Mathematical modeling of the technological process of the rock destruction by a vibro impact device with a hydro pulse drive

Abstract

The high efficiency of the technological process of destruction of the rock with the help of vibration of shock loads has been proved. A high degree of intensification of the process of rock destruction is achieved by using the developed original design of a vibro–impact device with a hydro-pulse drive based on the two–stage pulsate valve. A new mathematical model has been developed for studying of technological processes of rock destruction using a vibro–impact device based on the laws of hydrodynamics using the generalized laws of mechanics. When developing a mathematical model, the technological process was investigated over two phases. This is the phase of kinetic energy accumulation, as well as the phase of the impact interaction of the working body of the vibro–impact device with the surface of the rock. The mathematical model of the shock interaction was built based on the Sears impact model and the system of equations of the stress–strain state. Based on the developed mathematical model and using the finite volume method as well as the numerical simulation, the pressure and velocity of the working fluid in a hydro–pulse drive of a vibro–impact device are obtained. Using the numerical finite element method, the stress distribution in the working body of the vibro–impact device and the rock element during vibro-impact destruction is obtained. Analysis of the calculation of the natural frequencies of the working body showed the stable operation of the vibro-impact device in the preresonanсe modes. The obtained working dependences of the main performance characteristics of the vibro-impact device based on the impulse allowed us to develop recommendations for further improving the efficiency of the technological process. The obtained results of numerical simulation of rock destruction technological processes by a vibro impact device based on a hydro–impulse reason, showed the advantages of the chosen design approach, and allowed to prove the effectiveness of the developed design.

Доведено високу ефективність технологічного процесу руйнування гірської породи за допомогою віброударних навантажень. Високий ступінь інтенсифікації процесу руйнування гірської породи досягається застосуванням розробленої оригінальної конструкції віброударного пристрою з гідроімпульсним приводом на базі двокаскадного клапана–пульсатора. Розроблено нову математичну модель для дослідження технологічних процесів руйнування гірської породи віброударним пристроєм на базі законів гідродинаміки із використанням узагальнених законів механіки. При розробці математичної моделі технологічний процес було досліджено над двух фазах: фаза накопичення кінетичної енергії, а також фаза ударної взаємодії робочого органу віброударного пристрою із поверхнею гірської породи. Математична модель ударної взаємодії була побудована на основі моделі удару Сірса а системи рівнянь напружено–деформованого стану. На основі розробленої математичної моделі методом кінцевих об’ємів за допомогою чисельного моделювання отримано розподіл тиску і швидкості робочої рідини в гідроімпульсному приводі віброударного пристрою. За допомогою чисельного методу кінцевих елементів отримано розподіл напружень у робочому органі і елементу гірської породи при віброударному руйнуванні. Аналіз розрахунку власних частот робочого органу показав стійку роботу віброударного пристрою у дорезонансних режимах. Отримані робочі залежності основних робочих характеристик віброударного пристрою на базі гідроімпульсного приводу дозволили розробити рекомендації для подальшого підвищення ефективності технологічного процесу. Отримані результати чисельного моделювання технологічних процесів руйнування гірської породи віброударним пристроєм на базі гідроімпульсного приводу, показали перевагу обраного підходу до проектування, а також дозволив довести ефективність розробленої конструкції