Rock cutting by electric pulse method.pdf Введение Открытый в Томском политехническом институте эффект внедрения канала разряда в твердые диэлектрики при малых экспозициях воздействующего напряжения [1] позволяет осуществлять механическое разрушение твердых непроводящих и полупроводящих материалов за счет высокой энергии, выделяемой в разрядном канале, развивающемся в толще материала при его пробое. На этом явлении основан электроимпульсный (ЭИ) способ разрушения, который может применяться, например, для бурения скважин, резания и дробления камня, снятия поверхностного слоя бетона и др. ЭИ-способ удовлетворяет многим требованиям для осуществления эффективного разрушения крепких горных пород: способ бездолотный, поскольку разрушающим элементом является непосредственно сам разряд; высокую энергоэффективность способа обеспечивает то, что разрушение породы осуществляется за счет усилий, действующих на разрыв, которые на порядок ниже прочности сжатия; также отсутствуют промежуточные ступени преобразования энергии, при этом характер воздействия импульсный, что позволяет в течение короткого времени выделить большое количество энергии; кроме того, способ характеризуется отсутствием излишней дисперсности продуктов разрушения и хорошей управляемостью разрушения [2]. Развитие работ по электроимпульсному способу разрушения горных пород носит преимущественно технологическую направленность, что определяет направление исследований. В настоящее время разными исследователями в мире ведется всестороннее развитие электроимпульсного способа, в том числе разрабатываются экспериментальные технологические электроимпульсные установки для бурения и дробления [3-5]. Разработкой электроимпульсного резания в основном занимается Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Здесь был разработан стенд для исследования электроимпульсного резания и проведены многочисленные эксперименты по резанию горных пород и бетона, в том числе при поддержке Немецкого федерального фонда окружающей среды [6]. Ранее в НИ ТПУ по тематике электроимпульсного резания были защищены несколько кандидатских диссертаций. Основным недостатком изначально использовавшихся в установках для электроимпульсного резания источников импульсного напряжения являлось то, что частота следования импульсов у выполненных по схеме Маркса генераторов не высока, и, как следствие, производительность разрушения и скорость электроимпульсного резания были ограничены. Кроме того, для получения щелей в горных породах использовались весьма габаритные неподвижные электродные системы, недостатком которых являлись небольшие размеры получаемых резов и проблемы с изоляцией из-за необходимости применения генераторов с высокими уровнями напряжений при использовании в качестве промывочной жидкости воды. В [7] нами была показана возможность электроимпульсного резания двухэлектродной перемещающейся системой с малой энергией генератора импульсов, что позволит создать конкурентоспособный, в сравнении с механическими и плазменными, электрорезак [8]. Наличие у резака только двух электродов позволяет решить основные проблемы, возникающие при электроимпульсном резании горных пород в воде, а именно: снизить потери энергии в предпробивной стадии развития разряда и уменьшить деформацию импульса напряжения, а также облегчить решение вопросов надежности изоляции. В ходе проведенных нами ранее лабораторных исследований отработаны некоторые физические и технологические вопросы, связанные с многоимпульсным воздействием при обработке горных пород резанием. Получены зависимости изменения производительности резания и удельных энергозатрат, а также ширины щели и глубины разрушения от энергии генератора импульсов и энерговклада, связанного со скоростью перемещения системы электродов [9]. Экспериментальная установка В данной работе проведены исследования ЭИ-резания горных пород в воде двухэлектродным резаком с использованием источника высоковольтных импульсов большой частоты. Для проведения исследований был модернизирован разработанный ранее испытательный стенд для ЭИ-резания перемещающейся электродной системой. В качестве источника высокого напряжения впервые применен генератор на основе импульсного автотрансформатора с номинальным напряжением 160 кВ и частотой следования импульсов до 25 имп./с, с максимальной энергией в импульсе 140 Дж. Генератор с подобной схемой подробно описан в [10]. Форма импульса напряжения генератора (холостой ход) приведена на рис. 1. Рис. 1. Форма импульса холостого хода генератора (Umax = 155 кВ) Для экспериментов по резанию выбран гранит крупнозернистый (прочность на сжатие сж = 160 МПа) и песчаник ( сж = 85 МПа), блоки горных пород имели разные размеры, резание осуществлялось со стороны плоской поверхности со следами грубой обработки. Расстояние между электродами резака (рис. 2) было выбрано исходя из предварительных экспериментов с учетом номинального напряжения генератора, для песчаника оно составило S = 9 мм, для гранита - 8.5 мм. Перемещение резака осуществлялось реверсивным электроприводом с частотным регулированием при максимальной скорости перемещения резака 6.4 мм/с. В качестве промывочной жидкости использовалась вода удельной проводимостью = 320-350 мкСм/см, которой для удаления продуктов разрушения осуществлялась непрерывная промывка в месте обработки при помощи насоса, производительность промывки была ограничена конструктивно и составляла 12 л/мин. Во время экспериментов производилось измерение импульсных напряжений при помощи омического делителя и токов при помощи токового шунта, а также осуществлялся контроль уровня зарядного напряжения и частоты следования импульсов. Результаты и их обсуждение В результате экспериментов ЭИ-способом были получены щели в граните и песчанике общей площадью около 1800 см2. На рис. 2 приведены фотографии образцов горных пород до и после их ЭИ-обработки в воде. Рис. 2. Фотографии образцов песчаника (а) и гранита (б) с полученными в них ЭИ-способом щелями Усредненные результаты экспериментов по ЭИ-резанию приведены в табл. 1, где Uпр - среднее значение пробивного напряжения, S - величина межэлектродного промежутка, Wи - запасенная энергия генератора, f - средняя частота следования импульсов, V - скорость перемещения электродов, l - длина прорезанной в горной породе щели, b - средняя ширина щели, Hmax - максимальная глубина щели, hср - средняя глубина разрушения за цикл (один проход электродов в обе стороны), F - площадь вновь образованной поверхности, w - удельные энергозатраты на единицу площади. Таблица 1 Экспериментальные результаты ЭИ-резания горных пород Горная порода Параметры Uпр, кВ S, мм Wи, Дж f, имп/с V, мм/с l, мм bср, мм Hmax, мм hср мм F, м2 w, кВт∙ч/м2 Песчаник 133 9 115 14 4.0 615 17 83 6 0.064 22.0 Гранит 148 8.5 125 16 6.4 380 28 108 6 0.037 43.8 Удельные энергозатраты на ЭИ-резание, полученные в ходе проведенных экспериментов, в разы превышают значения, полученные нами ранее при ЭИ-резании с использованием генераторов Маркса [6]. В первую очередь, на наш взгляд, это связано с тем, что доля «полезных» разрядов, которые непосредственно производили разрушение горной породы, в общей массе поданных импульсов составляла не более 10% от их общего числа, о чем свидетельствовали осциллограммы тока и напряжения в процессе ЭИ-обработки, остальные разряды проходили большей частью через неудаленный вовремя шлам или в воде вследствие «залома» резака на неровностях поверхности, а также при зависании электродной системы под углом к месту обработки из-за несовершенства конструкции резака. Косвенно об этом говорит и ширина полученного реза, которая для обеих горных пород в разы превышает величину межэлектродного промежутка, что подтверждает необходимость увеличения скорости перемещения электродов для повышения эффективности резания. Для гранита проведен ситовой анализ полученного при обработке шлама (табл. 2). Данные показывают, что доля «мелкого» шлама (менее 2.5 мм) превышает 85%, а при данной величине межэлектродного промежутка это свидетельствует о переизмельчении, происходящем, скорее всего, вследствие недостаточной промывки при высоких значениях энерговклада, что снижает производительность процесса резания [11]. Для песчаника ситовой анализ шлама не проводился по причине существенного переизмельчения шлама (доля мелкого шлама близка к 100%) и выноса его с промывочной водой в бак. При этом в ходе экспериментов неоднократно наблюдались «заламывания» резака и образование существенных скоплений неудаленного из щели шлама, что также свидетельствует о плохой производительности промывки для используемой скорости перемещения электродов при большой частоте следования импульсов. Таблица 2 Ситовой анализ шлама при ЭИ-резании гранита Размеры частиц шлама +5 +2.5 +1 -1 Количество 0.219 кг 14.8% 0.273 кг 18.5% 0.407 кг 27.5% 0.581 кг 39.2% Стоит отметить, что шероховатость полученной поверхности реза существенно ниже как для гранита, так и для песчаника, чем в ранее достигнутых результатах с генераторами Маркса. Это связано с тем, что в ходе экспериментов использовался генератор относительно низкого уровня напряжения, что влечет за собой необходимость использования меньших межэлектродных промежутков, а именно величина электронного промежутка в значительной части определяет глубину внедрения канала разряда в горную породу [9]. Заключение В целом эксперименты показали возможность использования в ЭИ-технологии резания горных пород импульсных генераторов с малой энергией и высокой частотой следования импульсов, однако подобные решения требуют внесения существенных изменений в систему выноса образующегося в процессе ЭИ-обработки шлама и в устройство механического перемещения электродов по поверхности горной породы для достижения удовлетворительной производительности обработки и снижения энергозатрат.

Скачать электронную версию публикации