Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Обоснование и выбор параметров и критериев взаимодействия системы "горные породы - горные машины" Первов, Константин Михайлович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Первов, Константин Михайлович. Обоснование и выбор параметров и критериев взаимодействия системы "горные породы - горные машины" : диссертация ... доктора технических наук : 05.05.06.- Москва, 2000.- 373 с.: ил. РГБ ОД, 71 01-5/151-1

Введение к работе

Актуальность работы.

Система ведения горных работ включает в себя две взаимодействующие подсистемы: естестветгую, собственно представляющую внешнюю среду - горные породы в условиях их естественного залегания, и искусственную, созданную человеком и представленную в виде различных машин и механизмов.

Эффективность такого взаимодействия зависит от того, насколько параметры машин и механизмов соответствуют физико-техническим параметрам внешней среды, и в первую очередь это относится к породоразрушаютдим органам выемочных и проходческих машиндехнико-экономические показатели работы которых находятся в течение нескольких последних десятилетий на весьма низком уровне.

Однако,известные в настоящее время физико-механические параметры торных пород,определенные в условиях одноосного напряженного состояния, не могут быть, каждый в отдельности, критерием и мерой разрушаемости горных пород,т.к. не учитывают объемность напряженного состояния в зоне работы исполнительного органа. Существующие же показатели свойств горных пород (сопротивляемость резанию, контактная прочность, скорость бурения и т.п.) являются по сути технологическими пробами и в неполной мере учитывают физические свойства внешней среды.

Поэтому в дальнейшем необходимо рабочий орган и разрушаемый массив рассматривать .как единую систему, а для этого нужно обосновать новые физические критерии их взаимодействия, которые бы дали возможность однозначно оценить эффективность работы выемочных машин на стадии проектирования и на этой основе наметить пути их совершенствования. Поэтому работа,посвященная выбору и обоснованию физико-технических параметров и критериев взаимодействия системы "горные породы - горные машины",позволяющих добиться существенного улучшения технико-эксплуатационных показателей за счет выбора эффективных схем и технических средств разрушения забоя,обеспечивающих минимум энергозатрат и более высокую эффективносить в эксплуатации,является актуальной.

Работа выполнялась в рамках отраслевого плана ИГД им. А.А. Скочинского по проблеме ПО 111 Министерства угольной промышленности СССР (Постановление ЦК КПСС и СМ от 23 сентября 1981 г. № 939), "Разработать и освоить принципиально новые способы и средства разрушения горных пород, создать на их основе технологические процессы , инструмент и рабочие органы горных

машин , повышающие производительность очистного и проходческого оборудовать в 2-3 раза по сравнению с уровнем 1980 года, достигнутого в аналогичных условиях";

Темы ПУ-7 "Разработка научных основ создания автоматизированных горных агрегатов и комплексов" (номер государственной регистрации 055127):

темы ПУ-7-23 "Создать и освоить автоматизированный струговый агрегат типа Ф-1 для выемки пластов угля мощностью 1,6-2,25 м. с углами падения до 18 производительностью 6000-7500 т/сутки" (номер государственной регистрации 78002879) в рамках научно-технической программы 0.05.03, утвержденной совместным Постановлением ГКНТ СССР и Госплана СССР № 472/248 от 12.12.1080 г.; научно-исследовательской работы № 417-1/88-90 "Исследования механического способа разрушения породы высокой категории плотности при внешнем давлении", выполняемой в рамках НИР "Исследования по созданию технических средств разрушения горной породы высокой категории плотности при внешнем давлении" (Приказ Минтяжмаша СССР № 34 от 19.03.1985 г.).

Цель работы. Разработка, выбор и обоснование физико-технических параметров и критериев системы "внешняя среда (горные породы)-горные машины", однозначно оценивающих процесс взаимодействия с разрушаемым массивом и позволяющих выбрать наиболее эффективные схемы и средства разрушения горных пород.

Идея работы. Идея работы состоит в том, что рабочие органы горных машин и разрушаемый массив рассматриваются как единая система, характеризующаяся физико-техническими параметрами и критериями их взаимодействия, что дает возможность оценить эффективность работы выемочных машин на стадии проектирования и на этой основе наметить пути их совершенствования.

Основные научные положения:

1. При любом виде внешнего воздействия на горные породы все их свойства проявляются одновременно , что находит свое отражение в параметрах и форме разрушения, и позволяет по их значениям определять все основные физико-механические характеристики горных пород. Соотношения же линейных размеров отделяющихся от массива элементов породы представляют собой постоянные величины, не зависящие от геометрических размеров инструмента разрушения и обуславливающие связь прочностных параметров внешней среды, удельные же энергозатраты на разрушение при этом являются

минимальными, характеризующими энергетическую прочность породы, названную нами собственной удельной энергоемкостью.

  1. Математическая модель энергетической прочности горных пород в условиях сложного напряженного состояния, характеризующая взаимодействие элементов системы "горные породы - горные машины", и учитывающая не только упругие и прочностные характеристики внешней среды, но и их соотношения и хрупко-пластические свойства.

  2. Критерием эффективности взаимодействия системы "горные породы-горные машины" является отношение собственной удельной энергоемкости (или энергетической прочности) породы к удельным энергозатратам на ее разрушение рабочими органами горных машин, что позволяет оценить качество их взаимодействия с внешней средой.

  3. Способ определения физико-механических параметров горных пород, отличающийся тем, что заранее не задаются размерами образцов испытуемой породы, а определяют параметры разрушения при отрыве от ее массива крупных элементов и по последним - прочностные характеристики и геометрические параметры схемы разрушения (шаг и глубина резания).

  4. Математическая модель несущей способности горных пород при взаимодействии с разрушающими инструментами, характеризующая сопротивляемость породы деиствто концентрации напряжений в условиях трехмерного напряженного состояния. При этом прочность горных пород и вид разрушения (отрыв или сдвиг) определяется не только прочностньши параметрами, сколько их соотношением и условиями нагружения, т.е. соотношением максимальных нормальных и касательных напряжений, обуславливающих вид напряженного состояния.

  5. Математическая модель напряженного состояния прослойки паянного соединения горного породоразрушающего инструмента, учитывающая геометрические размеры зоны соединения и физико-механические параметры самой прослойки, обеспечивающие снижение или полную ликвидацию эффекта выдавливания пластичного материала из зазора соединения.

  6. Способ разрушения горных пород, при котором происходит одновременное воздействие на массив симультанных инструментов с расстоянием между ними, позволяющим реализовать разрушение отрывом с минимальными затратами энергии..

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на использовании широкого диапазона научных методов исследований взаимодействия горного

инструмента с разрушаемым горным массивом, включающих аналитические исследования, выполненные с применением методов математической теории упругости, механики разрушения, использованием феноменологических моделей, адекватность которых реальным процессам подтверждена результатами экспериментальных исследований; а также их сопоставимостью с результатами других авторов; применением метода фотоупругости для анализа напряженного состояния в зоне разрушения; значительным объемам экспериментальных исследований с применением современной измерительной и регистрирующей аппаратуры; применением методов теории планирования экспериментов и ЭВМ. Относительная ошибка при этОхМ во всем диапазоне исследований не превышает 5-19%.

Научная новизна диссертации заключается:

- в установлении новых закономерностей процесса разрушения горных
пород отрывом, связывающих параметры разрушения и физико-
механические параметры горных пород, позволяющие обосновать
новый способ их определения в условиях трехмерного напряженного
состояния, выбор на этой основе наименее энергоемкого режима
разрушения горных пород;

в установлении энергетической характеристики горных пород разрушению собственной удельной энергоемкости, не зависящей от геометрических параметров инструмента и схемы разрушения, являющейся физическим параметром внешней среды и позволяющей определить качество взаимодействия рабочих органов с разрушаемым массивом.

в теоретическом определении показателя для оценки прочности горных пород, ее сопротивляемости отрыву ( несущей способности ) в условиях трехмерного напряженного состояния в зоне контакта с инструментом, установление корреляционных связей с контактной прочностью, усилием статического откола, сопротивляемостью резанию, коэффициентом крепости и др.;

в обосновании комплексного метода определения по параметрам разрушения отрывом физико-механических характеристик горных пород и схемы разрушения массива рабочими инструментами горных машин;

- в разработке математической модели напряженного состояния
прослойки паянного соединения, учитывающей геометрические
параметры зоны соединения и физико-механические характеристики
самой прослойки, позволяющие повысить прочность и надежность
соединения;

Научное значение работы заключается в : -дальнейшем развитии теории разрушения горных пород механическим способом, установлении новых критериев разрушения, собственной энергоемкости и сопротивляемости породы отрыву в условиях трехмерного напряженного состояния, характеризующего взаимодействие элементов системы "горные породы - горные машины" и позволяющих оценить качество этого взаимодействия .

в разработке методики определения физико-механических характеристик горных пород по параметрам разрушения, позволяющей одновременно определять практически все их основные механические свойства как в условиях одномерного, так и трехмерного напряженного состояния, и на этой основе производить расчеты силовых и энергетических показателей работы машин и геометрических параметров разрушения забоя.

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по выявлению резервов повышения уровня качества взаимодействия системы "горные породы-горные машины", разработке методик и технических средств , обеспечивающих реализацию выявленных резервов, в разработке новых породоразрутпающих инструментов и исполнительных органов стругового типа с клиновыми дисками; повышение эффективности работы существующих серийных - за счет улучшения их внутренней структуры, уменьшения остаточных термических напряжений , повышения ресурса и надежности методом электромагнитного и термодинамического способов управления неравновесной структурой вещества.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Методика определения прочностных характеристик смерзшегося угля и параметров его разрушения, использована ОАО "Прочность" при проектировании технических средств разрушения смерзшегося угля для ТЭЦ.

Методика экспериментальных исследований в камере высокого давления физико-механических свойств горных пород. использована институтом ВНИПИОКЕАНМАШ при проектировании технических средств для подводной добычи полезных ископаемых со дна океана..

Технология магнитного упрочнения бурового инструмента и технические средства для ее осуществления, использованы Кузнецким машиностроительным заводом, г. Новокузнецк, для повышения ресурса серийных буровых коронок, а также ОАО "Таганрогский металлургический завод" для повышения ресурса валов редукционного

става и пильгерных валов, ОАО"Раменский горнообогатительный комбинат"(зубья ковшей экскаваторов, кремальерные шестерни, валы, зубчатые рейки, гусеницы тракторов); ГУП разрез "Зыряновский".

Методика определения прочностных параметров горных пород по параметрам разрушения отрывом, использована ННЦ РФ ИГД им. А. А. Скочинского и НПО "Буровая техника" ВНИИБТ.

Методика расчета характеристик прочности поворотных резцов с твердосплавным элементом, закрепленным диффузионной сваркой использована ИГД им. А. А. Скочинского.

Апробация работы.

Всесоюзная научная конференция по физике горных пород и процессов, г. Москва, 10 января-2февраля 1967 г; Научно-техническое совещание по новым способам разрушения горного массива, ведущим к снижению пылеобразования. г. Москва, 29-30 ноября 1972 г; Всесоюзная научная конференция ВУЗов СССР с участием научно-исследовательских институтов "Физика горных пород и процессов", 30 января-Іфевраля 1974 г., МГИ г. Москва; I Всесоюзная конференция "Динамические процессы в горных машинах и стационарных установках". 24-27 октября 1989 г. г. Тбилиси.; Всесоюзная научная конференция ВУЗов СССР г. Москва, МГИ 1977 г; Всесоюзный научный семинар по проблеме "Новые процессы и способы производства работ в горном деле", 1978 г. ИГД им. А.А. Скочинского;Всесоюзная научная конференция по механике горных пород 20-22 мая 1985 г., г. Тбилиси. Научный совет АН СССР по физико-техническим проблемам разработки месторождений полезных ископаемых; VII республиканская научно-техническая конференция молодых специалистов и ученых "Вопросы совершенствования технологии и комплексной механизации добычи и переработки горючих сланцев", -г. Кохтла-Ярве 5-6 июня 1986 г;1 Всесоюзный семинар "Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья", г. Фрунзе 17-19 октября 1987 г.;1Х Республиканская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов "Совершенствование добычи и переработки горючих сланцев", г. Кохтла-Ярве, 18-19 мая 1989 г.;Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и инженеров "Совершенствование конструкции, технологии изготовления и эксплуатации торного оборудования « средств автоматизации" 19-23 октября 1992 г. г. Москва;Международная научно-практический семинар "Проблемы повышения надежности, уровня безаварийности эксплуатации электротехнических систем, комплексов и оборудования

эксплуатации электротехнических систем, комплексов и оборудования горных и промышленных предприятий", 11-15 октября 1993 г., г. Москва, МГТУ.. Международный семинар "Проблемы и перспективы развития горней техники",--секция "Горные машины и -оборудование", 11-13 октября 1994 г., г. Москва;Международный симпозиум "Горная техника на пороге XXI века, 17-19 октября 1995 г. МГГУ г. Москва; VI Научно-практическая конференция по проблемам машиностроения, металлургических* горных машин.т. Новокузнецк, 1997 f.; Научный симпозиум "Неделя горняка-98", 2-6 февраля 1998 г., г. Москва, МГГУ;.VII Научно-практическая конференция по проблемам машиностроения, металлургических и горных машин, г. Новокузнецк, 1998 г;.Пауч«ын-снм«езйум "Неделя гарняка-99", 25-29-января 1999 г., г. Москва, МГГУ.

Публикация. По теме диссертации опубликовано 66 работ, в том числе 27 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Объем работы. Диссертация чхзстоит -из введения, 7 тлав, заключения, содержит список литературы из 203 наименований, 115 рисунков, 27 таблиц, и 15 приложений.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту проф.Кантовичу Л.И. за постоянное -внимание « работе,веееторвннюю помощь; проф.Гетопанову В.Н. за ценные советыдтоддержку и обсуждение отдельных вопросов диссертации; признательность коллективу кафедры Горные машины и оборудование за поддержку и помощь при выполнении работы.