CC BY
59
Lebedev Aleksandr Mikhailovich, doctor of technical science, professor, pushkarev-agn@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pushkarev Aleksandr Evgenievich, doctor of technical science, professor, pushkarev-agn@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 622.271.64
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ РЕЗЦОВ ДЛЯ СТРУГОВЫХ УСТАНОВОК
В.Г. Хачатурян
Создан экспериментальный стенд. Произведен анализ схем компоновки.
Ключевые слова: струг, гидромеханическое разрушение.
В настоящее время, достоверных запасов нефти и природного газа хватит примерно на 41 и 63 года соответственно. Поэтому, поиск новых решений, разработка и внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий по добыче энергетических полезных ископаемых и их переработки особенно актуальны.
Возможными путями решения этой задачи является освоение месторождений горючих сланцев, по запасам которых на постсоветском пространстве Россия находится на первом месте или развитие добычи угля, согласно прогнозу Международного энергетического агентства (МЭА), спрос на уголь в 2050 г. должен быть выше, чем сегодня.
Прогнозы российских аналитиков подтверждают общемировые тенденции и прогнозируют завершение к середине 2010-х, начавшееся с 1970-х годов приоритетное развитие нефтегазового сектора в стране, так называемая «газовая пауза». Это даёт основания чиновникам и экспертам говорить о подъёме в других направлениях. Это подтверждает и одобренная в апреле 2011 года правительством России Долгосрочная программа развития угольной промышленности, предполагающая 40-процентный рост добычи угля в стране к 2030 году [11].
Для того чтобы обеспечить экономически эффективную отработку этих запасов, необходима высокоэффективная технология выемки.
В настоящее время для разработки сланцевых месторождений часто используют технологические схемы, отработанные на добыче угля. Так, хорошо себя зарекомендовала, и широко используются подземная разработка пластов угля длинными очистными забоями. Существует две технологии выемки угля длинными забоями: комбайновая и струговая. При
этом, струговая выемка является весьма перспективной.
Анализ результатов исследований, выполненных А.И. Бероном, А.Б. Голодом, М.Г. Карабановым, А.А. Карленковым, М.А. Лемешко, Б.А. Ошеровым, Е.З. Позиным, Н.И. Сысоевым, Б.Б. Луганцевым и другими учеными, позволяет сделать вывод о том, что одно из наиболее перспективных направлений развития добычной техники связано с совершенствованием оборудования струговой выемки. Однако, расширение области применения стругов сдерживается ограниченными возможностями механического способа разрушения прочных пластов, характеризующихся твердыми пропластками, традиционным резцовым инструментом. Именно такими свойствами обладает большинство сланцевых пластов, что делает задачу отыскания способа эффективного применения струговой выемки весьма актуальной.
Одним из вариантов решения указанной задачи является реализация в конструкции струга гидромеханического способа разрушения, который демонстрирует значительные эффект снижения нагрузок на инструменте и позволяет расширить область применения механизированной отбойки.
Впервые использование гидромеханического способа разрушения в струговых установках, обеспечивающего разработку крепких углей и пород повышенной прочности было предложено в работе В.В. Сафроно-ва [14].
Сущность способа заключается в том, что струя воды, ориентирования тем или иным путем относительно механического инструмента, обеспечивает главным образом снижение его нагруженности при взаимодействии с массивом.
Вопросы гидромеханического разрушения горного массива наиболее полно изучены и представлены в работах В.Е. Бафталовского, В. А. Бреннера, Л.Б. Глатмана, Ю.А. Гольдина, И.И. Дорошенко, К.В. Демина, А.Б. Жа-бина, И.В. Иванушкина, И.А. Кузьмича, И.М. Лавита, В.Г. Мерзлякова, М.М. Миллера, Г.П. Никонова, А.Е. Пушкарева, С.Е. Харламова, М.М. Ще-голевского и др [12, 13].
Эффективность компоновки «струя через резец» при разрушении угольного массива с включениями была доказана в работах В.В. Король. Однако, широкому внедрению такой техники препятствует недостаточная изученность механизма разрушения, с одной стороны, и технические сложности реализации высоких давлений в условиях шахты, с другой стороны.
Проведенные работы по внедрению гидромеханических резцов на струговый исполнительный орган весьма актуальны, но остается необходимым решение ряда вопросов по компоновке и комплектации. Однако, имеющиеся наработки по обоснованию параметров гидромеханического разрушения угля и пород не могут в неизменном виде применяться для разрушения горючих сланцев, т.к. механизм разрушения горючих сланцев высоконапорной струёй воды практически не изучался. Следовательно, ус-
тановление закономерностей процесса гидромеханического разрушения горючих сланцев является важной научной задачей.
Экспериментальные исследования по установлению закономерностей процесса разрушения сланцевого пласта инструментом с применением высокоскоростной струи производились на стенде, разработанном научной группой в составе сотрудников ЗАО «Талнах» и ТулГУ.
Предложенный стенд является универсальным, поскольку позволяет проводить исследования и выявлять закономерности гидромеханического разрушения полезных ископаемых в широком диапазоне параметров процесса.
Рис. 1. Схема экспериментального стенда: 1 - рама, 2 - экспериментальный породный блок, 3 - струеформирующее устройство, 4 - насосный блок, 5 - рукав высокого давления, 6 - подвижный стол, 7 - держатель, 8 - направляющие, 9 - механизм подачи (лебедка) 325
Стенд по принципу действия аналогичен мощному строгальному станку. Базой стенда служила рама 1. Экспериментальный породный блок 2, предназначенный для разрушения, крепился на подвижном столе 6. Перемещение стола осуществлялось механизмом подачи (лебедкой). Стенд имитирует процесс строгания. Для этого струеформирующее устройство 3 при помощи держателя 7 закреплено на раме 1.
Одной из важных задач исследований является разработка методики определения сопротивляемости сланцевого пласта гидромеханическому разрушению.
В случае разрушения угольных пластов с твердыми включениями и прослойками сопротивляемость резанию определяли, используя методику для определения групп строения и категорий разрушаемости угольных пластов по геологическим данным предложенную Е.З. Позиным [6,7].
Для выполнения исследований стенд обладает широким диапазоном изменяемых параметров:
Давление - до 120 МПа.
Расход - до 5 л/мин.
Скорость перемещения образца - до 3 м/с.
Расстояние от насадки до поверхности - от 15 мм.
Процесс разрушения массива гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец», с учетом присущих ему особенностей определяется следующими основными факторами:
- параметрами схемы разрушения: глубиной резания (толщиной стружки) h и шагом резания (шагом разрушения) t ;
- гидравлическими параметрами инструмента: давлением воды Р0, диаметром выходного отверстия насадки струеформирующего устройства (диаметром насадки) d0, расходом воды Qo;
- прочностными свойствами разрушаемого массива - пределом прочности на сжатие асж;
- конструктивными параметрами: диаметром канала резца dk и соотношением диаметра насадки и диаметра канала резца d0/dk.
В качестве основных критериев, характеризующих процесс разрушения массива гидромеханическими резцами, были приняты усилия резания Р2, действующие на инструмент, и удельная полная энергоемкость гидромеханического разрушения Е0, состоящая из удельных затрат гидравлической энергии ЕГ и удельной энергоемкости механического разрушения HW, которые являются основными показателями при расчете исполнительных органов стругов.
Экспериментальные исследования по установлению закономерностей процесса разрушения угля и горных пород комбинированным инструментом с применением высокоскоростных струй и механического инструмента (резца) производились на стенде
Гидромеханический резец 1 (рис. 2) имел форму тела вращения. На
рабочей головке резца закреплена твердосплавная вставка (керн) 2 с отверстием 7. Струеформирующее устройство выполнено в виде расположенной коаксиально с зазором в продольном канале 5 резца трубки 6 со струефор мирующей насадкой 3. Один конец трубки жестко соединен с подводящим коллектором 4. На свободном конце трубки закреплена соосно с соплом насадка 3 с выходным отверстием. Гидромеханический резец был установлен в резцедержателе с возможностью вращения относительно трубки. Скорость резания составляла 2 м/с.
Рис. 2. Гидромеханический резец выполненный по схеме «струя
через резец»
На основании выполненных исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности процесса резания угольного массива гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец», которые позволяют рассчитать нагрузки, действующие на инструмент, и обосновать его рациональные конструктивные и режимные параметры, обеспечивающие повышение производительности и расширение области применения струговой выемки, что имеет существенное значение для угольной промышленности России.
Экспериментально установлена эффективность гидромеханических резцов, выполненных по схеме «струя через резец», по сравнению с механическим инструментом, выразившаяся в снижении нагрузки при повышении давления подводимой воды. Так, изменение давления воды от 30 до 70 МПа приводит к снижению нагрузки на гидромеханических резцах до 47 %
Выявлено, что увеличение диаметра отверстия струеформирующей насадки существенно влияет на снижение нагрузки на гидромеханических резцах. Так, увеличение диаметра выходного отверстия насадки струефор-мирующего устройства от 0,4 до 0,8 мм приводит к уменьшению усилия резания в 1,9 раз.
Определено рациональное отношение диаметра отверстия струе-формирующей насадки к диаметру канала резца d0/dk = 0,75, при котором обеспечиваются минимальная энергоемкость процесса разрушения массива и максимальная интенсивность снижения нагрузки на резцах на единицу
7 2 3 6 1
ё
подводимой гидравлической мощности.
Установлено, что при увеличении предела прочности на сжатие разрушаемого массива нагрузка на резце возрастает. Так, при увеличении асж от 22,8 до 35,8 МПа нагрузка на резце повышается в 1.8...2,8 раза.
Выявлено, что при увеличении шага резания нагрузка на резце увеличивается, достигая максимума, соответствующего режиму блокированного резания. Так, при увеличении шага резания от 10 до 80 мм нагрузка на резце возрастает на 28.35 %.
Получена расчетная зависимость для определения усилия резания на инструменте, выполненном по схеме «струя через резец», с учетом гидравлических и геометрических параметров инструмента, толщины стружки и прочностных свойств угольного массива:
2,34 h0,87 t0,16
P = °,3 ^0.39 р0,2 (1)
d0 'P0
Определены зависимости полных удельных энергозатрат от относительной толщины разрушаемой стружки с учетом гидравлических параметров инструмента, прочности разрушаемого массива и шага резания. Получена расчетная формула для определения рациональных значений относительной толщины стружки, обеспечивающих минимальные полные удельные энергозатраты при разрушении массива гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец»:
(h/t), = 75,2-Сс0ж15Ро"ОД6V14 -t-101 (2)
Разработана методика определения нагрузок на резцах и резцовой головке стругового исполнительного органа, оснащенного гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец». Показано, что оснащение серийного струга С700 гидромеханическими резцами позволит расширить область его применения на угли с пределом прочности на одноосное сжатие до 28,7 МПа.
Таким образом, для гидромеханических резцов такого типа, применительно к струговым установкам, выполнены исследования и установлены закономерности процесса резания угольного массива, которые позволяют рассчитать нагрузки, действующие на инструмент, и обосновать его рациональные конструктивные и режимные параметры[12, 13].
При этом, широкое распространение такого метода разработки ограничивается рядом проблем, одна из которых, создание воды высокого давления и ее подача к исполнительному органу струга. В настоящий момент, обсуждаются несколько путей решения данной проблемы: применение насосных станций и использование станций на базе мультипликаторов. При этом, для вышеуказанных вариантов существует несколько схем компоновки машин:
1. Насосное оборудование размещено в выработке и доставка воды
к исполнительному органу струга осуществляется при помощи рукавов высокого давления (РВД).
2. Насосное оборудование установлено на струге и рабочая жидкость подается из бака либо по рукавам низкого давления (РНД).
Мультипликаторные станции, в свою очередь, состоят из 2-х блоков: блок низкого давления и блок преобразователя давления. В результате этого, может быть предложено 3 варианта компоновки машин:
1. Оба блока в едином агрегате размещены в штреке.
2. Оба блока в едином агрегате располагаются на рабочем органе
струга.
3. Блоки разнесены (мультипликатор установлен на струге, блок низкого давления в штреке).
Проанализировав предложенные варианты компоновки машин, можно сделать вывод, что наиболее предпочтительный вариант с применением насосного оборудования, поскольку данный тип гидравлических машин более совершенен по сравнению с мультипликатором, легче, менее габаритный, проще в обслуживании. К тому же, привязка одной машины более рациональна с точки зрения компоновки, чем привязка нескольких элементов.
Таким образом, струговая установка, оснащенная гидромеханическим исполнительным органом, может иметь 2 варианта компоновки (рис. 3).
Для примера реализации предложенных вариантов компоновочных схем предлагается использовать продукцию отечественного производителя - ЗАО «Талнах». Используя перечень и характеристики выпускаемого насосного оборудования, составляются рабочие поля на графиках зависимости расхода воды от давления для каждого типоразмера. Насосы ЗАО «Талнах» специально предназначены для непропорциональных режимов работы (например, малый расход при большом давлении). Это обеспечивает максимальный КПД работы машины при задаваемых параметрах.
Так, например, рабочие поля типоразмеров насосов 1.1, 2.3 и 1.3 представлены на рис. 4.
Для обоснования рациональных параметров насосного оборудования можно использовать «Методику определения нагрузок на резцах и резцовой головке стругового исполнительного органа, оснащенного гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец», которая позволяет рассчитать силовые показатели струговых установок, оснащенных гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец», и определить эффективность применения гидромеханических резцов на серийно выпускаемых стругах [10]. Так, например, при необходимом давлении в 50 МПа и диаметре насадки 0,4 мм производительность составит 2,5 м3/ч при частоте вращения коленчатого вала 250 об/мин и диаметре плунжера 32 мм (подобрано на основе графика типо-
размера 1.3). Гидравлическая мощность составит 49,6 кВт, что соответствует техническим возможностям насоса типоразмера 1.3.
Рис. 3. Компоновочные схемы гидромеханической струговой установки: а - с источником высокого давления, расположенным в штреке; б - с насосом высокого давления на струге: 1 - струг; 2 - конвейер; 3 - тяговая цепь; 4 - тяговая станция; 5 - источник гидравлической мощности; 6 - насос высокого давления; 7 - рукав высокого давления; 8 - бак с водой; 9 - рукав низкого давления; - мощность тяговой станции; Ж2 - гидравлическая мощность; УС - скорость перемещения
струга
Гч5арит 11
Габарит 13
ш я а 70 рЛ Ма
я х и 50 во 70 рл мпа о е зо « т во то рс мПа
Рис. 3. Рабочие поля насосов типоразмеров 1.1; 2.3; 1.3
Определяя схему компоновки насосного оборудования в комплекте струговой установки, и принимая во внимание достаточно большие габаритные размеры насосного агрегата, целесообразно реализовать схему с насосным агрегатом, вынесенным в штрек (см. рис. 2). Данное решение снизит массу струговой установки, уменьшит энергоемкость процесса перемещение струга вдоль забоя и сохранит рабочее пространство.
Таким образом, на сегодняшний день нами создан стенд, с помощью которого определена эффективность применения гидромеханических резцов в конструкции струговых установок; установлены закономерности разрушения массива гидромеханическими резцами и струями высокого давления; разработаны методики, позволяющие обосновать параметры процесса отбойки и рекомендовать схему компоновки оборудования.
Список литературы
1. Бреннер В.А., Король В.В., Наумов Ю.Н. К вопросу о применении гидромеханического разрушения в струговых исполнительных органах горных машин// 3-я Международная конференция по проблемам промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики»: материалы конференции. Тула, 22-27 октября 2007 г. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. С. 62-64.
2. Король В.В. Выбор и обоснование параметров струговой установки для эффективного гидромеханического разрушения углей// III Магистерская научно-техническая конференция: тезисы докладов. Тула, 14-16 мая 2008 года. Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. С.49-50.
3. Король В.В., Пушкарев А.Е. Анализ существующих методик расчета и проектирования гидромеханического исполнительного органа// Изв. ТулГУ. Естественные науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 246-250.
4. Король В.В., Пушкарев А.Е. Анализ влияния диаметра насадки на усилие резания стругового исполнительного органа// Изв. ТулГУ. Естественные науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 267-271.
5. Король В.В., Пушкарев А.Е. Влияние отношения диаметра насадки к диметру канала на показатели разрушения в зависимости от гидравлических параметров инструмента// Материалы 3-й Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» Тула. 8-10 июня 2010 г. Тула: Гриф и К0, 2010. С. 68-73.
6. Король В.В., Пушкарев А.Е. Определение рациональных параметров разрушения массива гидромеханическими резцами струговых установок // Изв. ТулГУ. Науки о Земле. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 305-307.
7. Пушкарев А.Е., Наумов Ю.Н., Король В.В. Перспективы развития технологии струговой выемки// Изв. ТулГУ. Естественные науки. Вып. 2. Тула: Гриф и К0, 2007. С. 210-213.
8. Пушкарев А.Е., Король В.В. О вариантах подвода воды высокого давления к стругам// Изв. ТулГУ. Естественные науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. Вып. 5. С. 211-213.
9. Пушкарев А.Е., Король В.В. Исследование влияния гидравлических параметров гидромеханических резцов струговых установок на усилие резания// Горное оборудование и электромеханика. 2010. № 4. С. 1013.
10. Король В.В. Обоснование параметров и определение нагружен-ности гидромеханических резцов струговой установки: дис. канд. техн. наук. Тула: 2012. 153с.
11. Алексеев К.Ю. Развитие угольной отрасли России. О Долгосрочной программе развития угольной промышленности России на период до 2030 года // Уголь. № 8. 2011. С. 6-14
12. Бреннер В. А., Жабин А. Б., Пушкарев А. Е., Щеголевский М. М. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных пород. М.: Издательство Академии горных наук, 2000. 343 с.
13. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е. Физико-технические основы гидроструйных технологий в горном производстве М.: ФГУП Национальный научный центр горного производства ИГД им.А.А.Скочинского. 2004. 645 с.
14. Сафронов В.В. Обоснование закономерностей взаимодействия гидромеханических резцов с угольным массивом, обеспечивающих расширение области применения струговых установок: дис. канд. техн. наук. Тула: 2005. 176с.
Хачатурян Вильям Генрихович, асп., wil71@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESULTS OF RESEARCH HYDROMECHANICAL CUTTERS FOR PLOWS
W.G. Khachaturyan
Created an experimental stand. Held analysis of the fixtures.
Key words: plow, hydromechanical destruction.
Khachaturyan William Genrihovich, postgraduate, wil71 @mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
