Введение к работе
Актуальность проблемы. При добыче полезных ископаемых подзем-[м способом, при проведении горных выработок, в шахтном и подземном роительстве шнеконапорная подача пластичных, сыпучих и пылевидных териалов является неотъемлемой частью технологических процессов.
Вскрытые и частично подготовленные запасы угля на шахтах Россий-эго Донбасса в весьма тонких и тонких (0,55 - 0,8 м) угольных пластах гтавляют в настоящее время более 140 млн. тонн. Выемка этих пластов утдествляется бурошнековыми установками, рабочие органы которых ос-щены шнековыми лопастями для транспортирования буровой массы к гью скважины.
Ежегодно в горнодобывающей промышленности страны посредством утатроводного транспорта перемещается более 3 млрд. куб. м. горной мас-. Подача сыпучей и пылевидной горной массы в трубопроводный транс-рт осуществляется шнековыми высоконапорными питателями, разрабо-шьши ИГД им. А.А.Скочинского и камерно-шлюзовыми питателями со іековой подачей материала в напорный трубопровод.
При проведении капитальных и подготовительных выработок затраты >да на крепление в проходческом цикле составляют 30 - 40 %, а по време--50 % и более. Крепление монолитным бетоном за последние 5 лет соста-то на угольных шахтах более 80 %, а в горнорудной промышленности -іее 70 %. Укладка бетона за опалубку осуществляется шнековыми питатели бетоноукладчиков и шнековыми смешивающе - транспортирующими 5очими органами передвижных машин для возведения монолитной бетон-Я крепи.
Механизированное приготовление тампонажных растворов для тампо-ка обводненных горных пород, трудоемкость которого достигает до 60% общего времени проходки вертикальных стволов, осуществляется пере-іжньїм цементно-смесительным агрегатом 2СМН - 20, имеющим в своем ггаве напорный шнековый модуль для подачи под давлением сухих ком-іентов в смесительную камеру.
Все вышеперечисленные машины обладают существенными недостат-іи - низкой производительностью и высокой энергоемкостью, вследствие о, что материал налипает на шнек, совершает вращательное движение в іравлении окружной скорости шнека и не имеет осевого перемещения в іравлении подачи. В значительной мере это связано с тем, что уровень ретических исследований в области шнеконапорной подачи отстает от іктических требований. В результате ряд параметров и показателей работы >еделяется весьма ориентировочно и, как правило, на основании экспери-ггальных и опытных данных. Это приводит к созданию низкоэффектив-к машин, структура и параметры-рабочих органов которых существенно ичаются от оптимальных, что в конечном итоге снижает показатели
процессов проходки и добычи и увеличивает себестоимость добытых П( ных ископаемых.
Сказанное выше определяет актуальность постановки научной прс мы - повышения эффективности функционирования напорных шнековыэ дулей горных машин путем расчета и выбора оптимальных значений гее рических, кинематических и динамических параметров их рабочих орп Решение данной задачи возможно только на основе адекватного матемаї ского описания физических процессов, протекающих в подаваемом мате ле под воздействием рабочих органов модуля как на поверхностях конта с ними, так и внутри массива материала.
Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ и целевым і плексным программам. Диссертационная работа составляет часть неся ваний по научным направлениям: «Теория и принципы построения маш автоматов, роботов и ГАТЬ (руководитель д.т.н. В.Т. Загороднюк); «Ко ютерное моделирование процессов и технологий горного производства основа создания систем автоматизированного проектирования и управлеї (руководитель д.т.н. Г.М. Водяник): «Интенсивные ресурсосберегающие тоды и средства разработки угольных пластов, использование углей н ох труда» (руководитель д.т.н. ВЛ. Матвеев) и вьшолнена в ЮРГТУ (НП соответствии с тематикой по единому заказ - наряду Минобразования 27.94 «Разработка научных основ автоматизированного проектирования ходческих систем» и темой ЮРГТУ П-53-717 «Исследование рабочих цессов и совершенствование конструкций горнопроходческих машин».
Цель работы. Повышение эффективности функционирования на ных шнековых модулей горных машин путем структурно - параметричес синтеза их рабочих органов на основе разработанной теории шнеконапо] подачи, позволяющей учитывать процессы, происходящие как на повер стях контактов материала с рабочими органами модуля, так и в массиве териала при различных условиях эксплуатации модулей и различных свс вах подаваемых материалов.
Идея работы. Создание высокоэффективных напорных шнековых дулей горных машин реализуется посредством процедур проектирова построенных на основе разработанных положений теории шнеконапо] подачи, учитывающих процессы, происходящие в массиве подаваемого териала.
Научные положения, разработанные лично соискателем: - разработана теория шнеконапорной подачи сыпучих, пылевидных и стичных материалов, описывающая их напряженно - деформируемо* стояние в канале шнека, учитывающая процессы, происходящие в мае подаваемого материала; возможность появления поверхности скольже касательные напряжения на которой имеют максимальные значен превышают предельно - допустимые, и позволяющая установ
влияние на форму этой поверхности свойств подаваемого материала, геометрических параметров рабочих органов шнекового модуля и запирающего давления на выходе из ишека;
установлена физическая картина движения сыпучих, пылевидных и пластичных материалов в канале напорного шнекового модуля, по которой относительное движение слоев материала происходит не в непосредственной близости от рабочих органов машины, а по поверхности с максимальными касательными напряжениями;
разработаны положения методики выбора геометрических параметров рабочих органов напорных шнековых модулей отличающиеся тем, что целевой функцией и установленной совокупностью функций-ограничений учитываются процессы, протекающие не только на поверхностях контактов подаваемого материала с рабочими органами машины, но и в массиве материала;
разработаны математические модели, алгоритмы и программы, позволяющие определить оптимальные параметры рабочих органов напорного шнекового модуля из условия минимизации удельных энергозатрат подачи с учетом процессов, происходящих в массиве подаваемого материала; установлена возможность повышения эффективности функционирования напорных шнековых модулей за счет реализации при структурно - параметрическом синтезе рабочих органов модулей процедур проектирования, построенных на основе разработанных положений теории шнекона-порной подачи, учитывающих процессы, происходящие в массиве подаваемого материала;
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и ре-лендаций основываются на применении комплекса современных апроби-шннъгх методов исследований, включая: анализ и научное обобщение вы-шенных к настоящему времени работ по рассматриваемому вопросу; нкциональный анализ и вариационное исчисление; современные вычислимые методы; методы сопротивления материалов, теоретической механи-теории упругости, научного планирования эксперимента, и подтвержда-гя достаточным объемом экспериментальных данных и удовлетворитель-\ сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследо-іий (расхождение не превышает 9 %).
Новизна научных положений состоит в том, что: іазработанная теория шнеконапорной подачи сыпучих, пылевидных и пластичных материалов описывает напряженно - деформируемое состояние материала в канале шнека; учитывает процессы, происходящие в массиве гадаваемого материала; возможность появления в материале поверхности :кольжения, касательные напряжения на которой имеют максимальные начения и превышают предельно - допустимые, и позволяет установить шияние на форму этой поверхности свойств подаваемого ма-
териала, геометрических параметров рабочих органов шнекового мод; запираюшего давления на выходе из него;
установленная физическая картина' движения сыпучих, пьшевидні пластичных материалов в канале напорного шнекового модуля отра влияние геометрических параметров рабочих органов модуля; усдовиі эксплуатации; и физико - механических свойств подаваемого матер на закономерности формирования поверхности скольжения в мае материала и ка эффективность функционирования напорного шнеке модуля;
разработанные положения методики выбора геометрических параме рабочих органов напорных шнековых модулей отличаются тем, целевой функцией и установленной совокупностью функциЙ-оґраннчі учитываются процессы, протекающие ие только на поверхне контактов подаваемого материала с рабочими' органами машины, не массиве материала;
разработанные математические модели, алгоритмы и програ отличаются: тем, что позволяют определить оптимальные парамі рабочих органов напорного шнекового модуля из условия минимиз: удельных энергозатрат подачи с учетом процессов, происходят! массиве материала;
предложенные яроцедуры проектирования напорных шнековых мод; горных машин отличаются тем, что построены на основе разработав положений теории шнеконапорной подачи, учитывающих проце происходящие в массиве подаваемого материала и их влияние эффективность функционирования напорных шнековых модулей.
Значение работы Научное значение работы состоит в установл* закономерностей движения сыпучих, пылевидных и пластичных матери в напорном шнековом модуле, определении влияния на эти закономерн физихо-^механических свойств подаваемых материалов, геометричеі параметров рабочих органов, условий эксплуатации модуля и разраб аналитического аппарата, учитывающего процессы, происходящие в мае Подаваемого материала и позволяющего обоснованно выби рациональные параметры рабочих органов напорных шнековых мод; горных машин.
Практическое значение работы заключается в том, что ее результат частности инженерные методы расчета, алгоритмы и програм используемые при выборе геометрических параметров рабочих орп шнековых модулей горных машин, создают основу для проектировані создания высокоэффективных технологических горных машин, имеющі своем составе напорные Шнековые модули, применяющихся при доё полезных ископаемых, при проведении горных выработок, геологоразведочных работах, в шахтном и подземном строительстве и обогащении полезных ископаемых.
Внедрение результатов диссертационной работы
Результаты исследований внедрены на угольных шахтах ОАО «РОСТОВУ ГО ЛЬ»; в Артемовском шахтостроительном управлении;
Результаты исследований использованы ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского при разработке перспективных горных машин с напорными шнековыми модулями;
проектным институтом «ШАХТИНВЕСТПРОЕКТ» при разработке и проектировании напорных шнековых модулей горных машин; ОАО «Копейский машиностроительный завод» при разработке шнековых рабочих органов горных машин.
Результаты исследований рекомендуются ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского, ЦНИИПодземмашу при разработке перспективных горных машин с напорными шнековыми модулями; предприятиям горной промышленности при техническом перевооружении и модернизации оборудования.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы южены и получили одобрение: на научно-практических конференциях іхтішского института ЮРГТУ (1985 - 1987, 1994 - 2000 гг.); на научных шнарах кафедр «Горные машины и оборудование», ((Автоматизация >изводства, робототехника и мехатроника» и ((Подъемно-транспортные пины» Южно-Российского государственного технического университета 97-2000 гг.); на научно-производственной конференции АО ютовшахтострой» «Прохождение вертикальных стволов, околостволькых ров, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых а» (г. Шахты, 12-14 июня 1997 г.); на 2-ой Международной научно-нической конференций «Новые технологии управления движением нических объектов» (г. Новочеркасск, 22-25 ноября 1999 г.); на российской научно-технической конференции «Неделя горняка - 2000» Москва, январь, 2000 г.); на семинаре отделения подземной разработки чьных месторождений ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского (г. Люберцы, ;ковской обл., апрель, 2000); на научном семинаре кафедры «Горная аника и транспорт» Московского государственного горного университета Лосква. май, 2000 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 монографии, 9 ей, получено 2 авторских свидетельства.
Объем работы. В диссертации, изложенной на 324 страницах с /нками и таблицами, содержатся введение, шесть разделов, заключение, :ок использованных источников из 114 наименований, приложения.