Добывающие отрасли сегодня сталкиваются с необходимостью оптимизации расходов и снижения экологической нагрузки. Это связано с тем, что условия разработки месторождений ухудшаются, а тарифы на электроэнергию, основную часть расходов предприятий, увеличиваются. Кроме того, инвесторы все чаще вкладываются в «зеленые» проекты, ужесточаются экологические требования, а также усиливается спрос на ответственный подход к природопользованию. Поэтому оптимизация процессов добычи полезных ископаемых стала для компаний не просто способом повысить эффективность работы, а необходимым условием для развития в современных реалиях.

Одним из самых энергозатратных процессов является разрушение горных пород, на которое может приходиться до 50% всего энергопотребления предприятия. В калийной промышленности России эта проблема стоит особенно остро. Технологические процессы в этой отрасли характеризуются высокими энергетическими затратами из-за производственной сложности.

Основной причиной низкой эффективности добычи считается неоптимальная конструкция резцов — сменных металлических «зубьев», которые являются главным рабочим инструментом комбайнов. Именно они «вгрызаются» в пласт породы и откалывают от него руду. И от того, насколько удачно сделана их форма, зависит, сколько энергии потребляет комбайн, как производительно он работает и сколько полезного ископаемого может добыть.

Современная калийная промышленность часто использует неповоротные типы резцов, которые имеют серьезные недостатки, ограничивающие эффективность добычи. К примеру, модели РС-14 из-за своей не рациональной формы разрушают руду с высокими удельными затратами энергии и значительным количеством мелких классов в руде. Это не только увеличивает нагрузку на оборудование, но и вынуждает чаще останавливать технику для замены изношенных деталей, что влияет на себестоимость добычи.

Ученые Пермского Политеха разработали и испытали новую конструкцию резцов для горнодобывающих комбайнов. Исследователи доказали, что оптимизированная конструкция инструмента позволяет снизить удельное энергопотребление на добычу калийных руд на 15-30% и значительно увеличить срок службы оборудования.

Чтобы разработать новую модель резцов РС-55, эксперты создали чертеж инструмента и изготовили реальный образец. Он был сконструирован с выпуклыми режущими поверхностями. Это необходимо для того, чтобы, когда одна сторона затупляется, резец можно просто перевернуть в держателе, и в работу вступит не затупленная часть.

Для всесторонней проверки эффективности перспективного образца был использован разработанный учеными в рамках исследования лабораторный стенд – физическая модель процесса резания, которая позволяет имитировать работу промышленного оборудования. Эксперты оснастили его высокоточными датчиками, которые фиксировали малейшие изменения силы резания с частотой 1000 измерений в секунду.

В качестве тестируемого материала ученые выбрали строительные гипсовые плиты, поскольку они более доступны, чем калийная руда, но имеют аналогичный характер разрушения. Это позволило значительно удешевить и ускорить процесс испытаний, сохранив при этом достоверность результатов.

— Для исследования готового инструмента в держатель лабораторного стенда вставляли изготовленный резец. Далее перед ним надежно закрепляли блок гипса, выполнявший роль более доступного заменителя калийной руды. Стенд с огромной силой толкал резец, а в этот момент установленные датчики в реальном времени измеряли, какое усилие требуется, чтобы прорезать материал. Эти данные и позволили нам объективно оценить эффективность конструкции, — отметил Дмитрий Шишлянников, доктор технических наук, профессор кафедры «Горная электромеханика» ПНИПУ.

После создания нового резца ученые начали испытания и проверяли инструмент в разных режимах работы. В процессе они меняли два основных параметра: толщину стружки (насколько глубоко резец внедряется в породу за один проход) и шаг резания (расстояние между соседними резами). Главной задачей было найти рациональное сочетание показателей, при котором сила резания на инструменте и удельные затраты энергии на разрушение породы будут минимальными.

— Мы проводили испытания по двум широко используемым на практике схемам резания. Первая — последовательная, когда инструмент каждый раз проходит по одному и тому же следу. Вторая — шахматная. Это более совершенная схема, при которой каждый новый рез делается между двумя предыдущими. Это позволяет эффективнее отделять породу, так как инструмент разрушает материал по наведенным трещинам, — дополнил Дмитрий Шишлянников.

В ходе каждого эксперимента фиксировались не только параметр усилия резания, но и собирались все продукты разрушения для последующего взвешивания. На основе этих данных ученые рассчитали, сколько энергии тратится на один кубометр породы.

В результате, резец РС-55 продемонстрировал снижение среднего усилия при работе и энергозатрат на 15-30% по сравнению с традиционными типами резцов. Такой разброс в проценте указывает на то, что максимальный эффект достигается при определенных режимах, но положительный результат наблюдается всегда.

Внедрение резцов РС-55 позволит горнодобывающим предприятиям существенно снизить операционные расходы за счет экономии электроэнергии и сокращения затрат на приобретение режущего инструмента. Уменьшение нагрузок на комбайны также повысит их общую надежность и сократит время простоев промышленного оборудования.