Определение основных технико-экономических показателей при оценке эффективности работы канатных пил в карьере Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ЭКОНОМИКА, ОРГАНИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

УДК 622.23.054.72 Г.Д. Першин, В.А. Утешев

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИ ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ КАНАТНЫХ ПИЛ В КАРЬЕРЕ *

Эффективность высокоуступной канатноалмазной технологии добычи с применением ка -натно-алмазных пил доказана в ряде работ [1], а практикой подтверждено повышение выхода товарных блоков мрамора посредством увеличения объемов добываемых монолитов.

Переход на высокоуступную технологию на сегодняшний день - один из основных способов повышения объемов добываемых монолитов, который успешно практикуется на итальянских карьерах. Но это требует установки более мощного двигателя на канатную пилу, поскольку с ростом высоты отрабатываемого уступа возрас-тает протяженность участка контакта гибкого инструмента с породой. На основании работы [2] мощность распиловки прямо пропорционально зависит от длины контакта при условии, что остальные параметры процесса принимают постоянное значение:

■ Ь ■ к П • 1К ■ УР :

(1)

где ¡и - коэффициент распиловки; о„ - давление инструмента на породу, Н/м2; Ь - диаметр режущей втулки, м; кп - коэффициент прерывистости режущей поверхности инструмента (отношение длины режущего контура к длине рабочего алмазного слоя); 1К - длина контакта инструмента с породой, м; Ур - скорость распиловки (скорость движения гибкого режущего органа), м/с.

В процессе отделения монолита вертикальны -ми пропилами продольного и поперечного направления длина линии контакта 1К непостоянна и принимает значение от I^0 (момент запиловки) до, например, 1К «(0,25 +0,5, м (момент окончания реза при диаметре приводного шкива ВШ=1 м). На схеме (рис. 1) можно выделить три

стадии протекания продольного пропила при от -делении добываемого монолита: 1 - запиливание; 2 - стационарное пиление; 3 - допиливание.

Максимальное значение длины контакта инструмента с породой, которая соответствует окончанию 1 стадии распиловки, будет определяться как

(2)

где И - высота отделяемого монолита, м; Я=Н/2 -радиус дополнительного сектора контакта, м; срд -

дополнительный угол охвата, рад.

Аналитическими исследованиями [3] опреде-лено значение дополнительного угла охвата фд при производстве продольного и поперечного пропилов.

Связь между максимальной мощностью распиловки, как установленной мощностью канатно-алмазной пилы, и соответствующей ей предельно возможной производительности резания примем в энергетической форме по следующему выражению:

=

N.

Ауд ■ Ь

(3)

Работа выполнена при поддержке гранта правительства Челябинской области.

где Ауд - удельная работа распиловки, Дж/м3; -ЭДчах - максимальная (установленная) мощность канатной пилы, Вт.

При заданной скорости резания, для каждой конкретной породы, Ауд зависит от силового ре -жима а„ и может быть определена на основе экспериментальных исследований в условиях стендовых, а также промышленных испытаний.

В алмазосберегающем режиме распиловки Ауд принимает постоянное значение, определяемое только прочностью породы и режущей способностью алмазного инструмента. Для реализации ал-

Уа*щ

карЛл3 0,04

мазосберегающего режима необходимо в процессе пиления независимо от изме-нения длины контакта инструмента с породой выдерживать всегда постоянным контактное давление величиной оп = а™ . Этому условию в достаточной мере будет отвечать режим перемещения канатно-алмазной пилы по направ -ляющим с постоянной скоростью Vn = const. Используя экспериментальную зависимость удельного расхода алмазоносного слоя на рабочих элементах от величины контактного давления [4] и методику расчета контактного давления инструмента на породу от времени рас -пиловки в режиме Vn = const, были получены графические взаимосвязи (рис. 2), откуда следует, что повышение контакт -ного давления на стадии допиливания реза происходит на 20% от установленного максимального значения. Данное изменение контактного давления в соот-ветствии с приведенной на рис. 2 диаграммой Ящ = f (ип) вызывает повышение удельного расхода алмазного инструмента всего лишь на 6% по отношению к минимальной величине. На этом основании можно сделать вывод о несущественном влиянии на удельный расход алмазного инструмента (Яуд -уа) силового параметра о„, когда режим распиловки осуществляется при условии Vn = const (Яуд, м3/м3 - относительный

расход алмазного инструмента; уа, карат/м3 - содержание алмазов в единице объема алмазонесущего слоя инструмента).

Среднюю производительность канатной пилы, через ее максимальное значение (3), определяем следующим образом:

и кинематических параметров отделения монолита гибким инструментом по продольному направлению

0,035

0,03

0,025

0,02

0,015

0,01

0,005

0

1гщр’ЧаС 1

4 /

Уа

Ya R

1 % 1 1

5,44

4,76

4,08

3,4

2,72

^,U4

1,36

0,68

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Пср -

H • L

К„ • П

МПа

Рис. 2. Изменение контактного давления инструмента на породу и его удельного расхода от времени пиления в режиме 1/л=сопБ1 (для продольного пропила с линейными размерами 1x4=12x6 м)

где 1пер - окончательный путь перемещения тележки, м.

Путь перемещения тележки канатной пилы к моменту окончания реза по заданной плоскости определяется из особенностей кинематики процесса распиловки гибким инструментом при ус -ловии неизменности длины контура в начальный и конечный момент времени (см. рис. 1):

(4)

где ?„ш - время пиления наибольшей по площади продольной (фронтальной) плоскости отделения монолита камня от массива породы; Ь - длина отделяемого монолита, м; Км<1 - коэффициент пропорциональности.

Время проходки продольного реза рассчитываем по формуле

LP = н

( 1 - sina0 ^

kф + 0,5 ' 1 + 0

Чи ^ cos j

D

-0,5 — H

ж 1- sina0

— +--------0

4

cosan

(6)

/

t =

пил

Vn

LP • н

(5)

где кф = Ь/Н - коэффициент формы продольной плоскости отделения (Ь - длина контакта, м).

Как показывает практика, а0 назначается в пределах 30-35°, тогда выражение (6) упрощает -ся до вида

LP = н •

3 1/

------(п-

4 8

2 )

D

н

После чего становится ВОЗМОЖНЫМ определить среднюю производительность канатной пилы за время пиления фронтальной плоскости заданной площади при условии, когда кф>1:

П

L ■ П

ср

■ = К.

N

где Км =

кл. + ——

(ж + 2)

D

н

как коэффициент влияния геометрии плоскости отделения монолита на среднюю величину про -изводительности резания от ее максимального значения.

Отличительной особенностью поперечного пропила, отделяющего монолит камня от массива, является его вытянутая в вертикальном направлении прямоугольная форма, когда длина плоскости отделения равна ширине монолита кф=В1Н, и при этом выполняется геометрическое условие кф<1. В этом случае максимальная высота пропила не равна высоте монолита и находится из уравнения (рис. 3)

2 - К -

D_

2н

1 -

D

2 н

К. =

L з С ж + 2 ^ D ] ( ^ D Л

к Лу ^ 4 1 2 *г- 1

Ф 4 V 8 н \ 'v н)

(8)

Очевидно, ЧТО при условии кф=1 коэффициенты Км в формулах (7) и (8) равны.

На рис. 4 приведен график зависимостей расчетных величин дополнительного угла охвата фд и коэффициента Км от значения кф, которое характеризует на практике геометрию плоскостей отделения монолита от массива как в поперечном (к^=0,15^0,4), так и продольном (кф=1,0^2,0) направлениях.

Коэффициент Км устанавливает влияние геометрии пропила на среднюю величину производительности резания от ее максимального значения при работе канатной пилы в режиме, когда Vn = const на протяжении всего периода распиловки плоскости отделения монолита. При этом согласно принятому алмазосберегающему режиму скорость подачи канатной пилы вдоль ее направ-ляющих на основании вышеполученных выраже-ний определяется по следующей зависимости:

(7)

определяется

Vn = кн

1ж

Vr.

■V

(9)

где к =----- - ДЛЯ продольной плоскости отде-

Н 10

ления монолита от массива, когда к^=1,0^2,0;

/Г 5 2 ^ „

кН = I — + — I п - для поперечной плоскости, когда к ^=0,15^0,4.

Данные значения коэффициента кн приведения максимальной длины контакта гибкого инструмента к высоте пропила следуют из рис. 4, где в графическом виде показано изменение угла фд ог кф

Фд, рад

0,3 0.7 0,6 0,5 0/:

0,2

что в итоге изменит величину коэффициента К в формуле (7), расчетная величина которого в этом случае

Ч

Рис. 4. График зависимости коэффициента Км и дополнительного угла охвата фд от величины коэффициента формы кф плоскостей отделения монолита от массива

В табл. 1 приведены расчетные значения технологических параметров и показателей отделения монолитов в алмазосберегающем режиме работы канатной пилы для условий Коел-гинского месторождения мрамора. В расчетах принято: ст°я = 0,22 МПа; ^4Уд=0,75-109 Дж/м3; ^=0,3; кя=0,16; ¿=0,01 м.

Расчеты выполнялись для работающих в настоящее время канатно-алмазных пил фирмы производителя «МсИеІеШ» - Те1е8іат 2002 О, техниче -ская характеристика которых: N.„.=37 кВт;

Ур=32 м/с; Б=1,0 м.

Суммарное время пиления продольной и поперечной плоскостей отделения монолита от массива (см. табл. 1) с учётом их суммарной площади определяет среднюю суммарную производительность канатной пилы:

£ п„ = у/ ґ

(10)

н=к, д,

(11)

Vр.а Ауд Wa

Р • V

р. а р

/и

Я* Vp

(12)

Суммарный объем алмазоносного слоя по длине контура равен:

W, ;Ф2-у2 )• к „

■и

(13)

где Х=ёв№к, - внешний диаметр алмазорежущей втулки, dк - диаметр несущего каната; у=й0/йк, d0 -внешний диаметр металлической втулки, на которой расположен алмазоносный слой; к„ - коэффициент прерывистости режущей поверхности инст-румента; ЬК - длина режущего контура, м.

Силу разрушения (абразивного износа) алмазоносного слоя согласно [4] запишем как

Р = и

р.а г*

(1)

р.а

• Рп к

¡л

и Р

г* р.а пр

М [п ]

(14)

• ст„ - продольная сила, приво-

где Б0 - суммарная площадь продольной и попе -речной плоскостей отделения монолитов камня от массива; ?0 - суммарное время пиления продольной и поперечной плоскости.

В зависимости от того, какой силовой режим реализуется в процессе всего цикла пиления, будет зависеть и величина средней производительности проходки отдельных плоскостей отделения и их средняя суммарная величина.

Аналитическое выражение для определения по -казателя наработки запишем в следующем вцде [5]:

где ^ - время абразивного износа алмазоносного слоя на рабочих элементах втулках одного погонного метра инструмента.

Время { находится как результат замера в условиях промышленной эксплуатации канатных пил, либо путем расчета по вышеизложенной методике.

Время ^ также может быть определено из практики, расчетное значение находится следующим образом [5]:

дяш&я к статическому разрыву каната, Н; к3 - коэффициент заполнения сечения каната металлом; ав - временное сопротивление разрыву материала канатной проволоки, Па; (р - угол контакта инструмента с распиливаемой породой, рад; Р0 - усилие предварительного натяжения каната, Н; [п]= Рпр/Рмах, РМах - максимальная сила натяжения каната, Н; к9 - коэффициент полезного ис-пользования несущей способности гибкого режущего инструмента.

Сила Рмах действует на ведущей ветке каната и всегда ограничивается установленной мощно-

Таблица1

Расчет технологических параметров и показателей

где Жа - объем изношенного алмазоносного слоя на рабочих элементах (втулках); Рр,а - сила разрушения алмазоносного слоя, Н; Эа - показатель энергоемкости разрушения алмазоносного слоя, МПа; ¡Лр,а - показатель разрушения алмазоносного слоя; Я.уд - относительный расход алмазного инструмента.

Параметр Плоскость отделения монолита мрамора от массива

продольная поперечная

Размер плоскости отделения (ЬхН; БхН), м 12,0х 6,0 1,85х 6,0

Коэффициент формы кф 2,0 0,308

Значение коэффициента К 0,76 0,59

Максимальная мощность распиловки ^шах, кВт 37 17,3

Скорость подачи Уп, м/мин 0,049 0,042

Максимальная производительность Дна* М2/Ч 17,74 8,28

Средняя производительность Д.р, м2/ч 13,27 4,28

Время пиления, ч 5,42 2,27

Средняя суммарная производительность ЪПср, м2/ч 10,8

стью главного привода канатной пилы N через величину предельно возможной силы распилов -ки Р„

рах, так как

Р,

рас

<

L N

к у

(15)

Соотношение (15) дает возможность рассчитать минимальное значение коэффициента запаса прочности несущего каната по статической нагрузке из условия конкретно установленной мощности главного привода канатной пилы:

С учетом формул (13) и (14) получим окончательное выражение для расчета времени разрушения алмазоносного слоя:

t = К (я2-у2)^

ал а \ /Л/

У

(17)

г/. Ауд кп '[n ]

где Ка =--------------------------------1

Ку6 • К • к?

В табл. 2 приведено расчетное значение време-ни ґа, в течение которого происходит полный из -нос алмазоносного слоя на рабочих элементах в зависимости ог толщины слоя, т.е. показателя X.

Численные расчеты по определению ґа выполнялись для следующих показателей и параметров: 4,а=0,665-109 Дж/м3; Ур=32 м/с;£*=40,5 м.

Максимальное расчетное значение наработки в соответствии с формулой (11) было получено при: Ьк=1 м, £‘=83,1 м2; ^=7,б9 ч; tш =3,84 ч/пог.м.

Таблица 2

Показатели износа алмазоносного слоя в зависимости от его толщины к

h, мм 1,25 1,125 1,0 0,875 0,75 0,625 0,5 0,375

2,00 1,95 1,90 1,85 1,80 1,75 1,70 1,65

ta, ч 82 72 63 54 47 37 30 21

Таблица 3

Расчет минимальных удельных затрат при отделении монолита по вертикальным плоскостям

Показатель Значение

Сао+зп, РУб./м2 15,30

Сээ, руб./м2 3,30

САИ, РУб./м2 41

CS, руб./м2 59,6

СУ, руб./м3, при ^в=0,5 73,9

Дгя алмазного инструмента, изготовленного на связке М1 с использованием природных алмазов марки А, зернистостью 500/400, 50% концентрации, расчетная наработка составила Нмах=36,6 м2/пог.м.

Полученные результаты показывают, что установленная мощность канатной пилы, переме-щаемой с постоянной скоростью её подачи на забой, высота добычного уступа и форма вертикаль -ных плоскостей отделения монолита от массива задают силовой режим контактного взаимодейст-вия системы «порода - инструмент», значение которого должно соответствовать минимальному удельному расходу алмазного инструмента. Это обеспечивает максимальную наработку гибкого алмазного инструмента и, таким образом, минимальные удельные эксплуатационные затраты по распиловке единицы поверхности плоскостей от -деления монолита от массива.

Как уже отмечалось, процесс добычи блоков по двухстадийной схеме получил широкое применение как наиболее эффективный способ повышения выхода конечной продукции при этом, в качестве оптимизационного критерия экономической оценки примем условие, при котором удельные затраты по подготовке монолита к выемке путем прорезания направленных щелей в массиве должны быть минимальными, т.е.:

C _ Cs х Sm ^ mjn,

v K„

(18)

где Cs - удельные затраты, связанные с резанием камня при отделении монолита от массива, руб,/м2; Sm - удельная площадь обнажения моно-лита в массиве, м-1; Кв - коэффициент выхода товарных блоков из объема монолита.

Удельные затраты на резание камня согласно работе [6]

С, =

C

кИО пс

с

-+ г .n +—и—

H max

(19)

где Со, Сэ, САИ - удельные стоимости соответст-венно эксплуатации канатной пилы, руб./ч; электроэнергии, руб ./кВт-ч; алмазного инструмента,

руб ./пог.м; Nyд = Nтах/Ятах - удельная мощность

распиловки, кВт-ч/м3; КИ0 - коэффициент использования оборудования.

В данном уравнении первое слагаемое представляет собой затраты на амортизационные от -числения камнерезного оборудования с учетом затрат на обслуживание и ремонт и заработную

плату оператору канатной машины. Второе слагаемое - это затраты на электроэнергию, потребляемую двигателем в процессе пиления. Третье слагаемое показывает затраты, связанные с расходом алмазного инструмента.

Числе нный расчет выполнен для:

^0=0,75; Со=124 руб./ч; Сэ=1,5 руб./кВт-ч;

Ся=1500 руб./пог.м; 5М=0,62 м2/м3, значения его представлены в табл. 3.

Анализ расчетных данных показывает на пре-валирующее положение удельных расходов по приобретению и использованию алмазно-канат-ного инструмента (69%) в балансе эксплуатационных затрат по отделению монолита от массива вертикальными плоскостями, что полностью под -

тверждается и практикой и эксплуатации канат -ных пил. Однако данная доля затрат может существенно измениться, если процесс распиловки вести в неалмазосберегающем силовом режиме. В этом случае суммарные эксплуатационные затраты увеличатся по отношению к их минималь-ному значению за счет повышения удельного расхода гибкого алмазного инструмента

Так, повышение удельного расхода инструмента на 20% по отношению к минимально возможному значению дает годовое увеличение расходов по приобретению дополнительного количества инструмента на одну канатную пилу в количестве 200 тыс. рублей.

Библиографический список

Першин Г.Д., Караулов Н.Г., Караулов Г.А. Добыча блоков мрамора алмазно-канатными пилами: Учеб. пособие. Магнитогорск: МГТУ, 2003. 103 с.

Першин Г.Д. Энергетический принцип расчета поверхностного разрушения горных пород алмазно-абразивным инстру-ментом // Изв. вузов. Горныйжурнал. 1992. № 6. С. 69-76.

Першин Г.Д., Утешев В.А. Расчет производительности канатно-алмазной пилы при постоянной скорости ее подачи на забой // Добыча, обработка и применение природного камня: Сб. науч. тр. № 7. Магнитогорск: МГТУ, 2007. С. 4-12. Акопян Р.В., Лусинян К.Г. Исследование влияния режимов резания на износ алмазных элементов алмазно-канатного режущего инструмента // Изучение природных каменных материалов и силикатного сырья, разработка эффективной техники и технологии производства: Сб. науч. тр. Ереван, 1983. С. 40-49.

Першин Г.Д., Чеботарев Г.И. Расчет и конструирование канатно-алмазного режущего инструмента // Добыча, обработка и применение природного камня: Сб. науч. тр. № 2. Магнитогорск: МГТУ, 2002. С. 79-98.

Першин Г.Д. Технико-экономическое обоснование технологических параметров процесса резания камня канатноалмазными пилами // Строительные материалы. 1994. № 8. С. 4-6.