авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Обоснование конструктивных и силовых параметров ножевых исполнительных органов геоходов

На правах рукописи

Садовец Владимир Юрьевич ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ НОЖЕВЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ГЕОХОДОВ Специальность 05.05.06 – «Горные машины»

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово – 2007 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высше го профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»

Научный консультант:

доктор технических наук Аксенов Владимир Валерьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Маметьев Леонид Евгеньевич кандидат технических наук Герике Павел Борисович ОАО «Кузниишахтострой» Ведущая организация

Защита диссертации состоится 1 марта 2007 г. в 15 часов на заседании дис сертационного совета Д 212.102.01 в Государственном образовательном учрежде нии высшего профессионального образования «Кузбасский государственный тех нический университет», по адресу:

650026, г. Кемерово ул. Весенняя, Факс: (3842) 36-16-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образо вательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» Автореферат разослан «_» января 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.Г. Каширских

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. По оценке Академии менеджмента и рынка, а также Агентства международного развития приоритетных технологий на 2000-2020 гг.

способы и решения в части сооружения подземных магистралей, автотрасс и же лезных дорог являются особо важными по группе «Использование подземного пространства».

Сооружение подземных магистралей, а также проведение на небольших глу бинах различного расположения в подземном пространстве подготовительных горных выработок, ведутся в слабых, неустойчивых, сыпучих породах.

Для проходки горизонтальных подземных выработок на малых глубинах в неустойчивых породах традиционно применяются проходческие щиты, которые обладают рядом существенных недостатков.

Перспективным направлением в решении проблемы проведения горизон тальных и наклонных выработок в неустойчивых породах является развитие но вого класса горнопроходческой техники – геоходов.

Геоход – аппарат, движущийся в подземном пространстве с использованием геосреды. В этих машинах реализуется принципиально новая идея использования окружающего массива горных пород – включение геосреды в процесс движения проходческого оборудования. В основу проходки горных выработок с использо ванием геоходов заложен процесс движения твердого тела (проходческого обору дования) в твердой среде.

В настоящее время ведутся разработки опытных образцов геоходов, и одним из препятствующих факторов является отсутствие исполнительных органов, адап тивных для работы в слабых и неустойчивых породах (наносы, сыпучие породы).

Поэтому работа, направленная на обоснование конструктивных решений и силовых параметров ножевых исполнительных органов нового класса горнопро ходческой техники – геоходов, является актуальной.

Цель работы – обоснование конструктивных решений ножевых исполни тельных органов геоходов и разработка методики расчета их силовых параметров.

Идея работы заключается в согласовании параметров разрабатываемого но жевого исполнительного органа с параметрами внешнего движителя геохода для включения в процесс разрушения пород забоя окружающей геосреды (приконтур ного массива пород).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать функционально-конструктивную модель геоходов.

2. Сформулировать требования к исполнительным органам геоходов для не устойчивых пород и разработать конструктивные решения ножевых исполни тельных органов геоходов.

3. Разработать модель взаимодействия ножевых исполнительных органов ге оходов с геосредой и методику расчета их силовых параметров с учетом функци онально-конструктивных особенностей различных вариантов конструктивных решений.

4. На основе математических моделей динамики движения геохода выявить наиболее опасный случай нагружения исполнительного органа при формирова нии неординарных параметров усилий перемещения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе ис пользовался комплекс методов, включающий:

- метод структурной систематизации горнопроходческих систем;

- теории механического разрушения горных пород и резания грунтов;

- метод программирования с использованием программного пакета MS Ex cel;

- методы математического моделирования и вибродиагностики.

Научные положения, выносимые на защиту:

- структурный портрет геоходов, представляющий собой функционально конструктивную модель нового класса горнопроходческой техники и являясь базовым инструментом для анализа известных решений, позволяет синтезиро вать новые конструктивные решения проектируемого оборудования;

- методика расчета, базирующаяся на разработанной модели взаимодей ствия ножевого исполнительного органа геохода с геосредой, позволяет опре делять его силовые параметры, учитывая функционально-конструктивные осо бенности различных вариантов конструктивных решений;

- геометрические параметры геликоида (l – длина радиального ножа, i – угол под которым расположена каждая i-тая точка ножа), по форме которого вы полняется профиль радиального ножа исполнительного органа геохода, зависят от параметров внешнего движителя (rг – радиус головной секции геохода, hв – шаг винтовой лопасти, - угол подъема винтовой лопасти) и являются индивидуаль ными для каждого типоразмера геохода;



- динамическая модель вынужденных колебаний оси вращения геохода, ос новываясь на которой можно заранее получить правила проведения и трактовки результатов вибродиагностики без поиска аналогий для оригинальной по кон струкции машины, позволяет моделировать значимо различающиеся режимы ре зания и нагружения рабочего органа.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и ре комендаций, сформулированных в диссертационной работе, обеспечиваются корректностью допущений при разработке методики расчета силовых парамет ров исполнительного органа геоходов;

гарантируются использованием фунда ментальных положений механики, прикладной математики, динамики машин, теории резания и расчета деталей машин;

доказываются сходимостью с резул ь татами вибродиагностики.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- разработан интегральный подход и его реализация - структурный портрет геоходов, базирующийся на принципах функционального и конструктивного подходов к структурной систематизации горнопроходческого оборудования;

- получены расчетные зависимости для определения силовых параметров ножевых исполнительных органов геоходов различных конструктивных реше ний с учетом активного характера взаимодействия их с геосредой;

- разработана динамическая модель перемещения геохода, позволяющая на основе использования полной группы структурных моделей привода заранее по лучить все возможные виды пульсаций скорости движения;

- использованы принципы вибродиагностики по отношению к системе при вода геоходов, позволяющие моделировать значимо различающиеся режимы ре зания и нагружения рабочего органа.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

- с помощью предложенного подхода к структурообразованию горнопро ходческих систем имеется возможность синтезировать конструктивные реше ния создаваемого класса горнопроходческих машин, его функциональных устройств и конструктивных элементов;

- методика определения силовых параметров позволяет производить рас чет ножевого исполнительного органа геохода, учитывая многообразие воз можных конструктивных решений;

- разработанная компьютерная программа позволяет обеспечить выбор и расчет силовых параметров для различных вариантов ножевого исполнитель ного органа.

Личный вклад автора заключается:

- в формировании интегрального подхода к разработке структурного порт рета нового класса горнопроходческой техники;

- в обосновании и синтезе новых конструктивных решений ножевого ис полнительного органа геохода;

- в разработке модели взаимодействия ножевого исполнительного органа геохода с геосредой;

- в разработке методики расчета силовых параметров ножевого исполни тельного органа при возможных конструктивных решениях;

- в создании компьютерной программы для расчета силовых параметров ножевого исполнительного органа;

- в разработке правил моделирования особенностей кинематики и движе ния геохода на основе принципов вибродиагностики дефектов машин.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы до кладывались и получили одобрение на: II областной научной конференции «Молодые ученые - Кузбассу» (г. Кемерово, 2003 г.);

Международной научно практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые под ходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2004 г.);

ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического универси тета (Кемерово, 2003-2006 г.);

на областной научно-практической конференции «Исследовательская и инновационная деятельность учащейся молодежи: про блемы, поиски, решения», посвященная 50-летию СО РАН (г. Кемерово, г.);





XI Международной научно-практической конференции «Природные и ин теллектуальные ресурсы Сибири» СИБРЕСУРС 2006 (Кемерово 2006 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 печатных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 139 страницах машино писного текста, содержащих 65 рисунка, 16 таблиц, список литературы из наименований и 2 приложений на 15 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Горнопроходческая техника и методы ее структурной систематизации Разработке и совершенствованию горнопроходческого оборудования по священы работы Н.С. Гудилина, Л.И. Чугреева, Я.И. Базера, Б.С. Евсеева, Г.Н.Архипова, В.Х. Клорикьяна, В.В. Ходоша, Н.А. Малевича, С.М. Эткина, В.М.

Симоненко, Л.Е. Маметьева и других. Проведение горной выработки рассматри вается ими как процесс образования полости в подземном пространстве.

Развитие существующих классов горнопроходческого оборудования в ос новном идет по пути увеличения энерговооруженности и дополнительного навес ного оборудования для совмещения основных операций проходческого цикла.

Это приводит к увеличению массы и габаритных размеров проходческих систем и, как следствие, уменьшению маневренности, увеличению металлоемкости и стоимости проходческого оборудования.

В отличие от традиционного представления о проведении горной выработки, как процесса образования полости в подземном пространстве, существует альтер нативный подход, который рассматривает проходку горной выработки как про цесс движения твердого тела (горнопроходческого оборудования) в твердой среде (окружающий массив горных пород). Разработке второго подхода, созданию геовинчестерной технологии проведения горной выработки и ее базового элемен та – геохода, посвящены работы В.В. Аксенова, В.Ф. Горбунова, А.Ф. Эллера. Ге оходы предназначены для проходки горных выработок различного назначения и расположения в подземном пространстве.

Одна из ранее разработанных этим коллективом авторов конструктивных схем геохода представлена на рис. 1.

2 Рис. 1. Принципиальная конструктивная схема геохода 1 – исполнительный орган;

2 – головная секция;

3 – внешний движитель геохода (винтовая ло пасть);

4 – хвостовая секция;

5 – гидродомкраты вращения;

6 – роторный погрузчик.

6 В настоящее время ведутся работы по созданию экспериментальных образ цов нового поколения геоходов. Наиболее остро стоят задачи разработки вариан тов конструктивных и схемных решений исполнительных органов (ИО) геоходов, а также разработки методики расчета их силовых параметров.

Традиционно, в практике горных и строительных работ для разрушения по род крепостью f1 по шкале проф. М.М. Протодьяконова используются ножевые ИО землеройных машин. Разработке конструктивных решений и расчету силовых параметров ножевых ИО посвящены работы В.П. Горячкина, А.Н. Зеленина, В.И. Баловнева, Ю.А. Ветрова.

Проходческая система в целом имеет достаточно сложную структуру, состо ящую из некоторого числа функциональных устройств и элементов, которые по средством технологических, кинематических и конструктивных связей взаимо действуют друг с другом.

Основным инструментом для анализа и синтеза новых конструктивных и схемных решений горнопроходческого оборудования традиционно используется метод структурной систематизации. Созданию структурной систематизации по священы работы В.И. Солода, В.И. Бунина, В.Ф. Горбунова, Г.Ш. Хазановича, В.В. Ленченкова, А.Ф. Эллера, В.М. Скоморохова, Ю.Д. Григоренко, Э.Ю. Воро новой и других.

Разработанные ими структурные формулы, базирующиеся на функциональ ном подходе к структурообразованию проходческого оборудования, были и оста ются хорошим инструментом для модернизации существующих типов горнопро ходческих систем. В то же время, новый создаваемый класс горнопроходческих машин – геоходы, уже невозможно структурировать методами, предлагаемыми этими авторами. Введение дополнительных операций, новых функциональных элементов и устройств, использование геосреды для движения, дает увеличение содержания структурных формул, что делает их сложными для восприятия. Кро ме того, при таком подходе невозможно анализировать и синтезировать конструк тивные решения для горнопроходческих машин.

Выявленные новые пути развития горнопроходческого оборудования, а так же проведенный анализ методов проектирования проходческих систем, позволил сформулировать цель и поставить задачи исследования.

Глава 2. Синтез конструктивных решений ножевых исполнительных органов геоходов Для проведения структурной систематизации нового класса горнопроходче ской техники представляется возможным и необходимым объединить два подхода – функциональный и конструктивный, а структурную схему геохода изображать в виде окружности, разбитой на сектора. Каждый сектор обозначает технологиче скую операцию или функциональную машину. Такое представление структурной схемы предложено называть структурным портретом геохода (рис. 2), а сектор, соответственно – фрагментом структурного портрета.

Структурный портрет – это представленные в виде символов функциональ ные устройства и конструктивные элементы геохода, расположенные в соответ ствии с занимаемым уровнем иерархии по круговым секторам.

С целью лучшего понимания и восприятия структурного портрета горнопро ходческой системы для выделенных функциональных устройств и элементов ге охода введено символьное обозначение.

В центре располагается символ, обозначающий базовую операцию - переме щение. Удаляясь от центра к периферии, на круговых сегментах, фрагментах структурного портрета, располагаются буквы, обозначающие основные техноло гические операции, а также символы, которым присвоено значение функциональ ных устройств и элементов.

А А d b db с dx rг b b x В У r К О П Рис. 3. Схема ножевого ис Рис. 2. Структурный портрет горно- полнительного органа проходческой системы Введение дополнительных технологических операций и новых функцио нальных элементов удобно показывать в виде вновь образуемых дополнительных круговых сегментов.

Своеобразный характер перемещения геохода на забой, диктуемый внешним движителем, обуславливает формирование сложной формы поверхности не толь ко самого забоя, но и, как следствие, необходимость задания соответственной формы ИО. Поверхность забоя при разрушении его ИО геохода имеет вид не скольких геликоидных поверхностей с уступами.

Любая точка ножа, расположенная на расстоянии х (рис. 3) от оси вращения геохода, перемещается на забой под углом:

x arctg hB 2x, (1) где hB – шаг винтовой лопасти внешнего движителя, м.

Точки ножа, находящиеся ближе к оси вращения геохода перемещаются на забой под большим углом, чем точки, находящиеся на периферии ножа (рис. 4, а).

Таким образом, при винтовом перемещении ножевого ИО на забой точки ради ального ножа образуют геликоидную (винтовую) поверхность. Следовательно, участок поверхности забоя в секторе между смежными радиальными ножами по сле их прохода будет принимать вид винтовой поверхности.

hв,м hв,м hв hв hв опт x х L,м L,м r0 2rг х 2rг 2rг а б Рис. 4. Направление движения точек ножа ИО геохода в зависимости:

а – от расположения на радиальном ноже;

б – от типоразмера геохода.

Кроме того, если при каком-то оптимальном угле наклона винтовой лопасти внешнего движителя (опт) увеличить радиус головной секции геохода, то любая точка, находящаяся на расстоянии х от центра геохода, должна будет проходить за один оборот расстояние hв2 отличное от hв1, при этом угол наклона 2 будет отли чен от 1 (рис. 4, б). Геометрические параметры геликоида, по форме которого выполняется профиль радиального ножа ИО геохода, зависят от параметров внешнего движителя (rг – радиус головной секции геохода, hв – шаг винтовой ло пасти, - угол наклона винтовой лопасти.) и являются индивидуальными для каждого типоразмера геохода.

Высота формируемого уступа h зависит от шага винтовой лопасти и количе ства радиальных ножей установленных на ИО геохода h hB n, где n – количе ство радиальных ножей исполнительного органа.

На основе анализа работы геохода, сформулированы основные требования к ножевым ИО геохода:

- ИО должен обеспечивать процесс разрушения пород крепостью f1 по шкале проф. М.М. Протодьяконова.

- Должно обеспечиваться перемещение ИО геохода на забой в неустойчивых породах.

- Работа ИО должна осуществляться в строгом соответствии с характером и па раметрами подачи геохода на забой.

- ИО должен обеспечивать продвижение геохода за один оборот на шаг винто вой лопасти.

- ИО должен разрушать забой на полное сечение проводимой выработки за один оборот головной секции.

- Должна обеспечиваться возможность непрерывного перемещения геохода на забой.

- Должно быть обеспечено одновременное формирование и разрушение усту пов на поверхности забоя выработки.

- Должна быть обеспечена возможность замены ножевого ИО на ИО для раз рушения более крепких пород.

- Для предотвращения вывалов, перепуска породы из кровли и бортов выработ ки, а также из груди забоя, должна быть предусмотрена возможность монтажа ограждающей оболочки (диафрагмы) непосредственно у поверхности забоя.

- Поверхности ножей ИО и диафрагмы должны быть конструктивно согласова ны и иметь вид геликоидов.

- ИО должен обеспечивать маневренность геохода на трассе выработки.

- Должно быть обеспечено нарезание винтового канала за контуром проводи мой выработки одновременно с разрушением пород забоя.

Существующие породоотделяющие органы проходческих машин ни кон структивно, ни функционально не соответствуют предъявляемым к ИО геохода требованиям, что обуславливает необходимость разработки принципиально но вых конструктивных решений ИО геохода.

Для синтеза конструктивных решений по ИО геохода, рассмотрена техноло гическая операция отделения горной массы.

В структурном портрете геохода под операцию отделения горной массы вы делен соответствующий сектор с набором функциональных устройств и функци онально-конструктивных элементов. Для полного представления структуры ИО введено символьное обозначение конструктивных элементов последнего.

На основе сформированных структурных портретных сегментов, основанных на функционально-конструктивном подходе, разработано около 200 вариантов конструктивных решений ножевых ИО геохода, некоторые из которых пред ставлены в таблице.

Таблица Примеры конструктивных решений ножевого ИО геохода № Фрагмент струк- Особенности Принципиальная схема пп турного портрета Область применения Четырехлучевой ножевой ИО.

Два винтореза. Забурник.

Не имеет собственного привода.

Область применения. Сыпучие и О мягкие породы крепостью f1 по П шкале проф. Протодьяконова Четырехлучевой ИО с резцами.

Один винторез. Забурник.

Область применения. Слабые и мяг кие породы крепостью f1 по шкале О проф. Протодьяконова П Глава 3. Определение силовых параметров ножевого исполнительного органа геохода Вся сила блокированного резания простым острым ножом по Ю.А.Ветрову (рис. 5) определяется выражением:

Pср mсв bh 2mбокh 2 2mбок.ср h, (2) mсв bh - сила преодоления лобового сопротивления ножом;

2mбокh 2 - вся сила разруше где ния грунта в боковых расширениях прорези, Н;

2mбок.ср h - вся сила бокового среза;

- коэф фициент, учитывающий влияние угла резания;

mсв - удельная сила резания для преодоления сопротивления грунта передней гранью при угле резания 45 0, Н/м2;

b - ширина ножа, м;

h глубина резания, м;

mбок - коэффициент, характеризующий силу разрушения грунта в боковых частях прорези, Н/м ;

mбок.ср - коэффициент, характеризующий удельную силу среза одним из боковых ребер ножа, Н/м.

Проекции составляющей силы сопротивления породы резанию, зависящей от ширины среза, на ось вращения и плоскость, перпендикулярную оси вращения ге охода (рис. 6), а также момент сопротивления резанию от этой составляющей для элементарных площадок острого ножа соответственно равны:

dPо.св sin x dPсв cos x dN св ;

(3) dRи.о.св cos x dPсв sin x dN св ;

(4) dМ и.о.св xdRи.о.св, (5) где dРсв тсв hdx cos ;

dN св ctg ТР тсв hdx cos ;

где - угол резания, град;

Рсв – вся сила блокированного резания, Н;

N - нормальная сила резания, Н;

Р р и РN - реактивные составляющие силы резания, Н;

РО – общее осевое усилие, Н;

RИ.О – усилие, действующее в плоскости, перпендикулярной оси вращения геохода, Н.

Рбок Рбок Кбок h Рсв h b Рбок. ср Рбок. ср Рис. 5. Схема действия сил при блоки рованном резе простым ножом После несложных математических преобразований были получены выраже ния для определения полной проекции силы сопротивления грунта резанию на ось вращения геохода и плоскость, перпендикулярную оси вращения, а также полный момент сопротивления резанию sin 2 sin 1 ctg tg mсв hB Ро ln тр 2 cos tg 1 sin 2 sin 1 (6) cos тр 1 cos тр h hB mбок B mбок.ср ;

sin тр n tg sin 2 sin ctg тр ln mсв hB Rи.о 2 cos sin 2 sin 1 tg (7) sin тр 1 sin тр h hB mбок B mбок.ср ;

sin тр n sin 2 sin tg cos 1 cos 2ctg тр mсв hB M и.о ln 2 sin 2 sin 8 cos n tg 2 sin 1 sin 2 (8) r sin тр 1 rо sin тр h hB mбок B mбок.ср г, sin тр n где - угол наклона радиального ножа к плоскости, перпендикулярной оси вращения геохода, град;

тр - угол трения, град;

1 - угол между траекторией резания и площадкой износа или нижней частью поверхности грунтового нароста, град.

Аналогично получены зависимости для ножей, имеющих площадку износа.

Зависимости позволяют определить проекции составляющих силы резания на ось геохода (1) и плоскость перпендикулярную оси геохода (2), а также момент силы сопротивления резанию (3).

Р’р РСВ Р’ср Р’N N’ср RИ.О. rг О РО Р’ср РN NСВ РР Р’р Рис. 6. Расчетная схема к опреде Рис. 7. Расчетная схема к определению полной силы лению полной силы сопротивле сопротивления грунта резанию винторезом ния грунта резанию ножевым ис полнительным органом Для ножевого ИО, имеющего зубья (схема 2, таблица 1), сила резания на зубьях определяется выражениями:

n n n Ро рсвi Fсвi Аi pбок Fбокi Аi pбок.ср Lбок.срi Аi ;

з (9) i 1 i 1 i n n n Rиз.о рсвi Fсвi Вi pбок Fбокi Вi pбок.ср Lбок.срi Вi ;

(10) i 1 i 1 i n n n М из.о рсвi Fсвi хi Вi pбок Fбокi хi Вi pбок.ср Lбок.срi хi Вi, (11) i 1 i 1 i где Аi sin i ctg i cos i и Вi cos i ctg i sin i ;

где п - количество зубьев на одной радиальной штанге;

хi - расстояние от оси вращения ге охода до каждого i–го зуба, м;

Fсвi, Fбокi, - частные площади, м2;

Lбок.срi, Lпл.изнi - частные длины линий среза, м;

рсвi, pбок - частные удельные силы резания, Н/м 2;

pбок.ср - частная удельная сила резания, Н/м.

Аналогично получены зависимости для зубьев, имеющих площадку износа.

Получены расчетные зависимости для определения сил резания для винто резов (рис. 7):

Pов кt sin mсвb 2mбокt mбок.ср ;

(12) Rи.о кt cos mсв b 2mбокt mбок.ср ;

в (13) М и.ои.о.св кt rг cos mсвb 2mбокt mбок.ср, t в (14) где - угол наклона винтовой лопасти, град;

b - ширина резания винторезом, м;

rг - радиус головной секции без высоты винтовой лопасти, м;

rг t 2 - расстояние от центра вращения геохода до точки приложения силы Pсв, м;

t – глубина резания, м;

к – число винторезов.

Аналогично получены зависимости для винторезов, имеющих площадку из носа.

Полученные в этой главе аналитические выражения позволяют определить основные силовые параметры: ножей ИО геохода, как оснащенными зубьями, так и без них;

винтореза, нарезающего винтовой канал за контуром выработки.

Общие осевое усилие, а также общий момент сопротивления породы реза нию, определяются выражениями:

Для ножевого ИО Для ножевого ИО с зубьями в з в Ри.о.общ nРо кРо ;

Ри.о.общ nРо кРо ;

(15) (18) в R.и.о.общ nRиз.о кRи.о ;

в R.и.о.общ nRи.о. кRи.о ;

(16) (19) в M и.о.общ nМ из.о кМ и.о. (20) в M и.о.общ nМ и.о кМ и.о. (17) Полученные выражения для определения силы резания на ножевом ИО для различных вариантов конструктивных решений позволили построить зависимости проекций силы резания от геометрических параметров геохода.

Ро, кН;

Rи.о, кН;

Ми.о, кНм. RИО МИО РО, град 2 4 6 8 10 12 14 16 18 - Рис. 8. Зависимости проекции полной силы сопротивления породы резанию на ось вращения геохода и плоскость, перпендикулярную этой оси, а также момента сопротивления резанию от угла подъема винтовой лопасти На графике (рис.8) проекция силы сопротивления породы резанию на ось вращения геохода РО отрицательна вследствие преобладания нормальной состав ляющей силы резания над силой блокированного резания, а вектор направлен в массив горных пород. Было выявлено, что при изменении угла подъема винто вой лопасти в интервале 2 0 180 осевая составляющая силы резания имеет отрицательное значение, следовательно, создается дополнительная сила тяги.

Глава 4. Динамические процессы и нагрузки, формирующиеся в рабочих режимах геохода Отличительной особенностью геоходов является дискретно работающий привод поворота корпуса с периодом T 2 при помощи k домкратов. Про явление дефектов в механизме распознается по возникновению составляющих колебаний с высшими частотами, при m n. Устойчивое формирование этих гармоник указывает на переход динамической системы в иные состоя ния, что определяет набор из 11 расчетных случаев.

Для определения числа и типов вариантов реализации динамических си стем использованы результаты метода диагностики состояния уникальных объ ектов, разработанного в ИУУ СО РАН. Моделями видов состояния являются структурные схемы и соответствующие передаточные функции механизмов с дефектами. В отличие от ординарного типа (рис. 9) обсуждается, например, из менение числа степеней свободы (рис. 10).

Рис. 9. Простейшая схема системы с 2-мя степенями свободы Рис. 10. Схема системы с 1,5 степенями свободы Последний вариант может быть представлен передаточной функцией вида 1 YII ( s) (2 ) 4 2sT 22. (21) s T (2m ) s T (2n ) 2 2 Для каждого варианта состояния рассмотрено решение относительно линей ной окружной скорости и численно промоделировано влияние параметров m и n.

Так в частности, выявлен наиболее опасный режим №3 (рис. 11), отличающийся высокой амплитудой и поворотом гармоник по фазе относительно модели №1 на.

(4 )2 V0 2 mt 2 nt V3 (t ) cos T cos T. (21) n 2 m2 График такой пульсации представлен на рис. 12.

Решение модели вида 8 2 mt 1 2 nt V10 (t ) V0 sin 2 1 cos, (23) T n m T проиллюстрирована на рисунке 13 и отличается наибольшей устойчивостью, что позволяет считать ее моделью нормального (ординарного) вида состояния.

Сравнение графиков позволило заключить, что критический тип дефектов может на участках траектории движения породить повышение окружной скорости в 5 раз.

В работе показано, что для расчета динамических нагрузок f (t ) ранее обос новано применение феноменологической модели вязко-упругого взаимодействия «инструмент-забой» t df (t ) v(t )dt v(t ), f (t ) (24) dt ;

– вязкость, Нс где – постоянная времени, с;

– жесткость, Н.

м м При постоянной скорости резания v(t ) V const реакция забоя в пределах отдельного импульса разрушения описывается выражением:

t f (t ) V t ( ) 1 exp, 0 t TСК. (25) Следовательно, отмеченное изменение окружной скорости вызовет пропор циональное увеличение нагрузки на фрагменте в 5 раз. Вероятность этого являет ся обоснованием актуальности моделирования проявлений дефектов.

Рис. 11. Характер наиболее опасных пуль- Рис. 12. Наиболее опасные колебания маши саций при развитии дефектов ны относительно оси выработки Рис. 13. Простые гармонические колебания в вырожденном типе системы с одной степенью свободы Проекции окружной скорости дают возможность оценить характер колеба ний машины, формируемых относительно оси выработки. Промоделированы все устойчивые варианты влияния дефектов, что позволило выявить наиболее опас ный режим.

Изучен характер изменения траектории движения геохода в плоскости пер пендикулярной к оси выработки t t X (t ) VX (t )dt;

Y (t ) VY (t )dt. (26) 0 Для расчетов представляет особый интерес режим наиболее сильных коле баний (рис. 14), который может сформироваться при модели третьего типа 4 V0T 1 2 (m 1)t 2 (m 1)t X 3 (t ) sin sin n m m 1 m 1 T T ;

(27) 4 V0T 1 2 (n 1)t 2 (n 1)t 2 sin sin n m2 n 1 n T T 4 V0T 1 2 (m 1)t 2 (m 1)t Y3 (t ) 1 cos 1 cos n m m 1 m 1 T T. (28) 4 V0T 1 2 (n 1)t 2 (n 1)t 2 1 cos 1 cos n m2 n 1 n 1 T T Установлено, что при передаче движения от силовых домкратов к головной секции машины происходит изменение частот колебаний оси геохода на (m 1), (m 1), (n 1) и (n 1).

Рис. 14. Важнейший случай колебаний машины для исследования устойчивости относительно оси выработки (модель №3) Окончательным результатом исследования и моделирования особенностей колебаний машины относительно оси выработки являются замкнутые.

Модели представлены в общем виде, но для иллюстрации использована схе ма привода с четырьмя домкратами поворота.

Из всего многообразия для исследования выбран тип траектории, возникаю щей при дефекте, описанием которого является модель №3 (рис. 15). Для сравне ния приведены типичные формы колебаний, описанием которых является модели №7 и №10 (рис. 16).

Коэффициент, учитывающий влияние динамических погрешностей привода на силовые параметры ножевого ИО геохода, названный коэффициентом запаса, будет равен оо 1. (29) Согласно методике расчета сил резания по опытным коэффициентам, примем коэффициент запаса 4.

Рис. 15. Модель №3 наиболее сильных Рис. 16. Типичная форма колебаний при моделях №7 и № колебаний машины Тогда для ИО оснащенного радиальными ножами, имеющего один нож, нарезающий винтовой канал, и забурник составляющие силы резания и момент сопротивления будут равны:

Для ножевого ИМ Для ножевого ИМ с зубьями Ри.о.общ nРо кРо ;

Ри.о.общ nРо кРо ;

в з в (30) (33) R.и.о.общ nRи.о. кRи.о ;

(34) R.и.о.общ nRиз.о кRи.о ;

в в (34) M и.о.общ nМ и.о кМ и.о. (32) M и.о.общ nМ из.о кМ и.о. (35) в в Заключение Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложе ны научно обоснованные конструктивные решения ножевых исполнительных ор ганов нового класса горнопроходческой техники, что вносит существенный вклад в горное машиностроение и экономику страны.

Основные результаты и выводы сводятся к следующему:

1. Объединение функционального и конструктивного подходов к структур ной систематизации позволило создать функционально-конструктивную модель и получить структурный портрет геохода, который обосновал необходимость вве дения новых функционально-конструктивных устройств и элементов, а также определить направления и сформулировать требования к созданию исполнитель ных органов для сложных горнотехнических условий. Основываясь на структур ном портрете геохода было наработано 200 конструктивных решений ножевого исполнительного органа геохода.

2. Разработана модель взаимодействия ножевых исполнительных органов ге оходов с геосредой, базирующаяся на методике расчета их силовых параметров.

Получены аналитические зависимости для определения сил резания для ножевого ИО, оснащенного зубьями, а также винтореза, нарезающего винтовой канал за контуром выработки.

3. Установлены зависимости изменения силовых параметров ножевого ис полнительного органа геохода от геометрических параметров (rг – радиуса голов ной секции геохода, hв – шага винтовой лопасти, - угла наклона винтовой лопа сти, k - числа заходов винтовой лопасти).

Выявлено, что при изменении угла подъема винтовой лопасти в интервале 2 0 180 осевая составляющая силы резания имеет отрицательное значение, следовательно, создается дополнительная сила тяги.

4. Выявлено, что по сравнению с бездефектным состоянием может возник нуть увеличение скорости резания и динамической нагрузки в 5 раз. Удается вы явить и прогнозировать моменты, когда сочетание составляющих колебаний при водит к своеобразным «складкам» на траектории отдельного участка ножевого ИО. Траекторию элементарной точки образует окружность переносного движе ния, на которую накладывается с угловым соответствием колебание центра ма шины. В итоге получается увеличение шага резания на фрагменте.

5. Установлено, что геометрические неточности в установке и разброс харак теристик домкратов поворота (особенно при их значительном числе) могут приве сти к тому, что почти ударные воздействия будут перераспределяться, обеспечи вая эффективное разрушение в отдельных зонах. Таким образом, статический привод от домкратов может спонтанно генерировать динамическое разрушение забоя.

В то же время, колебание оси вращения геохода, вызванное динамическими погрешностями привода, может вызвать отклонение от расчетного взаимного рас положения поверхности ножей ИО и поверхности забоя, что, в свою очередь, мо жет вызвать увеличение сил резания. Учет возможных изменений сил резания на ножевом ИО производится коэффициентом запаса, величина которого опреде ляется расчетным путем и в рассмотренных пределах не превышает 5-ти кратного значения.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Садовец, В.Ю. Оценка возможности обоснования и расчета параметров рабо чих органов винтоповоротных проходческих агрегатов ЭЛАНГ. / Садовец В.Ю., Старцев С.В. // II Областная научная конференция «Молодые ученые Кузбассу»: Сборник трудов. - Кемерово: Полиграф, - 2003. - С. 274-276.

2. Садовец, В.Ю. Щитовые проходческие системы нового поколения винтопово ротный проходческий агрегат ЭЛАНГ самолетной компоновки. / Горбунов В.Ф., Садовец В.Ю., Старцев С.В. // Вестник КузГТУ. – 2004. – № 5.1. – С. – 46.

3. Садовец, В.Ю. Основные направления развития рабочих органов винтопово ротного проходческого агрегата ЭЛАНГ. / Горбунов В.Ф., Садовец В.Ю., Старцев С.В. // «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к раз витию угольной промышленности»: Труды Международной научно практической конференции / ННЦ ГП – ИГД им. А.А. Скочинского, ИУУ СО РАН, ГУ КузГТУ, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь» – г. Кемерово:

- Кемерово. 2004. - С. 121-122.

4. Садовец, В.Ю. Экспертная оценка влияния особенностей нового класса гор нопроходческой техники на методику расчета его параметров. / Горбунов В.Ф., Аксенов В.В., Садовец В.Ю. // Вестник КузГТУ – 2004. – № 6.1.- С. 43 – 45.

5. Садовец, В.Ю. Структурная матрица горнопроходческих систем / Горбунов В.Ф., Аксенов В.В., Садовец В.Ю / «Служение делу»: – Кемерово, - 2006. - С.

77-84.

6. Садовец, В.Ю. Структурная матрица геоходов / Аксенов В.В., Садовец В.Ю. / «Служение делу»: – Кемерово, - 2006. - С. 90-99.

7. Садовец, В.Ю. Разработка технических решений ножевых исполнительных ор ганов геоходов / Аксенов В.В., Садовец В.Ю. / «Природные и интеллектуаль ные ресурсы Сибири. СИБРЕСУРС 2006»: Материалы XI международной научно-практической конференции г. Кемерово. – Кемерово, – 2006. - С. 129 131.

8. Садовец, В.Ю. Динамические процессы и нагрузки, формирующиеся в рабочих режимах геохода / Аксенов В.В., Садовец В.Ю. / «Природные и интеллекту альные ресурсы Сибири. СИБРЕСУРС 2006»: Материалы XI международной научно-практической конференции г. Кемерово. – Кемерово, – 2006. - С. 131 134.

9. Садовец, В.Ю. Определение силовых параметров ножевого исполнительного органа геохода / Аксенов В.В., Садовец В.Ю. / «Природные и интеллектуаль ные ресурсы Сибири. СИБРЕСУРС 2006»: Материалы XI международной научно-практической конференции г. Кемерово. – Кемерово, – 2006. - С. 134 136.

10. Садовец, В.Ю. Синтез технических решений исполнительных органов геохо дов / Аксенов В.В., Садовец В.Ю. // Вестник КузГТУ – 2006. – № 6. - С. 64-68.

11. Садовец, В.Ю. Синтез технических решений ножевого исполнительного моду ля геохода / Аксенов В.В., Садовец В.Ю. // Вестник КузГТУ – 2006. – № 6.2. С. 33-37.

12. Садовец, В.Ю. Моделирование особенностей кинематики геохода / Аксенов В.В., Садовец В.Ю.// Вестник КузГТУ – 2006. – № 6.2. - С. 37-39.

13. Садовец, В.Ю. Обоснование конструктивных решений и силовых параметров ножевых исполнительных органов геоходов. / Садовец В.Ю. // Исследователь ская и инновационная деятельность учащейся молодежи: проблемы, поиски, решения: Сборник трудов областной научно-практической конференции моло дых ученых Кузбасса / ИУУ СО РАН – Кемерово, - 2006 – Т1. - С. 47-52.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.