CC BY
41
--------------------------------- © В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков,
Е.В. Рязанова, 2009
УДК 622.002.5
В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, Е.В. Рязанова,
УСТРОЙСТВО ПРОТИВОВРАЩЕНИЯ ГЕОХОДА
Обоснована актуальность исследований, направленных на создание устройства противовращения геохода. Выгявленыг конструктивные, технические и технологические особенности элементов противовращения экспериментальным образцов геоходов. Сформулированыг требования к устройствам противовращения. Обозначены пути создания технических решений устройств противо-вращения.
Ключевые слова: горныге машиныы геоход, устройство противовращения.
Геоход - аппарат, перемещающийся в подземном пространстве с использованием геосреды, предназначенный для проходки подземных выработок различного назначения и расположения в пространстве. Принципиальной отличительной особенностью работы геохода является его вращение вокруг продольной оси и одновременное поступательное перемещение на забой выработки [1-3].
На первых экспериментальных образцах вращение головной секции носителя геохода обеспечивалось за счет расположенных по хордам гидроцилиндров поворота, цапфы штоков которых закреплены на головной, а цапфы корпусов крепятся к стабилизирующей секции. При выдвижении штоков, за счет геометрической особенности расположения гидроцилиндров, создается мощный вращательный момент. При этом, являясь внутренним движителем, гидроцилиндры поворота не только начинают вращать головную секцию, но и передают равный по величине момент, порядка 3500 -3600 кНм, на стабилизирующую секцию носителя геохода. Для обеспечения возможности работы геохода необходимо удерживать стабилизирующую секцию носителя от проворота. В противном случае будет вращаться стабилизирующая, а не головная секция геохода.
Задача удержания стабилизирующей секции от проворота обусловила необходимость введения элементов противовращения, которые должны воспринимать реактивный момент и перераспределять его на массив [1, 2]. Элементы противовращения являются од-
ним из основных функциональных элементов, напрямую определяющих работоспособность геоходов.
1
Рис. 1. Геоход ЭЛАНГ-3: 1 - элементы противовращения
Элемент противовращения - конструктивный элемент геохода, предназначенный для предотвращения проворота стабилизирующей секции, восприятия и перераспределения на окружающий массив реактивного момента от действия силового оборудования (гидроцилиндров перемещения).
Элементы противовращения, являясь одним из важнейших функциональных устройств геохода, были применены в первых экспериментальных образцах геоходов ЭЛАНГ-3 и ЭЛАНГ-4 (аббревиатура авторского коллектива - Эллер А.Ф., Аксенов В. В., Нагорный В.Д., Горбунов В.Ф.) [1]. Элементы противовращения геохода ЭЛАНГ-3 представлены на рис. 1.
На промежуточной и стабилизирующей секциях геохода ЭЛАНГ-3 были смонтированы по три элемента противовращения. Выполненные в виде секторов, закрепленные на кольцевых секциях с помощью шарниров и гидродомкратов, конструктивно изогнутые под значительным углом, элементы противовращения врезались в контур выработки и воспринимали реактивный момент от ножей исполнительного органа и сил, препятствующих провороту
головной секции. Работа элементов противовращения происходила циклично.
Шахтные испытания геохода ЭЛАНГ-3 показали, что ввиду недостаточной площади контакта элементов противовращения
1
Рис. 2. Геоход ЭЛАНГ-4: 1 - элементы противовращения
с массивом вмещающих горных пород наблюдался проворот стабилизирующей секции носителя.
Совершенствование функционально-конструктивных элементов геоходов вылилось в разработку винтоповоротного проходческого агрегата ЭЛАНГ-4. Принципиальным отличием двухсекционного геохода ЭЛАНГ-4 от трехсекционного ЭЛАНГ-3 являлась возможность совмещенного во времени перемещения секций. Для геохода была предложена иная конструкция элементов противо-вращения - в виде пластин, плоскости которых были параллельны образующим цилиндрической оболочки носителя (рис. 2).
Однако, в конструкции геохода ЭЛАНГ-4 изначально было заложено противоречие. Исполнительный орган геохода, выполненный в виде барабана с резцами, предназначался для разрушения пород крепостью f < 4^6 (по шкале проф. М. М. Протодьяконова), а элементы противовращения (стрингеры) оснащались ножами, которые могли разрушать породу до f < 1. Предусмотренные конст-
рукцией окна, предназначенные для возможно активного разрушения пород большей крепости, проблемы не решали. Элементы противовращения остались самым слабым звеном геохода.
Использование в качестве силового звена приконтурного массива горных пород, наличие дополнительной технологической операции - формирование системы продольных каналов за контуром выработки и необходимость маневрирования геохода по трассе выработки требуют рассматривать элементы противовращения как самостоятельное функциональное устройство.
Отсутствие требований, обоснованных конструктивных решений, методик расчета конструктивных и силовых параметров устройств противовращения сдерживают создание новых образцов геоходов.
Недостаточно исследованы вопросы возможности работы устройств противовращения в непрерывном режиме, минимизации массово-габаритных характеристик, вариантов технических решений устройств противовращения, адаптивных к работе в различных горно-геологических условиях.
Требуют проработки вопросы прочности устройств противо-вращения, возможности их замены и ремонта, уборки и транспортирования отделенной горной массы, управления движением геохода по трассе выработки посредством устройств противовраще-ния.
Для достижения поставленной цели - обоснования конструктивных и силовых параметров устройств противовращения геоходов, необходимо решить следующие задачи:
- сформировать требования к устройствам противовращения геоходов;
- наработать варианты конструктивных решений устройств противовращения;
- разработать методики расчета конструктивных, силовых и прочностных параметров устройств противовращения с учетом различных горно-геологических условий.
Элементы противовращения геоходов ЭЛAНГ-3 и ЭЛAНГ-4 отличаются принципом работы. Некоторые конструктивные, технические и технологические особенности представлены в таблице.
Выделение особенностей и сопоставление с ними существующих технических решений геоходов ЭЛAНГ-3 и ЭЛAНГ-4 пока-
зывают, что недостаточное внимание уделено вопросам минимизации массово-габаритных характеристик, прочности элементов противовращения, обеспечения возможности нарезания продольных каналов за контуром выработки для последующей установки постоянной крепи, а также возможности маневрирования геоходом при помощи элементов противовращения.
Учитывая конструктивные, технические и технологические особенности, а также накопленный опыт разработки функциональных устройств геоходов [І, 2], нами сформулированы требования к устройствам противовращения.
Устройства противовращения должны:
- предотвращать возможность проворота стабилизирующей секции геохода;
- воспринимать нагрузку от силового оборудования;
- перераспределять нагрузку на окружающий массив горных пород;
- иметь возможность работы в непрерывном режиме;
- обеспечивать возможность изменения направления движения геохода по трассе выработки и возможность реверсирования;
- нарезать продольные каналы за контуром выработки;
- оказывать минимальное сопротивление поступательному движению геохода;
- иметь минимальные из условия прочности массовогабаритные характеристики.
Кроме того:
- должна быть обеспечена уборка отделенной горной массы из нарезанных продольных каналов;
- должна быть обеспечена погрузка отделенной горной массы из продольных каналов в средство транспортирования;
- конструкция и характер крепления устройства противовра-щения к стабилизирующей секции должны обеспечивать возможность установки элементов постоянной крепи;
- прочность крепления функциональных устройств противо-вращения к стабилизирующей секции должна быть достаточной с учетом действующих нагрузок;
- должна быть обеспечена возможность ремонта и замены функциональных устройств противовращения.
Разработанные требования к устройствам противовращения являются основой при создании новых образцов геоходов. Особенности элементов противовращения геоходов ЭЛАНГ-3 и ЭЛАНГ-4
№ Наименование особенности ЭЛАНГ-3 ЭЛАНГ-4
1 2 3 4
Конструктивные особенности
1 Г еометрическая форма Секторы, изогнутые под значительным углом Пластины - плоскости параллельны образующим цилиндрической оболочки стабилизирующей секции
2 Крепление элементов противовращения к корпусу агрегата Шарнирное -требует установки гидродомкратов Жесткое сварное соединение
3 Минимизация массогабаритных характеристик Не учтена Не учтена
4 Учет напряжений, возникающих в элементах противовращения при работе геохода Не учтены Не учтены
5 Учет напряжений в соединениях, применяемых для крепления элементов про-тивовращения к корпусу геохода Не учтены Не учтены
Технические особенности
6 Влияние усилий гидроцилиндров механизма поворота головной секции Основное влияние Основное влияние
7 Влияние усилий сопротивления массива осевому перемещению элементов противовращения - Оказывают влияние
8 Влияние усилий сопротивления массива тангенциальному перемещению элементов противовраще-ния Оказывают влияние -
9 Наличие реакции породы на элементы противовра-щения Периодическая Периодическая (Постоянная)
№ Наименование особенности ЭЛАНГ-3 ЭЛАНГ-4
10 Влияние неравномерного распределения нагрузки за счет уменьшения площади контакта элемента проти-вовращения с породой (разрушение устья продольной разгрузочной щели) Оказывает влияние Оказывает влияние
11 Цикличность изменения удельной нагрузки Цикличная Циклическая (Постоянная)
12 Возможность постоянного перераспределения реактивных усилий на массив элементом противовраще-ния Невозможно Возможно
Технологические особенности
13 Периодичность цикла работы элементов противо-вращения Периодическое вдавливание Периодическое (Непрерывное)
14 Нарезание продольных каналов за контуром выработки Не осуществляется Осуществляется вручную
15 Возможность работы под любым углом наклона выработки Возможно Возможно
16 Возможность маневрирования геоходом при помощи элементов противо-вращения Невозможно Невозможно
17 Наличие исполнительных органов, нарезающих продольные каналы за контуром выработки Отсутствуют Отсутствуют
18 Наличие устройств уборки отделенной горной массы при нарезании продольных каналов Отсутствуют Отсутствуют
19 Учет возможности последующей установки крепи Не учтена Не учтена
20 Возможность ремонта и замены элементов проти-вовращения или их со- Возможно Затруднено
ставных частей в период работы
Исходя из предъявляемых к устройствам противовращения требований, их основным функциональным назначением является:
- предотвращение возможности проворота стабилизирующей секции носителя геохода;
- восприятие и перераспределение на окружающий массив горных пород нагрузок, возникающих при работе силового оборудования геохода;
- формирование продольных каналов за контуром проводимой выработки.
На начальном этапе создания первых экспериментальных образцов геоходов для упорядочения возможных технических решений, А.Я. Ткаченко была разработана классификация устройств противовращения геоходов [3].
По источнику создания удерживающих сил все возможные устройства противовращения были разделены им на три группы -реактивное воздействие окружающего массива, использование гравитационных или инерционных сил. Первая группа - это традиционные средства удержания от проворота [3, 4], вторая и третья -рекомендованы им в случае невозможности применения по различным причинам устройств противовращения первой группы.
Предложенная классификация, по мнению автора, показывает возможные пути создания устройств противовращения. Однако, она предусматривает развитие принципиальных и конструктивных решений только в направлении предотвращения возможности проворота стабилизирующей секции носителя геохода и восприятия нагрузок.
В классификации не отражены:
- необходимость формирования продольных каналов за контуром проводимой выработки и перераспределения нагрузок на массив горных пород;
- направление в развитии функциональных элементов устройств противовращения для уборки отделенной горной массы из продольных каналов;
- обеспечение возможности маневрирования геохода в геосреде по трассе проводимой выработки с помощью устройств противовращения.
Кроме того, в предложенной классификации устройства противовращения, работающие на основе гравитационных и инерционных сил, не могут взаимодействовать с окружающим массивом пород, что противоречит их изначальному функциональному назначению.
Среди возможных путей создания конструктивных решений устройств противовращения геоходов можно выделить два: разработка пассивных или активных устройств противовращения.
Пассивное устройство противовращения - это функциональное устройство или функциональный элемент, назначением которого является только предотвращение проворота стабилизирующей секции носителя геохода. Пассивные устройства противовращения, примененные, например, в геоходе ЭЛАНГ-4, обладают рядом недостатков и не способны удовлетворять новым требованиям, предъявляемым к конструкции геохода.
Активное устройство противовращения - это система функциональных элементов, выполняющих функции восприятия и перераспределения нагрузок на окружающий массив горных пород, формирования продольного канала за контуром выработки и уборки отделенной горной массы из продольных каналов. Отличительной чертой активного устройства противовращения должно являться наличие собственного исполнительного органа для формирования продольного канала за контуром выработки и конструктивных решений, позволяющих маневрировать геоходом в геосреде по трассе проводимой выработки.
Действительно, сама идея вовлечения геосреды в процесс движения геохода предполагает, что функциональные устройства, взаимодействующие с геосредой, должны, по возможности, работать активно.
Исходя из функционального назначения, устройство противовращения необходимо рассматривать как систему, состоящую из нескольких, как минимум трех, функциональных элементов:
1 Крыло, непосредственно воспринимающее и перераспределяющее на окружающий массив горных пород нагрузки от работы силового оборудования.
2 Исполнительный орган (ИО), формирующий каналы за контуром проводимой выработки.
3 Средства уборки и транспортирования отделенной горной массы из продольных каналов.
Крыло - это функциональный элемент устройства противовращения, активно взаимодействующий с геосредой за контуром выработки и предназначенный для предотвращения проворота стабилизирующей секции геохода, восприятия и перераспределения на приконтурный массив нагрузок от работы силового оборудования и обеспечения возможности маневрирования геоходом в геосреде по трассе проводимой выработки.
Крыло должно удовлетворять следующим требованиям:
- предотвращать возможность проворота стабилизирующей секции носителя геохода;
- воспринимать нагрузку, возникающую при работе силового оборудования геохода;
- перераспределять нагрузку на окружающий массив горных пород;
- обеспечивать возможность изменения направления движения геохода по трассе выработки и возможность реверсирования;
- оказывать минимальное сопротивление движению геохода;
- иметь минимальные массово-габаритные характеристики;
- прочность элементов крепления крыла к стабилизирующей секции носителя геохода должна быть достаточной для восприятия действующих нагрузок;
- должна быть обеспечена возможность ремонта и замены элементов конструкции.
В свою очередь исполнительный орган устройства противовращения должен:
- разрушать горную породу (геосреду) для формирования продольных каналов за контуром выработки;
- соответствовать ИО, разрабатывающему забой с учетом крепости разрушаемых пород;
- иметь возможность работы в совмещенном режиме с другими функциональными устройствами геохода;
- прочность элементов крепления ИО к стабилизирующей секции носителя геохода должна быть достаточной для восприятия действующих нагрузок;
- должна быть обеспечена возможность ремонта и замены ИО устройства противовращения;
- расположение ИО относительно контура выработки должно обеспечивать возможность установки несущих элементов постоянной крепи.
При наработке конструктивных решений средств транспортирования и уборки должны быть решены вопросы:
- уборки отделенной горной массы из формируемых продольных каналов;
- погрузки отделенной горной массы в средство транспортирования;
- прочности элементов крепления средств транспортирования и уборки к стабилизирующей секции носителя геохода с учетом действующих нагрузок;
- возможности ремонта и замены средств транспортирования и уборки отделенной горной массы.
Возможность изменения направления движения геохода по трассе выработки и возможность реверсирования на начальном этапе предполагается обеспечивать за счет конструктивных решений крыла. Позднее, после определения принципиальных решений по маневрированию геохода в геосреде и выделения в системе устройства противовращения функциональных элементов, отвечающих за данную технологическую операцию, к данным элементам будут выработаны требования.
Таким образом, создание активных устройств противовращения является более сложным, но единственно возможным путем развития устройств противовращения геохода с точки зрения выполнения ими своих функций.
Функциональное устройство противовращения геохода является системой функциональных элементов, которая должна удовлетворять предъявляемым требованиям.
Конструктивные решения и рабочие параметры функциональных элементов устройства противовращения должны быть взаимоувязаны.
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. Проектирование и расчет проходческих комплексов/Горбунов В.Ф., Аксенов В.В., Эллер А.Ф. и др.- Новосибирск: Наука,1987.
4. Клорикьян В.Х., Ходош В.В. Горнопроходческие щиты и комплексы. -М.: Недра, 1980. - 384 с. ЕШ
V. V. Aksenov, A.B. Efremenkov, E. V. Ryazanov,
GEOCOURSE OPPOSITE ROTATION DEVICE
Actuality work for countergyration system of geohod grounded. Constructive, technical and technological peculiarity of elements countergyration system experimental sample determinated. The requirements for countergyration system determinated. The course for creation of countergyration system technical solutions indicated.
Key words: coal-tunneling equipment, geohod, countergyration system.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------
Аксенов В.В. - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт угля и углехимии Сибирского отделения РАН (ИУУ СО РАН), [email protected]
Ефременков А.Б. - кандидат технических наук, доцент,
Рязанова Е.В. - старший преподаватель
Юргинский технологический институт ТПУ, [email protected]
