Исследование макропараметров разрушения природного камня алмазным канатом




Скачать 104.51 Kb.
НазваниеИсследование макропараметров разрушения природного камня алмазным канатом
Дата публикации02.07.2013
Размер104.51 Kb.
ТипИсследование
shkolnie.ru > География > Исследование
Исследование макропараметров разрушения природного камня алмазным канатом
Башинский Сергей
Горно-экологический факультет

Житомирского государственного технологического университета, Украина

ip_bass@i.ua

Рецензент статьи: к.т.н, Кальчук С.В., ЖГТУ
Ключевые слова: алмазный канат, алмазное зерно, авторотация, природный камень
Адаптировано основы теории пиления природного камня дисковым инструментом для описания процесса резания пород камня с использованием алмазного каната. Рассмотрено траекторию движения единичного алмазного зерна и определена зависимость толщины снимаемого алмазным зерном шара породы от конструктивных параметров гибкого рабочего инструмента и кинематических показателей движения рабочего органа. Проанализировано соотношения между кинематическими показателями и найдено соотношение между ними для обеспечения максимальной толщины снимаемого шара.
Введение

Одной из наиболее распространенных технологий отделения монолитов от массива на карьерах Житомирщины является технология, связанная с использованием алмазного каната в качестве режущего органа. Несмотря на широкий интерес научных деятелей данной технологией, на сегодняшний день не существует целостной теории разрушения природного камня при помощи алмазного каната, а исследования ученых часто ограничиваются изучением лишь узко очерченных вопросов. Принимая во внимание распространенность технологии алмазно-канатного пиления, есть потребность в целостном теоретическом изучении процессов, связанных с работой гибкого рабочего органа.
Изучением процессов возникающих при работе алмазно-канатных установок, та разработкой теории энергетического разрушения горных пород при помощи алмазных канатов занимается российский учений Першин Г.Д. Но базою для его исследований является Кибик-Кордонское месторождение мрамора. Процесс отделения монолита мрамора та твёрдых пород камня на первый взгляд схожи, но имеют ряд существенных отличий. Поэтому, предложенная теория не удовлетворяет описанию та изучению процессов резания алмазным канатом в условиях месторождений Житомирщины. [3, 4] На базе НИИ Киевского института сверхтвердых материалов Александровым В.А. [1] была разработана фундаментальная теория разрушения природного камня дисковым алмазным инструментом. Эта теория может применяться для описания процесса канатного пиления после соответствующей адаптации к задачам канатного резания природного камня. Трудности при изучении работы алмазного канату связаны с большой стоимостью инструмента, которая в среднем составляет 80-90 долларов США за погонный метр каната. Поэтому, одним из методов исследования работы алмазного каната есть разработка цифровой компьютерной модели процесса пиления природного камня при помощи алмазной канатной установки.
Даная робота направлена на уточнение модели процесса пиления [2] путем выведения расчетных зависимостей, которые объединяли бы конструктивные параметры инструмента та технологические показатели процесса алмазного канатного резания.

Исследования

Технология изготовления современных алмазных режущих инструментов методами порошковой металлургии для добычи и обработки твердых пород природного камня не предусматривает специально ориентированного расположения алмазных зерен в массиве алмазоносного слоя. Это объясняется значительным повышением сложности технологии изготовления алмазоносного слоя с предварительно ориентированными зернами, и как следствие – конечной стоимости готового инструмента. Алмазоносный слой с упорядоченным расположением алмазных зерен возможно изготовить методом гальваностегии, но абразивная стойкость металлической связки при этом снижается. Алмазные втулки изготовлены таким способом используются при распиловке пород малой и средней прочности, которые не являются предметом исследований данной работы. Поэтому, будем считать, что зерна алмазов располагаются случайно в массиве связки, следовательно, и по рабочей поверхности.
Детальное изучение строения алмазоносного слоя показало, что распределение зерен по вылету над связкой соответствует нормальному закону, который описывается интегральной функцией Гаусса [1]. Тогда число рабочих зерен в линии резания объемом будет определяться формулой:




(1)

где п1 – число зерен в одном карате алмазов, определяется по таблице;

K – условная концентрация алмазов в алмазоносном слое, %;

4,39 – масса алмазов в 1 см3 алмазоносного слоя при K=100%;

Ф(t1) – интегральная функция Гаусса от специального параметра, определяемого теорией вероятностей:







где b1 – поточное значение превышения алмазных зерен над уровнем связки;

– средневзвешенное значение превышения зерен;

σ – среднеквадратичное отклонение ряда.
Для более детального изучения работы алмазных втулок режущего канату необходимо выделить в массиве алмазоносного слоя некоторую линию резания. Линия резание это элементарный объем , который содержит геометрические центры алмазных зерен и характеризуется следующими размерами: ширина равна средневзвешенному диаметру зерна, высота равна толщине стружки, а длина равна длине контакта.
Перед соединением концов в бесконечный контур, алмазному канату поддают деформации кручения. Под действием силы трения, которая возникает при продольном движении, данная деформация накапливается на входной ветке каната перед точкой входа контура в пропил. При достижении критического значения деформации кручения, канат начинает вращаться в пропиле вокруг собственной продольной оси. Такое вращательное движение обеспечивает равномерное изнашивание алмазных втулок, но вызывает явление бокового увода каната. Наложение вращательного движения на продольное, вынуждает алмазный канат осуществлять сложное движение, во время которого каждое отдельное алмазное зерно двигается вдоль некоторой цилиндрической винтовой линии, которая является пространственной кривой, параллельной к забою канатного пропила (см. рис. 1).




Рис.1. Схема движения единичного алмазного зерна.

Fig. 1. The diagram of the single diamond moving


Контакт алмазного зерна с углублением в породу длится пол-оборота втулки, а стадии входа и выхода зерна в породу являются плавными. Принимая во внимание форму забоя пропила и соотношения геометрических параметров забоя и размеров алмазного зерна, разрушение породы происходит выколом.
Траектория движения алмазного зерна – цилиндрическая винтовая линия с углом наклона относительно оси, которая определяется соотношением скоростей обоих движений (см. рис. 2),:




Рис. 2. Развертка поверхности забоя алмазного каната с нанесенной линией реза единичного алмазного зерна

Fig. 2. The involute of the diamond wire face surface with cutting line of single diamond









где та – скорости продольного и вращательного движений каната.
При алмазно-абразивных способах резания природного камня производительность и другие эксплуатационные характеристики больше наиболее зависят от толщины среза a', что снимается одним алмазным зерном и суммарного пути трения Σlтр. Установлено, что при обработке разнообразных материалов, даже таких хрупких пород как мрамор и гранит, при небольших значениях a' и значительных величинах размера зерна d в процессе взаимодействия происходит пластическое деформирование, которое вызывает значительные энергозатраты. При увеличении толщины среза изменяется характер напряженно-деформированного состояния в зоне контакта и при определенных соотношениях параметров a' и d происходит хрупкое разрушение с уменьшением энергозатрат. Таким образом, для алмазно-абразивного разрушения природного камня существует потребность в определении оптимальной толщины среза, чтобы процесс разрушения происходил с минимальными энергозатратами и изнашиванием рабочего инструмента.
При детальном изучении движения единичного алмазного зерна, принимая во внимание все движения, которые происходят при этом, можно сделать вывод, что зерно двигается по пространственной спиральной кривой – пространственной продленной циклоиде(трохоиде).




Рис.3. Схемы для определения толщины среза единичным зерном (а) и алмазной втулкой (б)

Fig. 3. The diagrams for determination of cut thickness with the single diamond (a) or with the diamond pearl (b)


Эту кривую можно описать параметрическими уравнениями, имеющими общий вид:




(2)

Уравнения (4) можно выразить через рабочие параметры алмазного каната:



(3)

где vріз – скорость резания (заглубления каната у породу);

 – поточный угол поворота алмазного зерна относительно бинормали траектории движения.
Если эту кривую спроектировать на нормальную к продольной оси каната плоскость (см. рис. 3, а), то в общем случае текущую толщину среза можно представить в виде



(4)

где – количество рабочих зерен алмазов в пределах линии реза.
Полученная зависимость показывает, что при постоянных эксплуатационных показателях толщина среза единичным зерном характеризуется количеством алмазных зерен в линии реза и скоростью резания. Следует отметить, что в отличие от установок с жестким рабочим органом, на алмазных канатных установках можно контролировать лишь общую скорость резания путем изменения скорости подвигания приводной установки. Скорость резания в отдельной точке пропила зависит от радиуса кривизны поверхности забоя в этой точке.
Учитывая циклоидную форму траектории движения алмазного зерна, определим длину зоны контакта. Длина зоны контакта в проекции на плоскость нормальную к оси каната равняется половине длины ветки циклоиды. В общем случае длина удлиненной циклоиды между точками 0 и t1 определяется за формулой:



(5)


Данный интеграл не выражается через элементарные функции аргумента t и сводится к эллиптическому интегралу второго рода. Однако длина данной дуги численно равняется длине дуги эллипса, который описывается параметрическими уравнениями:



(6)


Периметр эллипса приближенно можно вычислить за формулою Рамануджана:




(7)


Используя соотношения между параметрами уравнений (2), (3), (5), (6) та (7), найдем длину зоны контакта:



(8)


Тогда объем линии реза в пределах зоны контакта с учетом того, что рабочая поверхность каната носить дискретный характер:



(9)

где св – количество алмазных втулок на погонном метре каната.
Экспериментальные работы, которые проводились Александровым В.А. в Киевском институте сверхтвердых материалов в 70-х годах ХХ века, по исследованию режимных параметров работы дисковых алмазных инструментов показали, что максимально возможный вылет рабочих алмазных зерен над уровнем связки находится в пределах:






Подставив (9) в (4), последнее приобретет вид:



(10)

Таким образом, уравнение (10) связывает между собой конструктивные параметры рабочего инструмента, кинематические параметры его работы и, как результат, производительность работы алмазного режущего инструмента. Анализ данного уравнения показывает, что среднее вероятное значение толщины среза будет уменьшаться при увеличении размеров и количества алмазных зерен в алмазоносном слое.
^ Результаты и обсуждение

Результатом теоретических исследований является зависимость (10), которая позволяет определить толщину срезаемого слоя породы исходя из конструктивных параметров рабочего инструмента и кинетических показателей процесса алмазного канатного пиления.

Выделим функцию от двух кинематических параметров, которые входят в уравнение(10), при постоянной продольной скорости каната :



(11)

Результаты исследования этой функции с помощью математической программы Surfer™ 8(Golden Software®) показывают (рис. 4), что для обеспечения максимальной толщины стружки при постоянной продольной скорости движения каната необходимо, чтобы соотношение между скоростью авторотации каната и скоростью углубления каната в породу отвечало линейной зависимости, которая описывается уравнением:

(коэф. кореляции 0,997)

(12)






Рис.4. Графики функции (12) с отмеченной линией максимумов.

Fig. 4. The plot of function (12) with the line of maximum.


Производители алмазных канатов четко регламентируют ограничение продольной скорости движения каната при резании природного камня. Установленные максимальные значения продольной скорости для крепких пород, в зависимости от класса прочности, лежат в пределах 20-30 м/с, для пород средней прочности: 30-35 м/с. Следует заметить, что вариации параметра продольной скорости при исследовании функции (11) происходили в достаточно широком диапазоне(0-50 м/с) и практически не влияют на форму полученной поверхности – уравнение линии максимумов (12) не изменяется, а коэффициент корреляции линии максимумов изменяется в пределах ±0,002.
Выводы

Таким образом, была определена аналитическая зависимость толщины стружки породы от ряда параметров, в состав которых входят конструктивные параметры рабочего органа и технологические параметры, выраженные через кинематические показатели работы рабочего контуру. Отдельно было проанализировано соотношение кинематических показателей и определено оптимальное соотношение между скоростью авторотации и скоростью резания, которое обеспечит максимальное значение толщины стружки при одинаковых конструктивных параметрах алмазного каната. Производительность канатного резания пропорциональна толщине стружки, следовательно, полученная зависимость (10) позволит описать производительность через вышеупомянутые показатели. Полученные результаты позволяют уточнить модель процесса распиловки природного камня алмазно-абразивным гибким инструментом и являются основой для дальнейших исследований влияния процесса авторотации алмазного каната на величину бокового увода его от проектной плоскости пропила.

литература


  1. Александров В.А. Обработка природного камня алмазным дисковым инструментом / Киев: Наук. думка. - 1979. - 240 c.

  2. Башинский С.І., Кальчук С.В. Геометрическое моделирование контура алмазного каната / Тезисы XXXV научно-практической межвузовской конференции, посвященной Дню университета, 25-28 мая 2010 року: в 2-х т. – Житомир: ЖГТУ. – 2010. – Т.1. – 148-149 с. (укр.)

  3. Першин Г.Д., Гуров М.Ю., Чеботарев Г.И. Канатные пилы. Обоснование конструктивных параметров и режимов работы : [монография] / Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова». - 2006. – 126 c.

  4. Першин Г.Д., Караулов Г.А., Караулов Н.Г. Добыча блоков мрамора алмазно-канатными пилами [учеб. пособие] / Магнитогорск: МГТУ. - 2003. - 103 c.


The researching of macroparameters of natural stone destruction with diamond wire
Bashinsky Serhiy
Key words: diamond wire, diamond grain, autorotation, natural stone
The theory of natural stone cutting with blade saw is adopted for describing of cutting with diamond wire. The trajectory of single diamond grain moving is considered. The dependence between thickness of the cut stone layer with diamond grain and kinematic factors of the moving working tool is determined. Relations of kinematic factors are analyzed. The optimal ratio between the velocity of autorotation and velocity of cutting is evaluated for supporting maximum of cut layer thickness.

Похожие:

Исследование макропараметров разрушения природного камня алмазным канатом iconПриглашаем Вас принять участие в 8-й международной выставке природного...
Турция. Выставка посвящена продукции из мрамора и природного камня, а также технологиям обработки камня. Выставка проходит при официальной...
Исследование макропараметров разрушения природного камня алмазным канатом iconЖелаемая профессия / сфера деятельности
Монтаж электроимпульсного стенда для обработки природного камня, проведение пробных экспериментов
Исследование макропараметров разрушения природного камня алмазным канатом icon«Скала» один из видов обработки камня
Кроме шлифованной, полированной поверхности камня существует и колотый вид обработки натурального камня
Исследование макропараметров разрушения природного камня алмазным канатом iconТиповая технологическая карта (ттк)
Устройство наружной скрепленной теплоизоляции зданий и сооружений различного назначения из кирпича, природного камня и бетона с применением...
Исследование макропараметров разрушения природного камня алмазным канатом iconИсследование причин разрушения крупногабаритного изделия из сплава вт23
Предположено, что разрушение произошло по причине неравномерного перераспределения легирующих элементов в объеме зерна. Рассмотрены...
Исследование макропараметров разрушения природного камня алмазным канатом icon№3. Действия работников организаций при угрозе и возникновении чрезвычайных...
Аемым основные понятия об опасных природных явлениях, стихийных бедствиях и источниках возникновения чс природного характера. Разъяснить...
Исследование макропараметров разрушения природного камня алмазным канатом iconУстановка пола из ламината
Ламинат - слоистый пластик на основе пвх-смолы. Наносится на поверхность дсп под давлением, имитирует текстуру природного камня (мрамор,...
Исследование макропараметров разрушения природного камня алмазным канатом iconПрограмма рассчитана 1 год обучения на 56 часов по 2 часа в неделю...
Отсутствие экологического мышления, экологической культуры, в целом экологическая неграмотность, как взрослого населения, так и подрастающего...
Исследование макропараметров разрушения природного камня алмазным канатом iconАвторская программа интегрированного курса по природоведению и внеклассной...
Ферного воздуха, загрязнения почвы, неэкономного расходования природных ресурсов. Необходимо принимать меры по защите окружающей...
Исследование макропараметров разрушения природного камня алмазным канатом iconГрунтовка для глубокой силикатизации botazit® d 12
В качестве основания для грунтовки подходят: бетон, легкий бетон, штукатурка, кладка из силикатного кирпича, пористого бетона, кирпичей...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
shkolnie.ru
Главная страница