ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Организация перехода эксплуатации серийных экскаваторов к более тяжелым условиям, без усиления их металлоконструкций за счет возможности управления процессом разрушения с применением нового породоразрушающего инструмента типа «Птичка»

Рекомендуемая область пременения

Горнодобывающая промышленность. Добыча открытым способом руды и нерудных полезных ископаемых.

Назначение, цели и задачи проекта

Целью проекта является замена серийного породоразрушающего инструмента на инструмент с геодинамическим профилем.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Добыча полезного ископаемого и подготовка к его добыче требуют культуру производства, которая диктует формирование рациональных рабочих площадок, особенно в зоне глубоких горизонтов с крепкими горными породами. Тем более, что это снижает высокие издержки по удельному расходу ВВ и уменьшает негативное влияние на экологию боковых смещений взрываемого массива, обычно увеличивающих ширину развала и коэффициент разрыхления горной массы из-за разлёта кусков породы. Как известно, обеспечение компактной формы развала при взрывной подготовке уступов в зажатой среде или взрывании их на подпорную стенку – буфер, повышающее коэффициент полезного действия энергии взрыва, снижает коэффициент текущей вскрыши. Подобное управление величиной и формой развала горной массы, в которой отсутствуют негабариты и повышенное содержание пылевых фракций, обеспечивает эффективное проветривание глубоких горизонтов, исключает лишние перегоны экскаваторов и зачистку призабойного пространства. Такое ведение подготовительных работ, обеспечивающих независимость процессов бурения и взрыва от экскавации и транспортирования разупрочнённой массы, имеющей стабильный средний размер куска, предопределяет интенсифицирование работы экскаваторов, что в свою очередь требует высокой надёжности горной техники.

Рассмотрение опыта  эксплуатации экскаваторов, как автоколебательной системы: «машина – забой», не выдерживает критики, так как  требуемая многофакторная авторегулировка геодинамических процессов взаимодействия инструмента с массивом весьма сложна и заменяется  в настоящее время стохастическимим анализом динамических нагрузок. На наш взгляд следует ориентироваться на автоколебательную систему: «породоразрушающий инструмент – разупрочнённый массив». В этом случае львиную долю динамических нагрузок можно взвалить на инструмент с геодинамическим профилем, разгрузив тем  самым: металлоконструкции рабочего оборудования, ходовой части, надстройки, а также приводных механизмов.

С точки зрения производственников наиболее целесообразным разрушением вскрышных пород и полезного ископаемого механическим способом является разрушение с минимальной затратой удельной энергии при получении удобных по габаритам стандартных кусков.

Известные способы разрушения монолита имеют следующие параметры:

1. СУБЛИМАЦИЯ – до диаметра ионов. Разрушение происходит на

плазменной – ленгмюровской частоте ?уф. = 3,75 · 1014 Гц.

2. ДРОБЛЕНИЕ – до диаметра 10?43 мкм. Разрушение происходит на

сопряжённых частотах: ?свч-м = 1,532 ? 1,978 ГГц. и ?мцч = 1899,668 ?

2674,25 Гц.

3. РЕЗАНИЕ – до диаметра куска в 1,5 ? 10,09 мм. Разрушение

происходит на сопряжённых частотах: ?свч-м =1,532 ? 1,978 ГГц. и

?мр = 81,6795 ? 433,89 Гц.

4. СКОЛ – до диаметра куска в 13 ? 46 мм. Разрушение происходит

на сопряжённых частотах: ?узк-сз

= 19069 ? 62744 Гц. и

?мс = 17,82558 ? 50,2 Гц.

5. ВЫКОЛ – до диаметра куска: 151 ? 195 мм. Разрушение

происходит на сопряжённых частотах: ?мцч = 1899,668 ? 2674,25 Гц.

и ? мв = 4,2 ? 4,51 Гц.

6. НЕГАБАРИТ – до диаметра куска: 1,5 ? 3,5 м. Разрушение

происходит на сопряжённых частотах: ? свч-м = 1,532 ? 1,978 ГГц. и

?мв = 4,2 ? 4,51 Гц.

Для производственников, как видно, наиболее подойдёт механическое разрушение ВЫКОЛОМ.

Современный серийный инструмент с клиновидным профилем обеспечивает на 78% разрушение РЕЗАНИЕМ при 24 ? 26% штыба и может, в лучшем случае, после 50% износа начать разрушать СКОЛОМ. Применение на горных машинах гидропривода, обеспечивающего УВЕЛИЧЕНИЕ ВРЕМЕНИ КОНТАКТИРОВАНИЯ инструмента с массивом, позволяет серийному инструменту перейти от РЕЗАНИЯ к СКОЛУ, а после 50% износа, даже к ВЫКОЛУ.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Породоразрушающий инструмент с геодинамическим профилем отличается  от серийного, тем, что его специфический профиль обеспечивает искусственную турбулизацию пограничного слоя на поверхностях инструмента. А это, в свою очередь, сублимируя  в зоне контакта экскавируемую породу, обеспечивает, в процессе эксплуатации, постоянное текстурирование и карбидокремниевое покрытие поверхности инструмента, аналогично как при магнито-импульсной обработке по методам Б.В.Малыгина и К.М.Первова и лазерной обработке металла по методу А.Г.Григорьянца и А.Н.Сафонова. Образующаяся защитная эластичная плёнка на поверхности шероховатой текстуры инструмента имеет микротвёрдость более 26000 МПа, что обеспечивает аномально низкое трение, в 10-20 раз меньшее, чем трение-качение.

Применение породоразрушающего инструмента типа: «ПТИЧКА» с геодинамическими элементами обеспечивающими, в том числе, периодические кумулятивные эффекты, позволяет разрушать массив за счёт: «ВЫКОЛА», то есть за счёт интенсивной закачки вибрационной энергии строго организованной во времени и в пространстве в соответствии с теорией И.И. Блехмана, что мгновенно накапливает малоцикловую усталость в зоне поверхности «ПД-уплотнения», которое и отделяется от массива, практически без образования пылевых фракций. Следует упомянуть ещё и о том, что образующееся пульсирующее ядро Буссинесска является керном – защитой самого инструмента от истирания, так как его поверхность обеспечивает аномально низкое трение: «АНТ» ; коэффициент трения снижается до 0,001- 0,003. (Справка коэффициент трения-качения мягкой стали по чугуну равен: 0,005.) И ещё раз акцентируем Ваше внимание на том, что поверхность металла породоразрушающего инструмента с геодинамическим профилем в результате взаимодействия с массивом приобретает специфическую шероховатую текстуру, которая покрывается эластичной плёнкой из карбида кремния, имеющая поверхностную твёрдость в диапазоне: 26 – 54 ГПа, что ещё более тормозит износ инструмента.

Установлено, что отличие геодинамического процесса, как-то: резания, скола, выкола одного от другого в первую очередь отражает только ему присущее соотношение смещения резонансов в информативных частотных диапазонах акусто-эмиссионного излучения, что позволяет оценивать величину поверхностной энергии – межфазного натяжения, определяемого межмолекулярным взаимодействием и структурой поверхностного слоя. Понимание физики геодинамических процессов позволяет:

- обеспечить работу горных машин на повышенных скоростях без увеличения установочной мощности их приводов;

- обеспечить экскавирование монолита забоя без предварительного его разупрочнения взрывом ;

-обеспечить транспортирование пульпы, нефти, воды, разрушенной массы породы с минимальным сопротивлением движению;

- обеспечить предотвращение налипания породы на стенки бункеров, а также их очистку от налипшей массы за счёт специфических спаренных частот, подобных при землетрясениях;

- обеспечивать прогноз остаточного ресурса объекта, на момент его диагностики при неразрушающем контроле.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Заимствование подсказанного природой авторегулирования геодинамических процессов обеспечивает минимальную энергоемкость разрушения массива. Закачку в ритме быстрой вибрации строго организованной во времени и в пространстве энергии в глубь массива породы, обеспечивающей разрушение выколом. Применение инструмента обеспечивает:

• Поддержание оптимальных углов резания и задних углов при различных взаимодействиях инструмента с породой (внедрении, экскавации, черпании, заглублении и рыхлении).

• Разработку с меньшими усилиями монолита песчаника, железной руды, порфирита, доломита, угля, гравийно-песчаной смеси, мерзлой породы с коэффициентами крепости по шкале Протодьяконова от 0,5 до 20 (соответствующие категориям крепости ГОССТРОЯ РФ от IX до II).

• Снижение динамической нагруженности рабочего оборудования.

• Снижение трещинообразования в металлоконструкциях.

• Увеличение производительности.

• Исключение спекания в крупный абразив субзерен разрушаемой породы в зоне смятия.

• Создание из субзерен разрушаемой породы турбулизированной квазигидродинамической смазки с повышенной вязкостью и теплопроводностью, способной интенсивно поглощать полярные группы типа: ОН- и СООН- (ПАВ) – действие этой смазки аналогично действию синовиальной жидкости костных суставов при повышении давления.

• Снижение силы трения инструмента о породу до аномально-низких значений.

• Перевод набегающего потока диспергированной массы породы в череду кольцевых вихрей.

• Поддержание исходной геометрии до полного износа инструмента по длине.

• Снижение интенсивности износа задней поверхности до величины интенсивности износа передней поверхности.

• Повышение запаса конструктивной прочности.

• Исключение поломки инструмента, попадание кусков инструмента в дробилки даже при работе по некачественно подготовленному забою.

• Образование специфических сепараторов, позволяющих обеспечить условие работы оксидов железа, чешуек эластичной гематитовой слюдки и твердого шарообразного Вюстита наподобие шарикоподшипников за счет их удержания на рабочих поверхностях инструмента.

• Интенсификацию текстурирования шероховатостей рабочих поверхностей за счет индуцирования электромагнитной энергии из зоны смятия пьезоэлектриками породы.

• Снижение силы трения инструмента о породу до аномально-низких значений.

Организация производства не требует дополнительных производственных площадей, мощностей и переучивания персонала.

Инструмент типа «ПТИЧКА» может быть разработан также для любого типа землеройных (карьерных и строительных) машин, с гарантированным увеличением ресурса в 7 раз по сравнению с серийными аналогами.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

• Увеличение ресурса – в 6-8 раз

• Увеличение производительности – в 1,8 раза

• Увеличение запаса конструктивной прочности – в 1,5-2 раза

• Уменьшение энергоемкости экскавации (рыхления) – на 30%

• Уменьшение усилий на разработку породы – в 1,4 раза

• Уменьшение динамической нагруженности оборудования – в 2,7 раза

• Уменьшение трещинообразования в металлоконструкциях – более, чем в 3 раза

• Уменьшение коэффициента трения о породу – в 100 раз (с 0,3-0,7 до 0,005 – до аномально низкого трения)

• Уменьшение стоимости – в 10 раз (от величины стоимости инструмента, работающего с постоянной траекторией движения армированного металлокерамическими кернами – карбидовольфрамовыми или карбидочугунными)

• Выравнивание соотношения интенсивностей износов передней и задней поверхности – до 1:1 (у аналогов – 5:1)

• Уменьшение интенсивности износа – в 10 раз (до величины интенсивности износа инструмента, работающего с постоянной траекторией движения армированного металлокерамическими кернами – карбидовольфрамовыми или карбидочугунными).

• улучшена экология производства угледобычи, так как  снизилась запылённости в 9 раз,  и самое главное, резко снизилась утомляемость машинистов из-за вибрационных воздействий.

Новые потребительские свойства продукции

Циклоидально-брахистохронная поверхность рабочей части инструмента обеспечивает:
• турбулизацию пограничного слоя породы.
• создание эластичного закаленного поверхностного слоя породы толщиной до 0,1 мм.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Сырье и материалы соответствуют ГОСТам РФ.

Стадия и уровень разработки

Были проведены испытания партии опытно-промышленных образцов нового инструмента на Черемховском угольном разрезе (Иркутская область). Испытания показали, что на пластовом угле без буро-взрывных работ после выемки 36 тыс. кубометров инструмент практически не изменил геометрию заточки. В сравнении – серийный инструмент требует замены после выемки 50 кубометров с применением буро-взрывных работ.

Предлагаемые инвестиции

5 млн. руб.

Рынки сбыта

Российская Федерация.

Возможность и эффективность импортозамещения

Возможность замены породоразрушаещего инструмента на импортных экскаваторах.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

6

Дата поступления материала

10.07.2007