Гироскопические горные машины — новая техника для переработки руд и извлечения полезных ископаемых на Земле и ее спутнике

В.А. Бобин —  заведующий отделом Института проблем комплексного  освоения недр РАН, д.т.н.
А.В. Бобина —  руководитель департамента по научным конференциям и всероссийским проектам ВЭО России, директор по развитию  журнала «Вольная экономика», к.т.н.

В России проблемы технологии процес­сов дробления и измельчения руд и других твердых материалов в условиях земной гравитации решались в рабо­тах академиков К.Н. Трубецкого, В.А. Чан турия, Л.А Вайсберга; докто­ров технических наук Л.И Кантовича, Н.А. Карта вого, Н.А. Артемьева, Н.М. Качурина, Э.М. Соколова, А.С. Воронюка, Л.Ф. Биленко, В.И. Ревнивцева и др.

Основным критерием для выбора конкретного способа измельчения исходного твердого материала как на Земле, так и небесных объектах, где гравитация меньше земной, является минимальная потребляемая мощность установки, измельчающей исходный материал.

До сих пор в промышленности для дезинтеграции природного вещества с целью добычи полезных компонентов широко используются механические устройства определенного ГОСТом функционального назначения, а имен­но: дробилки крупного, среднего и мелкого измельчения, мельницы круп­ного, среднего и мелкого измельчения. 

Все известные существующие техни­ческие решения (дробилки и мельницы различных типов) реализуют различные типы физического процесса дезинтег­рации горных пород, а именно: ударно­го разрушения, раздавливания, раска­лывания и истирания, для реализации которых используется широкая номен­клатура измельчающих устройств с повышенными массо­габаритными показателями, что сопровождается увеличением энергопотребления на измельчение единицы массы исходно­го вещества.

При этом каждый вид технического устройства по измельчению спроекти­рован так, что он способен устойчиво работать, реализуя только один из существующих типов физического процесса измельчения, и не имеет техни­ческой возможности их комбинировать.

Физическую основу подавляющего числа различных технологических раз­работок и реализующих их машин и механизмов определяет соответствую­щий им принцип реализации сжимающих или растягивающих усилий. В частности, в горном деле широко используются сила тяжести (при буре­нии различного типа скважин), сила собственного веса валков и усилия пружинных блоков (при разрушении геоматериалов в различного рода дро­билках и мельницах), а также сила сжа­той жидкости (прессовые установки).

Проблемы уменьшения массы и энергопотребления горными машина­ми будет оставаться актуальной еще многие годы. Разрушение полезных ископаемых с помощью дробилок, валковых и шаровых мельниц производит­ся в основном раздавливанием, что требует высокого расхода энергии, качественного металла и увеличения габаритов и связано с ограничениями по управлению режимом их работы.

Применение известных устройств, например: подземных дробилок на металлических рудниках, валковых мельниц для сухого измельчения камен­ных углей, полуантрацитов, тощих углей, терочных мельниц, частично использую­щих при истирании гироскопический эффект, приводит к энергозатратам и резкому увеличению их веса.

Таким образом, применяемые в про­мышленности способы измельчения твердых природных ископаемых требу­ют высоких энергозатрат (десятки киловатт), имеют незначительный коэффициент полезного действия (3–5 %) и большие весовые показатели (десятки тонн), что делает невозмож­ным в обозримом будущем их доставку на Луну и астероиды и обеспечение их электроэнергией.

Существенного результата в этой области теории и практики разрушения можно достичь только за счет исполь­зования принципиально новых спосо­бов и машин, эффективно реализующих процесс разрушения горных пород и работающих в условиях низкой по сравнению с земной гравитацией.

К числу таких способов относится принципиально новый метод дезин­теграции горных пород на основе ново­го физического принципа создания и регулирования усилий истирания за счет использования гироскопических сил, что не имеет аналога, как в России, так и за рубежом. 

Научную основу этого метода пред­ставляют следующие положения: 
1. Для обеспечения минимального значения мощности, расходуемой на процесс измельчения твердых материалов, устройства, его реали­зующие, должны работать в режиме сдвигового разрушения (истира­ния), так как большинство извест­ных твердых материалов имеет зна­чение предела прочности на сжатие на порядок большее, чем значение предела прочности на сдвиг;
2. В качестве альтернативы гравита­ционным силам, свойства и значе­ния которых используется в каче­стве физической основы процес­сов разрушения твердых материа­лов на Земле, должны использо­ваться новые физические эффек­ты, в частности, гироскопический, действие которого не определяет­ся значением ускорения свобод­ного падения. Он реализуется с помощью устройства, основным конструктивным элементом кото­рого является двухстепенный гироскоп, установленный на вра­щающейся горизонтальной пло­щадке и связанный жесткой свя­зью с рабочим органом, измель­чающим твердый материал;
3. В зависимости от прочностных свойств твердого материала и его размеров и для обеспечения минимальных значений мощности, потребляемой гироскопическим устройством, оно должно иметь независимые друг от друга каналы изменения угловых скоростей ротора двухстепенного гироскопа и горизонтальной площадки;
4. Для обеспечения устойчивости работы гироскопического устрой­ства при всех возможных режи­мах его работы двухстепенный гироскоп должен иметь свойства апериодического звена системы автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. 

Реализацию гироскопического мето­да создания разрушающих усилий можно проиллюстрировать следующи­ми фактами:
1. Эффективность сдвигового раз­рушения (истирания) твердых материалов подтверждается всем опытом решения проблемы дезинтеграции алмазосодержа­щих кимберлитов. Он показал, что при разработке алмазных месторождений Якутии удалось за счет использования мельниц мокрого самоизмельчения вмес­то шаровых поднять долю добычи очень крупных ювелирных алма­зов до почти 50 %, а гигантских алмазов соответственно до 30 %. Такой результат получен бла­годаря замене процесса ударно­го дробления, который реализу­ют шаровые мельницы, на про­цесс мокрого самоизмельчения (с элементами ударного дробле­ния и истирания). Он убедитель­но доказывает преимущества метода сдвигового разрушения и перспективность машин и меха­низмов, использующих его, в частности, для технического перевооружения обогатительных фабрик по извлечению алмазов из кимберлитовой руды.
2. Эффект замены гравитационных сил гироскопическими для созда­ния усилий разрушения наиболее отчетливо показан на примере работы гироскопической мельни­цы (ГМ), прототипом которой является так называемая терочная мельница. Создаваемая терочной мельницей сила истирания (Fистр = k × N), используемая для разруше­ния твердого материала, зависит лишь от коэффициента трения (k) между горной породой и рабочим органом и значения силы нор­мального давления (N). При этом значение силы нормального дав­ления определяется выражением 
N = P + Fгир = m × g + Fгир
                    (1).
Причем в терочной мельнице в про­цессе измельчения изменять усилие истирания было невозможно, т.к. масса рабочего органа оставалась постоян­ной величиной, а значение гироскопи­ческой силы ограничено из-­за жесткой кинематической связи между вращаю­щимся рабочим органом и осью враще­ния размольного стола. Это положение удалось изменить заменой жесткой кинематической связи на шарнирную, а также введением в конструкцию специ­ального устройства — источника гирос­копической силы. В качестве такого устройства используется, например, цилиндрический маховик, установлен­ный на оси электрического двигателя, а сам двигатель с маховиком имеет воз­можность вращаться вокруг оси, перпендикулярной оси электродвигателя. Вместе они представляют собой двух­степенный гироскоп, который уста­навливается на горизонтальную пло­щадку, вращаемую силовым приводом.

В результате вращения двухстепенно­го гироскопа вокруг вертикальной оси силового привода возникает гироскопи­ческий момент, величина которого определяется моментом инерции махо­вика (J), а также величинами угловой скорости маховика (ω) и угловой скоро­сти вращения горизонтальной площад­ки, на которой установлен гироскоп, вокруг оси силового привода (ὤ), при­чем угол между векторами этих угловых скоростей составляет 90° (Mгир = J × ω × ὤ). Тогда сила нормального давления рабочего органа на горную породу, раз­мещенную на размольном столе, будет
N = P ± Fгир = P ± Mгир/L = P ± J × ω × ὤ/L
                                 (2),
где L — расстояние между осью силового привода и рабочим органом.
Эта формула показывает, что требуе­мое значение силы нормального давле­ния, а, следовательно, и требуемое усилие истирания можно изменять в широчайших пределах именно за счет изменения гироскопических сил, а не веса рабочего органа, который при определенных значениях угловых ско­ростей становится пренебрежимо малой величиной. И в этом смысле гироскопические силы станут альтерна­тивой гравитационным при создании усилий дезинтеграции твердых мате­риалов в терочных мельницах.
3. Кроме того, по сравнению со всеми другими аналогичными гор­ными машинами это конструктив­ное решение позволяет независи­мо изменять значения угловых скоростей ω и ὤ, а, следовательно, и величину силы нормального давления рабочего органа на гор­ную породу, размещенную на раз­мольном столе, и значение усилия истирания в ходе рабочего про­цесса уже в гироскопической мельнице, что позволяет эконо­мить энергию, затрачиваемую на разрушение горных пород. 
4. Далее, существенным недостатком терочной мельницы является то, что при угловой скорости размоль­ного стола, превышающей величи­ну ὤ = 6π рад/с, происходит поте­ря кинематического непрерывного контакта рабочего органа с раз­мольным столом, в результате чего происходит резкое уменьшение угловой скорости его вращения и уменьшение гироскопической силы, при этом устройство перехо­дит в неустойчивый режим ударно­го разрушения горной породы, завершающийся разрушением конструкции самого устройства.

В свою очередь конструкция ГМ с рабочим органом, управляемым гирос­копом, обеспечивает устойчивость работы всего устройства при любых режимах его работы за счет того, что при увеличении силы сопротивления размельчаемой породы перемещению рабочего органа по размольному столу происходит и уменьшение заданной величины угловой скорости рабочей площадки до величины ὤ1, что в свою очередь приводит к уменьшению вели­чины гироскопического момента, а зна­чит и величины гироскопической силы Fд. Тогда бегунок поднимается над раз­мольным столом, а сила сопротивления уменьшается, что обеспечивает увели­чение значения угловой скорости рабо­чей площадки до заданной величины ὤ0. Величина рассогласования значе­ний угловых скоростей рабочей площад­ки Δε сигнализирует о необходимости увеличения этой угловой скорости, при этом гироскопический момент и гирос­копическая сила восстанавливают свое значение, обеспечивая заданный режим истирания горной породы, т.е. с точки зрения теории автоматического регули­рования ГМ является автоматическим устройством с отрицательной обратной связью, которая и обеспечивает его устойчивую работу (рис. 1).
                                                                             
                                                                                                             
Рис. 1. Схема автоматического регулирования ГМ

Таким образом, показанные выше результаты представляют собой науч­ную основу создания гироскопических горных машин для переработки руд и извлечения полезных ископаемых на Земле и ее естественном спутнике, опираясь на которую была разработа­на конструкция гироскопической мельницы — первой в ряду горных машин нового типа (рис. 2), состоящая из следующих основных блоков: 
1. Загрузочный блок, состоящий из загрузочного конуса (поз. 1), поло­го вала (поз. 4) и рассекателя гор­ной породы (поз. 27), обеспечи­вающего загрузку горной породы крупностью не более 10 мм;
2. Блок силового привода, состоя­щий из крышки узла подшипника (поз. 2); держателя подшипника (поз. 3); упорного подшипника (поз. 5); верхней конструктивной площадки (поз. 6); защитной крышки силового электродвига­теля (поз. 7); втулки силового электродвигателя (поз. 8); сило­вого электродвигателя (поз. 9); ведомой шестерни редуктора (поз. 10); ведущей шестерни редуктора (поз. 11); держателя нижнего подшипника (поз. 12); упорного подшипника (поз. 13); крышки нижнего подшипника (поз. 14); средней конструктив­ной площадки (поз. 15), обеспе­чивающих необходимую в зави­симости от крепости горной породы угловую скорость враще­ния блока создания усилий исти­рания;
3. Блок истирания, состоящий из шести маховиков гироскопов (поз. 20); шести электродвигате­лей гироскопов (поз. 21); стойки гироскопа (поз. 22); рабочей пло­щадки (поз. 23); рычага (поз. 24); держателя валка (рабочий орган, поз. 25); валок (поз. 26) (6 штук, образующих три симметричных пары, расположенные от оси гори­зонтальной площадки 23 на рас­стоянии соответственно 0,03, 0,06 и 0,09 м); сетки рабочего стола (поз. 29); основания рабочего стола (поз. 30); корпуса рабочего стола (поз. 31); фиксирующего кольца (поз. 32), обеспечивающих истирание образцов горных пород до 0,04–0,06 мм;
4. Блок разгрузки, состоящий из четырех стоек (поз. 16), разгру­зочного конуса (поз. 33); бункера (поз. 34); нижней площадки (поз. 35); направляющей бункера (поз. 36); направляющей корпуса рабочего стола (поз. 37), обеспе­чивающих складирование дезин­тегрированной горной породы. 

                                                                                                        
                                         

Рис. 2. Схема конструкции экспериментального образца ГМ с загрузкой породы через полый вал вращения рабочей площадки

ГМ работает следующим образом: силовой привод, включающий силовые двигатели 9, ведомую 10 и ведущую 11 шестерни редуктора, закрепленные на полом валу вращения 4, раскручи­вает горизонтальную рабочую площад­ку 23 с установленными на ней валка­ми (рабочий орган) 26 до угловой ско­рости ὤ вокруг вертикальной оси вра­щения, электродвигатели 21 раскручи­вают маховики 20 до угловой скорости ω, направление вектора которой сов­падает с направлением рычагов 24 валков 26. При этом на каждый из шести двухстепенных гироскопа, обра­зованного электродвигателем 21 и маховиком 20 действует гироскопи­ческий момент.

При этом непосредственно на каж­дый из шести валков 11 действует вер­тикальная гироскопическая сила. При этом значение силы истирания, гене­рируемой каждым из шести валков, вычисляется согласно формуле
Fистр = К × Fгир = К × J × ω × ὤ/L, 
где К — коэффициент трения.

Эта формула показывает, что, изме­няя ω и ὤ независимо друг от друга, можно с помощью двухстепенного гироскопа изменять величину гироско­пической силы (Fгир), а, следовательно, силы истирания (Fистр), т.е. силу трения при контактном взаимодействии рабо­чего органа с породой, причем в широ­ком диапазоне значений.

Измельчаемая горная порода 28 через усеченный конус центрального загрузочного устройства 1 попадает через полый вал вращения 4 на рабо­чий стол 29, по которому она равно­мерно распределяется с помощью центрального рассекателя 27. При истирании на рабочем столе 29 поро­да дезинтегрируется и через перфо­рированные отверстия 30 рабочего стола 29, который закреплен в корпусе 31 фиксатором 32, сначала попадает в разгрузочный усеченный конус 33 и далее в бункер 34, установленный на основании 35 с направляющими бун­кера 36 и направляющими рабочего стола 37.

За счет предложенной конструкции рабочего стола и системы подачи гор­ной породы через полый вал вращения значительно уменьшаются габариты и вес ГМ, ее производительность и затраты на электроэнергию.

Схема сил и моментов, реализующих рабочий процесс контактного взаимо­действия между рабочим органом ЛГГМ и породой, приведена на рисун­ках 3 и 4.
                                                                 


Рис. 3. Схема сил и моментов в ГМ (обозначения см. на рис. 1) 

Рис. 4. Схема сил и моментов в ГМ (вид сверху на рабочий стол)

Формула для силы истирания являет­ся функцией шести параметров, три из которых, а именно: масса маховиков, их радиус и расстояние от центра валка до шарнира, являются конструктивными параметрами, два других, а именно: угловые скорости вращения маховиков и рабочей площадки являются техноло­гическими, тогда как коэффициент тре­ния определяется физическими свойс­твами породы и материала рабочего органа. Эти шесть параметров опреде­ляют и шесть способов управления значением силы трения, но если физические и конструктивные параметры ГМ невозможно изменять в процессе контактного взаимодействия, то техно­логические легко изменяются за счет изменения скоростей вращения элект­родвигателей рабочей площадки и гироскопов, и осуществляется простым изменением подводимого к ним элект­рического напряжения. 

Это свойство ГМ важно, когда прихо­дится разрушать горные породы с раз­личными физико­-механическими свойс­твами. При этом на процесс разруше­ния затрачивается именно столько энергии, сколько требует конкретная горная порода, т.е. ГМ является энерго­сберегающей горной машиной для раз­рушения пород любых физико­-механи­ческих свойств. Кроме того, возмож­ность регулирования ГМ без ее оста­новки позволяет при этом регулировать производительность этой горной маши­ны в зависимости от конкретных пот­ребностей горного производства.

Что же касается конкретных значений диапазонов изменения значений угло­вых скоростей гироскопов и рабочей площадки, то современные обычные электродвигатели имеют максимальные значения числа оборотов порядка 40000 об/мин, что соответствует угло­вой скорости порядка 4000 с­1, т.е. использование таких двигателей позво­лит увеличить угловую скорость враще­ния гироскопа в 10 раз по сравнению с аналогичным значением для экспери­ментального образца ГМ, а для угловой скорости рабочей площадки — в 100 раз, что, в свою очередь увеличит зна­чение гироскопической силы, а значит и усилия при контактном взаимодей­ствии, почти в 1000 раз при тех же габа­ритах и весе, что и у экспериментально­го образца ГМ (рис. 5).
                                                                                                       
                                         

Рис. 5. Внешний вид экспериментального образца ГМ с загрузкой породы через полый вал вращения горизонтальной площадки

В ИПКОН РАН создан и испытан лабо­раторный образец ГМ производитель­ностью 23 кг/ч, которая при весе всего 5 кг, потребляя 75 Вт электрической энергии постоянной тока, истирает образцы горной породы от угля до квар­ца крепостью от 2 до 7 единиц по шкале М.М. Протодьяконова и размером до 10 мм. Значение достигнутого результа­та иллюстрируют сравнительные данные по всему перечню параметров серийно выпускаемых дисковых измельчителей (ИД) и экспериментального образца ГМ, представленные в таблице 1.

Параметры	ИД-130	ИД-175	ИД-250	ЛДИ-65	ГМ
Исходная крупность породы, мм	до 3	до 10	до 10	до 2	до 10
Конечная крупность породы, мм	0,044	0,05	0,08	0,05	0,06
Q, кг/ч	8	20	40	1	23
N, кВт	1,1	1,5	5,5	0,37	0,075
m, кг	55	80	160	17	5
Э = Q/N, кг/ч/кВт	7,3	13,3	7,3	2,7	306
Эуд = Э/m, кг/ч/кВт/кг	0,13	0,17	0,045	0,16	62

Табл. 1. Сравнительные данные по всему перечню параметров серийно выпускаемых дисковых измельчителей (ИД) и экспериментального образца ГМ

Данные, представленные в таблице показывают, что эффективность работы (Э) ГМ в 23 раза больше, чем у дисковых истирателей аналогичного назначения.

Использование в конструкции двига­телей постоянного тока диктуется отсутствием на Луне, по крайней мере, в начальный момент ее промышленно­го освоения, источников трехфазного переменного тока. 

Известно, что по разным оценкам на северном и южном полюсах естествен­ного спутника Земли содержится не менее 1,6 млрд т воды в виде льда, которая может стать источником для производства экологически чистого водородо-­кислородного ракетного топ­лива. Кроме того, в лунном грунте (реголите) содержится значительное количество титана, железа и редкоземельных металлов, пригодных для создания многих элементов космичес­ких кораблей и постоянных лунных поселений, а также содержатся гро­мадные запасы гелия­-3 — основы буду­щей термоядерной энергетики, как для Луны, так и Земли. 

В далеком будущем полномасштабное освоение Луны позволит превратить ее в промежуточный космопорт для полетов на астероиды, Марс и другие планеты солнечной системы. Однако реализация этих лунных технологий по добыче полезных ископаемых возможна только при наличии на ее поверхности постоян­ных лунных поселений, которые будут построены сначала в роботизированном варианте, а потом и с непосредственным участием людей. Для этого не придется завозить на Луну строительные материа­лы, потому что в его качестве можно использовать тот же лунный грунт (рего­лит), который, благодаря его физичес­ким свойствам, позволит защитить людей в этих поселениях от жесткого космического излучения, космического холода и метеоритов при минимальных затратах электрической энергии, получа­емой от солнечных батарей.

Для строительства постоянных посе­лений в роботизированном варианте отлично подходит технология строи­тельства 3D­-печати, для реализации которой предлагается создать роботизированный строительный комплекс, в состав которого войдут роботизиро­ванная ГМ, погрузчик (мехлопата) и 3D­строительный принтер.

При этом погрузчик используется для забора и транспортировки реголи­та к загрузочному устройству ГМ. В ГМ он проходит предварительную обра­ботку до такого фракционного размера, который необходим для оптимальной работы 3D­принтера, и с помощью того же погрузчика доставляется в его печа­тающую головку.

Сама печатающая головка строи­тельного принтера устанавливается, например, на консольной или мостовой кран­-балке, размещенной непосред­ственно на посадочном модуле прилунившегося космического аппарата.

Оценочные расчеты, проведенные в ИПКОН РАН, показывают, что ГМ произ­водительностью 1 т/ч будет иметь раз­меры в диаметре не более 0,5–0,7 м, высоту 0,8–1 м и вес не более 200 кг при потребляемой мощности не более 1–1,3 кВт и с эффективностью не хуже 0,3 т/кВт.ч. Габариты и весовые данные пог­рузчика и 3D-принтера сравнимы с весовыми параметрами ГМ или ниже их, и вместе они не превысят вес «Лунохода-­1», доставленного на поверх­ность Луны еще в 1970 г. При этом надежным источником электропитания станут, конечно, солнечные батареи со специализированной автономной элект­ромеханической системой, которые считаются одним из самых надежных и достаточно хорошо отработанных вари­антов обеспечения энергией различных объектов и космических аппаратов. 

Все это позволит в условиях дефици­та энергии, в щадящем режиме всего за 10–14 дней построить без вмеша­тельства человека в роботизированном варианте на поверхности Луны опыт­ную лунную базу в виде ангара разме­ром в плане 6х3 м и высотой не менее 2,5 м, и толщиной стен не менее 1,5 м.

Выводы

1. Создан принципиально новый метод дезинтеграции горных пород на основе нового физичес­кого принципа создания и регу­лирования усилий истирания за счет использования гироскопи­ческих сил и дано его научное обоснование. 
2. Эффективность гироскопического метода создания разрушающих усилий доказана всем опытом освоения алмазных месторожде­ний Якутии, использованием гироскопических сил в качестве альтернативы силам гравитации, что позволяет существенно умень­шить вес и габариты гироскопи­ческих горных машин и обеспечи­вает дистанционное управление ими и устойчивость их работы при всех режимах работы.
3. Разработана конструкция гироско­пической машины, испытан ее лабораторный образец производи­тельностью 23 кг/ч, которая при весе всего 5 кг, потребляя 75 Вт электрической энергии постоянно­го тока, истирает образцы горной породы крепостью от 2 до 7 единиц по шкале М.М. Прото дьяко нова и размером до 10 мм с эффектив­ностью не ниже 0,3 т/кВт.ч.
4. Предложен проект роботизирован­ного строительного комплекса для создания постоянных поселений на Луне в составе роботизированных ГМ, погрузчика (мехлопаты) и 3D-­строительного принтера, кото­рые при общем весе 600–800 кг всего за 10–14 дней построят в роботизированном варианте на поверхности Луны опытную базу в виде ангара размером в плане 6х3 м и высотой не менее 2,5 м, и толщиной стен не менее 1,5 м.