CC BY
56
--------------------------------- © В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков,
В.Ю. Садовец, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук, В.Ю. Бегляков, 2009
УДК 622.002.5
В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Садовец,
В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук, В.Ю. Бегляков
ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ОСНОВНЫМ СИСТЕМАМ ГЕОХОДА
Предложен новый подход к освоению подземного пространства с использованием геовинчестерной технологии и геохода. А также представлены требования к основным системам геохода.
Ключевые слова: освоение подземного пространства, проходческая техника, геовинчестерная технология, геоход, требования к системам геохода, исполнительный орган, движитель, трансмиссия.
Я а сегодняшний день развитие проходческого оборудования [1, 2] во многом определяются сложившимся, традиционным представлением о процессе проходки выработки, как образовании полостей в горном массиве. Что отчасти продиктовано использованием границы между горным массивом и полостью выработки (границы раздела сред) для опоры движителей гусеничных и колесных ходовых механизмов. При этом увеличение напорного усилия на забой, развиваемого движителем, неизбежно связано либо с увеличением массы машины, либо с увеличением силовых характеристик активных опор (распорок), что опять же ведет к увеличению мощности и массы машины в целом.
Существующие технологии проведения горных выработок развиваются по пути увеличения мощности и металлоёмкости оборудования. Традиционное проходческое оборудование, представленное в основном проходческими комбайнами со стреловидными или роторными исполнительными органами и проходческими щитами, имеет ряд очевидных недостатков, таких как ограничение пространственного положения выработки (горизонтальные и слабонаклонные) и сложность создания достаточных напорных усилий на исполнительном органе. Перемещение такого проходческого оборудования осуществляется с помощью внешних движителей -гусеничных, колесных, колесно-рельсовых или распорно-
шагающих, изначально разработанных для машин и агрегатов, выполняющих различные строительные и землеройные работы на поверхности.
Для создания тягового и напорного усилий практически не задействуется сама внешняя геосреда, а используется только твердая поверхность на контакте гео- и воздушной сред: т.е. либо почва выработки (при комбайновом способе проходки), либо поверхность постоянной крепи (при щитовом способе проходки). При этом увеличение напорного усилия, развиваемого движителем, неизбежно связано либо с увеличением массы машины, либо с увеличением силовых характеристик активных опор (распорок), что опять же ведет к увеличению мощности и массы машины в целом. Такой экстенсивный путь рано или поздно исчерпает свои возможности.
На основании ряда проведенных исследований [3, 4] был предложен отличный от традиционного, инновационный подход [5] к процессу проведения горных выработок. Изначально проходку выработок предложено рассматривать как процесс движения твердого тела (проходческого оборудования) в твердой среде. Данный подход лежит в основе геовинчестерной технологии проведения горных выработок, базовым функциональным элементом которой является геоход.
Геовинчестерная технология (ГВТ) - процесс механизированного проведения горных выработок с формированием и использованием системы законтурных винтовых и продольных каналов, в котором операции по разработке забоя, уборке горной массы, креплению выработанного пространства, а также перемещению всей проходческой системы на забой осуществляются в совмещенном режиме. Вовлечение приконтурного массива горных пород достигается введением дополнительной технологической операции -формирования системы законтурных каналов.
Геоход - аппарат, предназначенный для проходки горных выработок различного назначения и расположения в подземном пространстве и движущийся в подземном пространстве с использованием геосреды. Представляет собой новый самостоятельный класс горных машин, [3, 4].
Конструктивная схема одного из геоходов представлена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная конструктивная схема геохода: 1 - исполнительный модуль; 2 - головная секция; 3 - внешний движитель геохода (винтовая лопасть); 4 - хвостовая секция с элементами противовращения; 5 - привод движителя; 6 - роторный погрузчик
110
При движении геоходов в подземном пространстве реализуется идея использования окружающего приконтурного горного массива, как опорного элемента для движителя. При этом усилие, которое обеспечивает движение и уравновешивает реакции от технологических операций, формируется не за счет сил трения на границе раздела сред, а в результате проникновения элементов движителя в приконтурный массив и использования нормальной реакции, возникающей при взаимодействии элементов геохода с массивом горных пород. При этом, в отличие от традиционных ходовых механизмов горных машин, в создании тягового усилия движителем геохода никак не используется сила тяжести, а потому полностью исключается ограничение по углу преодолеваемого уклона.
Можно провести аналогию между работой движителя геохода и работой винтовых движителей, применяемых в воздушной и жидкой средах. Но необходимо отметить, что взаимодействие между средой и движителями воздушных и водных судов имеет динамический характер, в то время как движитель геохода имеет жесткую кинематическую связь со средой. Геометрические параметры движителя и скоростные параметры его привода однозначно определяют скорость и величину перемещения всего агрегата. В данном случае исключение веса геохода из формирования напорного и тягового усилий побуждает к снижению металлоёмкости машины. Становится целесообразным совмещение функций элементов геохода и, вследствие чего, совмещение и синхронизация технологических операций.
Например, перемещения движителя могут и должны использоваться для движения исполнительного органа, а промежуточные звенья передаточных механизмов (трансмиссии) могут использоваться для привода породоразрушающего инструмента; ходовое перемещение геохода может и должно совмещаться с подачей исполнительного органа на забой и т.д.
Напрашивается вывод, что цепочка трансмиссия-движи-тель-исполнительный орган объединяет главные системы геохода и определяет его работоспособность, а параметры этих систем являются взаимовлияющими.
В процессе создания геохода в конце прошлого века группой ученых и инженеров были проведены научно-исследо-вательские и опытно-конструкторские работы, в ходе которых была разработана методика расчета силовых параметров привода геохода, а также
математическая модель, в первом приближении, описывающая взаимодействие геохода с окружающей его геосредой, изложенная в работах [3, 4].
В этих же работах достаточно подробно рассмотрены конструкция и принцип работы геоходов (винтоповоротных проходческих агрегатов). В результате были созданы экспериментальные образцы геоходов ЭЛАНГ-3 и ЭЛАНГ-4, а геоход ЭлАНГ-3 прошел натурные испытания. На рис. 2 представлены экспериментальные образцы геоходов.
Испытания первых экспериментальных образцов геоходов: ЭЛАНГ-3 (рис. 2, а), изготовленного, совместно с работниками ш. "Карагайлинская" ПО "Киселевскуголь", и ЭЛАНГ-4 (рис. 2б), изготовленного совместно с НПО "Сибгипро-гормаш" (г. Новосибирск) и АП ЭЛСИБ (г. Новосибирск), доказали принципиальную работоспособность и перспективность проходческих агрегатов, перемещающихся на забой с использованием окружающей геосреды (ЭЛАНГ - аббревиатура, составленная из начальных букв фамилий членов авторского коллектива - А.Ф. Эллер, В.В. Аксенов, В.Д. Нагорный и В.Ф. Горбунов).
В процессе исследований и испытаний:
- разработаны элементы математической модели взаимодействия геохода с геосредой и положения методики расчета силовых и прочностных параметров геохода;
- опубликовано 4 монографии и более 50 статей;
- получены Патентная грамота США № 5.072.992 и положительные решения на выдачу патента в Германии, Японии, КНР и других странах, 14 авторских свидетельств СССР и патентов РФ;
- разработаны эскизный проект и рабочая документация на изготовление ВПА ЭЛАНГ-3 диаметром 3 м, изготовлен его экспериментальный образец и проведены заводские, предварительные и промышленные испытания;
- разработаны эскизный проект и рабочая документация на изготовление ВПА ЭЛАНГ-4 диаметром 4 м, изготовлен его экспериментальный образец и проведены заводские испытания;
- разработаны новые технические и компоновочные решения по конструкции геоходов и постоянной крепи горных выработок.
б
Рис. 2. Экспериментальные образцы геоходов: а - ЭЛАНГ-3, б - ЭЛАНГ-4.
В настоящее время ведутся работы по созданию нового поколения геоходов. Разработка вариантов конструкций геоходов, его систем, а также методик их расчета является актуальной научнопрактической задачей. Поэтому целью выбранного исследования является обоснование силовых и конструктивных параметров базо-
вых систем геохода - трансмиссии, внешнего движителя, исполнительного органа в их взаимоувязке.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- определить технологические и конструктивные требования к базовым системам геохода;
- разработать варианты компоновочных и конструктивных решений систем геохода;
- разработать модель взаимодействия систем геохода с геосредой и между собой;
- разработать методику расчета конструктивных и силовых параметров систем геохода.
Выявленные особенности и накопленный опыт разработки функциональных устройств геоходов позволяет сформулировать требования к основным системам геохода, которые являются взаимосогласованными и одновременно соответствуют специфическим особенностям и назначению каждой системы в отдельности. Как результат, в таблице представлены требования к главным системам геохода: исполнительному органу, трансмиссии, внешнему движителю.
Исполнительный орган
Назначение:
- Одновременное формирование и разрушение породного уступа на поверхности забоя выработки.
- Формирование свободного от геосреды пространства в направлении проводимой выработки для прохождения носителя геохода.
- Формирование свободного от геосреды пространства для маневрирования геохода.
Особенности:
- Принципиальные отличия по назначению и выполняемой работе от всех существующих систем горнопроходческих комбайнов и проходческих щитов.
- Своеобразный характер взаимодействия с геосредой.
- Жесткая взаимосвязь с работой внешнего движителя.
- Возможность работы на любых углах наклона проводимой выработки.
- Зависимость подводимых напорных усилий от параметров геосреды.
- Большой спектр возможных компоновочных и конструктивных решений.
- Отсутствие методик расчета силовых и конструктивных параметров.
Требования:
- Должна быть обеспечена достаточная производительность при любом пространственном расположении геохода.
- - Должна быть обеспечена возможность непрерывного перемещения геохода на забой, в том числе в неустойчивых породах.
- Для предотвращения вывалов, перепуска породы из кровли и бортов выработки, а также из груди забоя должна быть предусмотрена возможность монтажа ограждающей оболочки (диафрагмы) непосредственно у поверхности забоя.
- Должен быть обеспечен свободный доступ к функциональным элементам исполнительного органа.
- Должна быть обеспечена взаимозаменяемость и возможность замены исполнительного органа на носителе.
- Должны обеспечиваться работоспособность и возможность размещения привода и инструмента в условиях ограниченного пространства.
- Работа исполнительного органа должна осуществляться в строгом соответствии с характером и параметрами подачи геохода на забой.
- Геометрические параметры исполнительного органа геохода должны соответствовать параметрам винтового движителя.
- Должно быть обеспечено обязательное формирование и разрушение уступа на забое выработки.
- Должно быть обеспечено полное перекрытие забоя выработки.
- Должно быть обеспечено разрушение сформированного уступа на свободную поверхность.
- Должна быть обеспечена равномерная загруженность исполнительного органа и заданная высота уступа на разных участках забоя.
- Исполнительный орган должен обеспечивать процесс разрушения пород^4... 6 по шкале проф. М.М. Протодьяконова.
- Должна быть обеспечена компактность приводных механизмов исполнительного органа.
- Должна быть обеспечена низкая энергоемкость разрушения горного массива.
- Должна быть обеспечена возможность управления ориентацией разрушающих напряжений.
- Должна обеспечиваться возможность механизации погрузки отделенной горной массы из винтовых каналов в средство транспортирования.
Внешний движитель
Назначение:
- Преобразование вращательного движения поворотной секции в поступательное движение геохода.
- Формирование требуемого усилия тяги и напорного усилия на исполнительном органе.
- Восприятие основной части нагрузок от горного давления, силового оборудования и перераспределение его на окружающую геосреду.
- Удержание геохода в геосреде в любом его пространственном положении.
- Формирование законтурных винтовых каналов для ввинчивания геохода.
Особенности:
- Не имеет аналогов в горном машиностроении. Основополагающие отличия по назначению и принципу работы от всех существующих систем горнопроходческих комбайнов и проходческих щитов.
- Своеобразный характер взаимодействия с геосредой.
- Возможность работы на любых углах наклона проводимой выработки.
- Большой спектр возможных конструктивных решений.
- Отсутствие методов и методик расчета силовых и конструктивных параметров.
Требования:
- Развиваемое осевое (тяговое) усилие, должно быть достаточным для преодоления осевой составляющей сил трения о среду.
- Должен быть исключен перекос и заклинивание в выработке корпуса и рабочих поверхностей движителя.
- Конструкция внешнего движителя должна быть прочной и жесткой, для противодействия нагрузкам от горного давления и восприятия нагрузки от силового оборудования.
- Должна быть обеспечена передача через корпус движителя нагрузки от силового оборудования к исполнительному органу.
- На корпусе движителя должно быть предусмотрено место для монтажа исполнительного органа с возможностью модификации.
- В корпусе движителя должно быть предусмотрено место для монтажа погрузочно-транспортной системы с возможностью модификации.
- Должно быть обеспечено равномерное распределение нагрузки от силового оборудования по линии контакта рабочей поверхности движителя с окружающей геосредой.
- Должна быть обеспечена возможность работы на любых углах наклона проводимой выработки.
- Должен иметь возможность работы в непрерывном режиме.
- Должен обеспечивать возможность изменения направления движения геохода по трассе выработки и возможность реверсирования.
- Должно быть обеспечено минимальное сопротивление движению геохода.
- Должны быть обеспечены минимальные из условия прочности массогабаритные характеристики.
Трансмиссия
Назначение:
- Обеспечение перемещения геохода в различных геосредах с одновременным разрушением геосреды.
- Передача вращательного момента от энергосиловой установки к внешнему движителю.
- Обеспечение функционирования основных и вспомогательных систем геохода.
- Обеспечение достаточной производительности при любом пространственном расположении геохода.
Особенности:
- Необходимость работы на любых углах наклона проводимой выработки.
- Большой спектр возможных компоновочных и конструктивных решений.
- Отсутствие методик расчета силовых и конструктивных параметров.
Требования:
- Должна обеспечивать передачу значительного по величине вращательного момента от энергосиловой установки к внешнему движителю.
- Должна обеспечивать необходимую производительность при любом пространственном движении геохода;
- Должна создавать крутящий момент, необходимый для разрушения горной породы исполнительным органом (напорное усилие) и достаточный для продвижения головной и стабилизирующей секций геохода.
- Должна обеспечивать непрерывное перемещение агрегата на забой.
- Размеры и расположение трансмиссии и привода должны оставлять достаточно свободного пространства внутри агрегата для удаления отделенной породы.
- Трансмиссия и привод должны обеспечивать маневренность геохода на трассе выработки и возможность реверса его движения.
- Трансмиссия и привод должны быть смонтированы на единой конструктивной базе геохода.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Концепция развития очистного, проходческого, конвейерного и бурового оборудования на период до 2020 г /Ю.Н. Динник, И.С Крашкин, В.Г. Мерзляков // Горное оборудование и электромеханика , 2006, №2, с. 2-12.
2. Концепция развития очистного, проходческого, конвейерного и бурового оборудования на период до 2020 г /Ю.Н. Динник, И.С Крашкин, В.Г. Мерзляков // Горное оборудование и электромеханика , 2006, №3 с. 2-6.
3. Винтоповоротные проходческие агрегаты / А.Ф. Эллер, В.Ф. Горбунов, В.В. Аксенов. - Новосибирск: ВО «Наука». 1992. - 192 с.
4. Аксенов В.В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2004, 264 с., с ил.
5. Геовинчестерная технология и геоходы - инновационный подход к освоению подземного пространства / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков // «Известия высших учебных заведений «Горный журнал»». - 2008. - №4. С. 19-28.
V. V. Aksenov, A.B Efremenkov. V. U. Sadovec, V. U. Timofeev,
M. U. Blaschuk, V. U. Beglyakov
FORMATION OF REQUIREMENTS TO THE MAIN SYSTEMS OF THE GEOHOD
In article the new approach to development of underground space with use geowinchester technology and a geohod is offered. And also requirements to the basic systems of a geohod are presented.
Key words: development of underground space, tunneling machine, geowinchester technology, a geohod, requirements to geohod systems, executive device, mover, transmission.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------
Аксенов В.В. - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт угля и углехимии Сибирского отделения РАН (ИУУ СО РАН), v.aksenov@kemsc.ru
Ефременков А.Б. - кандидат технических наук, доцент,
Садовец В.Ю. - кандидат технических наук, доцент, Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» (ГОУ ВПО КузГТУ), е-таі: vsadovec@yandex.ru Тимофеев В.Ю. - аспирант,
Бегляков В.Ю. - старший преподаватель,
Блащук М.Ю. - старший преподаватель;
Юргинский технический институт (филиал) Томского политехнического университета, е-таіі: tv-ytitpu@rambler.ru
