Введение к работе
Актуальность темы. Одобренная Правительством Российской Федерации программа перспективного развития угольной отрасли до 2030 года предполагает повышение добычи угля на 40 % за счет интенсификации труда и внедрения современной техники и технологии. В этой связи применение струговой выемки является весьма перспективным направлением. К известным достоинствам стругов относятся простота конструкции машины, высокая по гранулометрическому составу сортность отделяемого от массива угля и возможность селективной разработки угольного пласта. Однако расширение области применения стругов сдерживается ограниченными возможностями механического способа разрушения прочных углей традиционным резцовым инструментом. Одним из путей решения этой проблемы является оснащение стругов комбинированным гидромеханическим инструментом, выполненным по схеме «струя через резец» и реализующим одновременное воздействие на массив высоконапорных струй воды и механических резцов. Однако процесс работы такого инструмента недостаточно изучен и, как следствие, отсутствуют рекомендации по его конструктивному исполнению. Кроме того, отсутствуют методы определения нагруженности гидромеханических резцов, режимов их работы, расчета установки в целом, что и определяет актуальность работы.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР и ОКР ТулГУ и Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, а также при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2010 гг.)» (рег. номер 2.2.1.1/3942) и федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (гос. контракт № П1120).
Целью работы являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей процесса разрушения угля гидромеханическими резцами стругов для обоснования их конструктивных и режимных параметров, обеспечивающих повышение эффективности разработки угольного пласта.
Идея работы заключалась в том, что эффективное разрушение прочных углей стругами достигается за счет оснащения исполнительного органа гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец», с учетом выявленных закономерностей формирования нагрузок на инструмент при рациональных конструктивных и режимных параметрах.
В работе использован комплексный метод исследования, включающий научное обобщение и анализ основных результатов ранее выполненных работ в области механического и гидромеханического способов разрушения угля; экспериментальные исследования разрушения массива гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец» в условиях стенда; обработку результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики.
Научные положения, выносимые на защиту:
- наибольшая эффективность разрушения массива гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец», достигается при рациональном отношении диаметра насадки струеформирующего устройства к диаметру канала резца равном 0,75;
- расчет нагрузки на гидромеханическом резце, выполненном по схеме «струя через резец», производится по установленной зависимости, учитывающей влияние давления воды, диаметра выходного отверстия струеформирующей насадки, толщины стружки, шага резания и прочности разрушаемого массива;
- установлено рациональное отношение шага резания к толщине стружки, учитывающее гидравлические параметры инструмента, выполненного по схеме «струя через резец», и прочность массива, при котором обеспечиваются минимальные энергозатраты на разрушение;
- расчеты сил на резцах и производительности струга, оснащенного гидромеханическим инструментом, выполненным по схеме «струя через резец», должны производиться с учетом схемы расстановки резцов, гидравлических параметров инструмента и прочности разрушаемого массива.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- экспериментально установлена эффективность применения гидромеханических резцов, выполненных по схеме «струя через резец», для струговых установок, выразившаяся в снижении нагрузок на инструменте при разрушении массива;
- выявлена взаимосвязь интенсивности снижения нагрузок на гидромеханических резцах, выполненных по схеме «струя через резец», при разрушении массива и отношения диаметра насадки струеформирующего устройства к диаметру канала резца, позволяющая обосновать его конструктивное исполнение;
- установлены закономерности формирования нагрузок на гидромеханических резцах, выполненных по схеме «струя через резец», и удельных полных энергозатрат на разрушение в зависимости от гидравлических параметров инструмента, толщины стружки, шага резания и прочностных свойств массива;
- определены рациональные режимы работы гидромеханических резцов, выполненных по схеме «струя через резец», в зависимости от гидравлических параметров инструмента, шага резания и прочностных свойств массива, которые обеспечивают минимальную удельную полную энергоемкость процесса разрушения массива.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом проведенных экспериментов; корректной обработкой результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики и подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами экспериментов, полученными в стендовых условиях (средняя величина относительной погрешности не превышает 20 %).
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования нагрузок на гидромеханических резцах, выполненных по схеме «струя через резец», при разрушении массива в зависимости от гидравлических параметров инструмента, параметров режима резания и прочностных свойств массива, что позволяет обосновать конструкцию, выполнить их расчет и расширить область эффективного применения струговых установок.
Практическое значение работы:
- обосновано конструктивное исполнение гидромеханических резцов, выполненных по схеме «струя через резец», для эффективного использования на струговых установках;
- разработана «Методика определения нагрузок на резцах и резцовой головке стругового исполнительного органа, оснащенного гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец»;
- разработана прикладная программа для персональных компьютеров, позволяющая осуществлять расчет сил на резцах и машине в целом, а также производительности струга, оснащенного гидромеханическим инструментом, выполненным по схеме «струя через резец», с учетом схемы расстановки резцов, гидравлических параметров инструмента, параметров режима резания и прочностных свойств массива.
Реализация работы. «Методика определения нагрузок на резцах и резцовой головке стругового исполнительного органа, оснащенного гидромеханическими резцами, выполненными по схеме «струя через резец», принята Тульским региональным отделением МОО «Академия горных наук» к использованию при проектировании выемочных машин. Кроме того, результаты исследований внедрены в учебные курсы «Горные машины и оборудование подземных выработок» и «Расчет и проектирование горных машин и комплексов» для студентов Тульского государственного университета (ТулГУ), обучающихся по специальности 150402 «Горные машины и оборудование». Программное обеспечение используется при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение на ежегодной конференции «Неделя горняка» (г. Москва, 2006 и 2007 гг.); 3-й Международной конференции по проблемам промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2007 г.); III Магистерской научно-технической конференции ТулГУ (г. Тула, 2008 г.); 3-й Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2010 г.); конференциях молодых ученых и конференциях профессорско-преподавательского состава в ТулГУ (г. Тула, 2008, 2009 и 2010 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей, из них 6 – в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 153 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 22 таблицы, список использованной литературы из 150 наименований и приложения.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность доктору технических наук, профессору В.А. Бреннеру за идею, которая послужила основой проведения исследований, научному руководителю доктору технических наук, профессору А.Е. Пушкареву за помощь в процессе выполнения работы, а также доктору технических наук, профессору А.Б. Жабину, заведующему кафедрой «Геотехнологии и строительство подземных сооружений», доктору технических наук, профессору Н.М. Качурину за постоянное внимание и поддержку, оказанные в ходе выполнения работы, и всем сотрудникам кафедры ГиСПС.
Похожие диссертации на Обоснование параметров и определение нагруженности гидромеханических резцов струговой установки
