CC BY
75
УДК 622.232
Л.В. Лукиенко, д-р техн. наук, доц., зав. кафедрой, (48762) 4-63-21,
Ы^п^ lv@mail.ru (Россия, фил. РХТУ им. Д.И. Менделеева),
К.А. Головин, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ),
А.Е. Пушкарёв, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ),
М.Н. Каменский, асп., (48762) 4-63-21, mkamen sky@yandex.ru,
(Россия, Новомосковск, фил. РХТУ им. Д.И. Менделеева)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОГО УСИЛИЯ ПОДАЧИ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ДЛЯ УСТАНОВКИ УПРАВЛЯЕМОГО ПРОКОЛА
Показана целесообразность учета при проектировании систем подачи исполнительного органа установок управляемого прокола величины его необходимого усилия, определяемого с учётом горно-геологических характеристик трассы прокола, длины става и усилия вдавливания головной секции в прокалываемый массив.
Ключевые слова: установка управляемого прокола, усилие подачи, исполнительный орган.
Одним из наиболее актуальных направлений развития техники для строительства бестраншейных технологий является создание компактных, не требующих значительных территорий и времени для подготовки оборудования и выполнения работы установок управляемого прокола, обладающих значительным ресурсом и способных высокопроизводительно выполнить проходку прямолинейных выработок малого диаметра.
Анализ подобных конструкций [1] показал, что применяемые в настоящее время системы перемещения исполнительного органа имеют ряд недостатков. Применение гидропривода предполагает невысокий КПД и большие потери энергии при ее передаче на большие расстояния, зависимость характеристик гидропривода от условий эксплуатации, загрязнение рабочей жидкости абразивными частицами приводит к быстрому износу элементов гидравлических агрегатов и выходу их из строя. Использование цепного привода приводит к износу звеньев и провисанию цепи, ударным нагрузкам, нарушению шага цепи и неравномерности перемещения исполнительного органа, возможности травмирования персонала при разрыве цепи.
Повышение эффективности применения установок, используемых для горизонтально направленного прокола, в значительной степени зависит от системы перемещения исполнительного органа при увеличенном ресурсе и обеспечении требуемого усилия. Поэтому задача совершенствования параметров системы перемещения исполнительного органа установок для бестраншейной прокладки труб является актуальной.
Основным параметром, определяющим возможность применения того или иного способа подачи исполнительного органа, является необходимое усилие прокола. Существующие на сегодняшний день подходы к оценке усилий [2], необходимых для вдавливания исполнительного органа в массив, не позволяют оценить возможность и способы обеспечения траектории движения става, отличной от прямолинейной. Применяемые исполнительные органы с наклонной к оси движения рабочей площадкой головной секции позволяют осуществлять управление проколом в части сохранения прямолинейной оси за счет наличия боковой отклоняющей нагрузки. Однако механизм формирования напряженно-деформированного состояния исполнительного органа не выявлен и закономерности его взаимодействия с массивом не установлены, что не позволяет обосновать его конструкцию и режимы работы.
В данной области исследований в настоящее время достигнуты значительные успехи, однако практическое использование большинства выдвинутых предположений наталкивается на серьезные трудности, которые возникают, главным образом, из-за недостаточного учета адекватности геотехнических и геотехнологических факторов горно-геологическим условиям. В частности, при решении задач управления режимами работы прокалывающей установки в целях адаптации исполнительного органа к проектной траектории практически полностью отсутствует расчетный аппарат, адекватно отражающий закономерности взаимодействия как головной секции става, так и самого става с грунтовым массивом при проходке выработки заданного профиля. Особую сложность при этом представляет решение проблем, связанных с использованием головных секций в виде цилиндрического тела с наклонной плоской рабочей поверхностью, расположенной под углом а к продольной оси става.
При такой постановке управление прокалывающим исполнительным органом сводится к решению двух основных задач - к определению общего усилия прокола и обеспечению заданной траектории трассы прокола, которые предопределяются только режимом проникновения става в грунт без его вращения.
При анализе существующих методов было выявлено, что при определении общего усилия прокола ставами малых диаметров учитываются не все факторы, отражающие реальную работу машины в конкретных горногеологических условиях. Так, например, не в полной мере учитываются параметры горного давления (даже на небольших глубинах), конструктивное исполнение предлагаемого исполнительного органа, его взаимодействие с массивом. Исходя из этого, предложено необходимое общее усилие прокола Рпр определять суммированием усилия вдавливания исполнительного органа Рупл, затрачиваемого на преодоление сопротивления уплотнению грунта, усилий Ртр1 и Ртр2, возникающих от трения става о грунт под влиянием
горного давления и собственной массы, усилия Рсц от сцепления става с грунтовым массивом и реактивных нормальной Р^ и касательной Рт сил на рабочей площадке головной секции (рис. 1).
Рис. 1. Расчетная схема для определения необходимого усилия прокола: 1 - стартовый котлован; 2 - тяговый орган; 3 - привод машины;
4 - исполнительный орган; 5 - распорные щиты
Тогда выражение для определения необходимого усилия прокола в соответствии с перечисленными силами сопротивления можно представить следующим образом:
/2
пр
5
pdz
упл
4д
0
pd gH p( ,2
------— + gст- d 2
v 2 1 -v ст 4
d
2
вн,
+ Cct pdl ст +
5 упл - коэффициент сопротивления грунта уплотнению, МПа
+ Pn sin a + Pt cos a,
где
(5упл = 5...6МПа - коэффициент сопротивления песка уплотнению; 5упл=1,5.2 МПа - коэффициент сопротивления глины уплотнению); d и
17
dвн - внешний и внутренний диаметры исполнительного органа (става), м; «0 - коэффициент пористости грунтового массива («0 =0,35.0,5 - коэффициент пористости песка; «о =0,3 .0,6 - коэффициент пористости глины; «0=0,75.0,76 - коэффициент пористости суглинка); /ст - длина става, м; / - коэффициент трения става о грунт (/=0,6. 0,8 - коэффициент трения става о песок; / =0,5... 0,75 - коэффициент трения става о глину); у - средний объемный вес покрывающего выработку грунтового массива
3 3
(у=1550.1700 кН/м - объёмный вес песка; у =2000 кН/м - объёмный вес глины; у=1500.1600 кН/м - объёмный вес суглинка); Н - глубина заложения выработки, м; V - коэффициент Пуассона вмещающего грунта (V =0,39 - пески и супеси; V =0,27 - крупнообломочные грунты; V =0,35 -суглинки; V =0,42 - глины); уст - объемный вес материала става, кН/м ; Сст =2.3 кПа - коэффициент сцепления става с грунтом.
Исходя из функциональных характеристик наполняющих его компонентов уравнение может быть условно разделено на три составные части, имеющие превалирующее значение при решении поставленных задач и характеризующиеся следующими показателями: Рупл, Р/ и Р^ .
Первый отражает усилие вдавливания головной секции исполнительного органа в массив, второй - влияние длины става и горногеологических характеристик, а третий - отклонение от прямолинейной траектории заложенной выработки. Нетрудно заметить, что влияние первого компонента является базовым и в последующем неизменным для задания начального усилия прокола.
Анализируя графики, представленные на рис. 2 и 3, можно отметить, что величина необходимого усилия прямо пропорциональна длине прокола. Сопоставление величин необходимого и возможного (400 кН) усилия прокола позволяет сделать вывод о перспективности применения зубчато-реечной системы подачи исполнительного органа, которая хорошо зарекомендовала себя при работе в сложных условиях (перемещение очистных комбайнов в шахтах, подъёмных установок, работа механизма напора экскаваторах), и определить допустимую величину длины прокола. К основным преимуществам зубчато-реечной системы перемещения исполнительного органа могут быть отнесены: повышенная надёжность зубчатых передач, их неприхотливость в обслуживании, а также возможность ликвидации вспомогательного оборудования, имеющего значительные габариты. Необходимо отметить, что зубчато-реечные передачи нашли широкое применение для подачи исполнительного органа на машинах для горизонтального бурения [3]. Однако все эти установки слишком дороги.
Необходимое усилие прокола, Н Необходимое усилие прокола, Н
500000 450000 -400000 -350000 -300000 -250000 200000 150000 100000 50000
0
0
10 15 20 25 30 35
Длина прокола, м
40 45 50
55
Рис. 2. Зависимость необходимого усилия от длины прокола при различных глубинах трассы (размеры прокалывающего става й=60 мм; (1в11=40 мм):
-11 = 1 м; —- II = 2 м; -Н = 3 м;
- II = 4 м; -усилие прокола 400 кН
1000000 900000 800000 700000 -600000 -500000 -400000 300000 200000 -100000 -0
10 15 20 25 30 35 40
Длина прокола, м
45 50 55
Рис. 3. Зависимость необходимого усилия от длины прокола при различных размерах прокалывающего става (при глубине прокола Н=4 м):
й = 70 мм, йвн = 50 мм;
- й = 120 мм, йвн = 90 мм;
- (I = 96,5 мм, (1вн = 68,5 мм *— -усилие прокола 400 кН
5
0
5
Проведённый анализ конструктивных схем машин для бестраншейной прокладки труб позволяет предложить схему машины для горизонтально-направленного прокола с зубчато-реечной системой перемещения исполнительного органа (рис. 4). Машина состоит из электродвигателя 1, базовой платформы 2, планетарной передачи 3, цилиндрической 4, и конической 5 ступеней редуктора, на выходных валах которого смонтированы приводные зубчатые колеса 6 движителя, взаимодействующие с жестко закрепленной направляющей рейкой 7, расположенной в горизонтальной плоскости, а также исполнительного органа 9. Постоянство межосевого расстояния в паре колесо - рейка обеспечивается за счет опорнонаправляющего устройства 8.
Рис. 4. Машина для горизонтально направленного прокола
Работа машины заключается в следующем. При включении электродвигателя 1, установленного на двухсекционной подвижной раме 2, вращение через планетарную ступень 3, цилиндрическую 4 и коническую ступень 5 приводного редуктора передаётся на приводные зубчатые колёса 6, которые обкатываются по неподвижному реечному ставу 7, секции которого закреплены на неподвижных направляющих со смещением на половину шага зацепления относительно друг друга. Постоянство межосевого расстояния в паре колесо - рейка обеспечивается опорнонаправляющим устройством 8.
Машина предназначена для работы в грунтах, представленных глинами, суглинками, супесями и песками (при крепостиf=0,3...0,7 по шкале М.М. Протодьяконова) или их сочетаниями II-III категории по классификации Г осстроя СССР в условиях умеренного климата.
Основные параметры разработки: размеры стартового котлована 2000*2000*2000 мм; мощность электродвигателя 13 кВт; усилие подачи 400 кН; скорость прокола до 15 м/ч.
Сравнивая основные характеристики предлагаемой разработки с аналогичными установками, можно отметить экономию потребляемой электроэнергии на 29,7 %, увеличение усилия прокола на 20 %, повышение скорости проходки на 40 % по сравнению с установкой УП-40 Скуратов-ского опытно-экспериментального завода [4].
Список литературы
1. Обзор установок горизонтального бурения (прокола) представленных на российском рынке /А.А. Рогачёв [и др.].// Материалы III Международного научного симпозиума «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии». Орёл: Изд-во ОрелГТУ, 2006. С. 189-195.
2. Расчёт усилия прокола /Н.И. Прохоров [и др.]. // Известия ТулГУ. Сер. Геомеханика. Механика подземных сооружений, 2003. Вып.1. С. 228-233.
3. Основы проектирования горных машин и оборудования. Проектирование и конструирование машин для бестраншейной прокладки труб: учеб. пособие / Л.В. Лукиенко [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. 157 с.
4. ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод»: [сайт]. URL: http://www.soeztula.ru
L. Lukienko, K. Golovin, A. Pushkarev, M. Kamenskiy
Definition of a necessary haulage force cutting head for installation of controlled puncture.
The expediency is shown to take into account at projection of haulage systems of a cutting head of installations of a controlled puncture of magnitude of necessary force of a puncture, a difiniendum in view of mining-and-geological performances of a route of a puncture, length of tube andforce of impression of head section in a pink array.
Key words: installation of a controlled puncture, a forwardforce, a cutting head.
Получено 28.12.10 г.
