CC BY
35
изучение процессов тепло-массопереноса, гидродинамики потока, исследование распределения компонентов по сечению потока, настройка режимов транспортировки.
Стенд имеет практическое значение, т.к. позволяет получить решения различных анали-
1. Спиваковский А.О., Смолдырев А.В., Зубакин Ю.С. Автоматизация трубопроводного транспорта Недра 1972.
2. Николаев А.К., Маларев В.И., Иванов С.Л. Экспериментальные исследования теплообмена при гидро-
тических и прикладных задач, в том числе разработать, программы для ЭВМ по расчету рабочих параметров, позволяющие в промышленных условиях обеспечить эффективную эксплуатацию систем трубопроводного гидротранспорта.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
транспорте сыпучих материалов Гидравлика и пневматика №5.
Ъ.Докукин В.П., Николаев А.К. Направления совершенствования систем трубопроводного гидротранспорта Горные машины и автоматика №5 2003 г.
— Коротко об авторах -----------------------------------------
Проскуряков Р.М. - доктор технических наук, профессор,
Маларев В.И. - кандидат технических наук, доцент,
Кнышов Н.В. - аспирант,
Санкт-Петербургский государственный горный институт (ТУ).
© В. А. Бобин, А. С. Воронюк,
А.Н. Ланюк, 2005
УДК 622.23.05
В.А. Бобин, А. С. Воронюк, А.Н. Ланюк
ИДЕЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИРОСКОПИЧЕСКОЙ СИЛЫ КАК ФИЗИЧЕСКОЙ ОСНОВЫ НОВЫХ ЭНЕРГО-ИМАТЕРИАЛОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И МЕХАНИЗМОВ В ГОРНОМ ДЕЛЕ
Семинар № 16
Физическую основу подавляющего числа различных технологических разработок и реализующих машин и механизмов составляет соответствующий принцип создания сжимающих и растягивающих усилий. В частности, в горном деле широко используются сила тяжести (при бурении различного типа
скважин), сила собственного веса валков и усилия пружинных блоков (при разрушении геоматериалов в различного рода дробилках и мельницах), а также сила сжатой жидкости (прессовые установки).
Использование этих сил, например, при бурении вертикальных и наклонных скважин
приводит к тому, что метод, в котором для решения этой проблемы используют утяжеленные бурильные трубы (УБТ) в вертикальном стволе, в ниже и выше УБТ - толстостенные трубы тяжелой конструкции и в горизонтальном участке - бурильные трубы, технически сложен и требует значительных расходов металла и энергии. Поэтому продолжает оставаться актуальной задача по разработке новых методов создания усилий при бурении скважин без тяжелых бурильных труб [I].
Аналогичные проблемы возникают и при разрушения полезных ископаемых с помощью дробилок, валковых и шаровых мельниц, измельчение геоматериалов в которых производится в основном раздавливанием [2] и требует высокого расхода энергии, качественного металла и увеличения габаритов и ограничений по управлению режимом работы.
Использование принципиально новых принципов создания сжимающих усилий актуально и для создания мобильных прессовых установок, которые в отличие от стационарных прессов позволяют значительно уменьшить их массу, энергопотребление, а также полностью отказаться от использования гидравлики [З].
Таким условиям отвечает идея использования гироскопической силы как физической основы новых энерго- и материалосберегающих технологий и механизмов в горном деле
Задачей настоящего исследования является научное обоснования гироскопического принципа создание силы с помощью конструктивных элементов, использующих энергию раскрученного маховика.
Для решения этой задачи в ИПКОН РАН было создано универсальное модульное уст-ройство-трансформер, состоящее из электродвигателя, вращающего грузовую площадку, двухстепенного гироскопа и источников питания, которое способно трансформироваться в зависимости от назначения в гироскопический силовой элемент бурильной установки, гироскопическую мельницу или гироскопический пресс.
При решении проблемы бурения без тяжелых бурильных труб главным достижением явилось научное обоснование принципа создания силового элемента, установка которого на породоразрушающий инструмент позволяет создавать усилия в произвольном заданном на-
Рис. 1. Схема экспериментальной установки БУР-1
правлении, в том числе и горизонтальном.
Для этого модульная установка- трансфор-мер была собрана в виде экспериментального устройства БУР-1, позволяющая в лабораторных условиях моделировать усилия, возникающие на силовом элементе.
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Она содержит гладкую опору 1, колесное шасси 2, электродвигатель 3, вращающий грузовую площадку 4, двухстепенный гироскоп 5, его электродвигатель 6, маховик гироскопа 7, управляющий элемент гироскопа 8, механически связанный с хвостовиком 9 и источники питания электродвигателей (на рис.
I не показаны). К колесному шасси 2 прикреплена гибкая связь 10, перекинутая через блок
II и соединенная с динамометром 12.
Экспериментальная установка БУР-1 работает следующим образом: электродвигатель 6 раскручивает маховик 7, выполненный из электропроводного материала, до угловой скорости ю, затем электродвигатель 3 раскручивает грузовую площадку 4 до угловой скорости О. Одновременно управляющий элемент гироскопа 8 с угловой частотой Оупр = О воздействует на хвостовик 9 и изменяет положение оси двухстепенного гироскопа в вертикальной плоскости в течение Л^ = (0, 01 - 0, 1) с. После взаимодействия маховик за счет гироскопических сил возвращается в исходное положение за время Лі2 = (0, 1 - 0, 2) с, в результате чего в течение времени Лі;3, сравнимым по порядку величины с Лі2, появляется сила, направление которой совпадает с направлением оси электродвигателя 6 в момент взаимодействия управляющего элемент 8 с хвостовиком 9. Величина силы, возникающей в горизонтальном направлении, фиксируется с помощью динамометра 12.
~7~7 7 7 7 7 7 7 7 7~^ 7 7 7"
За счет этой силы грузовая площадка массой 2 кг свободно перемещалась по горизонтальной гладкой поверхности со средней скоростью Уср = 2-3 см/с , а динамометр показал значение силы = (0,1 - 0,2) Н. В случае размещения грузовой площадки с объектом, создающим силу, в водной среде скорость Уср увеличилась в 1,5-2 раза.
Измерения вертикальной составляющей силы, созданной установкой БУР-1, дали значение, равное Ев = (0,3 - 0,4) Н. Максимальное значение вертикальной составляющей силы, полученной в эксперименте в течение одной десятой секунды достигало 10 Н (при этом ш = 2пх50 1/с, О = 2п 1/с, I = 1.6х10-4 кгм2, мощность установки составляла 2-3 Вт).
Комбинируя силовые элементы подобного типа для создания усилий в горизонтальном и вертикальном направлении и размещая их на породоразрушающем инструменте, можно бурить скважины сложного профиля без передачи усилий с поверхности через многокилометровые буровые колонны.
Для реализации нового принципа измельчения полезных ископаемых, основанного на независимом управлении величинами угловых скоростей валков и размольного стола было разработано и создано устройство ГД-1 (гироскопический дезинтегратор). Его схема приведена на рис. 2.
ГД-1 содержит маршевый электродвигатель
1, вращающий грузовую площадку 2, шарнирную опору 3 с шарниром 4, на котором установлен электродвигатель 5, на его валу закреплен маховик 6. Электродвигатель 5 снабжен рычагом 7, на котором установлен рабочий орган 8, разрушающий исходный материал 9, находящийся на размольном столе 10, неподвижном относительно Земли.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки ГД-1
ГД-1 работает следующим образом: электродвигатель 5 раскручивает маховик 6 до угловой скорости ш. Затем маршевый электродвигатель 1 раскручивает грузовую площадку 2 до угловой скорости Q, при этом возникает гироскопическая сила
IFrl = JxrnxQx sin а /l1, (1)
где J - момент инерции маховика 6, а - угол между векторами ш и Q, а l1 - расстояние между шарниром 4 и центром масс рабочего органа 8. Направление этой силы определяется знаком тригонометрической функции.
В итоге экспериментальных исследований на устройстве ГД-1 получены следующие результаты:
1. Впервые установлена граница устойчивого истирания в поле угловых скоростей маховика и грузовой площадки;
2. Впервые создана установка ГД-1, в которой реализован принцип разделения функций рабочего органа как основного элемента процесса разрушения и элемента системы управления им, что позволяет в устойчиво переходить из режима истирания в режим раздавливания, а затем в режим ударного дробления;
3. Экспериментальная апробация ГД-1 в режиме раздавливания и истирания кальцита фракции 1-2 мм показала, что энергетические затраты его на истирание составили 5 Вт, а на раздавливание той же массы исходного материала - 50-100 Вт.
Таким образом, новый принцип измельчения минерального сырья в разрушающих гироскопических устройствах позволяет реализовать новые технологии разрушения твердых горных пород в широком диапазоне технологических параметров.
Для решения проблемы создания сжимающих усилий в мобильных прессовых установках была разработана лабораторная установка ГП-1 (гироскопический пресс-1).
Схема установки ГП-1 изображена на рис. 3 и содержит основной электродвигатель 1, грузовую площадку 2, рабочий нажимной элемент 3, оказывающий силовое воздействие на испытываемый образец горной породы 4, шарнирную опору 5. На шарнирной опоре 5 с шарниром 8 установлен двигатель электродвигатель 6 гироскопа, на валу которого установлен маховик 7. Электродвигатели 1 и 6 приводятся в
Рис. 3. Схема экспериментальной установки ГП-1
действие независимыми источниками питания, которые на рисунке не показаны.
Установка ГП-1 работает следующим образом: основной электродвигатель 1 раскручивает грузовую площадку 2, плоскость которой параллельна горизонту, до угловой скорости Q, = 2nxN 1/с. Электродвигатель гироскопа 6 раскручивает маховик 7 до угловой скорости ш = 2пп 1/с. При этом на маховик гироскопа действует в системе координат, связанной с вращающейся грузовой площадкой 2, внутренняя гироскопическая сила, модуль которой определяется формулой (1).
Сила воздействия рабочего нажимного элемента на испытываемый образец горной породы, определяется по формуле:
ШДI = lx (mxR2xaxQx sin а / 2xl1 - mg) /12, (2)
где g - ускорение свободного падения, а l2 -расстояние от шарнира до центра давления рабочего органа на образец. Сила Бд измерялась с помощью пружинных весов.
В результате экспериментальных исследований на установке ГП-1 получены следующие результаты (см. таблицу)
Таким образом, в ходе исследований доказана возможность реализации метода сжимающих усилий с помощью гироскопических сил при незначительном потреблении электрической энергии и габаритах, что позволяет реализовать идею мобильных прессовых установок и разработать технологию их изготовления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Системный анализ развития горнодобывающих предприятий (проблемы теории и методологии). -Л:. Наука, 1991, 183 с.
2. Перов В.А., Андреев Е.Е., Биленко Л.Ф. «Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых», - М:., Недра, 1990, 300 с.
3. Каталог НИКЦИМ Точмашприбор. Армавир., изд-во НИКЦИМ, 24 с.
___ Коротко об авторах __________________
Бобин В.А., Воронюк А.С., Ланюк А.Н. - ИПКОН РАН.
