Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка экспериментальных конструкций комбинированного инструмента с применением сверхтвердых композиционных материалов для эффективного разрушения горных пород

Номер контракта: 14.607.21.0028

Руководитель: Никитенко Сергей Михайлович

Должность: ведущий научный сотрудник

Организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
механическое разрушение, горная порода, инструмент, моделирование, сверхтвердые композиционные материалы

Цель проекта:
Цель проекта: исследование и разработка комплекса научно-технических решений, направленных на создание экспериментальных конструкций комбинированного инструмента с армирующими вставками из сверхтвердых композиционных материалов для эффективной дезинтеграции горных пород в различных условиях эксплуатации. Задачи проекта:  1. Разработка методических подходов к разработке новых видов комбинированного горного инструмента с армирующими вставками из СТКМ. 2. Изготовление экспериментальных образцов комбинированного инструмента с армирующими вставками из СТКМ. 3. Разработка комплекса стендового оборудования для исследования процессов бурения и энергоемкости разрушения горных пород, абразивного износа породоразрушающего инструмента, технологий пайки армирующих вставок из СТКМ. 4. Разработка рекомендаций по использованию новых видов комбинированного инструмента с применением СТКМ на горнодобывающих предприятиях в различных условиях эксплуатации. Актуальность исследований подтверждается положениями Долгосрочной Программы развития угольной промышленности России на период до 2030 года, одна из подпрограмм которой «Обеспечение технологического развития отрасли и укрепление научно-технической базы компаний и научных центров» предполагает решение следующих основных задач: а) модернизация и развитие стендовой базы для испытания горношахтного и горнотранспортного оборудования; б) разработка новых способов и средств разрушения пород и угля.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Методические (теоретические) подходы к разработке новых видов комбинированного горного инструмента с армирующими вставками из СТКМ на основе корреляции литологии и прочности пород с различными типами инструмента.
2. Экспериментальные образцы комбинированного инструмента с армирующими вставками из СТКМ для различных условий разрушения горных пород.
3. Технологические принципы проектирования стендового оборудования для исследования процессов бурения, энергоемкости разрушения горных пород, абразивного (эрозионного) износа породоразрушающего инструмента, технологий пайки армирующих вставок из СТКМ.
4. Рекомендации по использованию новых видов комбинированного инструмента с применением СТКМ на горнодобывающих предприятиях на основе новых более производительных и энергоэффективных режимов дезинтеграции пород.
5. Возможность делать расчёты новых технологических процессов для горнодобывающих предприятий с подбором оптимальных режимов разрушения горных пород и типа инструмента.

Анализ зарубежного опыта и патентные исследования по созданию комбинированного инструмента с армирующими вставками из СТКМ показывают, что научные направления разработки новых видов горнорежущего инструмента не увязываются с необходимостью изменения геометрических параметров и конфигурации базовой части инструмента (корпусов), которая является основой для установки армирующих вставок.
Предлагаемые в проекте решения имеют преимущества перед зарубежными в том, что они основываются на изменении конструкции не только собственно армирующих вставок, но и базовых элементов инструмента, что позволяет обеспечивать синергетический эффект.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечный продукт - экспериментальные образцы комбинированного горного инструмента с применением армирующих вставок из сверхтвердых композиционных материалов четырех видов: резцы для вращательного бурения; резцы комбайновые тангенциальные; буровые коронки безлезвийные; резцы комбайновые радиальные.
Разрабатываемые экспериментальные конструкции горного инструмента должны превосходить мировые аналоги и отвечать следующим требованиям:
1) ресурс резцов для вращательного бурения должен составлять не менее 20 м пробуренных шпуров («шпурометров») при коэффициенте крепости пород f = 8…10 ед.;
2) ресурс буровых коронок безлезвийных должен составлять не менее 250 м пробуренных скважин при коэффициенте крепости пород f ≥ 14 ед.;
3) ресурс резцов комбайновых радиальных и тангенциальных должен составлять не более 5 шт. на 1000 т разрушенной горной массы при коэффициенте крепости пород f ≤ 6.

В отличие от аналогичных разработок мирового уровня создано принципиально новое устройство для определения энергоемкости разрушения горных пород, защищенное патентами на изобретение и полезную модель РФ, в которых отражена мировая новизна разработанного метода непосредственного и целенаправленного измерения энергоёмкости, никем ранее не применяемого и обеспечивающего высокую точность опытных данных за счёт стабильности повторяемости.
Результаты исследовательской работы подтверждаются испытаниями образцов новых конструкций армирующих вставок из СТКМ на породах различной крепости, изготовленных на основе предварительных исследований физико-механических свойств пород в центрах коллективного пользования в России и за рубежом.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Потенциальные потребители результатов проекта:
предприятия горнодобывающей отрасли (ОАО «АЛРОСА»; ОАО «СУЭК» - письма поддержки проекта), в том числе зарубежные: АО «АрселлорМиттал Темиртау (Казахстан), Viru Keemie Grupp AS, Eesti energia kaevavdused AS (Эстония), T Sharqawi Trading Branch Est (Саудовская Аравия), Erkat Middle EAST W.L.L.( Катар), предприятия юго-восточного региона (Индия, Индонезия, Вьетнам).
Перспективы практического использования результатов проекта:
1. Расширение области и пределов границ применения всех типов горного инструмента для буровых установок, проходческих и добычных комбайнов.
2. Развитие в России высокотехнологичной отрасли нанокомпонентных сверхтвердых композиционных материалов, обладающих значительным экспортным потенциалом.
3. Возможность разработки технологий добычи полезных ископаемых (пластовых и россыпных) на основе эффективной дезинтеграции горных пород с применением новых видов безопасного горного инструмента из СТКМ.
4. Значительное снижения энергоемкости и себестоимости разрушения горных пород на предприятиях горнодобывающей и перерабатывающей отраслях.
5. Реализация новых технологий безвзрывной, экологически щадящей подземной добычи алмазов, а также технологий подземной разработки кимберлитовых руд повышенной крепости и абразивности.

Текущие результаты проекта:
Проведено теоретическое обоснование конструкции четырёх видов комбинированного инструмента на основе армирующих вставок из СТКМ:
а) Разработана конструкция бурового резца с армирующей вставкой в форме эллипсообразного овала Кассини (заявки на ИЗ №2015125831 и №2015125832, приоритет 29.06.2015г.), позволяющая достигать между лезвиями и забоем полного контакта, по которому осуществляется разрушение горной породы. Особенность конструкции резца способствует значительному уменьшению затуплений лезвий в отличие от существующих резцов, у которых взаимодействие лезвий с забоем осуществляется по размещенным на них концентраторам напряжений.
б) Разработана конструкция нового тангенциального поворотного резца с твердосплавной двухступенчатой вставкой в виде эллипсоида вращения, включающая коническую ступень крепления и ступень резания, которая армирована инденторами из сверхтвердого композиционного износостойкого материала, расположенными в плане по спирали Архимеда.
в) Разработана конструкция буровых коронок безлезвийных (на основе формы вставок марки Г26), которая является наиболее рациональной основой для создания буровых коронок нового типа на основе комбинированных армирующих вставок из СТКМ.
г) Разработано устройство установки радиальных резцов в резцедержателях, позволяющее при необходимости изменять реальные углы резания при геометрической переориентации радиальных резцов в различных условиях применения, обоснованы участки лезвий резцов, требующие усиления за счет установки на них вставок из СТКМ.
II. Для оценки эффективности технических решений при создании новых конструкций горного инструмента разработан комплекс стендового оборудования (патенты на ПМ №157386, №157384, №157385), включающий в себя:

- установку для определения энергоемкости разрушения различных по крепости горных пород,

установку для исследования процессов эрозионного (абразивного) износа породоразрушающего инструмента,

установку для исследования процессов бурения горных пород (вращательное, вращательно-ударное),

установку для исследования влияния режимов индукционного нагрева на качественные характеристики паяного соединения армирующих вставок из СТКМ.