CC BY
49
СЕМИНАР 4
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
В.А. Бреннер, проф., д.т.н., А.Е. Пушкарев, к.т.н.,
ТулГУ ТулГУ
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ ВОДОСТРУЙНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИСТОЧНИКИ ВОДЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Водоструйные технологии - это технологии, основанные на способности тонкой жидкостной струи сверхзвуковой скорости воздействовать на обрабатываемый материал с силой, величина которой достаточна для осуществления работы по разрушению материала самостоятельно, или в комбинации с другими разрушающими факторами (например с механическим воздействием). При этом жидкостная струя является носителем сконцентрированной
кинетической энергии, которая превращается в работу резания непосредственно в зоне обработки, т.е. струя выполняет роль режущего инструмента.
Водные струи могут использоваться для быстрого и эффективного разрезания большинства неметаллов, включая бумагу, ткань, дерево, пластик, стекловолокно и породу средней крепости. При этом водоструйное резание имеет следующие преимущества:
♦ минимальная пыль или ее отсутствие;
♦ высокая скорость резания;
♦ многонаправленность резания;
♦ отсутствие притупления режущего инструмента;
♦ отсутствие термических и деформационных напряжений в обрабатываемом материале;
♦ отсутствие опасности возникновения пожара.
Кроме того, высоконапорные водяные струи как режущий инструмент обладают низким уровнем реактивных нагрузок, что позволяет делать технологический инструмент легким, а системы перемещения достаточно простыми и надежными. При этом отработанная вода может быть легко собрана и при выполнении мероприятий
5 і 1999
по очистке от продуктов разрушения использована вторично [1].
В горной промышленности струи воды высокого давления уже нашли свое применение в технологиях гидродобычи. Здесь отбойка и смыв угля ведутся гидромониторными струями давлением до 12 МПа при насадках диаметром до 32мм. Гидромониторные струи на этих работах применяются как для непосредственного разрушения угля в массиве, так и в сочетании с комбайнами [2].
Вопросами исследования и совершенствования технологии разрушения горного массива струями воды занимались многие ученые и коллективы научно-исследова-
тельских организаций. Особенно большую научную и практическую ценность имеют результаты исследований гидромониторных
струй, которые были проведены во ВНИИГидроугле. Большой объем работ по исследованию гидродинамики незатопленных водяных струй и разрушению ими горного массива были выполнены в лаборатории гидравлического разрушения ИГД им. А.А. Скочинского [3].
Однако, наряду с очевидными достоинствами имеются также некоторые ограничения или недостатки водоструйного резания. Оно не может обеспечить разрезание твердых материалов таких, как: металлы, керамика, высоконапорные сплавы и твердые породы. Оно требует высоких уровней мощности для обеспечения приемлемых скоростей резания во многих областях применения.
В последнее время у нас в стране и за рубежом бурно развиваются технологии, в которых используются водно-абразивные струи или метод "гидроабразивного резания" (ГАР). Этот - один из наи-
более современных нетрадиционных методов обработки основан на совместном воздействии на материал струй воды высокого давления и абразивных частиц, находящихся внутри этих струй.
Метод ГАР подходит не только для обычных технологических материалов, таких как: металл, стекло, горные породы, но и для вновь разработанных материалов, таких как: керамика, твердые сплавы, сплавы на основе титана, резиновые составы, армированные металлом или волокном. Для многих из них резка обычным механическим инструментом бывает экономически неоправданной и технически труднореализуемой, а иногда и невозможной. В этом смысле гидроабразивные струи являются универсальным и наиболее перспективным режущим инструментом, и, кроме присущих водяным струям достоинств, обладают целым рядом преимуществ:
♦ способны резать очень твердые материалы;
♦ имеют низкие энергетические требования;
♦ не вызывают расслоение в структуре разрезаемого материала.
На сегодняшний день уже предлагаются к промышленному использованию комплекты технологического оборудования для гидроабразивной резки листовых материалов. Однако, широкое применение в горной промышленности такой техники затруднено не только в связи с общей кризисной ситуацией в экономике, но и тем, что внедрение новой технологии всегда сопряжено с необходимостью решения вопросов формирования новых подходов к подготовке обслуживающего персонала, обеспечения производства расходными материалами, зачастую, не-
203
традиционными, сервиса оборудования и его ремонта и т. п. В то же время, перспективность водоструйных технологий и гидроабразивного резания, в частности, делает задачу создания оборудования для их реализации актуальной.
С целью решения указанной задачи, в рамках научно-производственного сотрудничества между Тульским государственным университетом, Скуратовским экспериментальным заводом и фирмой "НИТЕП" на базе завода создана экспериментальная база для проведения исследований процессов взаимодействия высоконапорных водяных и гидроабразивных струй с обрабатываемым материалом, отработки конструкции технологического инструмента и режимов техпроцесса. Особенностью принятой формы сотрудничества является то, что научно-исследовательские и опытноконструкторские работы выполняются в тесном контакте с потребителем разрабатываемой технологии на всех этапах. Тем самым, удается сузить область поисков, минимизировать время и затраты на НИОКР. Кроме того, конструкция инструмента и подбор комплекта технологического оборудования осуществляется на основе критериев, являющихся определяющими для данного вида технологии. Например, по критерию максимальной производительности, минимального энергопотребления и т. д.
Так в результате экспериментальных исследований процесса гидроабразивного резания горных пород установлены закономерности процесса щелеобразования с учетом крупности абразивных частиц, прочности пород, а также геометрических, гидравлических и режимных параметров инструмента, позволившие выявить их рациональные сочетания и обосновать показатели работы гидроабразивных резаков. Разработан метод расчета эффективности процесса щелеобразования, учитывающий влияние диаметра струеформирующей насадки, давления
202
воды, прочности пород, а также скоростей истечения высоконапорной воды и перемещения инструмента. Кроме того, разработана методика обоснованного подбора комплекта оборудования с учетом особенностей конкретной технологии [4].
Для расчета параметров техпроцесса и выбора источника воды высокого давления (ИВД) разработана методика, с помощью которой возможно рассчитать конструктивные параметры инструмента и режимы техпроцесса в случае использования имеющегося оборудования, или обосновать потребные по условиям конкретной технологии параметры ИВД.
Исходными данными для расчетов являются предел прочности пород на одноосное сжатие - стсж (МПа) и параметр технологии, например глубина прорезаемой щели - h (мм). В случае расчета техпроцесса с использованием имеющегося насосного оборудования в исходные данные закладывается также его выходная мощность.
В методике используются расчетные зависимости полученные с помощью регрессионного анализа экспериментальных данных и отражающие взаимосвязь параметров инструмента с особенностями выбранной схемы разрушения и крепостью разрушаемой горной породы.
'V. = 4.073- 0.032 хас + 0.006 х Р0 + 0.0002 х Р0 ха^
1.5
— Р
— = 10.06 х—0--
4, V.х а_с
N, = 26.33 х 402 х Р0.5
(1)
где V - скорость подачи гидроабразивного инструмента, мм/с; do - диаметр струеформирующей насадки, мм; h - глубина нарезаемой в породе щели, мм; а сс - предел прочности породы на
одноосное сжатие, МПа; Р0 - давление высоконапорной воды, МПа; N. - потребляемая гидравлическая мощность, кВт.
Следует отметить, что первое уравнение системы для Уц(Р0) позволяет рассчитать скорость подачи ГА инструмента, обеспечивающую
минимальную энергоемкость процесса щелеобразования [4].
В результате решения системы (1) определяются диаметр струеформирующей водяной насадки -dо, давление воды - Ро и скорость перемещения инструмента относительно материала - ^.
Система (1) может иметь несколько решений, анализ которых показал, что мощность ИВД может быть реализована в разрабатываемой технологии как при низком давлении и большем расходе воды через насадку большего диаметра, так и при высоком давлении и меньшем расходе через насадку меньшего диаметра. В результате сравнительного анализа полученных решений установлено, что с точки зрения обеспечения большей производительности и меньшей энергоемкости процесса второй вариант предпочтительнее. В случае, когда необходимо произвести обоснованный подбор параметров ИВД для обеспечения потребностей разрабатываемой технологии, в методике предусмотрена возможность определения минимальной мощности ИВД, позволяющей реализовать заданную технологическую схему.
Можно видеть, что решение системы (1) сводится к решению одного нелинейного уравнения:
N = 0,26 в2 х Уп(р°)’ ха 1
Р0 '
. (2)
Приравняв разность правой и левой части уравнения (2) к нулю и исследовав полученное выражение относительно Ро на экстремум получим значение минимальной гидравлической мощности Nг необходимой для реализации заданной технологической схемы, при этом рассчитанные соответствующие значения dо и Ро обеспечивают нарезание щели в породе определенной прочности с минимальной энергоемкостью. Определенная таким образом гидравлическая мощность служит ориентиром при выборе ИВД.
На кафедре ГМиК ТулГУ разработан пакет прикладных программ, реализующих описанный
ГИАБ
Параметрический ряд ИВД
выше алгоритм расчета и позволяющих исходя из задаваемых показателей процесса нарезания щелей в породах определенной крепости рассчитывать потребные параметры гидроабразивного инструмента и источника воды высокого давления.
С помощью этой методики проведен анализ широкого спектра технологий нарезания щелей в породах различной прочности. Результаты анализа были использованы при разработке параметрического ряда ИВД на базе приводного насосного блока и преобразователя давления мультипликаторного типа, в котором систематизирован принцип подбора комплектующих позволяющий обеспечить необходимые параметры техпроцесса.
Параметрический ряд ИВД (таблица 1) образован из восьми исполнений преобразователей давления (по признаку кратности преобразуемого низкого давления масла в высокое давление воды -коэффициент мультипликации) и шести типоразмеров приводных насосных станций (в зависимости от мощности привода). Таким образом, требуемые из условий конкретных технологий выходные па-
раметры давления и расхода высоконапорной воды, определяют типоразмер приводной насосной станции и исполнения преобразователя давления. Кроме того, реализованный блочный принцип позволяет достигнуть требуемых значений выходных параметров за счет сочетания различных типоразмеров приводных насосных станций и преобразователей давления по исполнениям. Преобразователи давления выполнены с возможностью замены гидромультип-лпкаторов по исполнениям. Оборудование выполняется как в шахтном - взрывобезопасном, так и в общепромышленном исполнении [5].
Таким образом схема подбора оборудования и расчета параметров техпроцесса нарезания щелей в горных породах выглядит следующим образом.
1. Исходя из свойств разрушаемых горных пород и заданной схемы разрушения определяется минимальная гидравлическая мощность необходимая для ее реализации.
2. Из параметрического ряда ИВД выбирается ближайшее большее значение мощности, для которой расчитываются геометри-
ческие параметры инструмента и режимные параметры техпроцесса.
Такой подход позволяет при разработке конкретной технологии не только задавать рациональные с точки зрения производительности и энергоемкости параметры инструмента и режимы техпроцесса, но и подбирать весь комплект технологического оборудования для их реализации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. David A. Summers, Water Jet Technology. Printed in Great Britain by the Alden Press, Oxford 1995. - 635 р.
2. Шавловский С.С. Основы динамики струй при разрушении горного массива.- М., "Наука". 1979. 171 с.
3. Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Гольдин Ю.А. Разрушение горных пород струями воды высокого давления. - М., "Недра" 1986. - с. 143.
4. Головин К.А. Установление параметров процесса нарезания щелей в горных породах гидроабразивным инструментом. Автореф. ... канд. техн. наук.- Тула, 1997. - 18 с.
5. Бреннер В.А., Жабин А.Б., Ка-тагаров Н.Н. и др. Гидромеханический способ разрушения горных пород// Горный вестник.- 1996. -N3. - С. 45-48.
© В.А. Бреннер, А.Е. Пушкарев
203
