CC BY
11
УДК 622.232.83
РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОГО ЗАБОЯ ДИСКОВЫМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ОРГАНОМ
В. Д. Кухарь, А. А. Маликов, А.Б. Рогов
Разработан алгоритм моделирования процесса внедрения в массив дискового шарошечного исполнительного органа. Анализ результатов моделирования процесса показал, что на высоту уступа наибольшее влияние оказывают скорость перемещения телескопических гидроцилиндров и угловая скорость в узле сочленения диска со стрелой: чем больше угол наклона диска, тем выше величина уступа при внедрении. Результаты моделирования свидетельствуют о том, что при внедрении диска в забой для исключения контакта тыльных сторон шарошек с массивом между поверхностью забоя и шарошками должен сохраняться гарантированный зазор.
Ключевые слова: проходческий комбайн, дисковый исполнительный орган, шарошка, горный массив, забой.
Попытки создания проходческих комбайнов избирательного действия с тангенциальными шарошками показали, что самый большой недостаток этих машин - невозможность внедрения рабочего органа в массив. Поэтому их стендовые испытания проводились лишь в стационарных режимах разрушения [1 - 4]. Процесс врезания дискового шарошечного исполнительного органа в забой является самой сложной операцией в проходческом цикле по разрушению породного массива. В этот период комбайн избирательного действия работает в нестационарном режиме с переменными величинами уступа и удельной подачи и, следовательно, с большой динамичностью процесса. Во время врезания очень важно выдерживать рациональное соотношение скоростей поперечной подачи стрелы и подачи ее на забой. Необходимо также знать минимальный угол отклонения режущего диска от продольной оси стрелы, при котором проходческий комбайн будет эффективно внедряться в массив [5 - 8].
При врезании должны быть решены две задачи: в конце врезания режущий диск должен выйти на заданную величину уступа, переходный процесс врезания рабочего органа в массив должен происходить за минимальное время. При обосновании рациональных параметров этого процесса большую помощь может оказать математическая модель дискового шарошечного исполнительного органа, позволяющая установить закономерность перемещения режущего диска при заданных конструктивных и кинематических параметрах стрелы [9 - 10]. Так как максимальное сечение разрабатываемого забоя (произведение высоты уступа Н на величину удельной подачи И) совпадает с направлением подачи стрелы, то к рассмотрению можно принять плоскую модель исполнительного органа, конструктивная схема которого
представлена на рис. 1. Предлагается следующий способ моделирования процесса врезания исполнительного органа в массив:
- выводится уравнение линии резания;
- находится зависимость угла аР между касательной к линии резания и линией диска от параметров движения исполнительного органа;
- устанавливается зависимость величины А И между задней гранью диска и линией разрушения от параметров движения исполнительного органа;
- определяется величина удельной подачи шарошки И;
- выбираются оптимальные параметры движения исполнительного органа, обеспечивающие необходимые значения аР, АИ, И.
Рис. 1. Конструктивная схема дискового исполнительного органа
Уравнение линии резания определяется начальным положением исполнительного органа в подготовительной выработке, а также следующими конструктивными и кинематическими параметрами стрелы: Ь - углом между О1В и О1С (см. рис. 1), рад; ¥0 - начальным углом отклонения стрелы от оси X, рад; а0 - начальным углом отклонения переламывающейся части стрелы от ее продольной оси, рад; р0 - длиной стрелы с вдвинутыми телескопическими гидроцилиндрами, м; ю0 - угловой скоростью стрелы вокруг ее продольной оси, рад/с; ю1 - угловой скоростью переламывающейся части стрелы вокруг точки О1, рад/с; УТ - скоростью выдвижения телескопических гидроцилиндров, м/с; В - диаметром диска по режущим кромкам шарошек, м; Ь -длиной переламывающейся части стрелы, м.
Процесс врезания исполнительного органа в массив заключается в одновременной подаче стрелы на забой и перемещении ее вдоль массива в горизонтальной или вертикальной плоскостях.
Исходя из принятой расчетной схемы (см. рис. 1), введем следующие обозначения: р(t) = OO1 = р0 + VTt - длина стрелы в любой момент времени t,
м; у (t) = ZO1OX = у0 - w0t - угол между продольной осью стрелы и осью X в момент времени t, рад; a( t ) = ZBO1Y1 = a0 -w1t - угол между продольной осью стрелы и линией, соединяющей точку «излома» стрелы и центр режущего диска, рад; ra (t) - расстояние от центра поворота стрелы до точки А;
фа (t) - текущее значение угла АОХ, рад.
Уравнения движения точки А, определяющей линию резания, в декартовых координатах имеют вид
Xa (t ) = Га (t) COS [фа (t)] ; Ya (t ) = Г, (t) SIR [фа (t) ] . (1)
Выразим ra и фа через кинематические и конструктивные параметры исполнительного органа: ra = ^р2 + а2 - 2ра cosc , где а = ¿/cos b - расстояние между точкой перелома стрелы и точкой А, м; c - угол между осью и отрезком а, рад. Угол между осью стрелы OOi и отрезком, соединяющим точку А с центром поворота стрелы ОА, 0 = p - |g|, где g = b - a - угол между продольной осью стрелы OY1 и отрезком а, рад.
Расстояние между точкой А и центром поворота стрелы О в любой момент времени определяется зависимостью
ra (t ) = ^р2 (t) + а2 - 2р( t) а cos p-b-a( t )| . (2)
Тогда угловая текущая координата точки А определяется по формуле Фа (t) = у(t)-®ср (t), где 0ср - угол между осью стрелы и линией, соединяющей точку А с центром поворота стрелы, рад. Угол 0ср берется со знаком «+» при ф > у, т.е. при g > 0, и со знаком «-» при ф < у, т.е. при g < 0 (рис. 2): Qp (t ) = ©ср (t) sgn g( t) ,
f-1 при x < 0,
где sgn ( ^ ) = It
[+1 при X > 0.
Угол 0(t) связан с конструктивными параметрами стрелы следующим уравнением: а1 =р2 (t) + r2 (t)-2р( t) ra (t) cos0( t). Следовательно,
Q( r ) =
arccos
р2 (t) + ra2 (t)-а2
(3)
2р( t) га (I)
Таким образом, текущая угловая координата точки А определяется из выражения
Фа (t) = У( t)_ sgn b - а( t) arccos
p2 (t) + Га2 (t)-а2
(4)
2P( t) Га (t)
Подставляя в уравнения (2) и (4) исходные данные исполнительного органа, получаем
ra (t ) = {(р0 + VTt )2 + b2/cos2 p-2 (p0 + VTt) b/cos px
x cos
p-(p-a 0 + w1t) sgn (p-a0 + w1t)
i0,5. i .
Фа (t) = y0 -w0t - sgn (b-a0 +w1t) arccos
(p0 + VTt) + ra 2 (t)(b2/cos2 b)
2 (p0 + VTt) Г (t)
(5)
. (6)
Формула (6) позволяет определить координаты точки А в любой момент времени. Уравнения движения точки С в координатах XOY имеют вид X = rc (t) cos [фс (t) ]; Yc = rc (t) sin [jc (t) ], где rc(t) - расстояние от центра поворота стрелы до точки С, м; jc(t) - угол между прямой, соединяющей центр поворота стрелы и точку С, и осью X, рад.
Рис. 2. Начальное положение режущего диска при врезании: а - угол g положительный (ja = y - 0 = y - 0 sin g),
б - угол g отрицательный ( ja = y + 0 = y + 0 sin g )
Расстояние между центром вращения О и точкой С определяется по формуле ra = р2 + a2 - 2pacosm, где m - угол между продольной осью стрелы и отрезком а. Угол m = р - Ы, где g1 - угол между продольной осью стрелы и отрезком СО1 = а, рад. Абсолютная величина угла g1 рассчитывается по фор-
муле = (а + Ь)sgn(а + Р). Расстояние от центра поворота стрелы О до точки С определяется по формуле
.2(.), ->рГр — (а(t)) + р)sgn(а^) + Р)]}0,5. (7)
rc (t ) = {р2 (t) + a2 - 2р( t) a cos Угловая координата точки С
Фс (t ) = у( t ) + 01ср (t), (8)
где 01ср - угол между продольной осью исполнительного органа и отрезком ОС, рад.
Угол 01ср определяется следующим образом: 01ср (t) = 01 (t) sgnу1 (t).
Угол 01 находится из уравнения а2 =р2 (t) + гс2 (t) — 2р(t)гс (t)сos01 (t). Отсюда
0! (t) = arccos{0,5[р2 (t) + Гс2 (t) - a2] / [р(t)Гс (t)]} . Угловую координату точки С можно определить так:
■р2 (t) + rc2 (t)-a2
jc (t) = y (t) + sgn (a( t) + p) arccos
2р( t) rc (t)
(9)
(10)
Следовательно, можно записать,
rc (t ) = {(р0 + VTt )2 + b2 /cos2p — 2 (р0 + VTt) x
xb / cosp cos [p — (a 0 — w1t + p) sgn(a 0 — w1t + p)]; jc (t ) = y 0 — W0t — sgn (a0 — W0t + p)x
xarccos
(р0 + VTt )2 + rc 2 (t) — b2 /cos2 p
(11)
(12)
2 (р0 + VTt) rc (t)
Для определения угла между линией разрушения и проекцией режущего диска проведем в точке А касательную к этой линии. Уравнение касательной представим в следующем виде:
X = (dx/dt)t t1 (t —11) + X (t1); Y = (dy /dt)t t1 (t —11) + Y (t1). (13)
Вычислим производные по времени:
(dx/dt)t t1 =(dr/dt)t t1cos j(t1) — r(t1)sin j(t1)(dj/dt)t t1;
(dy/dt)t t1 =(dr/dt)t t1sin j(t1) — r(t1)cos j(t1)(dj/dt)t t1;
dr/dt = —1/r{(р0 + VTt)VT — VT b/cospx
xcos [ p —(p —a 0 + w1t) sgn (p —a0 + w1t)] +
+(р0 + VTt) b / c os p sin [p —(p —a0 + w1t )x
x sgn (p —a 0 + w1t) ]} sgn (p —a 0 + w1t )w1;
d j / dt = —w0 + sgn (p —a 0 + w1t )x
1 -
(р0 + VTt )2 + г 2 (t)-( Ь 2/соб2 р) 2 (ро + Vтt) г (t)
0,5
X
X
(р0 + VTt) г (t) [ 2 (р0 + VTt )VT + 2г (t) dr / dt
2(р0 + Vтt) г2 (t) -2 (р0 + Vтt )2 +... + г 2 (t)- ь2/ с об2 р \УТг (t) + dr / dt (р0 + Vтt) ] .
Представим уравнение касательной в виде Y = K (^ ) X + Ь (t1), а (Ц -t1) запишем как t -11 = (X - X1)/(dx/dt)t, где X1 = X(t1). Следовательно,
Y = ( dy / dt )t (X - X1) / (Сх / dt )t + Y1, (14)
где Yl = Y(tl).
Таким образом, можно вычислить коэффициенты
K(t1 ) = (dy/dt)t /(Сх/dt)t ;Ь = Y1 -(dy/dt)t /(dx/dt)t X1; Ь = Y1 -kX1.
Линия диска - это прямая, проходящая через точки А и С. В произвольный момент времени t - t1 уравнение диска будет иметь
вид Y = 4X + где4 = [Ус(tl)-Га(tl)][Хс(Ц)-Ха(tl)]-1; В =Yc(^-ДХс(Ц);
Хв(0, Yа(t), Xс(t), Yс(t) - координаты точек А и С в момент времени Ц - Ц1. В произвольный момент времени Ц - Ц1 угол между линией диска и касательной к линии разрушения определяется по формуле
ар = агс^ {[ Ац1 - k () ][1 + 4 k (^ )]-1}. (15)
Гарантированный зазор между линией забоя и неработающей частью диска описывается уравнением Ак = гтр (Ц) - гс (Ц), где гтр - положение точки
А, движение которой определяет линию забоя в момент времени Ц* , для которого выполняется условие ф(Ц*) = Ф, (Ц).Наиболее удобными для решения
этого уравнения являются численные методы. Подача шарошки зависит от числа инструмента на диске, его угловой скорости, радиуса стрелы и ее угловой скорости: к = 103 • 2ргаю0 / (zwg), где - угловая скорость диска, рад/с. Введем обозначение: ю0 / ю = /. В итоге получим
к = 2-103 {(р0 + Vтt)2 + Ь2 ( собР)-2 —2Ь(р0 + V/)/собР X
I 0,5
хс об [р-(р-а0 ) sgn (р-а0 + ) sgn (р-а0 + )]} . (16)
На основе приведенных выше зависимостей составлен алгоритм моделирования процесса врезания в массив дискового шарошечного исполнительного органа. Анализ результатов моделирования процесса показал, что
2
X
• <
на высоту уступа Н наибольшее влияние оказывают скорость перемещения телескопических гидроцилиндров и угловая скорость ю в узле сочленения диска со стрелой (рис. 3). Причем, чем больше угол наклона диска а при одних и тех же значениях Ут , тем выше величина уступа Н в конце врезания. Поэтому для достижения необходимого Н в конце врезания исполнительного органа в массив угловая скорость ю должна уменьшаться при постоянной скорости Ут или оставаться на том же уровне, но при этом телескопические гидроцилиндры должны выдвигаться ускоренно. Результаты моделирования показали, что при врезании для исключения контакта тыльных сторон шарошек с массивом между поверхностью забоя и шарошками должен сохраняться гарантированный зазор, величина которого должна составлять не менее 100 мм. Для сохранения этого зазора при врезании под углом ОС = 12...150 диск должен проходить расстояние
0,3...0,5 м с ю1 = 0. В конце врезания угол а должен составлять 3...6 0 для эффективной работы в стационарном режиме разрушения.
Рациональные угловые скорости ю1 и ю0 находятся в диапазонах 0,004...0,01 и 0,01...0,025 рад/с соответственно. Угловая скорость ю1 связана с углом наклона диска а прямо пропорционально. Отношение ю1 / Ь должно быть больше отношения ю0/ р в 1,1 - 1,3 раза. Таким образом, разработанная модель процесса врезания в забой дискового шарошечного исполнительного органа позволила обосновать рациональные, конструктивные и кинематические параметры, углы врезания исполнительного органа в забой, определить величину гарантированного зазора АИ.
И, СМ 10
8 6 4 2
О 2 4 6 8 10
10~3 рад/с
Рис. 3. Влияние угловой скорости ю1 на высоту уступа: 1 - а = 250; 2 - а = 200; 3 - а =150; 4 - а = 100
Проведенные исследования позволили установить зависимости для определения рациональных конструктивных параметров режущего диска. Для снижения динамических нагрузок на дисковом шарошечном органе он должен оснащаться нечетным количеством режущего инструмента с минимально возможным диаметром шарошек, исходя из конструкции опорного узла и физико-технических свойств породы. Рациональное значение диаметра диска находится в диапазоне 0,9...1,2 м. Изучение закономерностей врезания дискового шарошечного исполнительного органа в массив в процессе моделирования позволило установить, что для исключения контакта с забоем тыльных плоскостей шарошек режущий диск должен быть отклонен от продольной оси стрелы a по 3...60.
Список литературы
1. Рогов А.Б. Математическая модель процесса Срезания дискового исполнительного органа с тангенциальными шарошками в массив. Тула, 1988. 13 с. Деп. в ЩИЭИугюлъ 20.05.88, № 4569-ул.
2. Манаков В.М., Рогов А.Б. Создание исполнительного органа проходческого комбайна избирательного действия с шарошечным инструментом // Механизация горн. работ на угольных шахтах. 1985. С. 104 - 108.
3. Манаков В.М. Выбор рациональных параметров исполнительного органа проходческого комбайна избирательного действия с шарошечным инструментом // Горный журнал. 1984. № 6. С. 41 - 43.
4. Манаков В.М., Рогов А.Б. Разработка шарошечного исполнительного органа проходческого комбайна избирательного действия // Совершенствование технологии, механизации и автоматизации горных работ. 1982. С. 44 - 45.
5. Манаков В.М., Безгубов А.П., Рогов А.Б. Теоретические и экспериментальные исследования основных параметров исполнительного органа проходческого комбайна избирательного действия // Механизация горных работ на угольных шахтах. 1984. С. 54 - 56.
6. Левин A.M. Шарошечный инструмент проходческого комбайна "Союз-19У" // Уголь Украины. 1987. №6. С. 24 - 25.
7. Степановский Е.Л. Определение рациональной геометрии тангенциальных дисковых шарошек с учетом их изнашивания: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Донецк, 1972. 17 с.
8. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. Разрушение тангенциальными инструментами / под ред. Л.И.Барона. М.: Наука, 1973. 173 с.
9. Малиованов Д.И. Исследование применения горнопроходческого оборудования при проведении горных выработок. М.: ЦНИИподземмаш, 1987. 107 с.
10. Малевич Н.А. Горнопроходческие машины и комплексы. М.: Недра, 1980. 384 с.
Кухарь Владимир Денисович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, проректор по научной работе, ecology_tsu_ tulaa mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, проректор по финансовой деятельности, ecology_tsu_ tulaa mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Рогов Александр Борисович, д-р техн. наук, председатель Совета, infoa der-rick.ru , Россия, Москва, Союз производителей нефтегазового оборудования
RATIONAL PARAMETERS OF PROCESSING DEVELOPMENT FACE BY DISK EXECUTIVE BODY
V.D. Kuhar, A.A. Malikov, A.B. Rogov
An algorithm for modeling the process of introduction into massif the disk of a disk cone actuator is developed. Analysis of the results of modeling the process showed that the height of the ledge is most influenced by the speed of movement of telescopic hydraulic cylinders and the angular velocity at the junction of the disk with the arrow. It's shown than greater the angle of the disc, the higher the amount of the shoulder when it is inserted. The results of the simulation showed that when inserting the disk into the face to avoid contact between the rear sides of the cutters and the massif between the face and the balls, a guaranteed gap should be maintained.
Key words: tunneling machine, disk executive body, roller cutter, rock massif, face.
Kuhar Vladimir Denisivich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, Vice-Rector by Scientific Activity, ecology_tsu_ tulaa mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Malikov Andrei Andreevich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, Vice-Rector, ecology_tsu_ tulaa mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Rogov Alexander Borisovich, Doctor of Technical Sciences, Chairman of the Board, info®, derrick.ru , Russia, Moscow, Union of Oil and Gas Equipment Manufacturers
Reference
1. Rogov A.B. Matematicheskaya model' processa Srezaniya diskovogo ispolnitel'nogo organa s tangencial'nymi sharoshkami v massiv// Tula, 1988. 13 s. Del. v SHCHIEHIugyul" 20.05.88, № 4569-ul.
2. Manakov V.M., Rogov A.B. Sozdanie ispolnitel'nogo organa prohodcheskogo kom-bajna izbiratel'nogo dejstviya s sharoshechnym instrumentom // Mekhanizaciya gorn, rabot na ugol'nyh shahtah, 1985. S. 104 - 108.
3. Manakov V.M. Vybor racional'nyh parametrov ispolnitel'nogo organa prohodcheskogo kombajna izbiratel'nogo dejstviya s sharoshechnym instrumentom // Gornyj zhurnal, 1984. № 6. S. 41 - 43.
4. Manakov V.M., Rogov A.B. Razrabotka sharoshechnogo ispolnitel'nogo organa pro-hodcheskogo kombajna izbiratel'nogo dejstviya // Sovershenstvovanie tekhnologii, mekhanizacii i avtomatizacii gornyh rabot, 1982. S. 44 - 45.
5. Manakov V.M., Bezgubov A.P., Rogov A.B. Teoreticheskie i ehksperimental'nye is-sledovaniya osnovnyh parametrov ispolnitel'nogo organa prohodcheskogo kombajna izbiratel'nogo dejstviya // Mekhanizaciya gornyh rabot na ugol'nyh shahtah, 1984. S. 54 - 56.
6. Levin A.M. SHaroshechnyj instrument prohodcheskogo kombajna "Soyuz-19U" // Ugol' Ukrainy, 1987. №6. S. 24 - 25.
7. Stepanovskij E.L. Opredelenie racional'noj geometrii tan-gencial'nyh diskovyh sharo-shek s uchetom ih iznashivaniya: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk. Doneck. 1972. 17 s.
8. Razrushenie gornyh porod prohodcheskimi kombajnami. Razrushenie tangencial'ny-mi instrumentami / Pod red. L.I.Barona. M. Nauka, 1973. 173 s.
9. Maliovanov D.I. Issledovanie primeneniya gornoprohodcheskogo oborudovaniya pri provedenii gornyh vyrabotok. M. CNIIpodzemmash. 1987. 107 s.
10. Malevich N.A. Gornoprohodcheskie mashiny i kompleksy. M.: Nedra. 1980. 384
s.
УДК 622.271.3/272
СТРАТЕГИЯ ОСВОЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЭКОЛОГО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ПОДЗЕМНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИЕЙ
И.В. Соколов, Н.В. Гобов, Ю.Г. Антипин, Ю.М. Соломеин
На базе установленных принципов сформированы варианты геотехно-логической стратегии освоения глубокозалегающих железорудных месторождений, основанные на комплексной эколого-ориентированной подземной геотехнологии добычи и переработки железных руд, включающей вскрытие, разработку системами с обрушением верхних этажей и камерную выемку нижних этажей, транспортирование грузов, обогащение руды на подземном или поверхностном обогатительном комплексе, закладку камер, позволяющей весь объем отходов горно-обогатительного производства утилизировать в выработанном пространстве. Выполнено их экономико-математическое моделирование с последующей оценкой по комплексному эколого-экономическому критерию.
Ключевые слова: железорудное месторождение, геотехнологическая стратегия, подземная геотехнология, подземный обогатительный комплекс, экономико-математическое моделирование.
Обоснование геотехнологической стратегии (ГС) освоения мощных глубокозалегающих железорудных месторождений базируется на традиционной геотехнологии добычи руды с обрушением и ее обогащения на поверхностных обогатительных комплексах (ОК). Однако эта геотехнология не является экономически оптимальной и тем более экологически безопасной. Признанным подходом к решению технолого-экологических проблем является проектирование экологически сбалансированного цикла комплексного
