Разработка модели взаимодействия ножевого исполнительного органа геохода с геосредой Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

[8], при реализации схемы, приведенной в работе [7], погрешность измерения расстояний не должна превышать значения 0,497 мм.

Полученные результаты достигнуты в ходе реализации комплексного проекта при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ. Договор №02.G25.31.0076.

Списокиспользованныхисточников

1. Аксенов В.В., Вальтер А.В. Специфика геохода как предмета производства // Научное обозрение. - 2014. - Т. 8. - № 3. - С. 945-949.

2. Аксенов В.В. Компоновочные решения машин для проведения горных выработок на основе геовинчестерной технологии / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Бегляков, П.В. Бурков, М.Ю. Блащук, А.В. Сапожкова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 1. - С. 251-259.

3. Аксенов В.В. Разработка требований к основным системам геохода / В.В. Аксенов,

A.Б. Ефременков, В.Ю. Бегляков, М.Ю. Блащук,

B.Ю. Тимофеев, А.В. Сапожкова // Горное оборудование и электромеханика. - 2009. - № 5. - С. 3-7.

4. Аксенов В.В. Формирование требований к основным системам геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Садовец, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук, В.Ю. Бегляков// Горный информационный аналитический бюллетень (научно-технический журнал) Mininginformationalandanalyticalbulletin (Scientificandtechnicaljournal). Перспективы развития горно-транспортных машин и

оборудования. - 2009. - № ОВ 10. - С. 107-118.

5. Ананьев К.А. Определение зависимости геометрических параметров барабанов разрушения забоя от угла их установки на геоходе / К.А. Ананьев, В.В. Аксенов, А.А. Хорешок, А.Н. Ермаков // Вестник кузбасского государственного технического университета. - 2014. - № 2 (102). - С. 3-5.

6. Аксенов В.В.,Садовец В.Ю., Резанова Е.В. Синтез технических решений нового класса горнопроходческой техники // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - 2009. - № 8. - С. 56-63.

7. Аксенов В.В., Вальтер А.В., Бегляков В.Ю. Обеспечение геометрической точности оболочки при сборке секций геохода // Обработка металлов. - 2014. - № 4 (65). - С. 1928.

8. ФЮРА. 612322.401.0.00.00.000ПЗ. Геоход. Технический проект. Пояснительная записка. - Юрга: ЮТИ ТПУ, 2014. - 238 с.

9. Айриян А.С. Быстрые алгоритмы оценки параметров колец черенковского излучения в детекторах типа RICH / А.С. Айриян, С.А. Багинян, Г.А. Ососков, К. Хёне// Вестник ТвГУ. Серия: Прикладная математика. - 2007. - № 3 (6). - С. 15-28.

10. Лесных Н.Б. Предельные ошибки измерений / Н.Б. Лесных, Г.И. Лесных, А.Л. Малиновский // ИнтерЭкспо Гео-Сибирь. -

2011. - Т. 1. - № 1. - С. 26-31.

11. Серых В.И., Гребцова Л.В. Метод обоснования требований к точности средств измерительного контроля // Вестник СибГУТИ. -

2012. - № 1. - С. 30-40.

1В.Ю. Садовец, к.т.н., 2В.В. Аксенов, д.т.н., 3В.Ю. Бегляков 1Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева 2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук» 3ГОУ ВПО «Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета»

УДК 622.002.5

Разработка модели взаимодействия ножевого исполнительного органа геохода с геосредой

Проведение горной выработки рядом авторов [1, 2] рассматривается как процесс движения твердого тела в твердой среде. Данный подход лежит в основе геовинчестерной технологии проведения горных выработок, базовым функциональным элементом которой является геоход.

Геоход - аппарат, движущийся в подземном пространстве с использованием геосреды. Представляя собой новый самостоятельный класс горных машин, геоходы

предназначены для проходки горных выработок различного назначения и расположения в подземном пространстве.

Конструктивные, технические и технологические особенности геоходов, а также оценка влияния этих особенностей на методику расчета его силовых параметров приведены в работе [3].

Конструктивная схема одного из геоходов представлена на рисунке 1.

Для проходки подземных выработок на

Рис. 1. Принципиальная конструктивная схема геохода

1 - исполнительный модуль; 2 - головная секция;

3 - внешний движитель геохода (винтовая лопасть); 4 - хвостовая секция;

5 - гидроцилиндры вращения; 6 - роторный погрузчик

малых глубинах в неустойчивых породах с применением геохода для разрушения необходимо использовать ножевой исполнительный орган.

Своеобразный характер перемещения геохода на забой обуславливает формирование сложной формы поверхности не только самого забоя, но и исполнительного органа (ИО). Поверхность забоя, при разрушении его ИО геохода, имеет вид нескольких геликоидных поверхностей с уступами.

Любая точка ножа, расположенная на расстоянии х (рис. 2) от оси вращения геохода, перемещается на забой под углом:

h

Р х = (1)

2пх

Рис. 3. Направление движения точек ножа ИО

геохода в зависимости: а - от расположения на радиальном ноже; б - от типоразмера геохода

отличен от Р (рисунок 3, б). Следовательно, геометрические параметры геликоида, по форме которого выполняется профиль радиального ножа ИО геохода зависят от параметров внешнего движителя (гг - радиус головной секции геохода, ^ - шаг винтовой лопасти, р- угол наклона винтовой лопасти.) и являются индивидуальными для каждого типоразмера геохода.

Высота формируемого уступа 1п зависит от шага винтовой л опасти и количества радиальных ножей, установленных на ИО геохода:

h

h = ^ (2)

п

Точки ножа, находящиеся ближе к оси вращения геохода перемещаются на забой под большим углом, чем точки находящиеся на периферии ножа (рисунок 3, а). Таким образом, при винтовом перемещении ножевого ИО геохода на забой точки радиального ножа образуют геликоидную (винтовую) поверхность. Следовательно, участок поверхности забоя в секторе между смежными радиальными ножами после их прохода принимает вид винтовой поверхности.

Кроме того, если при каком-то оптимальном угле наклона винтовой лопасти внешнего движителя (опт) увеличить радиус головной секции геохода, то любая точка, находящаяся на расстоянии х от центра геохода, должна будет проходить за один оборот расстояние отличное от , при этом угол наклона р будет

где п - количество ножей на ИО.

Количество радиальных ножей определяет числ о взаимосопрягаемых участков с геликоидной поверхностью на забое. Между _ двумя взаимосопрягаемыми винтовыми поверхностями образуется уступ, который постоянно формируют и разрушают ножи ИО в по мере их подачи на забой

Сложная геликоидная поверхность забоя определяется только характером 2 перемещения геохода, поэтому винтовая X поверхность образуется при работе любого радиального ИО, независимо от его конструкции и применяемого инструмента. в

На основе сформированных фрагментов структурного портрета 4, 5, основанных на интеграционном подходе, были разработаны конструктивные решения ножевого ИО ^

Таблица 1

Основные конструктивные схемы ножевого ИО геохода.

№ пп

Принципиальная схема

Особенности Область применения

Четырех лучевой ножевой ИО. Один винторез.

Не имеет собственного привода. Угловые скорости движения инструмента и головной секции геохода равны.

Область применения. Сыпучие и мягкие породы крепостью /<1 по шкале проф. М.М. Протодьяконова

Двух лучевой ножевой ИО.

Один винторез.

На каждом луче два ножа.

Ножи установлены под прямым конусом

к оси геохода.

В центре установлен скалыватель. Область применения. Сыпучие и мягкие породы крепостью /<1 по шкале проф. М.М. Протодьяконова

1

2

геохода, некоторые из которых представлены в таблице 1.

Сложная геликоидная поверхность забоя определяется только характером перемещения геохода, поэтому винтовая поверхность образуется при работе любого радиального ИО, независимо от его конструкции и применяемого инструмента.

Необходимо отметить, что при увеличении радиуса геохода геометрические параметры геликоидной формы ножа будут индивидуальными для каждого радиуса геохода.

Поскольку геоход - аппарат, движущийся в подземном пространстве с использованием геосреды, то его Ио будет разрушать (резать) как сыпучие, так и плотные породы. Тогда рациональное число ножей ИО геохода должно выбираться из интервала:

п =

tgP • 2яг_ 0,1 0,2

(3)

Расположение радиальных ножей относительно оси агрегата влияет на силы резания возникающие в процессе разрушения массива горных пород. При резании одним радиальным ножом ИО геохода всю силу блокированного резания можно представить в виде суммы трех сотавляющих сил (рис.4) [ 6]:

1 силы для преодоления сопротивления грунта передней гранью ножа Рс пропорциональной площади сечения прорези перед передней гранью ножа и зависящей от угла и крепости грунта;

2 силы для преодоления сопротивлений ® грунта разрушению в боковых расширениях прорези Р , пропорциональной площади этих частей прорези, зависящей от крепости грунта и не зависящей от угла резания и ширины среза;

3 силы для преодоления сопротивлений , грунта срезу боковыми ребрами ножа у дна прорези Р . ср, пропорциональной толщине среза, зависящей от крепости грунта и не зависящей от ширины среза и угла резания. в

При работе геохода исполнительный орган перемещается на забой в строгом соответствии с шагом винтовой лопасти,

смонтированной на внешней поверхности головной секции. В этом случае каждая точка ножа перемещается по спиральной траектории.

л

Рис. 4. Схема действия сил при блокированном резе простым ножом

Рис. 5. Расчетная схема к определению полной силы сопротивления грунта резанию ножевым исполнительным органом

Точки ножа, находящиеся ближе к оси вращения геохода перемещаются на забой под большим углом, чем точки находящиеся на периферии ножа. Таким образом, при винтовом перемещении ножевого исполнительного органа на забой точки радиального ножа оп и сы ва ют гел и кои д н ую ( в и н тов ую) поверхность. Следовательно, участок забоя после прохода ножа принимает вид винтовой поверхности. Количество ножей определяет число сопрягаемых участков с геликоидной поверхностью на забое. Между двумя сопрягаемыми винтовыми поверхностями постоянно образуется уступ, который и разрушает ножи ИО по мере их подачи на забой.

Вся сила блокированного резания простым острым ножом [6]:

где ЬНтсвф - силы преодоления лобовых сопротивлений ножу (на рисунке 5 обозначено

О Н;2

2Н тбок - вся сила разрушения грунта в

Рср = ФтсвЬН + 2тбокh 2 + 2тбок.сР h

бок.ср

(4)

боковых расширениях прорези (Рбок на рисунке 5), Н;

2Нтсрбок - силы бокового среза (Рсрбок. на рисунке 5), Н;

ф - коэффициент, учитывающий влияние угла резания;

тсв - удельная сила резания для преодоления сопротивлений грунта передней гранью при угле резания 450, Па;

Ь - ширина ножа, м;

Н - глубина резания, м;

тбок - коэффициент, характеризующий силу разрушения грунта в боковых частях прорези, Па;

тсрбок - коэффициент, характеризующий удельную силу среза одним из боковых ребер ножа, Н/м.

Вывод зависимостей для определения усилий резания ножевым ИО геохода представлен в работе [7].

Основные зависимости для определения сил резания представлены ниже:

П р о е к ц и и с о с т а в л я ю щ е й с и л ы сопротивления грунта резанию, независящей от ширины среза, на ось вращения геохода и плоскость, перпендикулярную оси вращения, а также момент сопротивления резанию от этой составляющей.

Подставив в полученные формулы выражения (5), (6) и (7) и после некоторых преобразований получим:

(

_фтсвНВ + Нв пРизн

2т cos у

tg

1п-

tg

(5)

( К (8 + ФтР) С&(§1 +Фтр )р 1 sin р2 ~ sin р1 !

фш____±„кЛ '

|фтс В

2я ^ п cosу

Р«1£> I ■ г, ■ г, cosу ) Sin Р Sin р2

ФтсвНВ + НвпРиш ^ р2 - ^ р1

2ш сов у 8Ш р 8ш р2

Н_ К (8 +Фгр ) (81 +ФГР )р

+фт

п СО8 у

сое у

tg

1П-

tg

(6)

R

+

и.о.св

Р1

2

M,

К+К2пр™

8л: п cos у

ln

tg

Pi

tg

+

cos P2 sin2 P - cos P sin2 P2 sin 2 P sin 2 P

+

+ -

4л2

Фтс

V

\ ctg(5 +фГР ) ctg(5i +фГР ) Л sin p2 - sin pi

Р«Ю ' • Q • Q

n cos у cos у J sin P sin P2

Для ножевого ИО геохода полная проекция силы сопротивления грунта резанию на ось вращения геохода и плоскость, перпендикулярную оси вращения, а также полный момент сопротивления резанию соответственно, равны:

P N

Робок = (sin Pi + sin P2 Hf - (cos Pi + cos P2 Яг

P N

R.u.0.60« = (cos Pi + cos P2 Яг + (sin Pi + sin P2

М

и . о . бок

PN = (r cos Pi + r0 cos P2 + (r sin Pi + r0 sin P2)

(8) (9)

(10)

Полученные зависимости позволяют определить проекции составляющих сил резания на ось геохода и плоскость перпендикулярную оси геохода, а так же момент сил сопротивления резанию.

Р = К/

о.бок

nV

К

тбок + тбок.ср

n

cos 15 +Фтр +

P )+ cosl^) + Фтр +P2 )

R = К*!

и.о.бок

n

тбок + тбок.ср

n

и.о.бок

nV

тбок + тбок.ср

n

sin () + ф«п)

sin( + Фтр + Р )+ sin( +Фтр + P2 )

sin (5 + ф«п)

Г sin(> +фтр + Pi )+ го sin(> +фтр + P2 )'

sin (5 + ф«п)

(11)

(12

(13

Получена модель взаимодействия ножевых исполнительных органов геоходов с геосредой базирующаяся на разработанной методике расчета их силовых параметров.

Разработана методика расчета силовых параметров ножевого ИО геохода базирующаяся на аналитически полученных выражениях.

Ро = п(Росв + P.J

Ru.o = n(Ru.o,S + Ru.о.¿ffi.) Mи.о ^ П(ми.о,св + Mu.0;Ce)

(14)

(16) s

Данная методика позволяет определять:

- силы резания на одном радиальном ноже исполнительного органа геохода;

- силы резания на исполнительном модуле геохода ножевого типа, имеющего различные ^ конструктивные решения.

На основе методики расчета силовых параметров ножевого исполнительного органа разработана 9 компьютерная программа в среде Excel SP2, а также проведен тестовый расчет ИО геохода е диаметром 1,8 м. ^

Списоклитературы

1. Винтоповоротные проходческие агрегаты / А.Ф. Эллер, В.Ф. Горбунов, В.В. Аксенов. - ^ Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1992. - 192 с.

2

2

2

h

в

2. Аксенов В.В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2004. - 264 с., ил.

3. Горбунов В.Ф., Аксенов В.В., Садовец В.Ю. Экспертная оценка влияния особенностей нового класса горно-проходческой техники на методику расчета его параметров // Вестник КузГТУ, № 6.1 -Кемерово, 2004,с. 41-43.

4. Аксенов В.В., Садовец В.Ю. Синтез технических решений ножевого исполнительного органа геохода // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2006. № 6. С. 33-37.

5. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Синтез конструктивных решений исполнительных органов геоходов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) = Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2010. Т. 3. № 12. С. 49-54.

6. Ветров Ю.А. Расчет сил резания и копания грунтов. - Киев: Изд-во Киев. Ун-та, 1985. 251 с.

7. Садовец В.Ю. Обоснование конструктивных и силовых параметров ножевых исполнительных органов геоходов // автореф. дисер. к.т.н. Кузбасс. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 2007. с. 17.

ООО «НПО СварПро»

Жидкость для защиты от налипания брызг расплавленного металла на поверхности свариваемых изделий

сИДЕал»

ТУ 4191-001-62503450-2010

С'

ПРИМЕНЯЮТ

для защиты поверхностей свариваемых изделий и сборочно-сварочной аппаратуры от брызг расплавленного металла при производстве сварных металлоконструкций в любой отрасли промышленности.

ПРЕИМУЩЕСТВА

Сокращает затраты на

слесарную обработку

Увеличивает срок службы деталей

сварочной горелки

Легко удаляется с поверхности

Не содержит масла, силикона,

растворителей

Не взрывоопасно

Малый расход

Рациональное соотношение цены и качества

При производстве используется только

отечественное сырье

Поставляется в емкостях от 0,5 до 50 л

По вопросам приобретения обращаться

652050, Кемеровская обл., г.Юрга, ул. Ленинградская, 38-85. тел. +7 923 616 0663 e-mail: dek-79@mail.ru

у 41