Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1. Струговая выемка. Современное состояние и перспективы развития 9
1.2. Гидромеханическое разрушение угля и крепких пород, его практическое применение 27
1.3. Современное состояние и направления развития теории разрушения углей и горных пород резцовым инструментом 30
1.3.1. Общие сведения о теории резания горных пород механическим инструментом 30
1.3.2. Эмпирическая модель... 44
1.3.3. Аналитическая модель 47
1.3.4. Сравнение результатов расчета по аналитической и эмпирической модели 51
1.3.5. Представления о механизме разрушения горных пород гидромеханическими резцами. Математическая модель процесса разрушения по схеме «струя через резец» 52
ВЫВОДЫ... 59
2. Постановка задачи и выбор метода моделирования процесса гидромеханического резания 60
2.1. Схема моделирования процесса резания 61
2.1.1. Определение эпюры, контактных напряжений системы резец-массив 61
2.1.2. Определение напряженного состояния подрезцовой зоны горного массива 82
2.2. Алгоритм обработки значений напряжений в подрезцовой зоне 84
ВЫВОДЫ 93
3. Численный эксперимент 94
3.1. Численное моделирование усилий резания для гидромеханического резца струговой машины 94
3.2. Определение вида функциональной зависимости усилий резания для механического резца струговой машины 106
3.3. Функциональная зависимость силы резания гидромеханическим резцом с плоской передней гранью 120
ВЫВОДЫ 123
4. Конструктивные схемы и расчет силовых показателей струговых установок, оснащенных щцромеханическим инструментом ..124
4.1. Технологическая перспектива селективной разработки угольных пластов стругами 124
4.2. Обоснование необходимости разработки тонких и средней мощности угольных пластов стругами . 130
4.3. Технология селективной выемки с применением ассиметричного струга 133
4.4. Методика расчета сил на резцах струга , оснащенного гидромеханическим инструментом 135
4.4.1. Методика выбора основных параметров резцовой группы исполнительного органа 137
4.4.2. Методика расчета средних значений сил на резцах струга 139
4.4.3. Методика расчета равнодействующих средних сил и координат точек их приложения 141
4.5. Конструктивная реализация подвода воды высокого давления к стругу и гидромеханическому резцу 144
Выводы 146
Заключение 147
Библиографический список.
- Гидромеханическое разрушение угля и крепких пород, его практическое применение
- Определение эпюры, контактных напряжений системы резец-массив
- Определение вида функциональной зависимости усилий резания для механического резца струговой машины
- Обоснование необходимости разработки тонких и средней мощности угольных пластов стругами
Введение к работе
Актуальность темы. Добыча угля подземным способом остается приоритетным направлением в топливно-энергетической отрасли России. Оснащенность комплексно-механизированных лав современными выемочными машинами различных конструкций и накопленный многолетний опыт их эксплуатации в разнообразных горно-геологических условиях позволяют констатировать, что выемка угля стругами является одним из перспективных способов отработки пластовой залежи. Основными достоинствами струговой выемки являются: простота конструкции машины, высокая по гранулометрическому составу сортность, отделяемого от массива угля и возможность селективной разработки угольного пласта. Однако, реализация выемки с помощью стругов сдерживается из-за ограниченных возможностей механического способа разрушения прочных углей традиционным резцовым инструментом.
Более прогрессивным способом разрушения является гидромеханический способ, заключающийся в одновременном воздействии на угольный массив высоконапорных струй воды и механического инструмента. Применение гидромеханического способа позволяет улучшить сортность продуктов разрушения, уменьшить нагрузки на инструменте по сравнению с механическим резанием и, таким образом, расширить область применения механизированной отбойки. При этом в качестве инструмента целесообразно применять гидромеханические резцы, выполненные по схеме «струя через резец». Известными достоинствами таких схем реализации резцов являются снижение пылеобразования, охлаждение инструмента и уменьшение его износа. В то же время процесс совместного воздействия на угольный массив воды высокого давления и режущего инструмента струга недостаточно изучен и, как следствие, отсутствуют расчетные методы определения силовых показателей его работы. В связи с этим для обеспечения расширения области применения струговой выемки необходимо установить закономерности взаимодействия гидромеханических резцов струга с разрушаемым массивом с учетом его прочностных характеристик, режимных и гидравлических параметров инструмента, что и определяет актуальность работы.
Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.» (ГК № 01.20.0214877), тематический план Министерства образования РФ № 1.1.04 «Развитие теории разрушения горных пород» 01.01.2005-31.12.2005 г. (Гос. per. № 0120.0408399) и х/д темы № 032504 «Создание методшш расчета основных технических и конструктивных параметров рыхлительного агрегата, оснащенного гидромеханическим инструментом» 01.08.2005-31.07.2006 г.
Цель работы. Выявление закономерностей процесса разрушения угля гидромеханическими резцами стругов на основании раскрытия механизма взаимодействия инструмента с массивом для повышения эффективности работы струговых установок и расширения области их применения.
Идея работы. Эффективное разрушение прочных углей стругами достигается за счет применения в их конструкции гидромеханических резцов, выполненных по схеме «струя через резец» с учетом выявленных закономерностей процесса взаимодействия инструмента с массивом, формирования нагрузок на инструменте и установке в целом.
В работе использован комплексный метод исследования, включающий: научное обобщение и анализ основных результатов ранее выполненных работ в области механического и гидромеханического способов разрушения угля; теоретические исследования на базе моделирования разрушения угольного массива гидромеханическими резцами струга, выполненными по схеме «струя через резец»; проведение и обработку результатов численных экспериментов методами теории вероятности и математической статистики; сопоставление результатов экспериментальных и теоретических исследований.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна. .
1. Разработана математическая модель позволяющая: определять напряженное состояние точек массива в подрезцовой зоне с учетом эпюры контактных давлений и силы трения, возникающих по плоской передней грани резца, а также силового воздействия струи высокого давления; рассчитывать максимальную нагрузку на гидромеханическом резце в процессе его взаимодействия с массивом, как потерю устойчивости подрезцового уступа, в следствии достижения напряженного состояния в зоне критического разрушения предельного значения по критерию прочности Мора при определенных контактных условиях по передней грани резца.
2. Установлен характер влияния воды высокого давления, толщины стружки, ширины резца и физико-механических свойств углей на критическое напряженное состояние массива в зоне концентрации напряжений, что позволило количественно оценить зависимость усилий разрушения угольного массива от основных параметров гидромеханического резания
3. Установлены зависимости, которые обеспечивают инженерную точность расчетов силовых параметров струга, оснащенного гидромеханическим инструментом, реализованным по схеме «струя через резец».
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом теоретических исследований комбинированного разрушения горных пород с применением методов, основанных на фундаментальных представлениях о разрушении углей резцовым инструментом и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов, полученных расчетным путем с результатами экспериментов, проведенных другими исследователями (средняя величина относительной погрешности не превышает 20 %).
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования нагрузок на гидромеханических резцах стругов при их взаимодействии с угольным массивом в зависимости от гидравлических параметров инструмента, толщины стружки и физико-механических свойств углей, что позволяет выполнить их расчет и расширить область эффективного применения струговых установок.
Практическое значение работы: - разработан пакет программ для персонального компьютера, позволяющих моделировать напряженное состояние в угольном массиве при воздействии на него гидромеханического инструмента и рассчитывать нагрузки на резце; -разработана «Методика расчета конструктивных параметров струга, оснащенного гидромеханическим инструментом, выполненным по схеме «струя через резец»; - предложена схема селективной выемки угля с применением струга с рабочим органом, выполненным по асимметричной схеме.
Реализация работы. «Методика расчета конструктивных параметров струга, оснащенного гидромеханическим инструментом, выполненным по схеме «струя через резец» принята проектно-конструкторской организацией «ГЕОТИМ» и фирмой «ГОРТЕХКОМПЛЕКТ» к использованию при проектировании выемочных машин. Результаты работы используются в учебном процессе по дисциплине «Горные машины и комплексы».
Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение на ежегодной конференции «Неделя горняка» в МГГУ (г. Москва 2004 и 2005г.), на международной конференции проходившей в ИПКОН РАН (г. Москва 2004 г.), на конференциях молодых . ученых и конференциях профессорско-преподавательского состава в ТулГУ (г. Тула 2003 - 2005 гг.)-
Гидромеханическое разрушение угля и крепких пород, его практическое применение
Перспективным направлением развития горнопроходческой и горнодобывающей техники является расширение области ее применения за счет применения комбинированного способа разрушения — гидромеханического, обеспечивающего разработку пород повышенной прочности, как наиболее эффективного и безопасного по сравнению с буровзрывными способами.
Результаты, проведенных в России и за рубежом научных исследований, показывают, что повышение скорости проходки подготовительных выработок проходческими комбайнами, т.е. увеличение производительности горнодобывающих машин может быть достигнуто на основе гидромеханического способа разрушения горных пород без увеличения габаритов и массы машин. При этом расширяется область их применения за счет комбинированного воздействии на горный массив высокоскоростных струй воды и режущего инструмента [9,10,11,12].
Проведенные испытания проходческих комбайнов с исполнительными органами, в которых используются струи воды высокого давления, показали эффективность процесса разрушения горных пород.
Следует отметить, что в литературе нет достаточно полной информации о результатах исследований гидромеханического способа разрушения горных пород, проводимых за рубежом. В России вопросами изучения гидромеханического способа разрушения пород в основном занимаются ИГД им. А.А. Скочинского (г. Москва) и Тульский государственный университет (г. Тула).
В настоящее время гидромеханические исполнительные органы для горных машин базируются на двух основных схемах комбинированного разрушения: щелевой и бесщелевой. При щелевой схеме массив разрушается режущим или скалывающим инструментом и струёй воды с гидравлическими параметрами, обеспечивающими образование опережающей щели необходимой глубины, определенным образом ориентированной относительно механического инструмента. При бесщелевой схеме струя воды подается в непосредственной близости от механического инструмента и воздействует на горный массив в зоне контакта его с резцом, создавая напряженную область без нарушения сплошности массива.
В лаборатории гидравлического разрушения угля и горных пород ИГД им. А.А. Скочинского, под руководством ученых И.А. Кузьмича и Ю.А. Гольдина, были проведены экспериментальные исследования гидравлического и гидромеханического способов разрушения горных пород с применением струй воды высокого давления [7]. Анализируя результаты, полученные исследователями, по изучению гидравлического и гидромеханического способов разрушения горной породы по щелевой схеме, необходимо отметить, что работы были посвящены исследованию закономерностей комбинированного воздействия на породный массив механического инструмента и струи воды высокого давления, гидравлические параметры которой (давление и расход) обеспечивают образование опережающей щели (дополнительной плоскости обнажения) заданной глубины- по определенной схеме. Особенностью данного комбинированного воздействия является то, что струя воды и механический инструмент расположены со смещением относительно.друг друга и работают последовательно, достигая эффекта благодаря понижению сопротивляемости горной породы в результате опережающей обработки последней. В этом случае не используется в полной мере трещиноватость (природная, техногенная) массива, предоставляющая для воды возможность действовать как гидравлический клин и создавать растягивающие напряжения в породе.
Процесс гидравлического разрушения происходит на локальном участке и характеризуется высокой удельной энергоемкостью, поскольку объем разрушенной породы весьма незначителен по сравнению с затратами энергии.
Указанные недостатки устраняет бесщелевая схема гидромеханического разрушения, при которой струя воды направлена в наиболее напряженную область породы, создаваемую механическим инструментом. Давление струи воды существенно меньше, чем в щелевых схемах, где оно выбирается из условия получения необходимой глубины щели.
Изучению бесщелевой схемы гидромеханического разрушения крепких пород посвящены работы Дорошенко И.И. (Ленинградский горный университет). Им подтверждена эффективность бесщелевой схемы, получены зависимости усилия резания и энергоемкости гидромеханического разрушения от толщины стружки, давления воды, скорости резания и опережения : струи. По мнению автора положительный эффект при бесщелевом разрушении достигается в основном за счет. вымывания ядра уплотнения и уменьшения силы трения.
За последние двадцать лет на кафедре горных машин и комплексов Тульского государственного университета под руководством докт. техн. наук, проф. В. А. Бреннера, сложилось научное направление по решению проблем, связанных с исследованием, разработкой и совершенствованием гидроструйных технологий для различных отраслей промышленности (горной, химической, оборонной и др.).
Определение эпюры, контактных напряжений системы резец-массив
Рассмотрим плоское представление принципиальной схемы «откола» (рис.2.1). Поскольку основное движение штампа, в результате которого происходит воздействие на массив, имеет направление параллельное оси OY, зададимся условием неподвижности штампа относительно оси ОХ. Выделим бесконечно малый элемент массива с размерами по оси ОХ равной їх, а по оси OY равной 1у непосредственно контактирующий со штампом по JC, как показано на рис. 2.2. Сила Р (далее нормальная сила) приложенная к выделенному элементу будет вызывать его деформацию. Согласно классической теории упругости
Ввиду ассиметричности возникающих реакций, рассматриваемого элемента, обусловленных наличием свободной поверхности (у элемента — be), должно произойти смещение точки центра тяжести элемента вдоль оси ОХ. Движению будет препятствовать тангенциальная сила, сила трения численно равная [77] Fmp=f-P, (2.1) где /- некоторый коэффициент пропорциональности (коэффициент трения).
Поскольку на формирование внутреннего напряженного состояния упругого массива, в результате которого происходит его разрушение, непосредственно влияют внешние силы, приложенные к поверхности, необходимо учитывать и силы трения, возникающие в области контакта. Ввиду того, что в реальности [76]f 0,l, силы Fmp и Р будут иметь численно один и тот же порядок. Следовательно, при рассмотрении задач, расчетная схема которых является несимметричной, для обеспечения точности расчетов, необходимо вести учет нормальных и контактных сил трения.
Можно утверждать, что в общем случае эпюра контактных напряжений от распределенной нагрузки будет иметь несимметричный вид вдоль линии перпендикулярной линии пересечения полуплоскостей [74].
Для нахождения закона распределения контактных напряжений в системе «резец-порода» рассмотрим плоскую задачу нагружения сосредоточенной силой двухмерного пространства, образованного исходящей из одной точки под некоторым углом двумя полупрямыми. В данном случае вышеуказанный угол характеризует угол резания инструмента и численно ему равен рис. 2.3 [88].
Таким образом, при взаимодействии резца и реального горного массива необходимо учитывать угол поверхности предыдущего скола. Следовательно, для расчетов необходимо знать не только «классический» угол резания, но и угол между передней поверхностью резца и поверхностью предыдущего скола а, который зависит как от физико-механических свойств породного массива, так и технических параметров резца. Расчетная схема, с учетом вышеизложенных предположений, показана на рис.2.5 б.
Анализ литературных источников, посвященных моделированию процесса резания горных пород и углей, показал, что процесс разрушения массива резами выемочной машины имеет качественную аналогию с процессом разрушения пород под жёстким штампом (рис. 2.1), внедряемым со стороны открытой плоскости бесконечного четвертьпространства. Эта аналогия подтверждена многочисленными экспериментальными и теоретическими данными [26, 16, 70, 71, 72, 74]. Как при вдавливании штампа с плоским основанием в хрупкие горные породы, так и при резании их резцовым инструментом следует рассматривать две фазы напряжённого состояния [84]: - фазу упругих деформаций и локальных сдвигов (формирование уплотненного ядра); - фазу развития значительных сдвигов (фаза скола)
В первой фазе напряжённого состояния и в начальной стадии фазы сдвигов зависимость между напряжениями и деформациями может быть принята линейной, то есть для определения напряжений справедливы уравнения линейно-деформируемых сред.
Теоретическое обоснование возникновения в породном образце уплотнённой зоны под штампом сформулируем следующим образом. При надавливании штампом на поверхность породного образца контактные давления по его подошве распределяются крайне неравномерно с концентрацией по периметру контактной площадки: Поэтому нарушение сплошности и уплотнение материала под штампом начинается с местного разрушения по переферии штампа, когда местные деформации и напряжения достигнут предельного значения, определяемого прочностью материала. Местное разрушение материала вызывает перераспределение напряжений непосредственно под штампом, в результате чего происходит сжатие материала под его центральной частью. С увеличением нагрузки на штамп в уплотнённую зону вовлекаются новые, более глубоко расположенные слои материала. Доказательством смятия верхних слоев уплотнённой зоны являются углубления (пластические деформации), остающиеся в образцах от действия штампа во всех случаях, когда усилие штампа было недостаточным для разрушения образца.
Определение вида функциональной зависимости усилий резания для механического резца струговой машины
Исследованиями ВУГИ и ИГД АН СССР установлено, что сила резания - Z, определяемая экспериментально прибором типа ДКС в стандартном режиме резания (при резании с выровненной поверхности), пропорциональна толщине среза. Z = Ah, (3.1) где А — некоторый коэффициент пропорциональности, характеризующий физические свойства массива. При анализе работ ученых, занимающихся проблемами резания угля, возможно, утверждать, что сила резания, в общем случае изменяется по следующему закону: Z = Anp-hn+C, (3.2) где Лпр — некоторый коэффициент пропорциональности; п показатель степени, характеризующий физические свойства массива; С -коэффициент, учитывающий силу трения по задней поверхности резца.
Коэффициенты Апр и п интегрально учитывают различные свойства и состояние разрушаемого угля в забое, являются показателями сопротивляемости углей резанию.
Данные о силах резания при различных толщинах среза и значения А для некоторых углей приведены в табл.3.7 [68].
В табл. 3.7, составленной по данным из 16 источников, приведены значения сил резания при толщине среза 0,3-20 см. Эти данные получены в различных условиях и на разных углях, при разной геометрии инструмента. В целях сопоставления показателей резания были определены средние значения показателя. Отклонения находятся в пределах ±25%, а, среднеквадратическое отклонение всей совокупности 125 точек составляет 18%. В реальных границах работы современных конструкций комбайнов и стругов (когда толщина среза не превышает 10 см) максимальное отклонение усредняющих точек не превышает во всем диапазоне 13% [68].
В связи с изложенным можно сделать вывод, что зависимость не достаточно точно отражает закономерность изменения силы резания при изменении толщины среза более 10 см.
Моделируя резание углей с характеристиками, представленными в таблице 3.7, были получены зависимости представленные в виде графиков на рис. 3.17,, 3.18,, 3.19, а численные данные сведены в табл. 3.8, 3.9, 3.10, 3.11, 3.12.
Как видно из таблицы 3.14 вероятностная точность смоделированной криволинейной зависимости вида 3.2 по отношению к прямолинейной зависимости вида 3.1 в среднем выше в 3 раза. Следует особо подчеркнуть о наличие экспериментальных данных, приведенных в табл. 3.7, по графическим зависимостям которых видно, что их функциональная зависимость вида 3.2 имеети 1. Данное обстоятельство при усреднение всей совокупности экспериментальных данных в табл. 3.7, позволило говорить о прямолинейности функциональной зависимости. В данной работе этот факт целенаправленно не рассматривается, в виду ограниченности исследовательских возможностей, но представляется перспективным направлением дальнейших исследовательских работ в области резания горных пород.
Для практического применения в инженерных расчетах силы резания углей гидромеханическим резцом с плоской передней гранью целесообразно использовать более простые функциональные зависимости. С целью получения упрощенных зависимостей был проведен регрессионный анализ результатов численного эксперимента. Результатом корреляционного анализа стала следующая зависимость: Pz=P3mKj,Ky (3.3) где Рэт -сопротивляемость резанию механическим инструментом с плоской передней гранью («эталонного резания»); КР - коэффициент ослабления усилия резания под действием воды высокого давления; Ку коэффициент, учитывающий угол резания.
К первой части сопротивляемости резанию механическим инструментом относится следующие: і Рэт = тсж (128,3 А1 68 й0 8 + 50,6), Н, (3.4) где 7СЖ -предел прочности угля при одноосном сжатии, МПа; h толщина стружки, см; Ъ -ширина передней грани резца, см; т -коэффициент хрупко-пластических свойств (т = 1 для хрупких углей, т - 1Д5 для вязких углей, по классификации предложенной в РТМ 12.14.001-77).
Обоснование необходимости разработки тонких и средней мощности угольных пластов стругами
Особенности струговой выемки позволяют реализовать технологию селективной разработки угольного пласта «нарушенного» пропластками пустой породы [94]. Конструкция традиционного струга такова, что размещение режущего инструмента выполнено симметрично рис.4.3
Данная особенность используется для обеспечения челночной схемы отработки пласта. Челночная схема подразумевает отбойку по всей поверхности пласта при возможном движении струга как от главного штрека к вентиляционному, так и от вентиляционного штрека к главному. Выполнив размещение режущего инструмента на корпусе струга 3 по ассиметричной схеме (рис. 4.4) появляется возможность раздельной цикличной отбойки угля и пропластков породы в угольном пласте.
Предлагается следующая схема работы ассиметричного струга при разработке угольного пласта вмещающего породный пропласток 1 (рис.4.5) Струг 2 начинает рабочий ход от откаточного штрека и снимает слой угля оставляя целик пустой породы. Уголь по скребковому 3 конвейеру перемещается на перегружатель 4, а с него на штрековый транспорт 5. При обратном ходе (к вентиляционному штреку) струг производит только отбойку оставленного целика породы, которая по забойному скребковому конвейеру перемещается на перегружатель 4, а с него подается в закладочную машину 6 забрасывающую породу в завальное пространство.
За основу методики расчета сил на резцах струга оснащенного гидромеханическим инструментом, был принят руководящий технический материал РТМ 12.14.001-77 «Машины очистные. Струговые установки. Расчет сил на резцах струга». Перевод величин сопротивляемости резанию в величины временного сопротивления угля одноосному сжатию выполнялся в соответствии с ОСТ 12.47.001-73.
В качестве исходных данных при расчете сил на резцах исполнительного органа должны быть заданы: диапазон мощности разрабатываемых пластов Нтах, Hmin, предел прочности на одноосное сжатие асж, хрупко-пластические свойства угольного пласта.
По хрупко-пластическим свойствам угли, применительно к определению нагрузок и энергозатрат процесса разрушения, делятся на вязіше, хрупкие и весьма хрупкие.
К вязким углям следует относить: - все угли и антрациты с временным сопротивлением одноосному сжатию более 28 МПа; - угли Подмосковного бассейна с временным сопротивлением одноосному сжатию 17 МПа; - угли Карагандинского бассейна и бурые угли с временным сопротивлением одноосному сжатию более 31 МПа; угли марок Г, Д в Донецком бассейне и Г, Д, Ж в Кизеловском и Кузнецком бассейнах с временным сопротивлением одноосному сжатию более 20 МПа.
К весьма хрупким следует отнести: - антрациты Донецкого бассейна с сопротивляемостью пласта резанию менее 9 МПа; угли коксовых марок К, Ж, ОС, Т в Донецком бассейне и на месторождениях Дальнего Востока с временным сопротивлением одноосному сжатию менее 9 МПа;
Остальные угли следует относить к хрупким. Предел прочности на одноосное сжатие асж по аналогии сопротивляемости пласта резанию в зоне работы исполнительного органа по аналогии сопротивляемости пласта резанию учитывается коэффициентом отжима, который рекомендуется принимать: 0.6.7 - для вязких углей; 0.50 - для хрупких углей; 0.38 - для весьма хрупких углей.
К основным параметрам резцовой группы исполнительного органа относятся: высота струга; минимальная Hc.min максимальная Нс-тах; шаг расстановки резцов tm\ количество линий резания: для минимальной высоты струга: nmin; для максимальной высоты струга: птах.
Похожие диссертации на Обоснование закономерностей взаимодействия гидромеханических резцов с угольным массивом, обеспечивающих расширение области применения струговых установок
