CC BY
8
УДК 622.232.83.054
РАСЧЕТ МОМЕНТА ОПРОКИДЫВАЮЩИХ СИЛ НА КОРОНКЕ
ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ
ИХ УСТОЙЧИВОСТИ
А.Б. Жабин, А.В. Поляков, Ю.Н. Линник, В.Ю. Линник
Рассматривается методика расчета устойчивости проходческих комбайнов избирательного действия. Отмечена возможность ее доработки за счет более точного расчета момента опрокидывающих сил на исполнительном органе. Описаны режимы обработки забоя исполнительным органом. Представлены расчетные схемы и некоторые расчетные зависимости для определения устойчивости комбайна. Дан пример расчета устойчивости проходческого комбайна КП-21.
Ключевые слова: проходческий комбайн, расчет устойчивости, момент опрокидывающих сил, расчетные зависимости, пример расчета.
Методика расчета устойчивости проходческих комбайнов избирательного действия[1 - 3], разработанная с учетом отечественного и зарубежного опыта их проектирования [4 - 7] рассматривает различные варианты движения комбайна по выработке, режимы обработки забоя и варианты работы исполнительного органа. Однако эта методика требует дальнейшей доработки в части более точного расчета момента опрокидывающих сил Мо = \Ы1 + MП }, действующего на проходческий комбайн. Здесь
М1 и Ыц - составляющие результирующего момента сил на исполнительном органе в вертикальной и горизонтальной плоскости соответственно.
В процессе разрушения горного массива проходческие комбайны с продольно-осевой коронкой вначале забуриваются в забой, а затем совершают горизонтальные и вертикальные движения стрелой. Выделим следующие основные режимы обработки забоя исполнительным органом:
- горизонтальная подача исполнительного органа вправо (режим I);
- горизонтальная подача исполнительного органа влево (режим II);
- вертикальная подача сверху вниз (режим III);
- вертикальная подача снизу вверх (режим IV).
Для проходческих комбайнов с поперечно-осевой коронкой характерны те же самые режимы работы, за исключением того, что режим обработки забоя боковыми движениями не зависит от направления вращения режущего органа.
Вместе с тем, учитывая необходимость некоторого запаса устойчивости комбайна, составляющие результирующего усилия на исполнительном органе (коронке) являются известными и принимаются равными УЯ = 1,5 • Р2 и Ж = 1,5 • Ру, и прикладываются на срезе коронки. Здесь Р2
и р - суммарные усилия резания и подачи на коронке, развиваемые при-
водным двигателем и напорными гидроцилиндрами подачи соответственно.
Исходными данными для расчета являются: ширина В и длина Ь опорной базы комбайна; длина стрелы и ; длина питателя Ж, отсчитываемая от передней кромки опорной поверхности гусениц; ширина питателя 2; ширина опорной базы комбайна при распертом опорном устройстве В0; расстояние от задней кромки опорной поверхности гусениц до точки опоры опорного устройства к; расстояние между подошвой выработки и стрелой, ось которой параллельна оси выработки f; расстояние между началом стрелы и передней кромкой опорной поверхности гусениц т; расстояние между точкой горизонтального и вертикального вращения стрелы 5; координата центра масс стрелы ис; а1 - угловая координата стрелы в горизонтальной плоскости; а2 - угловая координата стрелы в вертикальной плоскости при поднятии стрелы и р - угол наклона выработки.
Для лучшего понимания излагаемого материала, и не отсылая читателя к работе [2], напомним несколько важных моментов методики расчета.
1. Продольная устойчивость комбайна определяется вдоль оси выработки. Значение момента сил, действующих на комбайн, рассчитываются относительно точки А при движении комбайна вниз по уклону или относительно точки В - при движении вверх по уклону (рис. 1). Этот вариант расчета соответствует режиму работы комбайна, когда он распирается в почву опорным устройством и питателем. В противном случае устойчивость рассчитывается соответственно относительно точек Л1 и Б1.
2. Поперечная устойчивость комбайна определяется относительно почвы выработки. Значение момента сил рассчитываются относительно точки С при распертом питателе и опорном устройстве, относительно точки С1 при поднятом питателе и опорном устройстве, и относительно точки С2 при поднятом питателе и распертом опорном устройстве.
3. Расчет устойчивости комбайна от разворота производиться в плоскости почвы выработки и рассматривается вариант расчета при повороте относительно оси комбайна (точка О).
В дальнейшем, для краткости изложения материала, описание режима работы комбайна будем характеризовать только расчетной точкой, относительно которой определяется устойчивость комбайна, т.е. его вращение. Например, при определении поперечной устойчивости комбайна движущегося вверх по уклону с распертым в почву питателем и опорным устройством будем указывать «Вращение относительно точки С» или при определении продольной устойчивости комбайна при его движении вверх по уклону и распертом опорном устройстве - «Вращение относительно точки В».
На основании результатов выполненных аналитических исследований и расчетов получены зависимости, позволяющие определять значения момента опрокидывающих сил, действующих на проходческий комбайн. В качестве примера, приведем несколько из них.
Расчет проходческого комбайна, оснащенного продольно-осевой коронкой при его работе в режиме I (рис. 1) осуществляется по следующим зависимостям.
Продольная устойчивость комбайна 1. Вращение относительно точки В
МВ1 = (УЯ ■ Бта2 - ■ б1П«1 ) ■ Н;
МВ11 = {УЯ ■ СОБ«2 - 6Я ■ Б1па1 ) ■ В,
где Н = / + и ■ еова1 ■ $,\па2 и В = (и ■ еоБа1 ■ соб«2 + я ■ еоБа1 + (Ь - т) + к).
(1)
Рис. 1. Расчетная схема проходческого комбайна с продольно-осевой коронкой (режим I)
2. Вращение относительно точки Bi. Расчет выполняется по формулам (1) при к = 0.
3. Вращение относительно точки А MAI = (VR ■ sin - SR ■ sin^j ) ■ H ;
MAII = (VR ■ cos a2 - SR ■ sina: ) ■ V,
где V = ((m + W)- u ■ cosa2 ■ cosa:).
4. Вращение относительно точки Á1
MAI = (VR ■ sin«2 - SR ■ sin«!) ■ H; MAII = (VR ■ cos«2 - SR ■ sin«!) ■ Y,
(3)
где 7 = (и • 00Ба2 • 00Ба1 - ш)
При движении комбайна по прямолинейному участку пути без уклона (¡ = 0) продольная устойчивость комбайна рассчитывается по формулам (1) - (3) и для дальнейших расчетов принимается большее из полученных значений.
Поперечная устойчивость комбайна
1. Вращение относительно точки С
МС1 =( Ж • ооБа1 )• Н; МС11 =(уя • 00В«2)•(N +
где N = и • ооъа2 • Бта1 + 5 • Бта1.
2. Вращение относительно точки С2
(4)
MCI =( SR ■ cos«! )■ H;
MCII =(VR ■ cos«2 )■
f R л
I N + B I
I 2 J
(5)
3. Вращение относительно точки С1 MCI =(SR ■ cos«!)■ H;
Mcii =(VR ■ cos«2 )
N + B 1 . 2 J
(6)
Устойчивость от разворота.
1. Вращение относительно точки О
MOI =(SR ■ cos«!)■ T;
(7)
Moil = (SR ■ sin«! - VR ■ sin«2) ■ N, где T = u ■ cos«: ■ cos«2 + s ■ cos«! + (x0 - m ■ cos0).
В свою очередь расчет проходческого комбайна, оснащенного поперечно-осевой коронкой при его работе в режимах I и II (рис. 2) может быть осуществлен следующим образом.
Продольная устойчивость комбайна
1. Вращение относительно точки В
MBI = (SR ■ cos«! ■ cos«2 - VR ■ sin«!) ■ H; MBII = (-SR ■ cos«! ■ sin«2) ■ D.
(8)
2. Вращение относительно точки ВРасчет выполняется по формулам (8) при к = 0.
<
<
<
<
3. Вращение относительно точки А
МА1 = (БЯ ■ еоБа1 ■ собя2 - УЯ ■ Б1П«1 ) ■ Н;
МА11 = (-БЯ ■ еоБа1 ■ Бта2) ■ У.
(9)
Рис. 2. Расчетная схема проходческого комбайна с поперечно-осевой коронкой (режимы I и II)
4. Вращение относительно точки А\
МА11 = (БЯ ■ СОБ^ ■ СОБЯ2 - УЯ ■ Б1па1) ■ Н; МА11 = (-БЯ ■ собя1 ■ Бт Я2 ) ■ У.
(10)
При движении комбайна по прямолинейному участку пути без уклона (/ = 0) продольная устойчивость комбайна рассчитывается по формулам (8) - (10) и для дальнейших расчетов принимается большее из полученных значений.
Поперечная устойчивость комбайна.
1. Вращение относительно точки С
МС1 = (УЯ ■ собя1 + БЯ ■ СОБЯ2 ■ Бтя^) ■ Н;
Меи = (-БЯ ■ собя ■ Бтя2) ■
2. Вращение относительно точки С2
( 2 Л
и+21
I 2)
<
<
МС1 = (УЯ • ооБа1 + БЯ • ооБа2 • Бта1) • Н;
—
МСи = (-6Я • ооБа1 • Бта2) • I N + —0 .
3. Вращение относительно точки С\
МС1 = (УЯ • ооБа1 + БЯ • ооБа2 • Бта1) • Н; МС11 = (-6Я • ооБа1 • Бта2) • | N + — |.
Устойчивость от разворота
1. Вращение относительно точки О
(12)
(13)
МС1 = (УЯ • ооБа1 + БЯ • ооБа2 • Бта1) • Т;
МС2 = (УЯ • Бта1 - 6Я • ооБа1 • ооБа2) • N.
Еще раз отметим, что аналогичные зависимости получены для всех режимов работы проходческого комбайна оснащенного как продольно, так и поперечно-осевой коронкой.
В таблице приведены результаты определения устойчивости комбайна КП-21, выполненные по доработанной методике расчета при проведении наклонной горной выработки с углом уклона 100 и разрушении породы прочностью на сжатие 60 МПа.
Результаты расчета устойчивости комбайна КП-21
<
<
Суммарный момент от действия весовых составляющих нагрузок МG, 104 Н-м Моменты опрокидывающих сил для различных режимов обработки забоя М о, 104 Н-м
режим I режим II режим III режим IV
в—1 = 42,69 36,18 -17,37 2,06 33,86
вС1 = 54,38 39,28 -19,33 2,7 29,98
О0 = 14,45 -6,48 -5,44 -8,62 -6,08
Суммарный момент сил, действующих на комбайн М = МО - Мо, 104 Н-м
Продольная устойчивость 6,51 60,06 40,63 8,83
Окончание
Поперечная устойчивость 15,1 73,71 51,68 24,4
Устойчивость от разворота 20,93 19,89 23,07 20,53
При расчете суммарного момента М учитывается направление действие моментов опрокидывающих сил Мо. Так, знак «+», показывает, что усилия на исполнительном органе создают опрокидывающий момент, а знак «-» - восстанавливающий.
Результаты расчета показывают, что для всех режимов обработки забоя обеспечивается устойчивость проходческого комбайна КП-21 т.к. вычисленные значения суммарного момента сил не имеют отрицательного значения.
Для более объективной оценки результатов исследований проанализированы расчетные и экспериментальные значения нагруженности привода исполнительного органа. Отклонения расчетных и опытных данных не превышают 12 %.
Полученные результаты свидетельствуют об эффективности разработанной методики расчета устойчивости проходческих комбайнов. Методика может быть использована для решения практических задач, связанных с проектированием и оценкой различных вариантов не только исполнительных органов проходческих комбайнов, но и всех других его систем. Это, в свою очередь, позволит повысить качество проектных решений и рекомендовать для изготовления наиболее эффективные варианты комбайнов.
Список литературы
1. Жабин А.Б., Поляков А.В., Аверин Е.А. О расчетной схеме для определения устойчивости проходческого комбайна // Горное оборудование и электромеханика. 2018. №. 2. С.46-49.
2. Жабин А.Б. Разработка научно-методических основ силового расчета исполнительных органов проходческих комбайнов: отчет о НИР. Тула: Академия горных наук. 2017. 160 с.
3. Жабин А.Б., Поляков А.В., Аверин Е.А. Реализация методики расчета устойчивости проходческого комбайна в табличном редакторе // Сб. науч. тр. 14-й междунар. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики. 30-31 октября. Тула - Минск - Донецк: Изд-во ТулГУ, 2018. С. 22-28.
4. Acaroglu O. Stability analysis of the boom type tunneling machines and optimum selection, Ph.D. thesis, Istanbul Tech. Univ., Turkey. ОСАК. 2004. 234 р.
5. Acaroglu O., Ergin H. The effect of cutting head shapes on roadheader stability // Mining Technology. 2005. V. 114. №. 3. Р. 140-146.
6. Ergin H., Acaroglu O. The effect of machine design parameters on the stability of a roadheader // Tunneling and underground space technology. 2007. V. 22. №. 1. Р. 80-89.
7. Определение устойчивости проходческого комбайна с двухко-рончатым стреловидным исполнительным органом / Л. Е. Маметьев [и др.] // Горное оборудование и электромеханика. № 5. 2017. С. 31 - 34.
Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., zhahin.tHla a mail.rii, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Поляков Андрей Вячеславович, д-р. техн. наук, доц., инженер-эксперт, pol\>akof-anamail.rn, Россия, Москва, ООО «Единый консалтинговый холдинг,
Линник Юрий Николаевич, д-р техн наук, проф., yn linnik@gHH.ri. Москва, Государственный университет управления,
Линник Владимир Юрьевич, д-р экон. наук, доц., vyJinnik@gHH.rH, Москва, Государственный университет управления
CALCULATION OF THE MOMENT OF OVERTURNING FORCES ON THE CROWN OF A ROADHEADERS WHEN DETERMINING ITS STABILITY
A.B. Zhahin, A.V. Polyakov, Yh. N. Linnik, V.Yh, Linnik
The method of calculating the stability of a roadheaders is considered. The possibility of its refinement due to a more accurate calculation of the moment of overturning forces on the executive hody is noted. The modes of processing the face hy the executive hody are described, calculation schemes and some calculation dependencies for determining the stahil-ity of the roadheaders are presented. An example of calculating the stahility of a KP-21 road-headers is given.
Key words: roadheaders, stahility calculation, moment of overturning forces, calculated dependencies, calculation example.
Zhahin Aleksandr Borisovich, doctor of technical sciences, professor, zhahin.tHla@mail.rH, Russia, Tula, Tula State University,
Polyakov Andrey Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, docent, expert engineer, Polyakoff-an@mail.rH, Russia, Moscow, LLC "Unified Consulting Holding»,
Linnik Yuri Nikolaevitch, doctor of technical sciences, professor, ylin-nik@ramhler.ru, Russia, Moscow, State University of Management,
Linnik Vladimir Yurievitch, doctor of economic sciences, docent, vy_linnik@guu.ru, Russia, Moscow, State University of Management
Reference
1. Zhabin A.B., Polyakov A.V., Averin E.A. About the design scheme for determining the stability of a tunneling combine // Mining equipment and electromechanics. 2018. No. 2. pp.46-49.
2. Zhabin A.B. Development of scientific and methodological foundations of the power calculation of the executive bodies of tunneling combines: research report. Tula: Academy of Mining Sciences. 2017. 160 p.
3. Zhabin A.B., Polyakov A.V., Averin E.A. Implementation of the methodology for calculating the stability of a tunneling combine in a tabular editor // Collection of scientific tr. 14th International Conference on problems of mining, construction and energy "Socioeconomic and environmental problems of mining, construction and energy. October 30-31. Tula - Minsk - Donetsk: TulSU Publishing House, 2018. pp. 22-28.
4. Acaroglu O. Stability analysis of the boom type tunneling machines and optimum selection, Ph.D. thesis, Istanbul Tech. Univ., Turkey. OSAKA. 2004. 234 p.
5. Acaroglu O., Ergin H. The effect of cutting head shapes on roadheader stability // Mining Technology. 2005. V. 114. No. 3. pp. 140-146.
6. Ergin H., Acaroglu O. The effect of machine design parameters on the stability of a roadheader // Tunneling and underground space technology. 2007. V. 22. No. 1. p. 80-89.
7. Determination of the stability of a tunneling combine with a two-ring swept executive body / L. E. Mametyev [et al.] // Mining equipment and electromechanics. No. 5. 2017. pp. 31-34.
