Автореферат ВКР_Кочетков Даниил Сергеевич_ЭПмз-20-1 2.0. Автореферат к выпускной квалификационной работе (уровень магистратуры) программа магистратуры

• Название: Автореферат к выпускной квалификационной работе (уровень магистратуры) программа магистратуры
• Дата: 29.03.2023
• Размер: 4.33 Mb.
• Имя файла: Автореферат ВКР_Кочетков Даниил Сергеевич_ЭПмз-20-1 2.0.docx
• Тип: Автореферат; #1024081

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт энергетики

Кафедра Электроснабжения и электротехники

Допускаю к защите

И.о. зав. кафедрой:

_____________ И.Н. Шушпанов

^{подпись И.О. Фамилия}

«Разработка конструкции электровзрывного картриджа для разрушения негабаритов»

^{наименование темы}


АВТОРЕФЕРАТ

к выпускной квалификационной работе

(уровень магистратуры)

программа магистратуры

13.04.02 «Оптимизация развивающихся систем электроснабжения»

^{наименование программы}

по направлению подготовки или специальности

13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»
^{код и наименование направления подготовки или специальности}
0.007.00.00 – ПЗ

^{обозначение документа}
Разработал студент ЭПмз-20-1 __________________ Д.С. Кочетков

^{шифр группы подпись И.О. Фамилия}

Руководитель __________________ В.В. Потапов

^{подпись И.О. Фамилия}

Нормоконтроль __________________ В.В. Потапов

^{подпись И.О. Фамилия}

Иркутск 2023г.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт энергетики

Кафедра Электроснабжения и электротехники
УТВЕРЖДАЮ

Директор института

_____________ Е.В. Самаркина

^{И.О. Фамилия}
ЗАДАНИЕ

на выпускную квалификационную работу студенту Кочеткову Даниилу Сергеевичу, группы ЭПмз-20-1

1. 
   Тема работы «Разработка конструкции электровзрывного картриджа для разрушения негабаритов»
   

Утверждена приказом, по университету от 18.11.2022 № 3093

2. 
   Срок представления студентом законченной работы в ГЭК 03.02.2023
   
3. 
   Исходные данные__________________________________________
   
4. 
   Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов):
   

4.1 Обзор методов разрушения негабаритов

4.2 Анализ электроразрядных способов разрушения горных пород

4.3 Разработка эскизного проекта рабочего инструмента разрушения негабаритов на основе ЭГЭ

4.4 Проведение и анализ экспериментальных исследований

5 Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей)

5.1 Презентация

6 Дополнительные задания и указания

6.1 Нет

7 Консультанты по работе с указанием вопросов, подлежащих решению

7.1 Нет

Календарный план

Разделы

Месяцы недели

ноябрь

декабрь

январь

февраль

Введение

Глава 1

Глава 2

Глава 3

Глава 4

Заключение

Список используемых источников

Оформление работы

Дата выдачи задания «____»______________202__г.
Руководитель работы _____________ В.В. Потапов ^{подпись И.О. Фамилия}

И.о. заведующего кафедрой _____________ И.Н. Шушпанов ^{подпись И.О. Фамилия}

Задание принял к исполнению студент _____________ Д.С. Кочетков

^{подпись И.О. Фамилия}

План выполнен ____________________________

^{(полностью, не полностью)}
Руководитель работы «___» _______202__г. ____________ В.В. Потапов

^{подпись И.О. Фамилия}

Аннотация

На выпускную квалификационную работу магистра Кочетков Даниил Сергеевич, на тему: Разработка конструкции электровзрывного картриджа для разрушения негабаритов

В работе выполнен анализ методов разрушения негабаритов. Выполнить обзор технологических ситуации, при которых возникает необходимость разрушения негабаритов. В работе показаны, что для технологических ситуаций, в которых возникает необходимость разрушение негабаритов в труднодоступных местах (шахтах и шурфах.), наиболее предпочтительным является способ разрушения на основе электрогидравлического эффекта. Сформулированы принципы конструирования электровзрывных картриджей для разрушения негабаритов. Предложена и разработана конструкция электровзрывного картриджа для разрушения негабаритов. Изготовлен опытный образец электровзрывного картриджа для разрушения негабаритов. Проведено экспериментальное исследование, показавшее достаточную эффективность предложенной конструкции и правильности сформулированных принципов конструирования электровзрывных картриджей для разрушения негабаритов.
Автор выпускной квалификационной работы Д.С. Кочетков
Руководитель ВКР В.В. Потапов

Содержание

Введение 6

1 Технологические ситуации, требующие разрушения негабаритов 7

2 Методы разрушения негабаритов 7

2.1 Проблемы разрушения негабаритов в шурфах и шахтах 8

2.2 Электроразрядные способы разрушение горных пород 10

3 Импульсный электрический разряд, инициированный взрывающимся проводником, как источник импульса давления для разрушения горных пород 12

4 Разработка эскизного проекта рабочего инструмента разрушения негабаритов на основе ЭГЭ 13

Заключение 19

Список использованных источников 20

Введение

В горнодобывающей промышленности, а также при строительстве крупных инфраструктурных объектов, таких как автодороги и железные дороги после взрывных работ возникает необходимость разрушения негабаритов-не транспортабельных кусков горных пород. Для их дробления используют различные механические способы разрушения и взрывные с помощью микро-зарядов. Разрушение негабаритов указанными способами затрудненно в ряд технологических ситуации, в которых возникает необходимость дробления шахтах и шурфах. Высказывается предположение, что для этих условий предпочтительными являются электроразрядные способы разрушения.

В работе выполнен анализ различных способов разрушения негабаритов. Показана перспективность электроразрядного способа на основе электрогидравлического эффекта.

1 Технологические ситуации, требующие разрушения негабаритов

Можно указать следующие технологические ситуации, в которых возникает необходимость разрушения негабаритов:

- Строительство автодорог и железных дорог, после взрывных работ связанных с прокладкой трассы;

- При добыче полезных ископаемых открытым способом, после взрывных работ.

Во всех этих случаях возникают нетранспортабельные куски пород, которые требуют дополнительного дробления. Выход негабаритов и степень дробления горных пород определяются конкретным горно-геологическим условиями.

2 Методы разрушения негабаритов

1. Наиболее простой метод - механический удар (см. рисунки 1а, 1б) Для этой цели используется установки с падающим грузом, пневматические молоты и гидр молоты.

2.Метод, использующий заливку специального растворов в пробуренные отверстия. Раствор при затвердевании расширяется, в результате чего негабарит разрушается.

3.Метод, использующий забивания клина в пробуренное отверстие.

4.Метод разрушения негабаритов микро зарядом. (см. рисунок 2). При взрывании микро зарядами на негабарит объемом в 20 м3 требуются три шпура глубиной 1,2 м с массой заряда в шпуре 50 г. На негабариты объемом до 6 м3 требуется один шпур глубиной от 0,5 до 1 м, чтобы зарядить в него 20—40 г ВВ.

5.Методы, использующие электрогидравлический эффект.

Рисунок 1а - Разрушение негабаритов пневматическим молотом (общий вид)


Рисунок 1б - Разрушение негабаритов пневматическим молотом (рабочий орган)
Рисунок 2 - Разрушение негабаритов микрозарядами ВВ

2.1 Проблемы разрушения негабаритов в шурфах и шахтах

Наиболее простым способом является способ механического удара, однако данный способ сложно реализовать, когда возникает необходимость разрушения негабаритов в шурфах и шахтах. Кроме того при решении вопроса разрушения негабаритов необходимо принимать во внимание энергозатраты на разрушения. С точки зрения минимизации энергозатрат наиболее предпочтительные являются электроимпульсный и импульсные методы, основанные на электрогидравлическом эффекте (так же называемый электро-разрядными).

Для решения задач разрушения негабаритов в шурфах и шахтах наиболее перспективным является метод разрушения на основе электрогидравлического эффекта. Электроимпульсный метод применён к задачам разрушения горных пород, хорошо зарекомендовал себя для тонкого измельчения горных пород. Принципиальным отличием электроимпульсного способа разрушения горных пород и способов, основанных на электрогидравлическом эффекте, является то, что канал разряда внедряется и проходит внутри образца горной породы, а при электрогидравлическом разряд происходит в жидкости. Внедрение канала разряда происходит из-за пересечения вольт-секундных характеристик породы и жидкости при воздействии импульсов высокого напряжения с крутым фронтом (см. рисунок 3). При электроимпульсном способе, объём откола от породы за один разряд составляет 1-10 мм3, то есть объём откола очень мал. Электроимпульсный способ целесообразно использовать при бурении и тонком измельчении горных пород.




г)



д)

Рисунок 3 - Принцип электроимпульсного разрушения:а) сопоставление вольт-секундных характеристик различных сред; б) последовательность процессов пробоя и разрушения в системе с одной свободной поверхностью; в) последовательность процессов пробоя и разрушения фрагментов материала;

г) конструкция рабочего органа; д) электродная система: 1) электроды; 2) стальные держатели; 3) стальные патроны; 4) изоляционный держатель; 5) высоковольтные кабели.

2.2 Электроразрядные способы разрушение горных пород

Для разрушения негабаритов в шурфах и шахтах целесообразно рассмотреть способ на основе электрогидравлического эффекта (электро-разрядный способ), представлен на рисунке 4.







(в)

Рисунок 4 - Схема электро-разрядного разрушения горных пород, (а) – разрушение негабаритов, (б) – откол от массива горных пород. (в)- Принципиальная Схема электро-технологической установки

1-ГИТ, 2-разрушаемый объект, 3-свободная поверхность, 4–8-сетка шпуров
Так как при решении задачи разрушения негабаритов в шурфах и шахтах практически исключается возможность разрушения с предварительной подготовкой шпура и размещения рабочего органа, в котором формируется импульсный искровой разряд внутри шпура. Возникает необходимость разработки рабочего инструмента, формирующая импульс давления извне.

Необходимо отметить, что на эффективности применения электро-разрядного способа разрушения горных пород сказывается механическая прочность пород. В таблице 1 представлены данные по механической прочности различных горных пород при растяжении, сдвиге и изгибе, выраженной в долях от предела прочности на сжатие Qсж.
Таблица 1- Прочность на растяжение горных пород

Горная порода	Растяжение	Изгиб	Сдвиг
Граниты	0,02–0,04	0,08	0,09
Песчаники	0,02–0,05	0,06–0,2	0,1–0,12
Известняки	0,01–0,04	0,08–0,1	0,15

Как следует из анализа данных таблиц прочность на растяжение горных пород на 2 порядка меньше, чем прочность на сжатие. Поэтому при реализации электро-разрядного способа разрушения горных пород с ударным воздействием изнутри (шпур заполненной передающейся жидкостью и искровой канал внутри шпура) наблюдается максимальный технологический эффект разрушения негабаритов. Кроме того, необходимо также отметить, что породы по величине механической прочности очень сильно отличаются и при реализации электро-разрядного способа разрушения горных пород и других материалов с организацией ударного воздействия из вне сравнительно легко разрушаются материалы и породы со сравнительно небольшой механической прочностью. Как пример можно указать на электро-разрядный способ очистки литья, хорошо себя зарекомендовавший в настоящее время и широко используемый на производстве (см. рисунок 4.1 и 4.2).


Рисунок 4.1 - Установка барабанного типа для электрогидравлической очистки литья



Рисунок 4.2 - Установка ванного типа для электрогидравлического литья
Для реализации электро-разрядного способа для разрушения крепких горных пород с организацией ударного воздействия извне как в случае очистки литья параметры импульсной волны давления искрового канала (амплитуда и длительность) оказывается недостаточными.

Это приводит к необходимости реализации следующего принципа разрушения:

- Локализация искрового разряда и создание условий получения максимальных энергетических искрового канала и получения максимальной амплитуды давления.

- Организация передачи энергии импульса, волны давления в промежуточный накопитель кинетической энергии (ударник).

- Воздействие ударника на рабочий орган, воздействующий на горную породу, возможна конструктивная схема и показана.

3 Импульсный электрический разряд, инициированный взрывающимся проводником, как источник импульса давления для разрушения горных пород

В данной работе поставлена задача, провести исследование способа разрушения негабаритов на основе электрогидравлического эффекта. Для оценки перспектив его использования для разрушения негабаритов в шурфах и шахтах, а так же выработки принципов конструирования рабочего органа для разрушения негабаритов в указанных условиях.

Наибольший импульс давления наблюдается при электрическом импульсном разряде батареи конденсаторов, инициированном электрическим взрывом проводника. Электро-технологические установки, использующие этот эффект применяются, в частности, для соединения трубчатых металлических деталей. Схема такого рода установки представлена на (см. рисунок 5).

Рисунок 5 –Схема электро-технологической установки. Тр-трансформатор высокого напряжения; В - выпрямитель; С – ударная ёмкость; К – искровой коммутатор; Т – технологический узел; 1 – электровзрывной патрон; 2 – металлическая оправа; 3 – медная трубчатая деталь; 4 – алюминиевая трубка

Исследования ранее проведенные на кафедре Э и. Э ИРНИТУ и анализ литературных данных позволили установить общую картину, на явление электрического взрыва проводников.

Общая картина получения импульса давления с помощью такой установки может быть представлена следующим образом: При срабатывании искрового коммутатора-К и разряде батареи конденсаторов-С на тонкую металлическую (обычно алюминиевую) проволочку, помещенную в пластмассовый пенал заполненный водой через проволочку протекает импульс тока с амплитудой в десятки кА и длительностью в десятки микросекунд. При таких токах происходит сублимация проволочки, которая носит взрывной характер, формируется импульс давления, который может быть использован в различных технологических целях.

4 Разработка эскизного проекта рабочего инструмента разрушения негабаритов на основе ЭГЭ

В результате выполненных на кафедре ЭиЭ ИРНИТУ исследований сформулированы следующие принципы конструирования электровзрывных картриджей:

1. В качестве взрывающегося проводника необходимо использовать алюминиевою проволочку;

2. Использовать проволочку с увеличенной толщиной оксидной пленки;

3. Торцевые части электровзрывного патрона должны иметь увеличенные размеры;

4. Для передающей среды использовать воду или водные растворы веществ, повышающих плотность.

Для исследования возможности разрушения горных пород электрическим взрывом проводника в соответствии с перечисленными принципами был разработан и изготовлен макет рабочего инструмента, представленный на рисунках 6 и 7. Был выполнен эксперимент параметры режима разряда установки были следующие: зарядное напряжение-40 кВ, ударная емкость-21 мкФ.


Рисунок 6 - Макет рабочего инструмента

Рисунок 7- Макет, подготовленный к испытанию
Первоначально была предложена конструкция рабочего инструмента в виде молота с формой параллелепипеда в центре, которого выполнена сквозное овальное отверстие. Для формирования сосредоточенного ударного воздействия на габарит в лобовой части молота, выполнена клиновидная щель. В сквозное овальное отверстие вставляется электровзрывной картридж. Конcтрукция электрoвзрывного кaртриджа предстaвлена на рисунках 8.1 и 8.2.


Рисунок 8.1 - Конструкция электровзрывного картриджа (конструктивная схема)

Рисунок 8.2 - Конструкция электровзрывного картриджа (фото картриджа в собранном виде)
Электровзрывной картридж был изготовлен на 3д принтере BIQU B1 3D-принтер TFT35(см. рисунок 9).Тип пластика использовался PLA.



Рисунок 9 - 3D принтер

Для исследования возможностей формирования сосредоточенного воздействия был изготовлен макет, представленный на рисунке 7.Для эксперимента использована электро-технологическая установка кафедры ЭиЭ ИРНИТУ, общий вид который представлен на (рис. 10).


(а) (б)


(в)

Рисунок 10 - Электро-технологическая установка (а-силовая часть, б-пульт управления, в-рабочая камера).
Результаты эксперимента показали, что формирование механического воздействия на породу с помощью «водяного клина», формируемого узкой щелью, не достаточно эффективно. С учeтoм результатов эксперимента выполнен анaлиз широко используемых устрoйств, для рaзрушения негабаритов и устрoйств монтaжных пороховых инструментов. На рисунке 11 представлены эскизы отбойного молотка, демонстрирующий устройства и принцип работы этих инструментов.


Рисунок 11 - Отбойный молоток (бетонол)

Рисунок 12 - Макет рабочего инструмента


Рисунок 13- Макет, подготовленный к испытанию

Эксперимент и анализ работы этих инструментов позволяет сделать вывод, что для создания рабочего органа для разрушения негабаритов на основе электрогидравлического эффекта, при воздействии импульсов давлении «из вне». Целесообразно введение в рабочий орган элемента для промежуточного накопления механической кинетической энергии от импульса давления, который называют «ударником». Далее был изготовлен макет с учетом принципа промежуточного накопления кинетической энергии с помощью «ударника».Эксперемент показал положительный результат.

Заключение

В результате выполнения магистерской работы установлено:

1.Выполнен обзор технологических ситуации, при которых возникает необходимость разрушения негабаритов. Показано что для технологических ситуаций, в которых возникает необходимость разрушение негабаритов в трудно доступных местах (шахтах и др.). Наиболее предпочтительных является способ разрушения на основе электро-графического эффекта. Электроимпульсный и электрогидравлический способ разрушения негабаритов являются самым энергосберегающим способом.

2.На основе обобщения работ по вопросам использования явления электрического взрыва проволочек в технологических целях сформулированы принципы конструирования электровзрывных картриджей для разрушения негабаритов.

3.Предложена и разработана конструкция электровзрывного картриджа для разрушении негабаритов.

4.Изготовлен опытный образец электровзрывного картриджа для разрушения негабаритов.

5.Проведены экспериментальные исследования, показавшие достаточную эффективность предложенной конструкции и правильности сформулированных принципов конструирование электровзрывных картриджей для разрушения негабаритов.

Список использованных источников

1. 
   Оборудование и технологические процессы с использованием электрогидравлического пресса. – Под ред. Г.А. Гулого – М.: Машиностроение, 1974.- 320с.
   
2. 
   Сёмкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. – СПб.: Наука, 1995.– 276 с.
   
3. 
   Усов А.Ф. Перспективы технологий электроимпульсного разрушения горных пород и руд - Известия РАН, Энергетика, №1, 2001, с.54-62
   
4. 
   Усов А.Ф. Новые процессы и технологии на основе электроимпульсного способа разрушения материалов. - Наука Москвы и регионов, 2002, №2, с 52-61
   
5. 
   Юткин.Л.А. Электро-гидравлический эффект и его применения в промышленности
   
6. 
   Рухадзе А.А. Взрывающиеся проволочки. М.: ИЛ, 1959.
   
7. 
   Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. М.: Энергоиздат, 1990. 289 с.
   
8. 
   Савченко В.А Совершенствование узлов и технического обслуживания контактной сети. В.А.Савченко, Е.Н. Счастный. -М.: Транспорт, 1987. 144с.
   
9. 
   СНиП III-41-76 Контактные сети электрифицированного транспорта. - М.: Стройиздат, 1977.- 125с.
   
10. 
    Инструкция № 2-01 по монтажу соединительных и концевых муфт на кабелях напряжением до 10 кВ. Л.: Энергоатомиздат, 1986
    
11. 
    Бауэр К.-Х. Контактная сеть для высокоскоростного движения.К.-Х. Бауэр, Ф. Кислинг //Железные дороги мира. -NQ3, 1988.-С. 24-30.
    
12. 
    Ирзглер М. Модернизация устройств тягового электроснабжения Австрийских Федеральных дорог. М. Ирзглер //Железные дороги мира. -NQ3, 1988.-С. 31-35
    
13. 
    Инструкция по соединению проводов прессуемыми безболтовыми зажимами. Утв. 16.11.1993. - М.: Министерство путей сообщения, 1993.-14с.
    
14. 
    Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварка взрывом. -Новосибирск: Наука, 1980 - 220с.
    
15. 
    Высогорский В.Ф. Исследование выполнения неразборных соедине-ний электрическим взрывом проводника. Дисс. канд.техн.наук.- М., 1966.
    
16. 
    Иванов В.В., Шитов И.И. Технология и оборудование для крепления труб и формовки изделий импульсными токами. -М.: ГОСИНТИ, 1964.
    
17. 
    Оборудование и технологические процессы с использованием элек-трогидравлического пресса. – Под ред. Г.А. Гулого – М.: Машиностроение, 1974.- 320с.
    
18. 
    Зингерман А.С. О расширении разрядного канала.// Журнал технической физики.- 1956, №5
    
19. 
    Атабеков В.Б. Монтаж электрических сетей и силового оборудования – М.: Высш. Шк.1985
    
20. 
    Райнхарт Д., Пирсон Д. Взрывная обработка металлов. Перев. с англ. -М.: МИР, 1966. - 266с.
    
21. 
    Р. Коул. Подводные взрывы. М.: Изд-во Иностранной литературы, 1950.- 494с.
    
22. 
    В.П. Колмаков, В.Г. Дмитриев, Л.М. Чеботнягин, К.В. Суслов, В.В. Потапов «Соединение трубчатых деталей электрическим взрывом проводника». Монография: – Иркутск, ИрГТУ, 2010.- 183с.
    
23. 
    И.Н. Дашковский. Оптимизация конструкции электровзрывного картриджа для изготовлений биметаллических наконечников жил электрических кабелей – ИРНИТУ: Иркутск 2014 г.
    
24. 
    Попилов Л.Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки. Л., “Машиностроение”, 1971.
    
25. 
    ГОСТ 23692—79* * Требования к типовому технологическому про-цессу закрепления труб энергией электрического взрыва проводников. Технические требования: ГОСТ 23691—79 – 1979 г.
    
26. 
    Экспериментальные методы и средства в физике экстремальных состояний вещества: монография / Под ред. академика Р.И. Илькаева, д.т.н.А.Л. Михайлова, д.ф.-м.н. М.В. Жерноклетова. – М.: РАН, 2021. – 484 с.
    
27. 
    Кутузов Б.Н. Разрушение горных пород взрывом: учебник для вузов / Б. Н. Кутузов. –3-е изд., перераб. и доп. – М.: МГИ, 1992. – 516с.
    
28. 
    Афонин В.Г. Справочное руководство по взрывным работам в строительстве / В. Г.Афонин, Л. М. Гейман, В. М. Комир. – Киев:Будiвильник, 1974. – 382 с.
    
29. 
    .Крюков Г.М. Модель взрывного рыхления горных пород на карьерах. Выход негабарита. Средний размер кусков породы в развале/ Г. М. Крюков. – Препринт. – М.: МГГУ, 2005.– № 2. – 30 с.