

5

1

V

k5 

(11)

(12)

a

E

и скорости приращения боковой поверхности щели

2

5

9

2

5

9

0,414R Jc

1

V

к 5 

F0 

 0,96R

.

a

сж

E

- для пластичных материалов

k  8473sin

 exp

68049

20,5

(14)

13

применим только для случая нормального резания. Известно, что для хрупких

и пластичных материалов влияние угла резания на эффективность разруше-

ния имеет различные функциональные зависимости. Тогда коэффициент

можно определить как математическое выражение kφ = f(φ) в зависимости от

типа материала:

- для хрупких материалов

Индекс корреляции для выражений (13) и (14) составил 0,99 – что сви-

детельствует о пригодности установленных зависимостей для оценки влияния

угла резания гидроабразивной струей различных материалов.

Способ подачи абразива учитывается коэффициентом kспа, который ра-

вен единице для регулирования дроссельными шайбами и для инжекционно-

го и метода подпора – 1,1, поскольку известно, что при использовании этих

способов эффективность резания увеличивается на 10 %.

Таким образом, выражение для определения глубины резания полуэм-

пирическим методом примет вид

1,77

 90

k  0,99  exp 0,5

;

(13)

28,4

.

2

k QaP0

h

kkспа .

(15)

4dkVп

Проведен сопоставительный анализ экспериментальных данных из от-

крытых источников с полученными в результате расчетов по разработанному

аналитическому методу расчета показателей эффективности эрозионного

разрушения и усовершенствованному полуэмпирическому метода расчета

глубины резания значениями (рисунок 3).

а

б

Рисунок 3 - Сопоставительный анализ расчетных и экспериментальных данных:

а – для аналитического метода; б – для полуэмпирического метода

14

Выявлена в целом удовлетворительная сходимость (индекс корреляции

для разработанного аналитического метода расчета варьировался от 0,73 до

0,96, для усовершенствованного полуэмпирического метода составил 0,95).

Кроме того, аналитический метод расчета подвергся анализу с точки

зрения реакции на изменение параметров математической модели, лежащей в

его основе. Поведение метода адекватно и соответствует известным законо-

мерностям. Вновь полученные аналитические зависимости выдержали также

проверку анализом из соображений размерности.

В диссертации представлены методики и примеры расчета основных

параметров гидроабразивного резака, определения показателей и основных

параметров разрушения горного массива гидроабразивным резаком совмест-

но со скалывающим инструментом и фрезерования горных пород гидроабра-

зивным инструментом.

Первая методика позволяет проводить расчет рациональных конструк-

тивных параметров гидроабразивного резака, а также рациональных гидрав-

лических и режимных параметров процесса нарезания щелей для заданной

горной породы и показателей эффективности ее разрушения.

Вторая методика позволяет проводить расчет режимных параметров

разрушения горного массива гидроабразивным инструментом совместно со

скалывающим инструментом с выбором источника воды высокого давления,

глубины нарезания ослабляющей щели, теоретической производительности

комбинированного разрушения, его энергоемкости и необходимой мощности

приводного двигателя, обеспечивающего эффективную работу исполнитель-

ного органа в рассчитанном режиме.

Третья методика позволяет проводить расчет гидравлических парамет-

ров фрезерования горных пород гидроабразивным инструментом и гидравли-

ческой мощности, а также скорости эрозии, режимных параметров процесса и

времени обработки изделия с целью придания ему заданной формы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований решена задача разработки и

совершенствования методов расчета эрозии при разрушении горных пород

гидроабразивной

струей

на

основе

установленных

и

уточненных

закономерностей

взаимодействия

с

ними

абразивных

частиц,

обеспечивающих повышение эффективности применения гидроабразивных

резаков, что имеет значение для расчета и проектирования рабочих

инструментов горных машин.

Основные выводы, научные и практические результаты работы

сводятся к следующему:

1. Уточнены основные факторы, определяющие процесс эрозии

поверхности хрупких материалов, в частности горных пород, под ударами

абразивных частиц, разгоняемых высокоскоростной струей воды.

инструментом и скорости эрозии при разрушении горных пород.

5. На основании разработанной математической модели

получены

аналитические

зависимости

для

определения

таких

показателей

эффективности эрозии как глубина резания, уносимый объем и скорость

приращения боковой поверхности щели.

6.

Вновь

полученные

и

уточненные

зависимости

составляют

разработанный аналитический и усовершенствованный полуэмпирический

методы расчета показателей эффективности эрозии горных пород под

действием гидроабразивной струи.

7. Проведен комплексный анализ разработанной математической

модели, показавший ее адекватность. Он включает в себя анализ вновь

полученных зависимостей из соображений размерности, сопоставительный

анализ рассчитанных и экспериментальных данных, а также исследование

математической модели при изменении, входящих в нее

поведения

параметров.

15

2. На основании современных представлений о разрушении материалов

и обоснованных гипотез разработана математическая модель эрозии горных

пород под действием гидроабразивной струи.

3. Для идеализированного квазистатического и динамического случаев

получены зависимости для определения критической (пороговой) скорости

разрушения горных пород гидроабразивной струей.

4. Уточнены расчетные зависимости для определения скорости

гидроабразивной

струи,

глубины

нарезания

щели

гидроабразивным

8.

Модифицированы

методики

расчета

основных

параметров

гидроабразивного

резака

и

показателей

процесса

гидроабразивного

фрезерования

горных

пород

и

выбора

оборудования,

оснащенного

гидроабразивными резаками, а также разработана методика определения

основных параметров разрушения горного массива гидроабразивным резаком

совместно со скалывающим инструментом.

9. Методики расчета

- основных параметров гидроабразивного резака;

- показателей и основных параметров фрезерования горных пород

гидроабразивным инструментом;

- определения показателей и основных параметров разрушения горного

массива гидроабразивным инструментом совместно со скалывающим

инструментом; а также все конструктивные решения и рекомендации

используются ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» и

ООО

«БЕЛРА-Центр»

при

создании

горных

машин,

реализующих

гидроструйные технологии применительно к горным породам.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы.

Рассмотреть изменение в процессе взаимодействия абразивных частиц с

горным массивом массы частиц; изыскать возможность учесть развитие

16

радиальных трещин в массиве; изучить взаимосвязь пороговой скорости

разрушения в динамическом и квазистатическом случае.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

опубликованных в периодических изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Аверин Е.А. Эрозия поверхности горных пород при одиночном ударе абразивной

частицы с учетом образования лунки выкола [Текст] : Е.А. Аверин // Изв. ТулГУ. Техни-

ческие науки. – 2014. – Вып.5. – С. 193 – 200.

2. Аверин Е.А. Совершенствование метода расчета глубины резания материалов

гидроабразивным инструментом [Текст] : Е.А. Аверин, А.Б. Жабин // Горное оборудование

и электромеханика. – 2014. – № 11. – С. 24 – 29.

3. Аверин Е.А. Математическая модель процесса эрозии горных пород гидроабра-

зивной струей [Текст] : Е.А. Аверин, А.Б. Жабин, И.М. Лавит // Изв. ТулГУ. Технические

науки. – 2014. – Вып.11, Ч.2. – С. 302 – 312.

4. Аверин Е.А. Математическая модель процесса формирования гидроабразивной

струи, получаемой по способу увлечения абразива [Текст] : Е.А. Аверин, А.Б. Жабин,

А.Е. Пушкарев, И.М. Лавит // Изв. ТулГУ. Технические науки. – 2014. – Вып.11, Ч.2. – С.

340 – 351.

5. Аверин Е.А. Систематизация параметров процесса эрозии горных пород под дей-

ствием гидроабразивных струй [Текст] : Е.А. Аверин, А.Б. Жабин // Горное оборудование

и электромеханика. – 2015. – № 4. – С. 41 – 44.

6. Аверин Е.А. Простейший аналитический метод расчета эрозии горных пород под

действием гидроабразивной струи [Текст] : Е.А. Аверин, А.Б. Жабин // Горное оборудова-

ние и электромеханика. – 2015. – № 5. – С. 44 – 48.

опубликованных в научных сборниках и других изданиях:

7. Averin E.A. Improved method for the depth of cut prediction when cutting with abra-

sive waterjet (статья на английском языке) / E.A. Averin // «Социально-экономические и

экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» – 10-я

междунар. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики:

Мат. конференции: ТулГУ, Тула. – 2014. – Т.1. – С. 253 – 263.

8. Аверин Е.А. Нахождение углов распространения трещин в горном массиве

[Текст] : Е.А. Аверин // «Опыт прошлого – взгляд в будущее» – 4-я междунар. научно-

практическая конф. молодых ученых и студентов: Мат. конференции. – ТулГУ, Тула. –

2014. – С. 45 – 48.

9. Averin E.A. On the cracks propagation when influencing on rocks with abrasive water

jet (статья на английском языке) / E.A. Averin, A.B. Zhabin // Reports of the 23rd International

Scientific Symposium “Miner’s Week – 2015”. Moscow, Russia. – 26-30 January, 2015. – P. 81–

87. – ISBN 987-5-87623-891-7.

10. Averin E.A. Scientific challenges of the use of abrasive waterjet technology in mining

(статья на английском языке) / E.A. Averin // Contemporary Innovation Technique of the En-

gineering Personnel Training for the Mining and Transport Industry 2015 (CITEPTMTI’2015).

Conf. Proc. (2015) Ukraine, Dnepropetrovsk: National Mining University, 474 p. – P. 18 – 21.

Изд. Лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать 10.07.2015

Формат бумаги 60x84

. Бумага офсетная.

Усл.печ.л. 0,8. Уч.-изд.л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр.Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГу. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 95

1

16



Похожие работы:

«Куликов Александр Евгеньевич Фортепианные сонаты Карла Черни и их место в истории музыки. Специальность 17.00.02 – музыкальное искусство Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата искусствоведения Москва – 2015 2 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московская государственная консерватория (университет) имени П.И. Чайковского. Научный руководитель: доктор искусствоведения, профессор Кокорева Людмила Михайловна Официальные оппоненты: Ромащук Инна Михайловна,...»

«Кузьмина Марина Сергеевна ВИЗУАЛЬНАЯ КУЛЬТУРА И ТРАДИЦИИ СИММЕТРИИ В ТОВАРНЫХ ЗНАКАХ РОССИИ Специальность 24.00.01 – Теория и история культуры АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата культурологии Саратов 2015 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. Научный руководитель: доктор философских наук,...»

«ШЕДЬКО ВАРВАРА ВАЛЕРЬЕВНА СТРОЕНИЕ И ВАСКУЛЯРИЗАЦИЯ ОРГАНОВ ГРУДНОЙ КОНЕЧНОСТИ РЫСИ ЕРВАЗИЙСКОЙ НА НЕКОТОРЫХ ЭТАПАХ ПОСТНАТАЛЬНОГО ОНТОГЕНЕЗА 06.02.01 – диагностика болезней и терапия животных, патология, онкология и морфология животных АВТОРЕФЕРЕТ диссертации на соискание ученой степени кандидата ветеринарных наук Санкт-Петербург 2015 Петербургская медицины. Официальные оппоненты: Салаутин Владимир Васильевич государственная академия ветеринарной доктор ветеринарных наук...»





 
© 2015 www.z-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.