Технические науки /3. Отраслевое машиностроение

Д.т.н. Пенчук В.А., инж. Клен А.Н.

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Украина

Камнекольные станки с локальной концентрацией очагов

разрушения

При производстве изделий из камня с естественной (колотой) фактурой широко используются камнекольные станки, в которых раскалывание каменных заготовок по заданной траектории осуществляется двумя соосно расположенными клиньями, приводимыми в движение гидравлической установкой. Как показал проведенный аналитический обзор, при проектировании новых и усовершенствовании существующих конструкций камнекольных станков основное внимание разработчиков сосредоточено на расширении технологических возможностей и повышении удобства эксплуатации такого оборудования. Так, например, первое направление реализуется при помощи «плавающих» клиньев, которые позволяют производить раскалывание заготовок с неровной поверхностью. Второе направление находит свое отражение в дополнительных узлах и приспособлениях, позволяющих снизить долю ручного труда при операциях подачи/выемки каменных заготовок непосредственно под скалывающие клинья, рационально разместить заготовки в станке относительно оператора для исключения травматизма последнего от разлетающихся осколков и т.п.

Вопросам реализации в камнекольных станках энергосберегающих процессов разрушения уделяется недостаточно внимания. Актуальность же этой проблемы очевидна, поскольку каменные материалы (габбро, гранит, мрамор и др.) обладают высокой прочностью, для их раскалывания необходимо мощное, энерго- и материалоемкое оборудование. Поэтому возникает задача снижения энергоемкости процессов разрушения каменных материалов сколом и внедрения энергосберегающих технологий в конструкциях камнекольных станков. Установление закономерностей разрушения каменных материалов потребовало изучения технической системы «камнекольный станок (машина) – разрушение камня сколом (процесс)», поскольку параметры любой машины тесно связаны с производимым ею процессом преобразования.

При разработке теоретической модели процесса разрушения каменных материалов сколом было сделано допущение, что имеет место хрупкий механизм, который заключается в образовании магистральной трещины и ее последующем росте. Был выполнен детальный анализ уже установленных закономерностей хрупкого разрушения, на основании которого предложен новый способ разрушения, суть которого сводится к следующему. В каменном материале создается начальная трещина, а затем обеспечиваются благоприятные условия для ее целенаправленного роста. И если классическая схема нагружения, реализуемая в существующем камнекольном оборудовании, заключается в создании равномерно распределенной нагрузки по всей предполагаемой линии раскола, то новый способ предполагает принципиально иной механизм: создание предельных (разрушающих) напряжений в некоторой локальной области и последующее распространение трещины вдоль необходимой траектории раскола. Таким образом, вместо создания системы трещин и их последующего слияния предложено создать одну магистральную трещину в некотором очаге разрушения, а затем поддерживать ее развитие в нужном направлении. Процесс распространения одной магистральной трещины в разрушаемом материале выгоден с энергетической точки зрения, поскольку требует минимума энергии. Новый способ был назван авторами способом разрушения каменных материалов при локальной концентрации предельных напряжений. На рис. 1 показаны схемы рабочих органов камнекольных станков, в которых реализован предложенный способ. За счет введения в конструкцию рабочего органа упругих элементов внешняя нагрузка распределяется по длине образца неравномерно. В результате этого предельные напряжения образуются локально, в некотором очаге. Здесь образуется начальная магистральная трещина, дальнейший рост которой приводит к разделению образца на части. При этом необходимая траектория развития трещины поддерживается полем сжимающих напряжений, которые по своей величине меньше предельных.

Рис. 1. Схемы рабочих органов, реализующих способ разрушения сколом при локальной концентрации предельных напряжений: 1 – скалывающий клин; 2 – нагружающее устройство, 3 – жесткая подвеска, 4 – упругая подвеска (связь), 5 – образец

Для предложенного способа были разработаны математические модели и выполнен с их помощью анализ факторов, влияющих на процесс, такие как характеристики скалывающих клиньев, жесткость системы «камнекольный станок – раскалываемый образец», скорость распространения трещины и др. Разработанные математические модели позволяют определять технологические параметры камнекольных станков: усилие разрушения, мощность привода, производительность и энергоемкость.

С целью проверки принятых гипотез и предложенных математических моделей проведены многочисленные экспериментальные исследования процесса разрушения каменных материалов новым способом. Для этого был изготовлен рабочий орган по схеме рис. 1, а. Результаты экспериментальных исследований доказали справедливость предложенной гипотезы, что подтверждено адекватностью предложенных математических моделей. По сравнению с традиционной схемой скола, использование нового способа позволило в среднем на 25-30% снизить усилие разрушения и на 5-10% - материалоемкость камнекольных станков.

По результатам проведенных исследований разработаны рекомендации по использованию способа разрушения каменных материалов сколом при локальной концентрации предельных напряжений в конструкциях камнекольных станков. В них изложены общие принципы создания рабочих органов, в которых реализован новый способ разрушения, а также приведены расчетные формулы для проектирования упругих элементов, обеспечивающих неравномерность распределения внешней нагрузки по длине раскалываемых прямоугольных образцов.

Литература:

1. Пенчук В.А., Клен А.Н. Особенности изготовления и применения гранитной брусчатки // Вісник ДонДАБА. - 2002. – №2000-5(25), с. 78-80.

2. Пенчук В.А., Клен А.Н. Определение усилия скола при разрушении образца горной породы по традиционной схеме и по схеме с локальной концентрацией предельных напряжений // Вісник ДонДАБА. – 2003. - №2003-5(42), с. 38-42.

3. Пенчук В.А., Клен А.Н. Оборудование для получения изделий из камня с колотой фактурой // Механизация строительства. – 2005. №4, с. 13-15.

4. Пенчук В.О. Кльон А.М. Спосіб спрямованого розколу каменя / патент України № 74930 С2, B28D 1/00, Бюл. №2, 2006.