Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния и основные направления развития проходческой техники для строительства метро в условиях кембрийских глин 10
1.1 Горно-геологические условия. Анализ массива кембрийских глин как объекта разрушения 11
1.2 Анализ способов проведения выработок в условиях ОАО «Метрострой» Санкт-Петербург 14
1.3 Анализ тоннелепроходческой техники 18
1.3.1 Щитовые проходческие комплексы 18
1.3.2 Комбайны избирательного действия 24
1.3.3 Комбайны с ударными исполнительными органами 25
1.4 Анализ конструктивных особенностей породоразрушающего инструмента проходческих комплексов 31
1.5 Анализ методик расчета сил резания на резцах 33
1.6 Анализ влияния скорости приложения нагрузки на разрушение пород36
1.7 Анализ методик расчета ударных исполнительных органов 40
1.8 Выводы по главе 1 43
ГЛАВА 2 Теоретические исследования процесса разрушения массива кембрийских глин резанием и ударом исполнительными органами проходческого комплекса 45
2.1 Анализ критериев прочности горных пород 47
2.2 Анализ процесса резания горных пород 49
2.3 Компьютерное моделирование процесса резания кембрийских глин 55
2.3.1 Методика обработки осциллограмм процесса резания 65
2.3.2 Анализ осциллограмм процесса резания кембрийской глины эталонным резцом 66
2.3.3 Анализ осциллограмм процесса резания кембрийской глины резцом типа ШБМ 71
2.4 Обоснование параметров ударника проходческого комплекса 78
2.4.1 Динамика ударной системы «поршень-боек-инструмент» для жесткой штанги 81
2.4.2 Численный анализ процесса соударения элементов ударной системы «поршень-боек-инструмент» 88
2.5 Требования, предъявляемые к стендовой установке для экспериментального исследования процесса разрушения кембрийской глины резанием 93
2.6 Выводы по главе 2 93
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования процесса разрушения кембрийских глин исполнительными органами ударного и режущего типа 95
3.1 Общие положения методики исследований 96
3.2 Стенд для исследования процесса резания кембрийских глин 96
3.3 Методика экспериментальных исследований процесса разрушения кембрийских глин резанием 102
3.3.1 Исходные данные 102
3.3.2 Последовательность проведения испытаний 102
3.4 Результаты экспериментальных исследований процесса разрушения глин резанием 103
3.5 Экспериментальные исследования модели трехмассовой ударной системы 113
3.5.1 Методика проведения испытаний трехмассовой ударной системы 117
3.5.2 Аналитическая обработка осциллограмм ударных процессов 118
3.6 Выводы по главе 3 124
ГЛАВА 4 Выбор конструкции и рациональных параметров исполнительных органов проходческих комплексов для эффективного разрушения массива кембрийских глин резанием и ударом 126
4.1 Конструкция проходческого комплекса для проведения вспомогательных выработок 127
4.2 Конструкция и принцип работы щитового проходческого комплекса для проведения вспомогательных выработок 133
4.3 Конструкция ударника исполнительного органа проходческого комплекса 136
4.4 Методика расчета производительности и нагрузки на резцах при резании породного массива кембрийских глин 137
4.4.1 Основы метода расчета нагруженности исполнительных органов 137
4.4.2 Методика расчета роторных исполнительных органов проходческих комплексов 139
4.5 Расчет и анализ производительности проходческого комплекса 144
4.6 Алгоритм обоснования параметров ударных устройств 147
4.7 Технико-экономическое обоснование целесообразности применения разработанного комплекса 148
4.8 Выводы по главе 4 151
Заключение 151
Список литературы 154
- Анализ конструктивных особенностей породоразрушающего инструмента проходческих комплексов
- Анализ осциллограмм процесса резания кембрийской глины эталонным резцом
- Методика экспериментальных исследований процесса разрушения кембрийских глин резанием
- Конструкция ударника исполнительного органа проходческого комплекса
Введение к работе
Актуальность работы. Строительство метрополитена в условиях Санкт-Петербурга сопровождается проходкой перегонных тоннелей и вспомогательных выработок, которые необходимы для сопряжения между собой камер строящихся подземных станций, в том числе для соединения с вертикальным стволом, по которым осуществляется как откатка отбитой горной породы для выдачи ее на поверхность, так и доставка материалов и тюбингов для строительства станций. При этом на 1 км перегонного тоннеля приходится, по экспертным оценкам, не менее 1 км вспомогательных выработок (подходные тоннели, выработки околоствольного двора, транспортные и вспомогательные ходки, тупиковые выработки и др.).
Шахты Санкт-Петербургского метрополитена располагаются в основном на глубине 40-70 м. Разрабатываемый забой кембрийских глин различен по своему составу: сухая глина; глина с включениями известняка, известняка закварцованного; глина с содержанием воды и глина с включениями гравия.
Объемы работ по сооружению вспомогательных выработок с развитием городского метро увеличиваются, но эффективность проведения таких выработок в настоящее время низкая, так как ее осуществляют с применением отбойных молотков и удержанием выработанного пространства дерево-металлической крепью, что является сдерживающим фактором на пути повышения общей интенсивности строительства метрополитена.
Основной причиной необходимости создания новых типов машин является невозможность эффективного использования известных средств проходки вспомогательных выработок и станционных тоннелей в условиях шахт ОАО «Метрострой» (щиты и комплексы бурового действия), что связано с проведением монтажных и демонтажных камер, превышающих зачастую протяженность самих выработок.
Таким образом, чтобы повысить интенсивность проходки вспомогательных выработок необходимо создать технические средства разработки забоя, которые обеспечивали бы оптимальные параметры работы исполнительного органа. Для этого необходимо теоретически обосновать способ обработки забоя и параметры исполнительного органа для его разрушения, что является актуальной научной задачей.
Изучению процесса разрушения горных пород посвящены многочисленные работы Барона Л.И., Берона А.И., Позина Е.З., Бреннера В.А.,
Меламеда В.З., Тона В.В., Слободкина М.И., Габова В.В., Ушакова Л.С., Коняшина Ю.Г. и др.
Цель работы. Обоснование и выбор рациональных параметров исполнительных органов комплекса с режущими и ударными инструментами для проведения вспомогательных выработок метрополитена на основе установления закономерностей взаимодействия породоразрушающих инструментов с массивом кембрийских глин, имеющих твердые включения, для обеспечения повышенной производительности и снижения удельных энергозатрат на разрушение породы.
Идея работы заключается в том, что обоснование рациональных параметров исполнительных органов проходческого комплекса достигается совместным выбором параметров режущего и ударного инструмента, их взаимной компоновкой с учетом поочередной работы по разработке забоя.
Задачи исследования:
-
Обосновать компоновочные схемы проходческого комплекса, сочетающие исполнительные органы режущего и ударного типа для разработки сложноструктурированных забоев;
-
Экспериментально обосновать, с использованием стендовых исследований, рациональные параметры исполнительного органа проходческого комплекса, при разрушении кембрийских глин резанием и ударом;
-
Разработать математические модели процесса разрушения забоя кембрийских глин резанием и ударом;
-
Разработать физическую модель ударных устройств, стенда и методики экспериментальных исследований, позволяющих производить анализ процессов в ударных системах;
-
Обосновать рациональные параметры исполнительных органов проходческого комплекса для разрушения массива кембрийских глин резанием и ударом;
-
Разработать рекомендации к методикам расчета параметров исполнительных органов проходческих комплексов для разрушения глин.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ теорий разрушения горных пород резанием и ударом, компьютерное моделирование процесса разрушения глин резанием и ударом, экспериментальные исследования процесса резания и ударного разрушения кембрийских глин на лабораторных стендах, а также методы математической статистики и спектрального анализа.
Научная новизна работы. Установлена зависимость коэффициента
сопротивляемости глин резанию от скорости резания при различных заглублениях резца; разработана математическая модель процесса разрушения массива кембрийских глин резанием роторными исполнительными органами проходческих комплексов с учетом зависимости коэффициента сопротивляемости глин резанию от скорости резания при различных заглублениях резца; разработана математическая модель процесса взаимодействия элементов ударной системы для расчета параметров ударного исполнительного органа, выполненного по системе «поршень-боек-инструмент», основанного на «дребезге» бойка; на основе экспериментальных исследований трехмассовых ударных систем «поршень-боек-инструмент» установлены их рациональные параметры для создания исполнительного органа проходческого комплекса ударного действия повышенной эффективности.
Защищаемые научные положения:
-
Теоретически установлен и экспериментально подтвержден параболический характер зависимости изменения удельной энергоемкости разрушения кембрийской глины резцом типа ШБМ от величины заглубления h при скорости резания Vp в диапазоне 0<Vp<1,33 м/с, причем минимальное значение удельной энергоемкости находится в пределах 0,9-1,4 кВтч/м3 и соответствует величине заглубления h=15 мм.
-
Для разрушения кембрийских глин с твердыми включениями на исполнительном органе проходческого комплекса наиболее целесообразно применять трехмассовые ударные механизмы, обеспечивающие повышение эффективности разрушения кембрийских глин наращиванием суммарной зоны переднего фронта ударного импульса реализацией в инструменте семейства подимпульсов высокой интенсивности и малой продолжительности, увеличивающих заглубление инструмента в породу на 15 % по сравнению со стандартной двухмассовой ударной системой.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждается корректным использованием апробированных методов классической механики разрушения горных пород резанием, корреляционного и спектрального анализа осциллограмм процесса резания, достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов, а также согласованностью с общепризнанными представлениями о закономерностях соударяющихся тел, корректностью построения расчетных моделей ударного взаимодействия элементов ударных систем, использованием современных методов исследований и обработки данных.
Практическая значимость работы:
-
Разработан и изготовлен лабораторный стенд для исследования процесса резания кембрийской глины полноразмерным одиночным резцом;
-
Разработана конструкция трехмассовой ударной системы «поршень-боек-инструмент» исполнительного органа комплекса для проходки вспомогательных выработок метрополитена, на основе предлагаемой конструкции разработан лабораторный стенд для исследования волновых процессов;
-
Разработаны рекомендации для выбора рациональных параметров исполнительного органа проходческого комплекса и уточнена методика расчета сил резания на резцах;
-
Предложены конструкции проходческого комплекса для проведения коротких выработок с тюбинговой крепью (патент № 2498071), комплекса для проходки выработок метрополитена круглого поперечного сечения (патент №2482276) и щитового проходческого комплекса для проведения вспомогательных выработок, а также конструкции трехмассовых ударных исполнительных органов.
Реализация результатов работы.
-
Результаты исследований приняты к внедрению ЗАО «МЕТРОКОН» Санкт-Петербург.
-
Результаты работы использовались в НИОКР: «Разработка новых образцов бурового оборудования с пониженным уровнем вибрации» для ОАО «Апатит»; «Разработка новых ударных систем буровой техники на открытых и подземных работах для повышения производительности и ресурса» для ОАО «Апатит»; «Разработка конструкции перфоратора с ударной системой «поршень-боек-штанга» для Группы предприятий Западно-Уральского машиностроительного концерна.
-
Разработанные лабораторные стенды используются в учебном процессе в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» при подготовке студентов по направлению 130400 «Горное дело».
Личный вклад автора. Произведен анализ основных теоретических представлений о разрушении горных пород резанием и ударом. Сформулированы цель, задачи исследований и научные положения. Исследован на основе компьютерного моделирования в среде ANSYS Workbench процесс взаимодействия резца с моделью кембрийской глины, а также ударные процессы в трехмассовых системах малогабаритных ударников. Спроектированы и изготовлены
лабораторные стенды, проведены экспериментальные исследования процессов резания одиночным резцом образцов глины, а также процессов формирования ударного импульса в системах «поршень-боек-инструмент». Предложены конструкции трех проходческих комплексов и ударника повышенной эффективности, а также методики их расчетов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2011 г.); международных научно-практических конференциях «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута 2011, 2012, 2013 г.); 64-ой международной научной конференции во Фрайбергской горной академии (г. Фрайберг, Германия, 2012 г.); международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, 2013 г.); международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Минск, Беларусь, 2013 г.); ежегодном научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2013, 2014 г.), межкафедральных семинарах механического факультета Горного университета (2011-2014 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 19 печатных работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации, получено два патента Российской Федерации.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, 7 приложений на 15 страницах, общим объемом 181 страница печатного текста, содержит 14 таблиц и 109 рисунков, список литературы из 113 наименований.
Анализ конструктивных особенностей породоразрушающего инструмента проходческих комплексов
Анализ существующих технологических схем, методов сооружения и применяемого проходческого оборудования для строительства выработок различного назначения в условиях ОАО «Метрострой» показал, что наименее производительной и эффективной с точки зрения проведения выработок является технологическая схема бесщитовой проходки с помощью отбойных молотков и большой доли ручного труда. Указанный способ обладает наименьшим уровнем механизации работ по разработке грунта, является небезопасным, так как проходчики находятся в зоне повышенной опасности, что связано с чрезвычайно низкой устойчивостью кембрийских глин.
Основной причиной необходимости создания новой технологии проходческих работ и внедрения качественно новых типов машин является невозможность эффективного использования известных способов и средств проходки вспомогательных выработок и станционных тоннелей в условиях шахт ОАО «Метрострой», что связано с проведением монтажных и демонтажных камер, превышающих зачастую протяженность самой выработки.
В связи с этим необходима разработка проходческого комплекса, который обеспечил бы механизацию процессов по отбойке, креплению и уборке отбитой породы, повысил производительность при разработке пород различной структуры, в том числе крепких пород, для этого он должен быть укомплектован малогабаритным ударником с высокой эффективностью передачи ударной энергии в забой и иметь небольшие размеры, кроме того данный комплекс должен обеспечивать простоту при его монтаже и работе.
Эффективность исполнительного органа проходческого комплекса во многом зависит от правильного выбора породоразрушающего инструмента. Режущие инструменты должны удовлетворять следующим требованиям: обладать высокой надежностью (прочностью и износостойкостью), обеспечивать разрушение пород с минимальными затратами энергии, обладать малой материалоемкостью, высокой технологичностью в изготовлении и эксплуатации [27].
Инструмент исполнительных органов проходческих щитов можно разделить на три группы: для разрушения мягких пород с/=0,5-1,2; для разрушения пород слабых неабразивных, средней крепости c / 5-6, в том числе / 3 - 4, довольно крепких и крепких [28].
Роторные и качающиеся исполнительные органы, предназначены для разрушения мягких пород, таких как, песок, супесь, лесс, глины, в том числе отвердевшие, оснащаются пластинчатыми резцами из стали 45, закрепляемыми на плоской или винтовой планшайбе болтами. При вращении планшайбы происходит сплошное разрушение породы по всей площади забоя. Для роторных и стреловых исполнительных органов, предназначенных для разрушения пород с / 5-6 наибольшее применение получили стержневые резцы.
В щитах могут применяться резцы, используемые на проходческих комбайнах. Хорошо показали себя резцы ШБМС-1-1-04 (рисунок 1.12, а), РК-8Б и РБ-243 (рисунок 1.12, б), имеющие повышенной прочности конусные державки, угол резания - соответственно 90 и 100, вылет - 40 мм. Резец РПП (рисунок 1.12, в), эффективно работающий при/ 5-6 и абразивности до 15 мг. Вылет резца - 70 мм, посадочный диаметр конусной (1:20) державки из стали 35ХГСА - 45 мм, длина резца - 130 мм. Твердый сплав марки ВК-8ВК имеет толщину 10 мм. Угол заострения -90, максимальное усилие резания - 20,0 кН. Целесообразно для этих резцов принимать скорость резания 1,5-2 м/с при разрушении пород с f=4-5 и 0,8-1 м/с при f=6. Много различных типов резцового инструмента с различными наплавками и характеристиками применяются на проходческих щитах за рубежом. Эти резцы работают более эффективно и более износостойкие [28].
Рисунок 1.12 – Стержневые резцы: а – ШБМС-1-1-04; б – РК-8Б; в – РПП Для разрушения пород средней крепости и крепких применяется шарошечный инструмент (рисунок 1.13). Шарошки бывают зубчатые, штыревые и дисковые с разной геометрией и схемами расстановки на исполнительном органе (рисунок 1.14) [28].
На сегодняшний день для расчета параметров добычных и проходческих комбайнов применяются методики, основанные на исследованиях проф. Е.З. Позина [29] и представленные в виде ОСТов [30 и др.]. Эти методики используют понятие сопротивляемости породы (угля) резанию, причем ее величина в процессе расчетов принимается неизменной. В некоторых случаях это противоречит фактической зависимости прочности породы от скорости ее деформирования [31, 32, 33], поэтому актуальной задачей является разработка универсальной методики, позволяющей учитывать фактическую прочность породы, зависящую от режимных параметров машины.
В настоящее время известно несколько различных методик по определению усилия на остром резце Z0 горных машин при разрушении пород. Все эти методики имеют различные области применения, опираются на разные параметры, в них по-разному представлены показатели, характеризующие физико-механические свойства разрушаемой среды.
Так известны методика ИГД им. А.А. Скочинского, методика Новочеркасского технического университета, методика ЦНИИподземмаш (для породы), методика ЦНИИподземмаш (для угля) [30], методика расчета сил на резцах струга ШахтНИУИ [110].
Наибольшее распространение получила методика ИГД им. А.А. Скочинского (1.1), в ней применяется показатель сопротивляемости породы (угля) резанию, который не определен для кембрийских глин. где АР - средняя сопротивляемость пласта резанию, Н/мм; Кот коэффициент отжима угля; Ьр - ширина режущей кромки резца, мм; Е показатель степени хрупкости пласта; h - толщина стружки или величина заглубления резца (в дальнейшем величина заглубления резца), мм; t - шаг резания, мм; КЗ - коэффициент обнажения забоя; Ку - коэффициент влияния угла резания а на удельную энергоемкость резания угля; КФ -коэффициент влияния формы передней грани резца на удельную энергоемкость резания; Кс - коэффициент, учитывающий схему резания;
Угол установки резца к направлению подачи, градусы. Методика Новочеркасского технического университета и методика ЦНИИподземмаш (для породы), которые используют показатель контактной прочности породы (угля), по нашему мнению, больше применимы для крепких пород и наименее применимы для глин. Так как процесс разрушения глины резцами на планшайбах проходческих комплексов больше всего близок к работе резцов на стругах, наиболее всего для разрушения глин применима методика расчета сил на резцах струга ШахтНИУИ [110] или методика ЦНИИподземмаш (для угля), однако это заключение требует экспериментального подтверждения.
Процесс разрушения горной породы режущим инструментом горных машин подвержен влиянию большого числа факторов, которые в настоящее время учитываются с помощью эмпирических формул. Расчеты, выполненные по различным методикам, показывают большой разброс значений силы на резце в зависимости от скорости подачи при прочих равных условиях.
Анализ осциллограмм процесса резания кембрийской глины эталонным резцом
Анализ силовых параметров процесса резания глин по результатам компьютерного моделирования выполнялся по одной осциллограмме (для h=10 мм – рисунок 2.11) для каждой величины заглубления резца.
Проанализируем осциллограмму компьютерного моделирования со следующими параметрами: h=10 мм, угол резания 60. Значение средних сил на резце при резании или математическое ожидание процесса составило Pz =173 Н. Плотность распределения вероятности близка кзакону гамма-распределения (рисунок 2.14). К стационарности процесс приводится заданием постоянной величины заглубления резца. автокорреляционной функции (рисунок 2.15) практически не затухает, таким образом, степень автокорреляции высока, то есть период колебаний близок к постоянному, а процесс – к стационарному [77]. кембрийской глины резцом Спектральная плотность позволяет судить о распределении дисперсии по частотам. В рассматриваемом процессе спектр (рисунок 2.16) явно выделяется на частоте 1 Гц и 3 Гц, что характеризует частоту образования крупных сколов в срезе. Значение дисперсии процесса разрушения кембрийской глины блокированными резами с выровненной поверхности при h=10 мм и угле резания 60 равно DX =16026,2.
Спектральная плотность процесса резания кембрийской глины одиночным резцом Значение средних сил на резце при h=15 мм и угле резания 60 или математическое ожидание процесса составило Pz =200 Н. Осциллограмма
Осциллограмма процесса разрушения кембрийской глины блокированными резами при h=15 мм и угле резания 60 Плотность распределения вероятности близка к закону гамма-распределения (рисунок 2.18). Значение дисперсии процесса разрушения кембрийской глины блокированными резами при h=15 мм и угле резания 60 равно DX =14470,4.
Рисунок 2.18 – Плотность распределения вероятности В рассматриваемом процессе спектр (рисунок 2.19) явно выделяется на частоте 1 Гц, что характеризует частоту образования крупных сколов в срезе. Рисунок 2.19 – Спектральная плотность процесса резания кембрийской глины одиночным резцом Значение средних сил на резце при h=20 мм и угле резания 60 или математическое ожидание процесса составило Pz =445 Н. Осциллограмма процесса приведена на рисунке 2.20.
Осциллограмма процесса разрушения кембрийской глины блокированными резами при h=20 мм и угле резания 60 Плотность распределения вероятности можно описать законом гамма-распределения (рисунок 2.21). Значение дисперсии процесса разрушения кембрийской глины блокированными резами при h=20 мм и угле резания 60 равно DX =34845,0. Рисунок 2.21 – Плотность распределения вероятности В рассматриваемом процессе спектр (рисунок 2.22) явно выделяется на частоте 1 Гц, что характеризует частоту образования крупных сколов в срезе.Спектральная плотность процесса резания кембрийской глины одиночным резцом При обработке результатов компьютерного моделирования процесса резания кембрийской глины стендовым резцом был построен график зависимости энергоемкости ее разрушения от толщины срезаемой стружки (рисунок 2.23). По данным, полученным в среде ANSYS, были найдены потери объема глины после прохода резца для вычисления удельных энергозатрат на разрушение. Расчёт удельных энергозатрат процесса разрушения осуществляем по формуле [29]: где Hw – удельные энергозатраты процесса резания, кВтч/м3; L – длина среза, см; G – вес продуктов разрушения, г; – плотность кембрийской глины в массиве, г/см3.
Зависимость изменения удельной энергоемкости разрушения от глубины внедрения эталонного резца Из графика (рисунок 2.23) видно, что энергоемкость разрушения глины заметно снижается при толщине стружки в диапазоне 13-15 мм, что позволяет говорить об оптимальном режиме резания при данной величине заглубления. Данное утверждение нуждается в экспериментальной проверке.
Как говорилось в главе 1 в проходческих щитах могут применяться резцы, используемые на проходческих комбайнах. Хорошо показали себя резцы ШБМ2С-1-1-04, данный тип режущего инструмента получил широкое распространение в отечественных щитах, в том числе используемых в ОАО «Метрострой» Санкт-Петербург. Державка резца изготовлена из стали 35ХГСА, а твердосплавная вставка из сплава марки ВК-8ВК. Для этих резцов целесообразно принимать скорость резания 1,5–2 м/с при разрушении пород с f=4–5 и 0,8–1 м/с при f=6.
В связи с этим для определения силовых параметров процесса резания было произведено моделирование разрушения кембрийской глины со скоростями резания реальных исполнительных органов роторного типа, как наиболее эффективных при проходке вспомогательных выработок. Диаметр выработок принимался 6 м (8,5 м).
На рисунке 2.24 показана 3D модель резца типа ШБМ с образцом, имитирующим кембрийскую глину.
Методика экспериментальных исследований процесса разрушения кембрийских глин резанием
Исследования проводятся на образцах кембрийской глины с глубины 60 м, отбитой при проходке на шахте ОАО «Метрострой» Санкт-Петербург. Сопротивляемость резанию около Ap=160 Н/мм.
Порода представлена аргиллитоподобной глиной котлинского горизонта зеленовато-серого цвета, в верхней части тонкослоистой, прочностью Rсж от 10 до 17 МПа.
Породоразрушающий инструмент – резец с прямоугольной режущей кромкой и плоской передней гранью. Ширина режущей кромки bp = 10 мм, задний угол =10. Угол резания = 60. Привод резца осуществляется при помощи шарико-винтовой передачи. Тип реза: блокированный с выровненной поверхности. Скорость движения резца Vp=0,0125 м/с, данная скорость является максимально возможной реализуемой на данной испытательной машине.
Перед проведением экспериментальных исследований на цокольную траверсу универсальной испытательной машины устанавливается необходимая оснастка с зажимным устройством, куда впоследствии укладывается образец кембрийской глины максимальный размер 2020 см, а по высоте ограничивается лишь конструктивными параметрами испытательной установки. Далее в подвесной захват устанавливается штанга с резцедержателем и сам резцовый инструмент. Включается вся необходимая контрольно-измерительная аппаратура.
Исследования проводятся при значении величины заглубления резца в массив в диапазоне h=10-20 мм с шагом в 2,5 мм. Изменение величины заглубления осуществляется при помощи винта-регулятора 4 (см. Приложение В). Результаты каждого отдельного реза осуществляются с одновременной записью данных измерительной аппаратуры на персональный компьютер.
По окончании каждого реза производится сбор, измерение и анализ формы крупных элементов – сколов, исследуются поверхности разрушения, осуществляется их взвешивание.
Расчёт удельных энергозатрат процесса разрушения осуществляется по формуле (2.7). Методика обработки осциллограмм процесса резания приведена в разделе 2.3.1.
Как уже говорилось ранее, процесс разрушения кембрийской глины является сложным многофакторным циклически повторяющимся процессом чередования фаз контактного дробления и образования крупных сколов. Глина, как правило, разрушается крупным сколом, так при h=10 мм максимальная длина крупных сколов составляет порядка 70 мм (рисунок 3.11).
При внедрении резца в породный массив и отделения от него некоторого объёма породы, на поверхности формируются резы, характеризующиеся наличием трёх поверхностей разрушения (двух боковых и нижней). Боковой развал формируется не на всю глубину реза, нижняя поверхность бороздки резания остается прямолинейной, что объясняется высокой вязкостью кембрийской глины, при указанных параметрах резания она составляет 2-3 мм. Дно реза неровное, имеются характерные неровности, образованные при проходе резца.
Структура боковых поверхностей резов и поверхностей разрушения крупных сколов характерна для хрупкого разрушения.
В ходе экспериментальных исследований было выявлено, что передняя грань резца «залепляется», образуется глиняный нарост, в результате чего увеличиваются удельные энергозатраты на ее разрушение.
Значение средней силы резания (математического ожидания) при h=15 мм и =60 составляет Pz.cp.=244,6 Н, а удельные энергозатраты процесса разрушения кембрийской глины равны Hw=0,87 кВтч/м3.
Плотность распределения вероятности близка к закону гамма-распределения.
В рассматриваемом процессе спектр (рисунок 3.16) также выделяется на частоте 1 Гц, что характеризует частоту образования крупных сколов в срезе. Значение дисперсии процесса разрушения массива кембрийских глин блокированными резами при h=15 мм равно Dx=75384,3.
Конструкция ударника исполнительного органа проходческого комплекса
На рисунке 4.11 показана схема взаимодействия основных узлов разработанного по результатам, указанных выше, исследований ударного механизма, где 1 – корпус ударника. На рисунке 4.11, а показан момент удара поршня 6 через боек 3 по инструменту 2. На рисунке 4.11, б показан обратный ход поршня 6, при этом боек 3 отодвигается от инструмента 2 на требуемый зазор 2 мм с помощью электромагнита 5, отход бойка 3 фиксируется специальным устройством 4, например болтом. В начальный момент удара при перемещении поршня 6 справа налево он наносит первый удар по бойку 3, причем сила удара существенно превышает магнитные силы устройства 5. Боек совершает «дребезг» в сужающемся зазоре между поршнем и инструментом, парциально передавая ударную энергию на забой. Наиболее просто указанный принцип реализуется в ручных перфораторах Dauer, однако может быть выполнен и на тяжелых перфораторах семейства COP.
Конструкция ударника проходческого комплекса: а) – момент удара; б) – обратных ход В настоящее время указанная конструкция ударника патентуется. Предлагается использовать ударники аналогичной конструкции в проходческих комплексах.
Методика расчета производительности и нагрузки на резцах при резании породного массива кембрийских глин
Основной операцией при работе проходческого комплекса является операция разрушения. Правильный расчет процесса разрушения, достоверное определение силовых и энергетических параметров этого процесса и условий их оптимизации при работе исполнительных органов по породам различного состава необходим, как для создания новых высокопроизводительных проходческих машин, так и для установления наиболее эффективных и экономичных режимов эксплуатации.
Для того, чтобы полностью реализовать возможности проходческих машин необходимо обеспечить их эксплуатацию строго в рациональных режимах. Установить рациональные режимы работы можно лишь путем обоснованного расчетами прогнозирования поведения и показателей породоразрушающей машины в различных геологических средах и при различном воздействии на забой.
При механическом способе разрушения часто оказывается нерациональным повышение производительности машин путем увеличения их мощности, что в одних случаях дает существенное увеличение габаритов машины, а в других экономической нецелесообразностью применения вследствие большого веса, малой маневренности и других эксплуатационных неудобств, а также невозможностью обеспечить необходимую стойкость породоразрушающего инструмента при возрастании действующих усилий. Поэтому механический способ разрушения пород нуждается в более рациональном использовании подводимой к забою энергии [65].
В настоящее время при расчетах нагрузок, как в случае резания углей, так и в случае разрушения горных пород [107] в отечественной практике применяются единые методологические подходы, сводящиеся к следующему:
- основой расчета является определение средних нагрузок, действующих на резец;
- расчет ведется на основе интегральных характеристик разрушаемости, которые принимаются постоянными;
- в общем случае расчеты производятся для затупленного инструмента, т.е. с учетом значительных затрат энергии на диспергирование при трении задней и боковых граней резца о массив.
Как говорилось выше, показателем, определяющим степень рациональности разрушения породы исполнительным органом, является удельная энергоемкость разрушения Hw. Для любого исполнительного органа проходческого комплекса: где N - мощность, потребляемая исполнительным органом машины, кВт; Q - производительность, м3/ч; SВ - обрабатываемое сечение, м2; VП -скорость подачи, м/ч. Отсюда:
Исходя из приведенных зависимостей, всегда необходимо стремиться к уменьшению удельной энергоемкости работы горной машины, что достигается за счет применения режущего инструмента с рациональными геометрическими параметрами, а также правильного выбора схемы и параметров процессов разрушения породы, в нашем случае кембрийской глины. К числу наиболее важных параметров стоит отнести ширину t и толщину h стружки. Из приведенных теоретических и экспериментальных исследований установлено, что для условия резания кембрийских глин оптимальный шаг составляет t=25,4 мм, а глубина внедрения резца /7=15 мм из условия оптимальности режима резания.
На исполнительном органе проходческого комплекса резцы устанавливаются в определенной закономерности, называемой схемой набора резцов.
Расчет средних нагрузок на резцах при определении параметров горных машин в настоящее время производится согласно ОСТ 12.44.258-84 [108].
Методика расчета роторных исполнительных органов проходческих комплексов
Рассмотрим общий алгоритм расчета роторных исполнительных органов проходческих комплексов на примере использования упрощенной расчетной схемы. В первом приближении конструкция роторного исполнительного органа представляет собой абсолютно жесткий плоский диск, на котором размещены резцы на различных расстояниях от оси симметрии диска. Схема расстановки режущего инструмента должна обеспечивать разработку забоя по всей его площади.
Для расчета исполнительного органа роторного типа требуется определить число одновременно контактирующих с забоем резцов и минимальное число линий резания, необходимое для обработки всей площади забоя.
