Обоснование конструктивных и силовых параметров ножевых исполнительных органов геоходов

Актуальность работы. По оценке Академии менеджмента и рынка, а также Агентства международного развития приоритетных технологий на 20 002 020 гг. способы и решения в части сооружения подземных магистралей, автотрасс и железных дорог являются особо важными по группе «Использование подземного пространства».

Сооружение подземных магистралей, а также проведение на небольших глубинах различного расположения в подземном пространстве подготовительных горных выработок, ведутся в сложных горно-геологических условияхслабых, 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 горизонтальных и наклонных выработок в неустойчивых породах является развитие нового 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 использованием геоходов заложен процесс движения твердого тела (проходческого оборудования) в твердой среде.

В настоящее время ведутся разработки опытных образцов геоходов, и одним из препятствующих факторов является отсутствие исполнительных органов, адаптивных 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 горнопроходческой техники — геоходов, является актуальной.

Цель работы — обоснование конструктивных решений ножевых исполнительных органов геоходов и разработка методики расчета их силовых параметров.

Идея работы заключается в согласовании параметров разрабатываемого ножевого исполнительного органа с параметрами внешнего движителя геохода для включения в процесс разрушения пород забоя окружающей геосреды (при-контурного массива пород).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать функционально-конструктивную модель геоходов.

2. Сформулировать требования к исполнительным органам геоходов для неустойчивых пород и разработать конструктивные решения ножевых исполнительных органов геоходов.

3. Разработать модель взаимодействия ножевых исполнительных органов геоходов с геосредой и методику расчета их силовых параметров с учетом функционально-конструктивных особенностей различных вариантов конструктивных решений.

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

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

— метод структурной систематизации горнопроходческих систем;

— теории механического разрушения горных пород и резания грунтов;

— метод программирования с использованием программного пакета MS.

Excel;

— 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 синтезировать новые конструктивные решения проектируемого оборудования;

— методика расчета, базирующаяся на разработанной модели взаимодействия ножевого исполнительного органа геохода с геосредой, позволяет определять его силовые параметры, учитывая функционально-конструктивные особенности различных вариантов конструктивных решений;

— геометрические параметры геликоида (/ - длина радиального ножа, Дугол под которым расположена каждая i-тая точка ножа), по форме которого выполняется профиль радиального ножа исполнительного органа геохода, зависят от параметров внешнего движителя (гг — радиус головной секции геохода, he — шаг винтовой лопасти, /? — угол подъема винтовой лопасти) и являются индивидуальными для каждого типоразмера геохода;

— динамическая модель вынужденных колебаний оси вращения геохода, основываясь на которой можно заранее получить правила проведения и трактовки результатов вибродиагностики без поиска аналогий для оригинальной по конструкции машины, позволяет моделировать значимо различающиеся режимы резания и нагружения рабочего органа.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, обеспечиваются корректностью допущений при разработке методики расчета силовых параметров исполнительного органа геоходовгарантируются использованием фундаментальных положений механики, прикладной математики, динамики машин, теории резания и расчета деталей машиндоказываются сходимостью с результатами 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 решений с учетом активного характера взаимодействия их с геосредой;

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

— использованы принципы вибродиагностики по отношению к системе привода геоходов, позволяющие моделировать значимо различающиеся режимы резания и нагружения рабочего органа.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

— с помощью предложенного подхода к структурообразованию горнопроходческих систем имеется возможность синтезировать конструктивные решения создаваемого класса горнопроходческих машин, его функциональных устройств и конструктивных элементов;

— методика определения силовых параметров позволяет производить расчет ножевого исполнительного органа геохода, учитывая многообразие возможных конструктивных решений;

— разработанная компьютерная программа позволяет обеспечить выбор и расчет силовых параметров для различных вариантов ножевого исполнительного органа.

Личный вклад автора заключается:

— в формировании интегрального подхода к разработке структурного портрета нового класса горнопроходческой техники;

— в обосновании и синтезе новых конструктивных решений ножевого исполнительного органа геохода;

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

— в разработке методики расчета силовых параметров ножевого исполнительного органа при возможных конструктивных решениях;

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

— в разработке правил моделирования особенностей кинематики и движения геохода на основе принципов вибродиагностики дефектов машин.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на: II областной научной конференции «Молодые ученые — Кузбассу» (г. Кемерово, 2003 г.) — Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2004 г.) — ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (Кемерово, 2003;2006 г.) — на областной научно-практической конференции «Исследовательская и инновационная деятельность учащейся молодежи: проблемы, поиски, решения», посвященная 50-летию СО РАН (г. Кемерово, 2006 г.) — XI Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные 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 машинописного текста, содержащих 65 рисунка, 16 таблиц, список литературы из 77 наименований и 2 приложений на 15 страницах.

Основные результаты и выводы сводятся к следующему:

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

2. Разработана модель взаимодействия ножевых исполнительных органов геоходов 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 исполнительного органа геохода от геометрических параметров (гг — радиуса головной секции геохода, he — шага винтовой лопасти, /? — угла наклона винтовой лопасти, к — числа заходов винтовой лопасти).

Выявлено, что при изменении угла подъема винтовой лопасти в интервале 2° < /? < 18° осевая составляющая силы резания имеет отрицательное значение, следовательно, создается дополнительная сила тяги.

4. Выявлено, что по сравнению с бездефектным состоянием может возникнуть увеличение скорости резания и динамической нагрузки в 5 раз. Удается выявить и прогнозировать моменты, когда сочетание составляющих колебаний приводит к своеобразным «складкам» на траектории отдельного участка ножевого ИО. Траекторию элементарной точки образует окружность переносного движения, на которую накладывается с угловым соответствием колебание центра машины. В итоге получается увеличение шага резания на фрагменте.

5. Установлено, что геометрические неточности в установке и разброс характеристик домкратов поворота (особенно при их значительном числе) могут привести к тому, что почти ударные воздействия будут перераспределяться, обеспечивая 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 расположения поверхности ножей ИО и поверхности забоя, что, в свою очередь, может вызвать увеличение сил резания. Учет возможных изменений сил резания на ножевом ИО производится коэффициентом запаса величина которого определяется расчетным путем и в рассмотренных пределах не превышает 5-ти кратного значения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные конструктивные решения ножевых исполнительных органов нового класса горнопроходческой техники, что вносит существенный вклад в горное машиностроение и экономику страны.