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液壓劈裂機(jī)在石材開采中的應(yīng)用

[ 發(fā)布日期:2012/11/30 8:44:39 ] 瀏覽人數(shù): 5504

  前言
  液壓劈裂機(jī)是利用普通物理尖劈原理和液壓傳動(dòng)原理,將軸向液壓推力變?yōu)闄M向劈裂力的一種裝置。我國是一個(gè)石材http://www.stonebuy.com/資源豐富的國家,開采石材http://www.stonebuy.com/往往遇上大塊荒料需要二次解體問題。現(xiàn)行的二次解體方法主要有:手工錘擊破碎法,鉆孔加膨脹水泥脹裂法,炸藥二次爆破法,挖掘機(jī)加液壓錘的沖擊破碎法等。這些方法都存在著一定的缺點(diǎn),前兩種方法效率非常低,第四種方法雖然效率較高,但是由于設(shè)備費(fèi)用昂貴,中小企業(yè)http://www.stonebuy.com/enterprise/難于接受。目前,比較普遍的還是采用炸藥進(jìn)行二次解體。對(duì)于大塊巖石的二次爆破,危險(xiǎn)性較大,一是經(jīng)常出現(xiàn)人身傷亡事故;二是由于每年有大量的炸藥、導(dǎo)火索、雷管在民間流通和使用,管理難度非常大,一旦流失,就會(huì)給人民生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)安全帶來隱患;同時(shí)還存在環(huán)境污染、資源浪費(fèi)等問題。因此,有些礦山根本不允許采用炸藥進(jìn)行二次爆破。探尋一種安全高效、操作簡(jiǎn)便、成本低廉的二次解體方法一直是業(yè)內(nèi)人士所關(guān)注的熱點(diǎn)課題。液壓劈裂機(jī)的出現(xiàn)解決了這一難題。利用液壓劈裂機(jī)進(jìn)行大塊的二次解體,具有傳統(tǒng)方法無法比擬的效率高、成本低、操作簡(jiǎn)單、安全可靠等優(yōu)點(diǎn),且使用效果良好,是一種理想的二次解體設(shè)備。本文簡(jiǎn)要介紹液壓劈裂機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、操作方法。
  1 石材http://www.stonebuy.com/的破裂特性
  了解石材http://www.stonebuy.com/的破裂特性是掌握液壓劈裂機(jī)的劈裂原理和進(jìn)行正確設(shè)計(jì)和使用設(shè)備的基礎(chǔ)。大多數(shù)巖石的應(yīng)力——應(yīng)變曲線,近似直線,見圖l—a,并可用F表示。式中:ε—為巖石的應(yīng)力;δ—為巖石的應(yīng)變;E一為巖石的楊氏模量。該直線因巖石突然斷裂破壞,而在F點(diǎn)終止,表現(xiàn)為典型的脆性破壞特征。

  用作建筑材料的巖石,其全應(yīng)力一應(yīng)變曲線,見圖1-b,雖有所不同,大致可分成OA,AB,BC和CD四段。在OA和AB段,應(yīng)力、應(yīng)變近于彈性,并伴有輕微滯變,當(dāng)加載或卸載時(shí),巖石的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)無不可逆變化;在BC段,應(yīng)力一應(yīng)變曲線的斜率,隨應(yīng)力增大而逐漸減小到零,當(dāng)加載或卸載時(shí),巖石雖將產(chǎn)生不可逆變化,即出現(xiàn)永久變形,但亦不失去抵抗外加載荷的能力,故巖石在該段處于延性狀態(tài):在CD段,巖石抵抗載荷的能力隨變形的增加而減小,應(yīng)力由C點(diǎn)的最大值逐漸下降,表現(xiàn)出負(fù)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線斜率,但最終在D點(diǎn)因突然斷裂破壞而終止,仍表現(xiàn)為脆性破壞的特性。
  巖石單軸受壓條件下,產(chǎn)生不規(guī)則的縱向裂縫。其破裂處,一部分為剪切破裂狀態(tài),而另一部分則是拉伸破裂。即當(dāng)壓頭侵入巖石時(shí),在接觸處產(chǎn)生剪切破裂,而在其邊緣處則引起徑向拉應(yīng)力,結(jié)果使脆性巖石發(fā)生縱向劈裂。
  2 液壓劈裂機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理
  2.1液壓劈裂機(jī)的劈裂原理


  如圖2為YP系列液壓劈裂機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理。該機(jī)由動(dòng)力供給系統(tǒng)(泵站)、控制元件、液壓管路、液壓缸、楔塊組件等構(gòu)成。工作時(shí),泵向系統(tǒng)提供高壓油,經(jīng)控制元件、液壓管路而進(jìn)入液壓缸的無桿腔,推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng),通過楔塊組件的放大將縱向的推力轉(zhuǎn)化為橫向的劈裂力,使礦巖分開。


  圖3為尖劈分裂器和尖劈及楔片受力圖。如圖3—a所示,與液壓劈裂機(jī)活塞相聯(lián)的尖劈并不直接劈裂巖石,而是在尖劈兩側(cè)還有一對(duì)楔形片,即兩楔片夾著尖劈組成一個(gè)40mm的圓柱體一分裂器。在預(yù)定的巖石分裂線上事先鉆若干ф40mm的孔,然后將分裂器分別插入這些孔內(nèi),當(dāng)液壓劈裂機(jī)通人高壓油后即可在上述孔內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生劈裂力,致使巖石按預(yù)定的位置和方向裂開。
  當(dāng)楔形壓頭受壓而侵入巖石時(shí),巖石局部發(fā)生粉碎或呈塑性變形而形成袋狀或球狀核,通常稱之為密實(shí)核。壓頭在壓入巖石過程中,侵入深度不會(huì)隨載荷增加而均衡增加,只是當(dāng)其達(dá)到某一臨界值時(shí),便發(fā)生躍進(jìn)式破碎現(xiàn)象。這時(shí),密實(shí)核旁側(cè)的巖石出現(xiàn)崩碎,載荷暫時(shí)下跌,壓頭繼續(xù)侵入到一個(gè)新的深度,載荷再度上升,侵入和載荷又恢復(fù)到某種比例關(guān)系。如此循環(huán),直至巖石破裂。整個(gè)過程的載荷——侵深曲線呈波浪形。越是脆性巖石,躍進(jìn)式侵入特點(diǎn)越明顯,塑性材料則較緩和。載荷一侵深曲線各上升段的斜率大致相同,即增加單位載荷所增加的侵深近于常數(shù)。曲線下降部分的情況與巖石及加載機(jī)構(gòu)的剛性有關(guān)。
  2.2尖劈斜面處摩擦系數(shù)及劈裂力的理論計(jì)算
  如圖3-b所示,各力在軸向y的投影∑Y=O,即
  P=Pn+P'f
  式中,P——液壓缸總液壓力,kN;
  Pn—斜面處正壓力,N在軸向的分力,即
  Pn=2Nsina/2,kN;
  P'f——斜面處摩擦力Pf可在軸向的分力,
  即P'f=2Nfcosa/2,kN。
  一般a=3°~5°,a/2角很小,可取cosa/2≈1。
  又tga/2=h/2H,而tga/2=sincd2/cosod2≈sina/2,
  即sinod2≈h/2H。
  ∴p=πd2p/4=2Nsina/2+2Nfcosa/2≈2N(h/2H+f)
  ∴f≈πd2p/8N-h/2H (1)
  式中f——斜面處摩擦系數(shù);
  p——工作油壓力,MPa;
  d——液壓缸直徑,cm。
  式(1)給出了幾何參數(shù)d、h、H與f的關(guān)系,也給出了變量P、N值與f的關(guān)系。當(dāng)選定油壓P并測(cè)出實(shí)際劈裂力N之后,即可求得f值。嚴(yán)格地講,實(shí)際劈裂力應(yīng)是楔片對(duì)巖石產(chǎn)生的垂直于巖石孔壁的合力
  No。如圖3b所示,由∑Y=O、∑X=O,可得:
  Nsina/2+Nfcosa/2=P1/2
  { (2)
  P'f/2+No+Nfsina/2=Ncosa/2
  式中:P1——楔片耳與缸體接觸處產(chǎn)生的壓力,kN;
  P1f/2——一側(cè)楔片在尖劈作用下作側(cè)向
  運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力,kN;
  No——巖石的反作用力,即實(shí)際劈裂力,KN。
  因?yàn)閍/2角很小,取sina/2≈O ,cosa/2≈1
  解聯(lián)立方程(2),即得:
  No≈N(1-f2) (3)
  一般f=0.03,f2≈O,故可取No≈N,即實(shí)際劈裂力近似等于尖劈斜面處的正壓力。
  3 劈裂機(jī)液壓系統(tǒng)與控制
  液壓系統(tǒng)是劈裂機(jī)的核心部分,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能劈裂機(jī)工作安全性、可靠性、生產(chǎn)力具有重要影響。YP系列液壓劈裂機(jī)液壓系統(tǒng)如前所述,該劈裂機(jī)有上、下兩個(gè)油缸。上油缸有空行程快進(jìn)、劈裂工進(jìn)和快退三個(gè)動(dòng)作。據(jù)此,設(shè)計(jì)了雙泵液壓系統(tǒng),見圖4。


  該系統(tǒng)作業(yè)過程:首先,開動(dòng)低壓油泵4(此時(shí),電磁閥6斷電,處于切斷上油缸l油路的中位,且上油缸l的活塞此前已處于其上端的極限位置),下油缸2的無桿腔進(jìn)油,其活塞桿頂起工作臺(tái),使下刃具隱沒,以便將被加工石料置于工作臺(tái)上,并對(duì)位;按快進(jìn)電鈕,開動(dòng)高壓油泵5,并使電磁閥6通電左移,兩油泵同時(shí)工作,共同向上油缸l的無桿腔供油,推動(dòng)上刃具快速下降;當(dāng)上刃具頂住石料時(shí),高壓泵5的油壓迅速上升室卸荷閥3的調(diào)定壓力,閥3啟動(dòng),使低壓泵4卸荷空轉(zhuǎn),下油缸2的無桿腔回油,工作臺(tái)下沉,下刃具頂緊石料,此時(shí)僅高壓小流量泵5工作,推動(dòng)上刃具緩慢工進(jìn),對(duì)石料施壓,將其劈裂;石料劈裂后,上刃觸發(fā)下行程開關(guān)(也可按快退電鈕),使電磁閥6右移換向,高壓泵5的壓力迅速降到閥3的調(diào)定壓力之下,使其復(fù)位;停止卸荷,兩油泵又共同向油缸1的有桿腔供油,使刃具快退,直至觸動(dòng)上行程開關(guān),使閥6泵5同時(shí)斷電,上刃具停在上極限位置,而工作臺(tái)又被下油缸2頂起,將被加工好的石料卸下,完成一個(gè)工作循環(huán),劈裂機(jī)又處于下一工作循環(huán)的開始狀態(tài)。
  此液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,僅適用于花崗巖劈裂機(jī)。對(duì)于適用范圍較廣,尤以劈裂易脆性破碎石材http://www.stonebuy.com/的劈裂機(jī),則需據(jù)材質(zhì)調(diào)整劈裂力和進(jìn)刀速度,以避免碰撞損耗。為此,需另外設(shè)計(jì)液壓伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅應(yīng)滿足工作需要,還能使耗功最小,其主要參數(shù)包括:伺服閥流量、油泵壓力和液壓缸活塞有效面積。首先,按前述方法計(jì)算劈裂力,進(jìn)而確定油泵壓力;然后,按P—Q計(jì)算尺原理,用下式計(jì)算能使系統(tǒng)功耗最小的流量:
  式中, QM——為最佳流量,l/s;
  n——為上油缸兩腔的流量比;
  a——為上油缸活塞桿的截面積,m2;
  yM——為活塞空載時(shí)的最大速度,m/s。
  按式(4)算出的QM選取流量伺服閥和液壓缸活塞面積,設(shè)計(jì)液壓伺服系統(tǒng),見圖5,其中C為機(jī)座自然剛度,場(chǎng)為壓力反饋系數(shù)。該系統(tǒng)在刃具快進(jìn)接近石料時(shí),位移傳感器發(fā)出信號(hào),使刃具減速,避免碰撞損耗;在工進(jìn)時(shí),由裝在機(jī)座上的壓力傳感器發(fā)出信號(hào),使刃具按一定速度(據(jù)被加工石質(zhì)確定)進(jìn)給,因而控制了劈裂力的增長(zhǎng)速度,減少石材http://www.stonebuy.com/破碎損耗;石料被劈裂后,壓力傳感器及時(shí)發(fā)出信號(hào),使刃具快退。


  4 液壓劈裂機(jī)的正確操作
  正確使用和規(guī)范操作是提高液壓劈裂機(jī)工作效率和產(chǎn)品http://www.stonebuy.com/sample/質(zhì)量的保證。操作者液壓劈裂機(jī)必須仔細(xì)閱讀了機(jī)器使用說明書,了解機(jī)器各零部件的作用性能,嚴(yán)格按照操作規(guī)程作業(yè)。
  4.1大塊石材http://www.stonebuy.com/二次解體的操作方法
  采用液壓劈裂機(jī)對(duì)大塊進(jìn)行二次解體時(shí),首先,要檢查設(shè)備各部位是否安裝完畢,各連接部位是否牢固可靠設(shè)備各部件是否正常。然后按如下步驟操作:
  4.1.1用鑿巖機(jī)在巖石上鉆孔,鉆孔直徑取決于液壓劈裂機(jī)楔塊組件工作部分的外徑大小,而楔塊組件的大小取決于現(xiàn)場(chǎng)的巖石大小,巖石體積較大,選用大直徑楔塊組件,還可小直徑多孔,巖石體積較小,選用小直徑楔塊組件。鉆孔深度一般為300~400mm。鉆孔時(shí)注意,礦石鉆孔的方位應(yīng)垂直于孔所在的表面,孔的大小應(yīng)與劈裂器的直徑相適應(yīng),鉆孔的深度比楔塊組件插人長(zhǎng)度深ll0~150mm。嚴(yán)禁打斜孔和淺孔,不應(yīng)在受力不好的位置打孔。
  4.1.2將劈裂器插人孔中,根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整劈裂方向。
  4.1.3啟動(dòng)泵站。
  4.1.4控制換向閥,使活塞伸出,進(jìn)行劈裂,待巖石裂開一個(gè)很小細(xì)紋后,換向閥換向,活塞桿及內(nèi)楔塊縮回,轉(zhuǎn)動(dòng)劈裂器,使其與開始的裂紋方向轉(zhuǎn)一個(gè)角度,然后進(jìn)行再次劈裂,這樣可以將一塊巖石解體為多塊。
  4.2多塊劈裂法
  液壓劈裂機(jī)用于大批量劈裂時(shí),須配用鑿巖機(jī)打孔,以先分割大料。鑿巖機(jī)打孔時(shí),每臺(tái)劈裂機(jī)需配二臺(tái),以提高劈裂機(jī)的生產(chǎn)效率。在預(yù)先鉆好的孔內(nèi)放人單頭液壓劈裂器,啟動(dòng)電機(jī),當(dāng)液壓缸活塞桿推動(dòng)楔塊向下運(yùn)動(dòng)時(shí),注意觀察,當(dāng)看到石材http://www.stonebuy.com/沿孔口出現(xiàn)裂紋時(shí)(也可以從壓力表上觀察,當(dāng)壓力升高到一定值時(shí)突然下降)換向閥換向,這時(shí)楔塊反向運(yùn)動(dòng),當(dāng)其復(fù)位后將劈裂器轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度,重復(fù)上述劈裂過程,這樣可以在一個(gè)孔內(nèi)進(jìn)行多方向劈裂,將石材http://www.stonebuy.com/劈裂成多塊,減少鉆孔的工作量。
  5 結(jié)論
  我國石材http://www.stonebuy.com/產(chǎn)量占世界第一位,在礦山開采中需要對(duì)大量的大塊巖石進(jìn)行二次解體。石材http://www.stonebuy.com/的劈裂,向來依靠石匠手工敲鑿,不僅效率低,而且勞動(dòng)強(qiáng)度大。液壓劈裂機(jī)用于巖石進(jìn)行二次解體,成本低、再創(chuàng)造的產(chǎn)值高,很好地解決了石材http://www.stonebuy.com/二次解體難題。由于大部分巖石的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度,其比值大約為l0:l。因此,從內(nèi)部劈裂大塊巖石,是最省力的方法之一。液壓劈裂機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、安全可靠、劈裂速度快、效率高、成本低、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。使用證明該機(jī)完全可以取代炸藥的二次爆破,是大塊巖石二次解體的理想方法之一。
  液壓劈裂機(jī)工作時(shí),摩擦阻力的影響是不可避免的。摩擦阻力可以顯著地減少劈裂力。一般情況下,實(shí)際劈裂力僅為理論值的30%~60%。在摩擦副不變的情況下,摩擦系數(shù)隨著劈裂力和工作油壓的增大而增大。降低摩擦阻力是提高液壓劈裂機(jī)性能的主要途徑。為此,除了在摩擦副材料選擇、熱處理、表面處理等方面進(jìn)行努力外,還應(yīng)選擇合理的尖劈角度。我們相信,隨著城市建設(shè)的發(fā)展和石材http://www.stonebuy.com/產(chǎn)業(yè)繁榮,液壓劈裂機(jī)的市場(chǎng)http://www.stonebuy.com/enterprise/FuJian/QuanZhouShi.html潛力巨大,具有廣泛應(yīng)用前景。

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