Введение к работе
Актуальность работы. Правительством РФ приняты «Энергетическая стратегия России на период до 2030 г.» и утвержденная 24 января 2012 г. «Долгосрочная программа развития угольной промышленности до 2030 г.», в которых планируется увеличение добычи угля до 430 млн. тонн. Одной из важнейших задач, решение которой будет способствовать увеличению добычи угля до запланированных объемов, является, в частности, совершенствование существующего и разработка нового очистного и горнопроходческого оборудования.
В настоящее время методы расчета и проектирования исполнительных органов горных машин во многом опираются на результаты экспериментальных исследований в области разрушения углей и горных пород и учитывают лишь основные факторы этого процесса. Во многих случаях предпочтение отдается сложным эмпирическим зависимостям, которые были получены на основе экспериментов еще во второй половине прошлого века. На современном уровне разработки исполнительных органов горных машин использование устаревших эмпирических зависимостей уже не оправдано, тем более что они не способны учесть все особенности механизма разрушения и имеют ограниченную область применения. Вместе с тем, как показывает опыт, проектные организации, занимающиеся созданием исполнительных органов, на практике, как правило, не применяют расчетные зависимости нагруженности инструмента, полученные в 60-е – 80-е годы прошлого века, а большей частью полагаются на личный опыт проектировщиков.
Использование в расчетах нагруженности механического инструмента при взаимодействии его с горным массивом классических прочностных критериев, таких как пределы прочности горных пород на сжатие, растяжение, сдвиг и т.д., не всегда отражает реальные процессы разрушения. Так, например, по этим критериям наличие высоких значений пределов прочности предполагает высокую устойчивость материалов к разрушению. Однако, как показывают опыты, в ряде случаев более устойчивыми являются материалы с меньшими пределами прочности. Это объясняется другими механизмами разрушения, связанными с хрупким распространением трещин в твердых телах.
Современные представления о разрушении материалов базируются на положениях механики разрушения, которая рассматривает разрушение как процесс распространения трещины с учетом напряженного состояния в ее вершине. Первые попытки применить методы механики разрушения к резанию горных пород оказались удачными и позволили раскрыть механизмы их разрушения, определить показатели процессов, а также уменьшить объем экспериментальных исследований и сократить сроки расчета и проектирования нового оборудования. Однако применительно к разрушению углей этого сказать пока нельзя, поскольку такие исследования не проводились. Поэтому тема диссертации, направленная на совершенствование метода расчета нагрузок, действующих на резцы горных машин для добычи угля, в рамках механики разрушения является актуальной.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР и ОКР ТулГУ (шифр темы 320802) и федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (гос. контракт № П1120).
Целью работы является совершенствование метода расчета нагрузок, действующих на резцы угледобывающих машин, основанного на положениях линейной механики разрушения угля и горных пород, и направленного на повышение эффективности проектирования их исполнительных органов.
Идея работы заключается в том, что метод расчета нагруженности резцов угледобывающих машин должен быть усовершенствован на основе современных представлений о разрушении материалов, базирующихся на положениях линейной механики разрушения с использованием мощной компьютерной техники и численных методов посредством математического моделирования взаимодействия режущего инструмента и угольного массива.
Метод исследования – научный анализ и обобщение опыта расчета, проектирования и эксплуатации проходческих и очистных комбайнов и результатов ранее выполненных работ по разрушению углей и горных пород режущим инструментом; теоретические исследования на базе моделирования процесса резания углей с использованием методов механики разрушения, теории упругости, конечных элементов и вариационного исчисления; проведение и обработка результатов численных экспериментов с применением методов математической статистики и использование результатов экспериментальных исследований для сопоставления их с теоретическими данными.
Научные положения, выносимые на защиту:
- математическое моделирование процесса взаимодействия режущего инструмента с горным массивом основывается на решении краевой задачи линейной механики разрушения, позволяет раскрыть его механизм путем выявления закономерностей развития трещины в массиве под действием резца и определять нагруженность инструмента для различных условий;
- учет прочностных свойств углей при расчете нагруженности резцов должен осуществляться с помощью вязкости разрушения на основе зависимостей между этим показателем и показателями предела прочности на сжатие, сопротивляемости пласта резанию и разрушаемости;
- распределенную нагрузку, действующую на поворотный резец, следует заменять сосредоточенными силами, приложенными в окрестности вершины его керна в точке, координаты которой зависят от диаметра керна, глубины и угла резания и определяют расчетные значения усилий резания и подачи;
- расчет нагрузок, действующих на резцы при разрушении угля, необходимо производить с учетом координат точек их приложения по зависимостям, которые устанавливают связь усилий резания и подачи с вязкостью разрушения, глубиной, шагом и углом резания, диаметром керна резца и углом его разворота.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- для определения коэффициентов интенсивности напряжений в вершине трещины по мере ее роста при математическом моделировании разрушения углей и горных пород использовался численный метод конечных элементов;
- установлены корреляционные связи между вязкостью разрушения угля и пределом его прочности на сжатие, сопротивляемостью пласта резанию, а также разрушаемостью;
- установлены зависимости для определения координат точек приложения усилий резания и подачи, учитывающие диаметр керна резца, глубину и угол резания;
- усовершенствован метод расчета нагрузок, действующих на резцы угледобывающих машин, базирующийся на положениях линейной механики разрушения и учитывающий вязкость разрушения, параметры режима резания, конструктивные и установочные параметры режущего инструмента.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки задач исследований и использования апробированных методов механики разрушения, теории упругости, конечных элементов и вариационного исчисления; достаточным объемом выполненных численных экспериментов; корректным применением методов математической статистики при обработке и анализе данных; удовлетворительной сходимостью (коэффициент вариации 2,6 %) результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическое значение работы:
- установлены расчетные зависимости для определения нагруженности резцов при разрушении угольного массива, учитывающие вязкость разрушения углей, параметры режима разрушения, а также конструктивные и установочные параметры режущего инструмента;
- усовершенствована методика расчета усилий резания, подачи и расходуемой мощности при разрушении угля для заданной конструкции исполнительного органа и производительности комбайна;
- разработана компьютерная программа для расчета силовых и энергетических показателей работы исполнительных органов очистных и проходческих комбайнов.
Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы ОАО «Копейский машиностроительный завод» при разработке исполнительного органа проходческого комбайна «Урал-320У» и внедрены в учебные курсы «Горные машины и оборудование подземных разработок», «Расчет и проектирование горных машин и комплексов» и «Математическое моделирование физических процессов в горном машиностроении» Тульского государственного университета по специальности 150402 «Горные машины и оборудование». Программное обеспечение используется при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2009-2012 гг.); 8-ой Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2010 г.); «Неделе горняка» в Московском государственном горном университете (г. Москва, 2009 и 2010 гг.); 8-ой Международной конференции «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2012 г.); 3-ей Всероссийской научно-технической конференции «Инновационное развитие образования, науки и технологий» (г. Тула, 2012 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей, из них 2 – в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов и заключения, изложенных на 125 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 16 таблиц, список использованной литературы из 73 наименований и приложения.
