CC BY
8
© В.В. Аксенов, И.К. Костинеи, В.Ю. Бегляков, 2013
УЛК 62-213.62-252
В.В. Аксенов, И.К. Костинеи, В.Ю. Бегляков
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ВНЕШНЕГО ДВИЖИТЕЛЯ ГЕОХОДА
Рассмотрены способы взаимодействия движителей разного типа со средой, описаны особенности работы внешних движителей геоходов, схемы силового взаимодействия с геосредой, силовые и энергетические параметры взаимодействия.
Ключевые слова: горная выработка, геоход, внешний движитель, винтовая лопасть.
Традиционное проходческое оборудование, представленное в основном проходческими комбайнами и проходческими щитами имеет ряд очевидных недостатков, таких как ограничение пространственного положения выработки 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 [1, 2] был предложен отличный от традиционного инновационный подход к процессу проведения горных выработок. Идея подхода -проходку выработок необходимо рассматривать как процесс
движения твердого тела (проходческого оборудования) в твердой среде. Для реализации такого подхода необходимо создание принципиально новых проходческих систем, «узловым» конструктивным отличием которых будет являться система движителя.
По определению движитель - устройство, преобразующее энергию двигателя, либо внешнего источника, через взаимодействие со средой, в полезную работу по перемещению транспортного средства. Является частью машин.
Способ взаимодействия движителя со средой определяет его тип. Если исключить реактивные сопла, то по способу взаимодействия со средой движители можно условно разделить на два основных типа:
1) Работающие на границе раздела твердой и подвижной (жидкой, газообразной сыпучей и др.) сред.
2) Работающие «внутри» среды, т.е. окруженные средой и использующие физические свойства среды.
Движители первого типа (колесные, гусеничные, шагающие) применяются на большинстве сухопутных машин и принцип их действия основан на использовании силы трения выходного звена движителя о поверхность раздела сред. В большинстве случаев сила трения между поверхностями в разы меньше нормальной силы их взаимодействия, потому воздействие на среду и элементы машины значительно больше развиваемого тягового усилия.
Большинство горнопроходческих систем в качестве нормального взаимодействия используют вес машины, что приводит к парадоксальной ситуации - вместо стремления к снижению металлоемкости машины, её масса рассматривается как один из основных показателей и увеличение массы включается в число достоинств, а не наоборот. В горнопроходческих системах, в которых используются распорно-шагающие механизмы, тяговое усилие не зависит напрямую от веса машины, но, учитывая значительное превышение нормальной составляющей над тяговым усилием, нагрузочная способность элементов движителя должна многократно превышать полезное усилие, поэтому масса машины и здесь лимитирует тяговое усилие.
Исключение составляют системы, использующие опирание на постоянную крепь. Но они накладывают серьёзные ограничения на конструкцию крепи и область применения.
Ситуация усугубляется необходимостью создания напорного усилия, направление которого обычно совпадает с тяговым.
Кроме того, применение движителей первого типа в горных машинах накладывает значительные ограничения на направление их движения.
Движители второго типа (винты, шнеки, весла, паруса и др.) обычно применяются в подвижных средах, их действие обычно динамическое и основано на законе сохранения импульса, но не исключается и жесткая кинематическая связь.
Известно применение движителей второго типа в твердой среде: система винт-гайка, опирание в постоянную крепь и др., обычно это системы циклического действия.
Пока не существует серийных горных машин непрерывного действия, на которых применяются движители второго типа.
В настоящее время ведутся работы по созданию проходческих машин нового класса [1, 2] - геоходов (рис. 1). Одной из основных отличительных черт геоходов является применение движителя второго типа при нециклическом действии, т.е. при постоянном и одновременном формировании тягового и напорного усилий во время непрерывного движения машины.
Внешний движитель геохода (рис. 2) является одной из его основных систем, именно он определяет характер взаимодействия агрегата с геосредой, но пока работа над его системой находится на начальном этапе и требует продолжения.
Применение движителя второго типа оказывает влияние на работу и конструктивные особенности всех систем геохода. В основном это обусловлено тем, что характер взаимодействия движителя геохода с геосредой исключает вес машины из процесса формирования напорного усилия, что побуждает к снижению металлоемкости агрегата [3].
Взаимодействие движителя второго типа с геосредой (рис. 3) отличает то, что определяющим фактором является нормальная составляющая взаимодействия И, а сила трения Р входит в число «вредных факторов».
Необходимость обеспечения доступа к элементам исполнительного органа накладывает ограничения на плотность размещения оборудования в лобовой части агрегата и энерговооруженность исполнительного модуля.
Рис. 1. Экспериментальные образцы первых геоходов: а
банным ИО с резцами
- «ЭЛАНГ-3» с ножевым НО, б - «ЭЛАНГ-4» с бара-
Рис. 2. Приложение осевых нагрузок к лопастям ВД: а) винтовой однозаходный, б) винтовой многозаходный, в) пропеллерного типа
повсрстая секция непоборошзя секция
\
г 1Л 1 «
<- г/ ¿Н
1 Фр
Г,
Рис. 3. Схема приложения сил к внешнему движителю
м(в)
7.5
17:
0(р)
эо
180-Е
2! 30
т ©
б
Рис. 4. Зависимость энергосиловых параметров ВД от угла Р: а) крутящий момент (Нм), нагрузка на лопасть (Н), б) удельные затраты энергии при движении на один метр проходки (Дж/м)
а
Все это заставляет совместить подачу инструмента на забой с вращательно-поступательным движением внешнего движителя [3, 4], при этом требования к снижению энергоёмкости диктуются не только соображениями экономии, но и конструктивными особенностями. Также, в работе [4] обосновывается, что затраты энергии на перемещение геохода делают нецелесообразным применение угла подъема винтовой линии движителя ¡3 < 8° (рис. 4), а это значит, что шаг винтовой линии подачи исполнительного органа на забой составит не менее половины диаметра выработки. Это делает параметры таких систем геохода, как внешний движитель и исполнительный орган взаимо-влияющими.
Применение движителя второго типа вводит новую операцию - формирование винтовых и продольных законтурных каналов, поэтому при проектировании геохода необходимо обеспечить несущую способность не только движителя, но и бортов законтурных каналов. И значит, физико-механические свойства породы войдут в число исходных данных при проектировании внешнего движителя, при этом актуальны будут не только зернистость и абразивность, но и пределы прочности, модули упругости, коэффициент Пуассона и др.
Из выше сказанного можно сделать вывод, что условия работы внешнего движителя геохода обладают рядом особенностей, отличающих их от условий работы внешних движителей других проходческих систем, а именно:
- своеобразный характер взаимодействия с геосредой;
- жесткая кинематическая связь с перемещением исполнительного органа;
- работа на любых углах наклона проводимой выработки;
- зависимость развиваемого напорного и тягового усилий от параметров геосреды;
- использование законтурного массива горных пород;
- использование нормальной составляющей взаимодействия;
- непрерывная работа, совмещенная с подачей на забой.
Кроме этого, внешний движитель геоходов отличает отсутствие методик расчета силовых и конструктивных параметров.
1. Винтоповоротные проходческие агрегаты / А.Ф. Эллер, В.Ф. Горбунов, В.В. Аксенов. - Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1992. - 192 с.
2. Аксенов В.В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2004. - 264 с., ил.
3. Разработка требований к основным системам геохода./ В. В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Бегляков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев, А.В. Са-пожкова//Горное оборудование и электромеханика. 2009. № 5. С. 3-7
4. Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе Разработка специальной технологии проходки аварийно-спасательных выработок в завалах при ликвидации техногенных катастроф // Государственный контракт от 10 августа 2007 г. № 78-ОПН-07п. ГТТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Аксенов Владимир Валерьевич - доктор технических наук, профессор кафедры горно-шахтного оборудования Юргинского технологического института (филиала) ТПУ, г. Юрга, заведующий лабораторией угольной геотехники Института угля СО РАН, г. Кемерово, v.aksenov@icc.kemsc.ru Бегляков Вячеслав Юрьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры горношахтного оборудования Юргинского технологического института (филиала) ТПУ, г. Юрга; младший научный сотрудник лаборатории угольной геотехники Института угля СО РАН, г. Кемерово, begliakov@rambler.ru Костинец Ирина Константиновна - директор Филиал Кузбасского государственного технического университета, г. Белово, kostinets@yandex.ru
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
