Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 9
1.1- Анализ развития способов отделения угля выемочными машинами 9
1,2. Анализ современных представлений процесса разрушения углей резанием 20
1.2 1. Теоретические основы процесса резания 21
1.2.2. Анализ процесса резания углей с позиций кинетики роста трещин 27
Цель и задачи исследований 35
ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса резания угля резцом с объёмным гидроприводом 37
2.1. Цель и задачи теоретических исследований 37
2.2. Влияние времени приложения нагрузки на максимальные значения силы резания 38
2.3. Требования к физической модели стенда и процессу исследования временного фактора 42
2.4. Влияние свойств привода на процесс резания 44
2.5. Требования к физической модели стенда и исследуемому процессу 52
Выводы по теоретическим исследованиям 53
Глава 3. Экспериментальные исследования процесса резания углей 54
3.1. Общие положения методики исследования 54
3.2. Экспериментальные исследования зависимости средних пиковых значений сил резания от времени приложения нагрузки 57
3.2.1. Лабораторный стенд 58
3.2.2. Последовательность проведения экспериментальных исследований 61
3.2,3, Обработка результатов эксперимента 65
3.3. Экспериментальные исследования влияния параметров
гидропривода на процесс резания углей 65
3.3.1, Лабораторный стенд и измерительная аппаратура 62
3.3.2, Методика проведения экспериментальных исследований 71
3.3.3, Методика обработки и результаты экспериментальных исследований,.-.74
Выводы по экспериментальным исследованиям 84
ГЛАВА 4. Математическое моделирование процесса резания 86
4.L Цель и задачи математического моделирования 86
4.2. Разработка математической модели процесса резания 87
4.3, Результаты компьютерного моделирования 96
ГЛАВА 5. Разработка унифрщированного вьгемочного модуля и ожидаемая эффективность 98
5.Г Выбор способа обработки забоя и механизма резания 98
5.2. Техническое решение и выбор параметров выемочного модуля 100
5.3. Гидропривод выемочного модуля 107
5.4. Определение производительности модуля и фронтального комплекса.,.Л 09
Заключение 112
Литература
- Анализ современных представлений процесса разрушения углей резанием
- Влияние времени приложения нагрузки на максимальные значения силы резания
- Экспериментальные исследования зависимости средних пиковых значений сил резания от времени приложения нагрузки
- Разработка математической модели процесса резания
Введение к работе
Современная технология подземной добычи угля длинными очистными забоями базируется в основном на применении механизированных очистных комбайновых и струговых комплексов, а также выемочных агрегатов. Принцип действия всех этих выемочных машин основан на механическом способе разрушения угольного массива резанием. Этот способ и в дальнейшем остаётся приоритетным для подземной добычи угля.
Основными факторами, сдерживающими эффективность подземной добычи угля, органически присущими существующим комбайновым и струговым технологиям, являются: высокая энергоёмкость процесса отбойки угля, низкое качество добываемого угля по гранулометрическому составу и зольности, недостаточная устойчивость технологического процесса в лаве. Проблема снижения удельного расхода энергии по добычи угля возникла с момента создания первых очистных комбайнов, а необходимость улучшения гранулометрического состава угольной массы особенно актуальной стала с начала массового применения узкоза-хватньгх очистных комбайнов с роторными исполнительными органами, осуществляющими отделение полезного ископаемого от массива серпообразными срезами,
В настоящее время одной из важнейших задач, стоящих перед угольной промышленностью, остается повышение эффективности очистных работ при подземной добыче угля. При ее решении основная роль отводится повышению эффективности процесса отделения угли от массива горными выемочными машинами.
Здесь необходимо выделить три основных направления:
снижение энергоемкости добычи, следовательно, снижение расхода энергии и улучшение качества добываемого угля по гранулометрическому составу;
снижение неравномерности нагрузок и, как следствие, повышение ресурса горных машин и устойчивой мощности привода;
повышение интенсивности процесса отделения угля от массива и, еле-
5 дователыю, повышение производительности горно-выемочпых машин.
Снижение удельного расхода энергии и неравномерности нагрузок - задачи взаимосвязанные. Без их решения невозможно значительно повысить интенсивность процесса отделения угля от массива- Известно, что энергоемкость резания снижается при увеличении толщины среза. Но увеличение толщины среза вызывает быстрый рост неравномерности нагрузок, что снижает надежность механизмов резания: увеличивается частота отказов и уменьшается ресурс.
Известны выемочные гидравлические механизмы резания института ПНИУИ, фронтальные комплексы модульного исполнения для избирательного отделения угля от массива, обеспечивающие большие толщины срезов и лучший гранулометрический состав добываемого полезного ископаемого. Но не разработана теория обоснования и выбора рациональных параметров их механизмов резания, обеспечивающих снижение удельного расхода энергии увеличением толщины среза с одновременным снижением неравномерности нагрузок, что является актуальной научной задачей.
Работа базируется на теории резания углей (М.М.Протодьяконовы (старший и младший), А.И.Берон, В.Г.Гетопанов, Е.З.Позин), на результатах исследований динамики горных машин (А.В.Докукин, Ю.Д.Красников, А.Г.Фролов, Е.З.Позин, ЗЛ.Хургин, Н.А.Киклевич, Б.С.Маховика в, Ю.Н.Смирнов и др.), а также на отдельных научных и экспериментальных исследованиях нетрадиционных средств добычи угля, в частности, разработках агрегатов: АГК-8 (ПНИУИ, КШНаместников), АФГ (ПНИУИ, А.И.Куракин; МГИ, В.И.Солод, Е.К.Заикин), КФМ (СПГГИ (ТУ) ВГИ, В.В. Габов, Э.А. Загривный) и некоторых других работах.
Идея работы: снижение неравномерности нагрузок на резце в процессе резания углей достигается увеличением запаса потенциальной энергии привода, продолжительности действия нагрузки при уменьшении инерционной массы механизма резания, что позволяет увеличить толщину среза и снизить удельный расход энергии при добыче угля.
Защищаемые научные положения:
Экспериментально установлено, что в момент начала скола значение максимальной статической нагрузки на эталонный резец, с увеличением продолжительности ее действия уменьшается от эталонного значения для данного типа угля на величину, равную произведению натурального логарифма времени действия нагрузки и коэффициента пропорциональности, характеризующего хрупко-пластические свойства и трещиноватость углей.
Экспериментально установлено, что увеличение запаса потенциальной энергии в приводе резания и уменьшение его кинетической энергии путем снижения массы движущих частей сопровождается снижением неравномерности силы резания и увеличением неравномерности скорости резания, при этом физическая сущность процесса отделения угля от массива отдельными сколами сохраняется, а эффективность процесса (производительность) повышается.
Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение теории резания углей, кинетической теории прочности материалов и механики образования и распространения трещин, экспериментальные исследования на физических моделях, математической статистики и спектрального анализа, математическое моделирование.
Научная новизна диссертационной работы заключается в установлении экспоненциальной зависимости максимальной статической силы резания хрупких трещиноватых улей от времени приложения нагрузки, и в установлении эффекта снижения неравномерности сил резания углей одиночным резцом при отделении стружки отдельными сколами с увеличением запаса потенциальной энергии и уменьшением кинетической энергии за счет уменьшения массы движущихся деталей механизма резания.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается достаточным объемом экспериментальных данных, полученных на физической полноразмерной модели при резании угля эталонным резцом; устойчивостью корреляционных
7 связей установленных зависимостей (значение индексов корреляция находятся в пределах 0,96-0,99); корректным применением метода спектрального анализа случайных процессов при обработке и анализе экспериментальных данных. Практическое значение работы:
— экспериментально доказана возможность снижения неравномерности
нагрузок на резцы и привод выемочной машины при использовании гидравли
ческого привода снижением его инерционной составляющей и увеличением
емкости пневмо гидроаккумулятора;
разработан пакет прикладных программ для определения рациональных параметров механизма резания, спектрального анализа нагрузок и моделирования процесса;
разработан, изготовлен и испытан стенд для изучения процесса резания углей выемочными модулями с объемным гидравлическим приводом с широким диапазоном изменения параметров, как механизма резания, так и свойств разрушаемых углей;
даны рекомендации для выбора рациональных параметров гидропривода унифицированного выемочного модуля добычного комплекса;
разработано техническое решение унифицированного выемочного модуля фронтального комплекса для условий шахты «Воркутинекая» ОАО «Вор-кутауголь и методика определения его производительности.
Свіізь темы диссертации с научно-техническими программами Работа выполнена по планам госбюджетной НИР филиала СПГГИ (ТУ)
«Воркутинский горный институт», по отраслевым планам компании «Росуголь»
Министерства топлива и энергетики России, Реализация результатов работы:
— созданы стенд для динамических испытаний моделей приводов меха
низмов резания выемочных модулей и устройство для определения сопротив
ляемости угольных пластов резанию в шахтных условиях при толщинах среза
до 300 мм;
— результаты работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) и при дипломном проектировании по специальности 150402 «Горные машины и оборудование».
Лнчный вклад автора. Сформулированы задачи исследования, разработаны методы их решения, созданы экспериментальные стендовые установки, получены зависимости средне-пиковых (максимальных) сил резания от времени приложения нагрузки к эталонному резцу, разработана математическая модель процесса резания угля выемочным модулем, разработаны рекомендации для выбора рациональных параметров привода механизма резания выемочных устройств.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались на Республиканской конференции «Человек на Севере в XXI веке: горное дело, ТЭК» (Воркута, апрель 2001 г,); на ежегодной научной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет), Санкт-Петербург, апрель 2002г.); на международном симпозиуме «Неделя горняка» (Московский государственный горный университет, январь 2003г.); на 3-й межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, апрель 2005г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 9 статьях.
Анализ современных представлений процесса разрушения углей резанием
Большой вклад в развитие теории резания внесли исследования ИГД им. А.А. Скочинского, ДонУГИ, КНИУИ, ШахтНИУИ, КузНИУИ, ДПИ. Значительная часть изысканий в области механического разрушения углей выполнена в специализированной лаборатории резания углей ИГД им АЛ. Скочинского. В результате этих исследований разработана экспериментально-статическая
теория резания углей [49, 54, 57, 62], являющаяся в настоящее время основой инженерных расчётов параметров режущих инструментов исполнительных органов и режимов работы угледобывающих машин.
По устоявшемуся мнению [62] процесс резания представляет собой непрерывное чередование контактного дробления (с образованием ядра уплотнения) с отрывами мелких и крупных кусков угля. Впервые о ядре уплотнения и его зонной структуре при разрушении горных пород заявил В.Н. Гетопанов в своей работе [28]» Систематические исследования таких особенностей процесса резания были проведены В.Н. Гетопановым на глинистых и песчано-глинистых сланцах [28, 29]. Работа разрушения породы резцовым инструментом, по его мнению, складывается, в основном, из затрат энергии на упругое и пластическое деформирование породы, на образование новых поверхностей и на трение инструмента о породу. Отделение элементов породы происходит путём отрыва их от массива в результате активного воздействия уплотнённого ядра, образующегося из мелкораздробленного материала у передней грани резца [28].
Процесс тонкого диспергирования материала ядра требует значительных затрат энергии. Под воздействием уплотненного ядра происходит не только отделение элементов породы, по и деформирование окружающего массива породы. Восстановление со стороны задней и боковых граней резца упругих деформаций породы вызывает появление на резце осевого Ру? и бокового Рч усилий (рис. 1.6).
Развитие уплотненного ядра, несмотря на практически непрерывный процесс дробления породы передней гранью резца, имеет скачкообразный характер, В.Н. Гетопанов связывает это с уменьшением степени объёмного сжатия и удалением части материала ядра в моменты промежуточного отделения элементов породы. Автор так же полагает, что разрушение материала в зоне уплотненного ядра происходит в результате действия «сдвигающих»
Согласно схеме (рис. 1,8), предложенной А.И. Бероном [11], процесс резания угля резцом представляет собой непрерывное чередование местных отрывов мелких элементов стружки (І-Ш) и отрыва от массива крупного куска (TV). В промежутках между местными отрывами продвижение резца сопровождается одновременным дроблением угля в контакте и удалением продуктов разрушения из ядра. При дроблении происходит увеличение силы резания, а отрывы небольших элементов стружки сопровождаются выбросом мелко-раздробленного ядра и некоторым снижением силы резания. После завершения отдельного скола, когда от массива отделяется крупнУгольный массив по своей структуре неоднороден (анизотропен), поэтому его разрушение рассматривают как случайный процесс и описывают соответствующими статистическими характеристиками [49, 57].
Экспериментальные данные, полученные в ИГД им. А.Л. Скочинского и Доигипроуглемаше показывают, что кратность пиковых и средних значений усилий резания при прорезапин твёрдых включений по отношению к соответствующим значениям при резании угля изменяется от 3 до 11,
Процесс резания угля характеризуется возникновением элементарных сколов различной формы, В работе [61] Е.З. Позипым и Л.С. Туяховым предложены варианты формы сколов, которые систематизированы в виде идеализированных диаграмм (рис.1.9). Установлено, что преобладают (более 80%) сколы, соответствующие пилообразной (треугольной) форме. ый элемент угля (IV), сила резания падает до нуля или близкой к нулю величины.
Угольный массив по своей структуре неоднороден (анизотропен), поэтому его разрушение рассматривают как случайный процесс и описывают соответствующими статистическими характеристиками [49, 57].
Экспериментальные данные, полученные в ИГД им. А.Л. Скочинского и Доигипроуглемаше показывают, что кратность пиковых и средних значений усилий резания при прорезапин твёрдых включений по отношению к соответствующим значениям при резании угля изменяется от 3 до 11,
Процесс резания угля характеризуется возникновением элементарных сколов различной формы, В работе [61] Е.З. Позипым и Л.С. Туяховым предложены варианты формы сколов, которые систематизированы в виде идеализированных диаграмм (рис.1.9). Установлено, что преобладают (более 80%) сколы, соответствующие пилообразной (треугольной) форме.
Влияние времени приложения нагрузки на максимальные значения силы резания
Любые срезы по углю, осуществляемые горными машинами — это последовательность элементарных сколов, которые характеризуются максимальными пиковыми значениями сил резания ZllllKi? периодами нарастания Тц и спада Т2 нагрузки (рис. 2Л). При этом расчёт нагрузок на резцы выемочных машин производится на основе показателя сопротивляемости угля резанию, а сопротивляемость угля резанию определяется по средним значениям сил резания на эталонном резце и принимается постоянной величиной не зависящей от времени приложения на Z — грузки и свойств привода: Av = - -, Н/м, где Z3— среднее усилие резания на эталонном резце, Н; h -толщина стружки, мм.
Формирование среза последовательностью отдельных сколов (рис.2.1) определяется генетическими и структурными особенностями углей, а на многообразие видов силовых характеристик отдельных сколов оказывает влияние также режим работы резца. При этом эффективность резания в целом зависит от эффективности отдельных элементарных сколов. Поэтому необходимость исследования элементарного скола очевидна.
При рассмотрении характеристики элементарного (единичного) скола (рис.2.2) с позиций механики возникновения и развития магистральных трешин и кинетической теории разрушения хрупких массивов можно отметить, что передний фронт характеристики (а) - фронт нарастания сил резания формируется с ростом толщины среза, смятием угля по передней поверхности резца и ростом числа мелких трещин вокруг ядра уплотнения, а задний фронт (Ь) - фронт убывания сил резания определяется особенностями развития магистральной трещины, длина которой зависит от толщины среза и напряжения в полюсе трещины.
Поэтому для исследования влияния сил резания от времени их приложения целесообразно выбрать статическую нагрузку, соответствующую максимальным (пиковым) значениям сил резания на характеристике элементарного скола (рис.2.2).
Анализ литературных источников показал, что эксперименты, проведенные на горных породах (рис.1.11), подтверждают снижение прочности с увеличением длительности действия нагрузки (1.7). Есть данные, что эта закономерность может быть справедливой и для разрушения некоторых типов углей резцами выемочных машин. Известно, что при обычном резании процесс сжатия преобладает над растяжением и сдвигом, поэтому можно предположить, что максимальная (пиковая) сила резания по передней грани резца может иметь аналогичную выражению (1.7) временную зависимость. Даже если действуют и другие силы, характер зависимости должен сохраниться. А так как анизотропия и хрупко-пластические свойства угля явно выражены, то временной диапазон, в отличие от пластичных пород, должен быть незначительным и может играть существенную роль в повышении эффективности процесса резания. При разрушении угольного массива выемочными машинами время воздействия резца на массив может составлять секунды и доли секунды. Поэтому большие интервалы времени (часы, сутки) не применимы к процессу разрушения угольного массива выемочной машиной, так как её работа будет не эффективна.
Таким образом, при приложении нагрузки с течением времени в массиве накапливаются мелкие повреждения (критическое число дефектов), образуются новые поверхности (появляются трещины) (фронт «а»), развиваются магистральная трещина или семейство магистральных трещин, которые очень быстро распространяются (фронт «Ь», рис.2.2).
Экспериментальные исследования зависимости средних пиковых значений сил резания от времени приложения нагрузки
Принятый метод предусматривал проведение экспериментальных исследований с последующим графоаналитическим анализом опытных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики.
Эксперименты планировались таким образом, чтобы можно было получить качественную и количественную оценки исследуемых величин. Эксперименты проводились при постоянных параметрах процесса резания: толщина стружки и вид среза в процессе эксперимента поддерживались постоянными.
Необходимое количество опытов для определения временной зависимости пиковых сил резания по передней грани резца от времени приложения усилия, обеспечивающее получение достоверных результатов, было определено методом малой выборки: где К„ар - коэффициент вариации пробной выборки, %; КД011 - допустимая ошибка, %; t„ — нормированное отклонение. ПрОВСДешГЫе Предварительные ЭКСПСрИМеНТЫ ПОЗВОЛИЛИ Определить КО эффициент вариации опытных данных при сколах угля резцом. Оказалось, что при повторении одноименных опытов 5-6 раз коэффициент вариации находится в пределах 15-20 %. Принимая нормированное отклонение tH = 1,96 при надежности РНад — 0,95 и допустимую ошибку КЛ( П = 15 % [8], получаем количество повторных опытов n = 5- Однако, для получения более достоверных результатов, количество одноименных опытов зачастую превышало 5. Как правило, проводилось 6-10 опытов в зависимости от устойчивости процесса.
Полученные эмпирические данные были подвержены обработке методом «вычисления средней арифметической величины с исключением выскакивающих вариантов» [7]. Следует отметить, что прежде чем установить значение средней арифметической, необходимо обязательно проверить совокуп ность на присутствие так называемых выскакивающих вариант, В нашем случае выскакивающие варианты являются, как правило, следствием сложного характера структуры угольного массива, т.е. — анизотропии. Данный метод позволяет решать эту исследовательскую задачу с достаточной строгостью и необходимой точностью. Он основан на оценке различий крайних вариант данной совокупности.
Проверка крайних вариант проводилась отношением: х""к 1, (3,2) где хп -хп_і разность между «подозреваемой» выскакивающей крайней вариантой и вариантой, которая ей предшествует; хп — xj — разность между наибольшей и наименьшей вариантами ряда. Полученные величины оценивались с помощью специальных таблиц [7]. Уровень достоверности оценки составил 99%, При превышении вычисленного по формуле (3.2) значения над табличным варианту признаём выскакивающей и исключаем её из совокупности.
После исключения выскакивающих значений вычислена средняя арифметическая величина по формуле: п х = ї- (3.3) где Xj — результаты отдельных опытов; п - количество опытов. Эмпирические зависимости были получены с использованием программы Microsoft Excel, при этом коэффициенты корреляции составили 0,96-0,99.
По существующим стандартным программам вычислены среднеквадратичное отклонение и дисперсия-Процесс разрушения угольного массива резцом — это случайный процесс, поэтому обработка результатов исследований для выявления рациональных параметров процесса резания и элементов привода проводилась с использованием методов спектрального анализа.
Целью экспериментальных исследований является оценка влияния на процесс разрушения угольного массива времени приложения нагрузки к разрушающему инструменту и свойств привода выемочных машин.
Задачами исследований являются: - проектирование, изготовление и монтаж лабораторного стенда для исследования зависимости значений пиковой силы резания от времени ожидания скола; - проведение исследований и анализ результатов; - проектирование, изготовление и монтаж лабораторного стенда для определения влияния параметров гидравлического объёмного привода на параметры процесса резания угольного массива; - проведение экспериментальных исследований с целью определения влияния гидравлически объёмного привода, имеющего мягкую механическую характеристику по скорости, на процесс резания; - обработка полученных результатов с использованием теории вероятно сти и спектрального анализа случайных процессов.
Разработка математической модели процесса резания
На основании выше изложенного можно сделать следующие выводы:
1. Аналитически полученные формулы (5.7) и (5.8) могут быть рекомендованы для расчёта производительности модуля и модульного фронтального комплекса при отделении угля от массива сколами по напластованию с шириной скола на половину локального забоя, поочередно на длину шага передвижки крепи последовательно от почвы к кровле или от кровли к почве.
2 Нагрузка на забой при применении предлагаемого фронтального модульного комплекса в условиях пласта «Тройной» шахты «Воркутипская» ОАО «Воркутауголь» может быть увеличена с 2400 до 7200 т/сут.
3. Выявлено несоответствие существующих методик расчёта нагрузок на резцы горных машин (ОСТ 12.44,258-84) характеру разрушения углей механизмами УВМ с объемным гидроприводом, что потребует дальнейших исследований для их уточнения.
В диссертации, представляющей собой законченное научное исследование, на базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научная и практическая задача повышения производительности и ресурса выемочных модулей выбором их рациональных динамических параметров, обеспечивающих снижение неравномерности нагрузок на резцах и многократного увеличении толщины среза, что является важным для горной отрасли.
Основные научные выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:
1. Экспериментально установлено, что при резании хрупких трещиноватых углей значение максимальной статической нагрузки на эталонный резец уменьшается по экспоненциальному закону с увеличением продолжительности ее действия.
2. Снижение неравномерности сил резания достигается уменьшением массы движущихся частей механизмов резания и увеличением запаса потенциальной энергии в их приводе, при этом энергоемкость процесса разрушения угля и выход его мелких классов снижаются.
3. Разработана математическая модель процесса отделения угля от массива унифицированными выемочными модулями, которая позволяет, изменяя в широких пределах параметры модуля и свойства разрушаемого массива, определять рациональные значения конструктивных параметров модуля и режима его работы.
4. Полученные зависимости необходимо учитывать при выборе рациональных параметров гидропривода выемочных модулей фронтальных модульных комплексов. При заданной производительности КФМ и гранулометрическом составе (сортности) добываемого угля можно определить время запаздывания t и соответствующую нагрузку на исполнительный орган выемочного модуля. При этом неизбежные «стопорные» режимы НС являются аварийными состояниями процесса, что свойственно современным горным машинам,
5. Разработана методика определения производительности фронтального модульного комплекса, укомплектованного унифицированными выемочными модулями, осуществляющими срезы по напластованию.
6. Нагрузка на забой при применении предлагаемого фронтального модульного комплекса в условиях пласта «Тройной» шахты «Воркутинская» ОАО «Воркутауголь» может быть увеличена с 2400 до 7200 т/сут.
