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 параметров поверхности взаимодействия исполнительного органа геохода с породой забоя

На правах рукописи

Бегляков Вячеслав Юрьевич ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ГЕОХОДА С ПОРОДОЙ ЗАБОЯ Специальность 05.05.06 – «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово – 2012 2

Работа выполнена в Юргинском технологическом институте (филиале) фе дерального государственного бюджетного образовательного учреждения выс шего профессионального образования «Национальный исследовательский Том ский политехнический университет»

Научный консультант: доктор технических наук, Аксенов Владимир Валерьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Хорешок Алексей Алексеевич кандидат технических наук Копытин Валерий Александрович

Ведущая организация: ООО «Юргинский машзавод»

Защита состоится 20 марта 2012 г. в 10 часов на заседании диссертацион ного совета Д 212.102.01 в Федеральном государственном бюджетном образо вательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» по адресу:

650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28. Факс (3842) 36-16-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государ ственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессиональ ного образования «Кузбасский государственный технический университет име ни Т.Ф. Горбачева» Автореферат разослан «_» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Г. Захарова

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Освоение подземного пространства, связанное на протяжении многих ве ков с добычей полезных ископаемых и со строительством подземных сооруже ний различного назначения, всегда базировалось на технологии проведения вы работок.

Следует ожидать, что интенсивность освоения подземного пространства странами мирового сообщества, включая Россию, уже в ближайшее время бу дет существенно увеличиваться. Остро встают задачи повышения скорости проходки и снижения стоимости работ.

Существующие горнопроходческие системы и технологии проведения горных выработок не соответствуют задачам, возникающим при интенсифика ции освоения подземного пространства.

На основании ряда проведенных исследований был предложен отличный от традиционного инновационный подход к процессу проведения горных выра боток, основная идея – рассматривать проходку выработок, как процесс движе ния твердого тела (проходческого оборудования) в твердой среде. Данный под ход лежит в основе геовинчестерной технологии проведения горных вырабо ток, базовым функциональным элементом которой является геоход.

В настоящее время ведутся работы по созданию нового поколения геохо дов. Одной из основных систем геохода является исполнительный орган (ИО).

Существующие исполнительные органы проходческих систем не соответству ют особенностям работы геохода. Отсутствуют конструктивные решения ИО геоходов, учитывающие влияние формы поверхности взаимодействия испол нительного органа геохода с породой забоя (ПВ) на условия разрушения поро ды. Сдерживающим фактором в разработке компоновочных и конструктивных решений ИО геоходов является отсутствие методик определения параметров рациональных ПВ. Поэтому работа, направленная на обоснование параметров поверхности взаимодействия исполнительного органа геохода с породой забоя является актуальной.

Цель работы – обоснование параметров поверхности взаимодействия ис полнительного органа геохода с породой забоя и получение предпосылок к уменьшению энергоемкости разрушения породы.

Идея работы заключается в обеспечении смещения значений главных на пряжений в породе забоя в сторону растяжения.

Задачи:

1. Разработать схемные решения ПВ и модель взаимодействия ИО с поро дой забоя;

2. Определить влияние параметров ПВ на напряженно-деформированное со стояние (НДС) породы забоя;

3. Обосновать рациональную форму ПВ.

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

– математическое моделирование взаимодействия ИО с породой;

– метод конечных элементов (МКЭ);

– применение ограничений и допущений при формировании условий задач;

– выявление, графическое отображение и анализ зависимостей НДС породы от геометрических параметров поверхности взаимодействия ИО с породой за боя и способов приложения нагрузок;

– сравнительный анализ различных форм забоя и схем приложения нагрузок.

Научные положения, выносимые на защиту:

– преимущества формы забоя с уступом, выявленные на этапе моделирова ния процесса силового взаимодействия ИО геохода с породой забоя, позволяют определить комплекс характеристик ПВ, которые должны использоваться в ка честве исходных данных к проектированию ИО геоходов;

– значения главных напряжений в породе в точке забоя зависят от отноше ния (r/hв) радиальной координаты r точки к шагу hв винтовой линии движителя, причем зависимость НДС от расстояния до оси выработки в центральной об ласти забоя проявляется сильнее, чем в периферийной области, а размер цен тральной области зависит от шага движителя геохода.

– рациональная форма образующей забоя обеспечивает контролируемое смещение главных напряжений в породе забоя, причем увеличение угла между образующей забоя и фронтальной плоскостью выработки приводит к смеще нию напряжений в сторону растяжения, а влияние угла наклона образующей в центральной области забоя проявляется сильнее, чем в периферийной области.



Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и реко мендаций, сформулированных в работе, обеспечиваются корректностью допу щений при разработке условий задач математического моделирования;

гаран тируются использованием фундаментальных положений механики, сопротив ления материалов, прикладной математики, доказываются логической сходимо стью результатов исследований, проводимых на разных этапах работы.

Научная новизна работы:

– разработаны схемные решения ПВ, введены понятия элементов и парамет ров ПВ, определены принципы их классификации;

– разработаны модели взаимодействия исполнительного органа геохода с породой забоя, определено влияние параметров ПВ на НДС породы забоя;

– определено влияние угла наклона образующей забоя на параметры уступа и на НДС породы забоя;

– получены рациональные формы образующей забоя и ПВ, обеспечивающие смещение главных напряжений в породе в сторону растяжения;

Практическая ценность работы:

– полученный комплекс характеристик ПВ может и должен использоваться в качестве исходных данных при проектировании ИО геоходов;

– исходные данные для проектирования ИО геоходов позволяют создать ра циональные конструктивные решения, добиться уменьшения удельной энерго емкости разрушения породы;

– обоснованный в работе способ приложения нагрузок при моделировании взаимодействия ИО с породой позволяет упростить процесс и расширить об ласть применения моделирования при научных исследованиях процессов взаи модействия элементов горных машин с геосредой.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы ис пользовались при выполнении государственных контрактов № 78-ОПН-07п от 10 августа 2007 г. и № 26-ОП-08 от 04 февраля 2008г. «Разработка специальной технологии проходки аварийно-спасательных выработок в завалах при ликви дации техногенных катастроф».

Личный вклад автора:

– разработаны схемные решения ПВ, определены и систематизированы гео метрические признаки поверхности забоя, а также оценки их влияния на работу и характеристики ИО геохода;

– созданы модели взаимодействия ИО геохода с породой забоя;

– определено влияние на НДС породы геометрических параметров: угла на клона ПВ, отношения толщины срезаемого слоя к диаметру исполнительного органа, отношения расстояния между уступами к толщине срезаемого слоя;

– определена рациональная форма ПВ и разработано конструктивное реше ние ИО геохода, соответствующее рациональной форме ПВ;

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы док ладывались и получили одобрение на: VI, VII Всероссийских научно практических конференциях с международным участием «Инновационные тех нологии и экономика в машиностроении» (г. Юрга, 2008, 2009 гг.), Х, XI, XII международных научно-практических конференциях «Энергетическая безопас ность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2008, 2009, 2010 гг.), Международной конференции «Совершен ствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (г. Донецк, 2009 г.), I, II Международных научно-практических конференциях с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (г. Юрга, 2010, 2011 гг.).





Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе 6 работ опубликовано в изданиях, входящих в перечень ВАК, и получен 1 патент на изобретение РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 139 страницах машинопис ного текста, содержащих 92 рисунка, 17 таблиц, список литературы из 77 на именований.

Основное содержание работы

В первой главе приведен обзор основных способов механизированной проходки горных выработок. Приведено краткое описание нового развивающе гося вида проходческого оборудования – геоходов, (рисунок 1) устройство и теоретическое обоснование основных принципов работы которых, изложены в работах А.Ф. Эллера, В.В. Аксенова и В.Ф. Горбунова.

Приведен обзор конструктивных решений ИО геоходов, а также методов решения задач контактных взаимодействий упругих тел, программных продук тов, позволяющих решать эти задачи с применением ЭВМ.

Во второй главе приведено описание особенностей работы геохода, в со ответствии с которыми разработаны требования к ИО геохода:

– соответствие геометрических параметров ИО геохода, параметрам его вин тового движителя;

– разрушение забоя на шаг движителя за один оборот головной секции;

Рисунок 1 – Конструктивное исполнение геохода – работоспособность и возможность размещения привода и инструмента в условиях ограниченного пространства;

С учетом особенностей работы ИО и требований к нему определены тре бования к ПВ, основные из которых:

– обеспечение смещения главных напряжений в породе в зоне контакта с ин струментом в сторону растяжения;

– возможность размещения разрушающего инструмента и механизмов.

Введены понятия номинальной поверхности забоя и её образующей.

На рисунке 2а представлена поверхность забоя, которая рассматривается как совокупность участков, каждый из которых представляет из себя участок винтовой поверхности с соответствующей образующей. На рисунке 2б пред ставлены номинальные поверхность и образующая забоя.

а б а – участки поверхности забоя, б – номинальная поверхность Рис. 2. Поверхность забоя выработки геохода Любой достаточно короткий участок образующей можно охарактеризовать расстоянием до оси выработки r и углом наклона образующей к фронтальной плоскости выработки (рисунок 3) Определен список геометрических параметров ПВ и предложена их клас сификация по подчиненности (иерархии) и первичности (зависимости).

По подчиненности выделены два уровня геометрических параметров:

– первый уровень (качественный) – параметры, которые дают общую ха рактеристику форме поверхности взаимодействия, определяют тип формируе мого забоя по наличию или отсутствию тех или иных признаков;

– второй уровень (количественный) – характеризуют параметры первого уровня, дают численное представление о тех или иных признаках;

По признаку первичности выделены две группы параметров:

– первичные (независимые) – параметры, значения которых напрямую опре деляются соответствующими конструктивными параметрами исполнительного органа, движителя или других систем геохода;

– вторичные (зависимые) – параметры, значения которых определяются ав томатически в результате формирования первичных параметров.

а) с наружным расположением ПВ, б) с внутренним расположением ПВ Рисунок 3– Вариант номинальной формы и образующей забоя В данной работе актуальны параметры поверхности, формирущей уступ.

На рисунке 4 показаны основные элементы уступа. На рисунке 5 представ лены развертки цилиндрических сечений забоев с уступами и основные геомет рические параметры уступа.

а) с цилиндрической ПВ, б) с линейной ПВ Рисунок 4 – Уступ забоя и его элементы l, l’ – расстояние по нормали к кромке и по окружности во фронтальной плоскости;

h – толщина срезаемого слоя;

– угол наклона ПВ к формируемой поверхности;

D – диаметр инструмента.

а) забоя с линейным профилем ПВ, б) с цилиндрической ПВ Рисунок 5 – Развертки цилиндрических сечений забоя Параметры, характеризующие размеры и форму уступа: толщина срезае мого слоя h;

радиус поверхности взаимодействия D/2;

расстояние между усту пами l, угол наклона ПВ к формируемой поверхности, относительная инст рументальная высота h/D, – относительное расстояние l/h.

Форма образующей номинальной поверхности забоя является комплекс ной геометрической характеристикой исполнительного органа и ПВ, которая учитывает конструктивное исполнение ИО.

Одним из основных признаков, характеризующих ПВ, является наличие или отсутствие уступа на поверхности забоя. Уступ является структурным эле ментом ПВ и сам, в свою очередь, состоит из элементов.

В третьей главе введены понятия локальных и фоновых напряжений. Вы делены уровни напряжений:

–первый уровень напряжений – локальные (элементные) напряжения, ко торые формируются в зоне контакта породы забоя с резцом, зубом шарошки или другим разрушающим инструментом;

– второй уровень напряжений – суммарные (фоновые) напряжения, которые формируются исполнительным органом (шнеком, коронкой, барабаном и т. п.).

Напряжения, которые являются результатом сложения напряжений первого уровня, всех контактных (локальных) воздействий;

Распределение напряжений первого уровня вдоль произвольной оси можно выразить через обобщенный многочлен типа:

A A2 A3 An 1 2 3..... n при x x0 (1) xx x x где x – расстояние до точки контакта, x0 – расстояние от точки контакта до точ ки, в которой напряжения достигают предела прочности (расстояние до грани цы области разрушения), Ai – эмпирические константы.

Градиент фоновых напряжений значительно меньше, чем локальных, поэтому с некоторым приближением значение фоновых напряжений в пределах локальной зоны можно считать постоянной величиной. Выражение (1) с учетом фоновых напряжений примет вид:

A A A An 1 2 3..... n 2 (2) x x x x Графики на рисунке 6 иллюстрируют влияние фоновых напряжений на значение главных напряжений и размер зоны разрушения от превышения пре дела прочности на срез. О размерах зоны разрушения можно судить по площа ди сектора Т, отсеченного кривой паспорта прочности от кругов Мора.

Связь между удельной энергоемкостью разрушения AV породы, силой ре зания F, площадью поперечного сечения борозды S, остающейся от резца, и длиной пути L, пройденного резцом, определяется выражением:

A FL F AV, (3) V SL S Это позволяет утверждать, что смещение фоновых напряжений к области растяжения создает предпосылки к снижению удельной энергоемкости разру шения породы и снижению требований к энерговооруженности ИО.

При моделировании суммарные нагрузка от всех резцов ИО заменялась на эквивалентные распределенные нормальную и касательную нагрузки, прило женные к ПВ. Применимость такой замены подтверждается сходностью ре зультатов моделирования воздействия на ПВ группы резцов и распределенной нагрузки. Для определения величин распределенных нагрузок в качестве про тотипа брали ИО щита ММЩ-1. Применялись значения нагрузок:

qn = 2,5 МПа – нормальная распределенная нагрузка qt = 0,6 МПа – касательная распределенная нагрузка При моделировании применялись модели выработки с толщиной закон турного массива 6 м, разбитые на конечные элементы размерами = 25 мм у поверхности забоя и = 650 мм в остальной части массива, с плавным перехо дом на 8-ми слоях.

а), г) сжимающие напряжения, б), д) отсутствие, в), е) растягивающие Рисунок 6 – Смещение кругов Мора фоновыми напряжениями В четвертой главе определено влияние уступа и его параметров на на пряжения в породе забоя.

Для определения влияния уступа на работу ИО рассмотрены модели взаи модействия ИО с породой (рисунок 7).

а) плоский забой, б) забой с уступом Рисунок 7 – Схема модели взаимодействия ИО с породой забоя На рисунке 8 представлены эпюры напряжений в породе плоского забоя.

Области растягивающих главных напряжений (рисунок 8а) находятся за пре делами ПВ, в области ПВ главные напряжения расположены в сжимающей области, из чего вытекает, что имеет место трехосное сжатие. В породе забоя с уступом в области ПВ главные напряжения (рисунок 9) расположены в рас тягивающей области, что исключает трехосное сжатие, причем, растягивающие напряжения распространяются на значительную глубину.

При моделировании взаимодействия ИО, формирующего уступ, с породой забоя варьировалось направление приложения касательных нагрузок. При лю бых направлениях касательных нагрузок наличие уступа приводит к смещению главных напряжений в сторону растяжения.

а) главные напряжения, б) напряжения, в) касательные напряжения Рисунок 8 – Эпюры напряжений на срезе плоского забоя.

а) общий вид, б) вид на забой, в) распределение по профилю уступа Рисунок 9 – Эпюры главных напряжений 3 в забое с уступом На рисунке 10 приведены графические зависимости распределения напря жений по поперечным сечениям ПВ. Из сравнения графиков видно, что по все му сечению ПВ, формирующей уступ, значения главных напряжений смещены в направлении растяжения по отношению к ПВ, формирующей плоский забой.

r – поперечная координата точки ПВ, B – ширина ПВ а) ПВ, формирующая плоский забой б) ПВ, формирующая уступ Рисунок 10 – Распределение напряжений по поперечному сечению ПВ Смещение главных напряжений в сторону растяжения создает предпосыл ки к снижению удельной энергоёмкости разрушения породы и делает ПВ, фор мирующую уступ, предпочтительной.

Для исследования влияния на НДС породы были выбраны три изменяемых параметра (рис 5): угол наклона ПВ, отношение h/D толщины срезаемого слоя к диаметру инструмента (относительная высота) и отношение l/h расстояния между уступами к толщине срезаемого слоя (относительное расстояние).

Для оценки влияния угла наклона ПВ на НДС породы была создана мо дель с изменяемым углом (рисунок 11). При моделировании изменяли угол от 10 до 140° с шагом в 10°, определяли касательные и главные напряжения и напряжения в области ПВ и сравнивались распределения напряжений по ПВ при разных углах наклона.

Рисунок 11 – Общий вид модели для оценки влияния угла наклона ПВ на НДС породы забоя На рисунке 12 представлены графические зависимости, отражающие влия ние угла на распределение главных напряжений по ПВ. Из графиков видно, что с увеличением угла значения главных напряжений 1 и 3 смещаются в сторону растягивающей полуоси, а при углах 70° на всей ПВ имеет место трехосное сжатие, при 70° в области внутренней кромки ПВ трехосное растяжение, в остальных областях ПВ одноосное растяжение.

4,00 2, 10° 10° 20° 20° 30° 3,50 30° 0, а б 0 0,2 0,4 0,6 0,8 40° 40° 50° 50° 3,00 -2, 60° 60° 70° 70° 2, -4, 80° 80° 90° 90° 2, -6, 100° 100° 110° 110° 1, 120° 120° -8, 130° 130° 1, 140° 140° -10, 0, -12, 0, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 -14, а) 1 (МПа), б) 3 (МПа) Рисунок 12 – Распределение главных напряжений 1 (МПа) по ПВ в зависимости от угла её наклона Анализ НДС породы забоя показал, что с увеличением угла наклона ПВ:

– значения главных напряжений смещаются в направлении растягивающих напряжений на всей ПВ;

– увеличивается значение касательных напряжений на всей ПВ;

– уменьшается область распространения зон с трехосным сжатием на ПВ;

– увеличивается распространение зон с трехосным растяжением на ПВ;

– при углах 70 преобладает трехосное сжатие, при углах 70 трехос ное сжатие исчезает;

Из результатов моделирования можно сделать следующие выводы:

1) угол наклона ПВ влияет на напряжения в породе забоя;

2) увеличение угла наклона ПВ приводит к смещению главных напряже ний в сторону растяжения;

3) увеличение угла наклона ПВ создает предпосылки к уменьшению удельной энергоёмкости разрушения породы и снижению требований э энерго вооруженности ИО.

Чтобы оценить влияние относительной высоты уступа h/D была создана модель участка забоя с изменяемой относительной высотой уступа (рису нок 13 а).

а б а) участок уступа, б) распределение глубины резания и интенсивности нагрузки Рисунок 13 – Модель участка уступа с изменяемой относительной высотой При моделировании изменяли высоту h от 50 до 400 мм с шагом 50 мм, что соответствовало отношению h/D от 1/8 до 1.

К ПВ прикладывались радиальная (нормальная) и окружная (касательная) неравномерно распределенные нагрузки. Было принято допущение, что сила резания пропорциональна глубине резания (рисунок 13 б).

Интенсивность распределенных нагрузок определяли из условий пропор циональности глубине резания и равенства максимальной силы резания:

t qn max t qt max qn и qt, (4) tmax tmax где t – глубина резания, максимальные интенсивности нагрузок в местах мак симальной глубины резания qn max 2.48МПа и qt max 0,59МПа. Закон измене ния глубины резания задавался приближенно квадратным полиномом:

t ax 2 bx c, (5) где 0 x 1 – круговая координата периметра, выраженная в долях от длины дуги поперечного среза ПВ, а коэффициенты a, b, и c для каждой высоты уступа отдельно определялись аппроксимацией значений, полученных графи ческим построением.

На рисунке 14 представлены эпюры главных напряжений в области по верхности взаимодействия. Из рисунка видно, что при увеличении относитель ной высоты уступа увеличивается распространение растягивающих напряже ний в породе.

h = 50 мм h = 150 мм h = 250 мм h = 350 мм Рисунок 14 – Эпюры главных напряжений в области ПВ при высоте уступа h Графики зависимостей главных напряжений от относительной высоты ус тупа показаны на рисунке 15.

а) в области внутренней кромки, б) в центральной части, в) в области наружной кромки Рисунок 15 – Зависимость 3МПа) от относительной высоты уступа При высоте уступа h 0.25D на ПВ преобладает трехосное сжатие, а с увеличением относительной высоты уступа главные напряжения в области внутренней кромки и в центральной области смещаются в сторону растяжения.

В области внешней кромки модуль напряжений увеличиваются, что можно объяснить усилением влияния концентратора напряжений в данной области.

При высоте уступа h 0.6D значения фоновых напряжений в области верхней кромки превышают предел прочности на растяжение, что может при вести к неконтролируемому скалыванию крупных кусков породы.

Исследования НДС уступов различной высоты показали, что с увеличени ем относительной высоты уступа:

– значения главных напряжений смещаются в направлении растягивающих напряжений на всей поверхности рабочей поверхности;

– увеличивается значение касательных напряжений на всей рабочей поверх ности;

– создаются предпосылки к снижению удельной энергоёмкости разрушения породы.

Толщина срезаемого слоя h и расстояние между уступами l определяются выражениями:

2 r hв и cos, (6) cos h l n n где hв – шаг винтовой линии движителя, r – расстояние до оси выработки, n – количество уступав на данном расстоянии, b – угол подъема винтовой линии.

l 2 r Относительное расстояние между уступами равно: (7) lh h hв Чтобы оценить влияние относительного расстояния lh между уступами на НДС породы и исключить влияние других геометрических параметров была создана модель в виде прямого каскада уступов с профилем, соответствующим развертке цилиндрического сечения выработки (рис. 16).

а б а) общий вид модели, б) схема приложения нагрузок Рисунок 16 –Развертка участка забоя.

При моделировании изменяли отношение l/h, в диапазоне от 1/40 до 4.

На рисунке 17 представлены графические зависимости, отражающие зави симость главных напряжений на ПВ от отношения l/h.

а б в а) области внутренней кромки, б) средняя часть ПВ, в) в области внешней кромки Рисунок 17 – Графики зависимостей главных напряжений 3 от относительного расстояния между уступами.

При значениях l/h 1.25 с уменьшением l/h главные напряжения смеща ются к сжатию, а при l/h 1.25 зависимость носит неявный характер.

Учитывая, что относительное расстояние между уступами lh влияет на НДС породы и зависит от расстояния до оси выработки и шага движителя, можно выявить характерные концентрические зоны на груди забоя (рису нок 18).

В пятой главе обоснована форма образующей забоя.

Если образующая забоя наклонена к фронтальной поверхности забоя под углом (рис. 5), то выражения (6) примут вид:

2 r h и (8) h в cos cos l h n n А относительное расстояние между уступами:

hв 2 2 r l (9) lh hв 2 cos h Рисунок 18 – Выделение концентрических зон на груди забоя Учитывая, что параметр lh влияет на напряжения в породе, задаёмся усло вием lh lhкр, которое обеспечивает максимальное смещение главных напряже ний в направлении растяжения и получаем условие:

hв 2lhкр 2 r dz (10) tg hв 2 r dr где z и r – осевая и радиальные координаты произвольной точки образующей.

Интегрируя выражение (10), получим уравнение рациональной образую щей забоя:

rкр hв 2lhкр 2 r (11) z( r ) dr hв 2 2 r r hвlhкр hв lhкр Выражение (11) определено в диапазоне 0 | r |, при r угол на 2 клона образующей не оказывает существенного влияния на условия резания и может быть выбран из конструктивных соображений.

На рисунке 19а представлена рациональная форма образующей забоя при lhкр =1,25 и при шаге движителя hв = 1,5 м, на рисунке 19в представлены эпю ры главных напряжений в породе забоя рациональной формы.

Сравнение эпюр главных напряжений на рисунках 18 и 19б показало, что изменение формы забоя в центральной части позволило сместить главные напряжения в сторону растяжения.

С учетом полученных результатов исследований было разработано конст руктивное решение ИО геохода (рисунок 20).

а б а) рациональная форма образующей, б) эпюры главных напряжений Рисунок 19 – Модель забоя рациональной формы Рисунок 20 – Конструктивное решение исполнительного органа геохода ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации решена актуальная задача обоснования параметров формы поверхности взаимодействия исполнительного органа геохода с породой забоя, что вносит существенный вклад в горное машиностроение и экономику страны.

Основные результаты и выводы сводятся к следующему:

1. Значение фоновых напряжений, создаваемых суммарным воздействием ИО на породу забоя, позволяет оценить влияние формы ПВ на условия разру шения породы:

– смещение фоновых напряжений в сторону растяжения создает предпо сылки к уменьшению удельной энергоёмкости разрушения породы и снижению требований к энерговооруженности ИО.

– применение распределенных нагрузок обеспечивает достоверность ре зультатов при математическом моделировании взаимодействия ИО с горной породой.

2. Формирование и разрушение уступа в забое геохода является предпоч тительным по сравнению с формированием плоского забоя т.к. создаёт предпо сылки к снижению энергоёмкости разрушения породы.

Наличие уступа приводит к смещению главных напряжений 3 в сторону растяжения на 1,5…2,2 МПа.

Параметрами определяющими форму и расположение уступов являются:

угол () наклона ПВ, отношение толщины срезаемого слоя к диаметру ИО (h/D) и отношение расстояния между уступами к толщине срезаемого слоя (l/h).

При 70° на ПВ преобладает трехосное сжатие. С увеличением глав ные напряжения смещаются в сторону растяжения и растут касательные на пряжения. При 70° трехосное сжатие полностью исчезает с ПВ и в области внутренней кромки появляется трехосное растяжение. Увеличение угла от 10° до 120° приводит к смещению главных напряжений 3 в сторону растяжения на 4…6 МПа.

При отношении h/D0.3 на ПВ преобладает трехосное сжатие. С увеличе нием h/D главные напряжения смещаются в сторону растяжения и растут каса тельные напряжения. При h/D0.5 трехосное сжатие полностью исчезает с ПВ.

Увеличение отношения h/D от 0,125 до 0,6 приводит к смещению главных на пряжений 3 в сторону растяжения на 2…2.5 МПа, при h0.6D фоновые напря жения превышают предел прочности породы.

С уменьшением отношения l/h в диапазоне от 0 до 1,25 главные напряже ния смещаются в сторону сжатия, при l/h1,25 зависимость главных напряже ний от расстояния между уступами носит неявный характер.

3. При разрушении забоя с уступом на поверхности забоя выделено пять характерных концентрических зон, размер которых r зависит от шага движите ля hв. При радиальном расположении внутренней кромки уступа границы кон центрических зон составили:

– 0r0.16hв – трехосное сжатие на всей ПВ, полностью утрачиваются пре имущества уступа, необходимо применять способ разрушения, отличный от способа, применяемого в периферийных областях;

–0.16hв r0.32hв – трехосное сжатие преобладает на ПВ;

–0.32hв r0.64hв – на ПВ имеет место трехосное сжатие;

–0r0.2hв – значения главных напряжений s3 в породе зависят от ради альной координаты, при приближении к центру выработки s3 смещаются в сто рону сжатия;

–r0.2hв – значения главных напряжений s3 в породе не зависят от ради альной координаты;

4. Изменение формы образующей забоя позволяет управлять отношением l/h и смещением главных напряжений в породе центральной области забоя.

При формировании выпуклой поверхности значения напряжений смещены в сторону растяжения по сравнению с вогнутой. Формирование выпуклой по верхности обеспечивается наружным расположением ПВ относительно забоя.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи в изданиях рекомендованных ВАК 1. Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Бегляков В.Ю., Бурков П.В., Блащук М.Ю., Сапожкова А.В. Компоновочные решения машин проведения горных выработок на основе геовинчестерной технологии // Горный информационный аналитический бюллетень/ Москва, МГГУ, 2009– №1. С. 251-259.

2. Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Бегляков В.Ю., Блащук М.Ю., Тимофе ев В.Ю., Сапожкова А.В. Разработка требований к основным системам геохода // Горное оборудование и электромеханика/ Москва, 2009– №5. С.3-7.

3. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Влияние динамических процессов, формирующихся в рабочих режимах, на силовые параметры ноже вого исполнительного органа геохода // Горный информационный аналитиче ский бюллетень. Перспективы развития горно-транспортных машин и оборудо вания / Москва, МГГУ, 2009 – ОВ №10. С. 91-106.

4. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Синтез конструктивных решений исполнительных органов геоходов // Горный информационный анали тический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2010 – ОВ №3.

С. 49-54.

5. Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Бегляков В.Ю. Моделирование напря женно-деформированного состояния породы, создаваемого воздействием на неё исполнительного органа горной машины. // Горный информационный анали тический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2011 – ОВ №5.

С. 9-14.

6. Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Бегляков В.Ю. Влияние суммарного воздействия исполнительных органов горных машин на напряжения в зоне дей ствия отдельно взятого резца. // Горный информационный аналитический бюл летень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2011 – ОВ №5. С. 15-21.

Статьи в прочих изданиях 7. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Обоснование необходимо сти создания исполнительного органа геохода для разрушения пород средней крепости // Материалы международной конференции «Совершенствование тех нологии строительства шахт и подземных сооружений» 22-24 апреля 2009г., г.

Донецк. – С. 2-4.

8. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Создание нового класса ис полни тельных органов проходческого оборудования // Тр. VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновацион ные технологии и экономика в машиностроении». 21- 22 мая, 2009. г. Юрга. – Томск: Издательство ТПУ, 2009. - С.649-652.

9. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Разработка конструктивных решений исполнительных органов геоходов// Тр. Международной школы семинар для магистрантов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти профессора Хорста Герольда (Университет им. Отто-фон-Герике, Магдебург, Германия) «Новые технологии, материалы и инновации в производстве». 26- июня 2009. г. Усть-Каменогорск, Казахстан.. – Томск: Издательство ТПУ, 2009. – С85-89.

10. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Обоснования формы забоя выработки геохода // Сборник трудов Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инноваци онные технологии и экономика в машиностроении». 20- 21 мая, 2010 г. / ЮТИ.

– Томск: Издательство ТПУ, 2010. - С.492-496.

11. Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Влияние уступа на НДС призабойной части горной выработки, при проходке геоходом.

Тр. ХII межд. научно-практ. конф. «Энергетическая безопасность России. Но вые подходы к развитию угольной промышленности». Кемерово: ИУУ СО РАН, КузГТУ, ННЦ ГП – ИГД им. А.А. Скочинского, ЗАО КВК «Экспо Сибирь», 2010 – С. 216-224.

12. Патент на изобретение № 2418950 RU. Проходческий щитовой агрегат (геоход) / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, Тимофеев В.Ю., Бегляков В.Ю., Блащук М.Ю. Опубликовано 20.05.2011 Бюл. №14.

Подписано к печати «_».201 г.

Формат 60х84/16. Бумага офсетная Плоская печать. Усл. печ. л. 1,10. Уч.-изд. л. 1.

Тираж 100 экз. Заказ. Цена свободная.

ИПЛ ЮТИ ТПУ Ризограф ЮТИ ТПУ.

652000, Юрга, ул. Московская, 17.



 

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.