Введение к работе
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 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 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 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 (приконтурного массива пород).
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать функционально-конструктивную модель геоходов.
-
Сформулировать требования к исполнительным органам геоходов для неустойчивых пород и разработать конструктивные решения ножевых исполнительных органов геоходов.
-
Разработать модель взаимодействия ножевых исполнительных органов геоходов с геосредой и методику расчета их силовых параметров с учетом функционально-конструктивных особенностей различных вариантов конструктивных решений.
-
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 (l – длина радиального ножа, bi – угол под которым расположена каждая i-тая точка ножа), по форме которого выполняется профиль радиального ножа исполнительного органа геохода, зависят от параметров внешнего движителя (rг – радиус головной секции геохода, hв – шаг винтовой лопасти, b - 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 геоходов; гарантируются использованием фундаментальных положений механики, прикладной математики, динамики машин, теории резания и расчета деталей машин; доказываются 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.
