Влияние размеров и формы отделяемых монолитов природного камня на производительность канатно-алмазных пил Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© Г.Д. Першин, В. А. Утешев, 2008

УДК 622.23.054.72

Г.Д. Першин, В.А. Утешев

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ И ФОРМЫ ОТДЕЛЯЕМЫХ МОНОЛИТОВ ПРИРОДНОГО КАМНЯ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ КАНАТНО-АЛМАЗНЫХ ПИЛ

Предложена методика определения взаимосвязей между техническими возможностями применяемого камнерезного оборудования и канатно-алмазного инструмента с одной стороны и режимных параметров распиловки при отделении монолитов мрамора различных размеров и формы с другой стороны.

Семинар № 21

Общедоступность архитектурностроительных изделий из камня, когда-то являвшихся «дворцовым» материалом, обусловлена рядом факторов, главными из которых являются применение более совершенных способов добычи, эффективного оборудования и алмазного инструмента. Именно алмазный инструмент способствовал существенному повышению, как объемов добычи блочной продукции, так и разнообразию каменных изделий изготовляемых из нее.

Канатно-алмазные пилы внесли существенный вклад в прогресс камнедобывающей индустрии на месторождениях карбонатных пород типа мрамор. В настоящее время в мире для добычи мраморных блоков используется около 2000 единиц канатно-алмазных пил. В Италии, традиционном мировом лидере каменной индустрии, свыше 90 % мраморных блоков добывается с использованием канатных пил. Только в районе Апуанских Альп (Италия) в работе находится порядка 550 таких камнерезных машин.

Мировой опыт эксплуатации канатных пил показывает, что производительность резания при отделении от массива мраморных монолитов (блоков

больших объемов) и наработка гибкого алмазного контура находятся в пределах

П = 5 * 15 м2 / ч ,

Наж= 20 * 80 м2 / м . Существенная разница данных основных показателей на 90 % определяющих себестоимость пиления, не смотря на то, что породы типа мрамора относятся к одному классу обрабатываемости (за исключением окварцованных разно-видностей мраморов), объясняется в первую очередь эксплуатацией канатных пил с различными силовым и скоростным режимами при отделении монолитов различных объемов, формы и прочности. Данное обстоятельство обусловлено применением канатных пил с различной технической характеристикой, главным образом установленной мощностью главного привода камнерезной машины, которая в зависимости от ее типа и фирмы-изготовителя в настоящее время имеет пределы 11 -73 кВт.

Из отмеченного вытекает актуальная научно-практическая задача определения взаимосвязей между техническими возможностями применяемого камнерезного оборудования и канатно-алмазного инструмента с одной стороны и режимных па-

раметров распиловки при отделении монолитов мрамора различных размеров и формы с другой стороны. Учёт данных взаимосвязей обеспечит как рациональных выбор камнерезного оборудования на основе канатно-алмазного инструмента применительно к конкретному месторождению, так и обоснованное конструирование данных технических средств.

На основании работы [1] мощность распиловки прямопропорционально зависит от длины контакта гибкого инструмента спородой при условии, что остальные параметры процесса принимают постоянное значение:

N = ц-а ■ Ь ■ к П ■ 1К ■ V ,

рас Г п П К р 5

(1)

Рис. 1. Расчетная схема к определению дополнительного угла охвата рд отделяемого монолита гибким инструментом при производстве продольного реза, на участке стационарного пиления

проведения вертикального пропила для отделения 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: п-Н

і мах _____

1К ~ ‘

Я-рд

(2)

где ц - коэффициент распиловки; ап -давление инструмента на породу, Н / м2; Ь - диаметр режущей втулки, м; кП - коэффициент прерывистости режущей поверхности инструмента (отношение длины рабочего алмазного слоя к длине режущего контура); 1К - длина контакта

инструмента с породой, м; Vр - скорость

распиловки (скорость движения гибкого режущего органа), м /с.

В процессе отделения монолита длина линии контакта 1К не постоянна и принимает значение от 1К « 0 (момент запиловки) до размера например 1К «(0,25 * 0,5) п, м (момент окончания

реза, при диаметре приводного шкива Ош = 1 ,м). На схеме (рис. 1) можно выделить три стадии

где Н - высота отделяемого монолита, м; Я = И/2 - радиус дополнительного сектора контакта, м; (рд - дополнительный угол охвата, рад.

Значение дополнительного угла охвата рд при производстве продольного пропила (см. рис. 1) определяется из следующего трансцендентного уравнения [2]:

(6 -п)

^ 1 + СОБ рд ^ єіп Рд

(3)

где а0 - угол установки канатной пилы по отношению к монолиту, рад; Б -диаметр приводного шкива канатной пилы, м.

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

П = ЕЕ^, (4)

тах Л і ’ V '

Ауд ■Ь

где ЛУд - удельная работа распиловки, Дж/м3.

При заданной скорости резания, для каждой конкретной породы, ЛУд зависит от силового режима сп и может

быть определено на основе экспериментальных исследований в условиях стендовых а также промышленных испытаний.

В алмазосберегающем режиме распиловки ЛУд принимает постоянное

значение, определяемое только прочностью породы и режущей способностью алмазного инструмента. Для реализации алмазосберегающего режима необходимо в процессе пиления независимо от изменения длинны контакта инструмента с породой выдерживать всегда постоянное контактное давление, величиной <Уп = со. Этому условию в достаточной мере будет отвечать режим перемещения канатно-алмазной пилы по направляющим с постоянной скоростью V = const.

п

Среднюю производительность канатной пилы, через ее максимальное значение (4), определяем следующим образом:

H - L

П =-

ср

t

= к . п

м max

(5)

t =

пил

l l - H

пер пер

V

(6)

где l

пе

окончательный путь переме-

щения тележки, м.

Путь перемещения тележки канатной пилы к моменту окончания реза по заданной плоскости определим из особенностей кинематики процесса распиловки гибким инструментом. При условии неизменности длины контура в начальный и конечный момент времени имеем (см. рис. 1):

l = H

пер

-0,5-I 1-

1 - sin а

\

cos а

0 У

-0,5

D

H

к„

п

4

1 - sin а0

cos а

0У

(7)

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

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

(8)

П = К

ср J

где

К. =

к

ф

kt + З -і

ф4

п -

опре-

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

Время проходки продольного реза рассчитываем по формуле:

деляется как коэффициент влияния геометрии плоскости отделения монолита на среднюю величину производительности 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 В, и при этом выполняется геометрическое условие к, = Б/Н < 1. В этом случае

Рис. 2. Схема производства поперечного реза

максимальная высота пропила не равна высоте монолита и находится из уравнения (см. рис. 2):

2 - К -

D

2H

1 -

D

2H

то в итоге изменит величину коэф-фициента Км в формуле (8), расчетная величина которого в этом случае определяется как:

K=

(9)

Очевидно, что при условии кф = 1

коэффициенты Км в формулах (8) и (9) равны.

Максимальное значение дополнительного угла охвата рд для поперечной плоскости отделения монолита будет зависеть от коэффициента

кф = Ви и вычисляется по следующему трансцендентному уравнению:

1—

D Л f 1 + sin а

H

Л

+ 2 • кф +1 + —-ф 2

Зп

2-D

H

4 - 2кф - H

2-

D

H

D

H

f 1 + cos рд ^ sin Рд

+к, •

4 - 2к - D 1

ф h У рд

2-

D

H

(10)

На рис. 3 приведен график зависимости расчетной величины коэффициента Км от значения к,, которое характеризует на практике геометрию плоскости отделения монолита от массива как

в поперечном (кф = 0,15 0,4) ,

так и

продольном

(кф = 1,0 * 2,0)

направле-

ниях.

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 принятого алмазосберегающего режима, скорость подачи канатной пилы вдоль ее направляющих, на основании выше полученных выражений определяется по следующей зависимости:

ц • кп • аоп • V

Г р П п р

Vn = кн

(11)

уд

З1З

Рис. 3. График зависимости коэффициента Км и дополнительного угла охвата рд от величины коэффициента формы кф плоскостей отделения монолита от массива

где

к„ = - -

И 10

для продольной плоскости отделения монолита от массива,

когда кф = 1,0 * 2,0

кИ = | - * 2 И 1 9 3

п -

для поперечной плоскости когда кф = 0,15 * 0,4.

Данные значения коэффициента кИ = 1К/Ь„р приведения максимальной

длины контакта гибкого инструмента к высоте пропила следуют из рис. 3, где на основании уравнений (3), (10) в графическом виде показано изменение угла

Рд от

к

ф

В таблице приведены расчетные значения технологических параметров и показателей отделения монолитов в алмазосберегающем режиме работы канатной пилы для условий Коелгин-ского месторождения мрамора. В расчетах принято:

а°: = 0,22 МПа;

АУД = 0,75 -109 Дж/м3;

ЦР = 0,3

кП = 0,16;

Ь = 0,01

м.

Расчеты выполнялись для работающих в настоящее время канатно -алмазных пил фирмы производителя «МісЬеІейі» - ТеІеБІаг 2002 в, техническая характеристика которых:

N = 37 кВт; V = 32

к.п. * р

м/с; В = 1.0 м.

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

I ПсР = 57Г , (12)

Итогом данных исследований является разработка методики расчета средней производительности резания канатной пилы по вертикальным плоскостям отделения монолита от массива в режиме работы канатной пилы, когда скорость ее перемещения вдоль направляющих постоянна.

На показатель средней производительности влияют многие факторы:

• физико-механические свойства горных пород;

• силовой и скоростной режимы контактного воздействия инструмента на породу;

• конструктивные параметры

гибкого режущего инструмента и его породоразрушающая способность, а также линейные размеры и геометрическая форма плоскостей отделения. При этом в зависимости от того по какой плоскости (поперечной или

продольной) отделяется монолит от массива, коэффициент формы изменяется в очень широком интервале кФ = 0.15 ^ 2.0 , однако коэффициент

КМ = Пср1Пмах , учитывающая отношение средней производительности к ее максимальному значению имеет довольно узкий интервал в пределах К = 0.55 0.75. Данное обстоятельст-

Параметры

Плоскости отделения монолита мрамора от массива

Продольной

Поперечной

Размеры плоскости отделения (Ь X Н; Б х Н) м Коэффициент формы кф Значения коэффициента Км Максимальная мощность распиловки, Nmax кВт Скорость подачи, VП м/мин Максимальная производительность, Птах м2/час Средняя производительность, Пср м2/час Время пиления, час

Средняя суммарная производительность, м2/час

12,0 х 6,0 1,85 х 6,0

2,0 0,308

0,76 0,59

37 17,3

0,049 0,042

17,74 8,28

13,27 4,28

5,42 2,27

10,

во позволяет в проектных расчетах независимо от коэффициента формы плоскости отделения назначать данный параметр средней величиной Км = 0.65 . Тогда расчетная средняя производительность резания будет определяться по следующей формуле:

Пр = 0.65 - кПр

Vп = ки

Цр - кП

■ V ■ к

р пр

А

УД

(13)

Предложенная методика является исходной (базовой) и для расчета других режимов эксплуатации канатной пилы, поэтому будет востребована при проектировании добычных работ с применением данных добычных машин.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Першин Г.Д., Караулов Н.Г., Караулов

Г.А. Добыча блоков мрамора алмазно-

канатными пилами: Учеб. Пособие. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. - 103 с.

2. Першин Г.Д., Гуров М.Ю. Математическое моделирование процесса распиловки

природного камня канатно-алмаз-ными пилами // Добыча, обработка и применение природного камня: Сб. науч. тр. Магнитогорск, 2002. - С. 39-50. ЕШ

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------

Першин Г.Д. - доктор технических наук,

Утешев В.А. - инженер,

ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет».

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 21 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Л.И. Кантович.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

18_Першин21_1

Е:\С диска по работе в универе\ГИАБ_2008\11\семинар С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коат^\Мкго80Й\ШаблоныШогта1Ло1т © В

Гитис Л.Х.

03.09.2008 14:25:00

3

03.09.2008 14:33:00 Гитис Л.Х.

1 мин.

25.11.2008 23:17:00

6

2 074 (прибл.)

11 824 (прибл.)