Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Чеботарев Павел Николаевич
Совершенствование МЕТОДА РАСЧЕТА НАГРУЗОК,
ДЕЙСТВУЮЩИХ НА РЕЗЦЫ ГОРНЫХ МАШИН
для добычи угля
Специальность 05.05.06 - Горные машины
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тула 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении Высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТуГУ) на кафедре геотехнологий и строительства подземных сооружений.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
ЖАБИН Александр Борисович.
Официальные оппоненты:
УКИЕНКО Леонид Викторович, доктор технических наук, профессор, Новомосковский институт (филиал) ФГБОУ ВПО Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева / кафедра технической
механики, заведующий кафедрой,
ДЕМИН Константин Вячеславович, кандидат технических наук, ОАО Тулаоблгаз / производственно-технический отдел, заместитель начальника.
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).
Защита диссертации состоится л26 декабря 2012 г. в л14 часов л00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 90, 6 уч. корпус, ауд. 220.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.
Автореферат разослан л_______________2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Копылов Андрей Борисович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Правительством РФ приняты Энергетическая стратегия России на период до 2030 г. и утвержденная 24 января 2012 г. Долгосрочная программа развития угольной промышленности до 2030 г., в которых планируется увеличение добычи угля до 430 млн. тонн. Одной из важнейших задач, решение которой будет способствовать увеличению добычи угля до запланированных объемов, является, в частности, совершенствование существующего и разработка нового очистного и горнопроходческого оборудования.
В настоящее время методы расчета и проектирования исполнительных органов горных машин во многом опираются на результаты экспериментальных исследований в области разрушения углей и горных пород и учитывают лишь основные факторы этого процесса. Во многих случаях предпочтение отдается сложным эмпирическим зависимостям, которые были получены на основе экспериментов еще во второй половине прошлого века. На современном уровне разработки исполнительных органов горных машин использование устаревших эмпирических зависимостей уже не оправдано, тем более что они не способны учесть все особенности механизма разрушения и имеют ограниченную область применения. Вместе с тем, как показывает опыт, проектные организации, занимающиеся созданием исполнительных органов, на практике, как правило, не применяют расчетные зависимости нагруженности инструмента, полученные в 60-е - 80-е годы прошлого века, а большей частью полагаются на личный опыт проектировщиков.
Использование в расчетах нагруженности механического инструмента при взаимодействии его с горным массивом классических прочностных критериев, таких как пределы прочности горных пород на сжатие, растяжение, сдвиг и т.д., не всегда отражает реальные процессы разрушения. Так, например, по этим критериям наличие высоких значений пределов прочности предполагает высокую устойчивость материалов к разрушению. Однако, как показывают опыты, в ряде случаев более устойчивыми являются материалы с меньшими пределами прочности. Это объясняется другими механизмами разрушения, связанными с хрупким распространением трещин в твердых телах.
Современные представления о разрушении материалов базируются на положениях механики разрушения, которая рассматривает разрушение как процесс распространения трещины с учетом напряженного состояния в ее вершине. Первые попытки применить методы механики разрушения к резанию горных пород оказались удачными и позволили раскрыть механизмы их разрушения, определить показатели процессов, а также уменьшить объем экспериментальных исследований и сократить сроки расчета и проектирования нового оборудования. Однако применительно к разрушению углей этого сказать пока нельзя, поскольку такие исследования не проводились. Поэтому тема диссертации, направленная на совершенствование метода расчета нагрузок, действующих на резцы горных машин для добычи угля, в рамках механики разрушения является актуальной.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР и ОКР ТуГУ (шифр темы 320802) и федеральной целевой программой Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг. (гос. контракт № П1120).
Целью работы является совершенствование метода расчета нагрузок, действующих на резцы угледобывающих машин, основанного на положениях линейной механики разрушения угля и горных пород, и направленного на повышение эффективности проектирования их исполнительных органов.
Идея работы заключается в том, что метод расчета нагруженности резцов угледобывающих машин должен быть усовершенствован на основе современных представлений о разрушении материалов, базирующихся на положениях линейной механики разрушения с использованием мощной компьютерной техники и численных методов посредством математического моделирования взаимодействия режущего инструмента и угольного массива.
Метод исследования - научный анализ и обобщение опыта расчета, проектирования и эксплуатации проходческих и очистных комбайнов и результатов ранее выполненных работ по разрушению углей и горных пород режущим инструментом; теоретические исследования на базе моделирования процесса резания углей с использованием методов механики разрушения, теории упругости, конечных элементов и вариационного исчисления; проведение и обработка результатов численных экспериментов с применением методов математической статистики и использование результатов экспериментальных исследований для сопоставления их с теоретическими данными.
Научные положения, выносимые на защиту:
- математическое моделирование процесса взаимодействия режущего инструмента с горным массивом основывается на решении краевой задачи линейной механики разрушения, позволяет раскрыть его механизм путем выявления закономерностей развития трещины в массиве под действием резца и определять нагруженность инструмента для различных условий;
- учет прочностных свойств углей при расчете нагруженности резцов должен осуществляться с помощью вязкости разрушения на основе зависимостей между этим показателем и показателями предела прочности на сжатие, сопротивляемости пласта резанию и разрушаемости;
- распределенную нагрузку, действующую на поворотный резец, следует заменять сосредоточенными силами, приложенными в окрестности вершины его керна в точке, координаты которой зависят от диаметра керна, глубины и угла резания и определяют расчетные значения усилий резания и подачи;
- расчет нагрузок, действующих на резцы при разрушении угля, необходимо производить с учетом координат точек их приложения по зависимостям, которые устанавливают связь усилий резания и подачи с вязкостью разрушения, глубиной, шагом и углом резания, диаметром керна резца и углом его разворота.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- для определения коэффициентов интенсивности напряжений в вершине трещины по мере ее роста при математическом моделировании разрушения углей и горных пород использовался численный метод конечных элементов;
- установлены корреляционные связи между вязкостью разрушения угля и пределом его прочности на сжатие, сопротивляемостью пласта резанию, а также разрушаемостью;
- установлены зависимости для определения координат точек приложения усилий резания и подачи, учитывающие диаметр керна резца, глубину и угол резания;
- усовершенствован метод расчета нагрузок, действующих на резцы угледобывающих машин, базирующийся на положениях линейной механики разрушения и учитывающий вязкость разрушения, параметры режима резания, конструктивные и установочные параметры режущего инструмента.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки задач исследований и использования апробированных методов механики разрушения, теории упругости, конечных элементов и вариационного исчисления; достаточным объемом выполненных численных экспериментов; корректным применением методов математической статистики при обработке и анализе данных; удовлетворительной сходимостью (коэффициент вариации 2,6 %) результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическое значение работы:
- установлены расчетные зависимости для определения нагруженности резцов при разрушении угольного массива, учитывающие вязкость разрушения углей, параметры режима разрушения, а также конструктивные и установочные параметры режущего инструмента;
- усовершенствована методика расчета усилий резания, подачи и расходуемой мощности при разрушении угля для заданной конструкции исполнительного органа и производительности комбайна;
- разработана компьютерная программа для расчета силовых и энергетических показателей работы исполнительных органов очистных и проходческих комбайнов.
Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы ОАО Копейский машиностроительный завод при разработке исполнительного органа проходческого комбайна Урал-320У и внедрены в учебные курсы Горные машины и оборудование подземных разработок, Расчет и проектирование горных машин и комплексов и Математическое моделирование физических процессов в горном машиностроении Тульского государственного университета по специальности 150402 Горные машины и оборудование. Программное обеспечение используется при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТуГУ (г. Тула, 2009-2012 гг.); 8-ой Международной научно-практической конференции Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения (г. Воркута, 2010 г.); Неделе горняка в Московском государственном горном университете (г. Москва, 2009 и 2010 гг.); 8-ой Международной конференции Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2012 г.); 3-ей Всероссийской научно-технической конференции Инновационное развитие образования, науки и технологий (г. Тула, 2012 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей, из них 2 - в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов и заключения, изложенных на 125 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 16 таблиц, список использованной литературы из 73 наименований и приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Значительный вклад в теорию и практику механического разрушения угля и горных пород режущим инструментом внесли Л.И. Барон, А.И. Берон, В.А. Бреннер, В.В. Гейер, Л.Б. Глатман, И.С. Зильберт, С.К. Кабиев, Ю.Н. Казак, З.Ш. Кекелидзе, М.Г. Крапивин, И.А. Леванковский, Д.М. Любощинский, В.З. Меламед, Е.З. Позин, М.М. Протодьяконов, М.И. Слободкин, В.И. Солод, Н.И. Сысоев, В.В. Тон, А.В. Топчиев, Я.Л. Цыпин, К.Г. Чавчанидзе и другие ученые.
Результаты их исследований были использованы при создании исполнительных органов проходческих и очистных комбайнов. Подавляющее большинство существующих методик определения нагрузок, действующих на резцы при разрушении углей и горных пород, основано на экспериментальном методе. Однако слабостью эмпирических расчетных зависимостей является достаточно узкая область применения, ограниченная диапазоном изменения влияющих факторов при их получении. В настоящее время при разработке исполнительных органов горных машин использование эмпирических зависимостей уже не оправдано. Современные представления о разрушении материалов базируются на положениях механики разрушения, которая рассматривает разрушение как процесс распространения трещины с учетом напряженного состояния в ее вершине.
Анализ результатов исследований, выполненных В.А. Бреннером, А.Б. Жабиным, И.М. Лавитом, В.Г. Мерзляковым, Г.П. Черепановым и другими учеными, позволил сделать вывод, что моделирование резания горных пород с позиций линейной механики разрушения адекватно описывает процесс и раскрывает механизм разрушения породного массива резцом. Однако в отношении углей этого сказать нельзя, поскольку такие исследования не проводились.
На основании изложенного, а также в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследований:
- разработать математическую модель взаимодействия режущего инструмента с горным массивом на основе современных представлений о разрушении материалов, обеспечивающую раскрытие механизма разрушения и получение основных его характеристик;
- выявить взаимосвязь вязкости разрушения с характеристиками разрушаемости угольных пластов;
- на основе математической модели установить основные закономерности взаимодействия режущего инструмента с угольным массивом;
- с учетом установленных закономерностей взаимодействия режущего инструмента с угольным массивом получить расчетные зависимости для определения нагрузок, действующих на резцы при разрушении угля;
- на основе полученных зависимостей разработать методику расчета силовых и энергетических показателей работы исполнительных органов угледобывающих комбайнов.
Схема взаимодействия поворотного резца, армированного твердосплавным керном с конической режущей частью, с горным массивом представлена на рис. 1. Моделирование осуществлялось в рамках методов механики разрушения и опиралось на теорию резания горных пород Г.П. Черепанова и исследования А.Б. Жабина.
Рис.1. Схема взаимодействия резца с горным массивом:
h - высота срезаемого уступа; d - диаметр керна резца; а - длина трещины; l - длина
образующей конусной поверхности керна; RZ - удельное усилие резания; RY - удельное
усилие подачи; YPz Цкоордината точки приложения усилия резания PZ; XPy - координата
точки приложения усилия подачи PY
При моделировании были приняты следующие допущения:
- горный массив является сплошной изотропной средой и деформируется упруго вплоть до разрушения;
- рассматривается плоская схема нагружения массива, т.е. усилия резания PZ и подачи PY, действующие на резец, можно представить в виде
; , (1)
где t - шаг резания; RZ и RY - соответствующие удельные усилия, т.е. усилия, приходящиеся на единицу длины;
- действие распределенных по длине l образующей конуса керна резца нагрузок считается допустимым свести к сосредоточенным силам RZ и RY, которые прикладываются в окрестности вершины керна (см. рис. 1);
- разрушение инициируется ростом трещины, исходящей из основания уступа.
Кроме того, в траектории трещины выделяется два качественно различных участка роста трещины: I - участок устойчивого роста, на котором рост трещины сопровождается увеличением нагрузки на резец; II - участок неустойчивого роста, на котором трещина растет при постоянной и далее при убывающей нагрузке. На первом участке движение трещины происходит сравнительно медленно, поэтому этот процесс можно рассматривать как квазистатический.
Предполагается, что в процессе нагружения отношение сил RZ и RY неизменно
; , (2)
где kП - коэффициент, характеризующий отношение усилия подачи к усилию резания на остром резце. Для углей эта величина, как правило, находится в пределах kП = 0,5-0,7.
Координаты YPz и XPy точек приложения соответственно усилий резания и подачи находятся между собой в соотношении, обратно пропорциональном самим усилиям, т. е. YPz = kП XPy.
Рост трещины происходит, когда эквивалентный коэффициент интенсивности напряжений КЭ, определяемый формулой, достигает величины вязкости разрушения К1С, являющейся прочностной характеристикой материала, т.е. условие разрушения записывается в виде .
Коэффициенты интенсивности напряжений KI и KII являются характеристиками напряженного состояния в окрестности вершины трещины. Значения KI и KII зависят от конфигурации и длины трещины, значений и распределенния нагрузок RZ и RY.
Для определения удельных усилий резания и подачи введем в рассмотрение единичную нагрузку RZ* и связанную с ней формулой (2) нагрузку RY*:
; . (3)
В силу линейности краевой задачи разрушающие (предельные) значения нагрузок получаются в виде
; . (4)
Так как величина КЭ*, соответствующая нагрузкам (3), зависит от длины трещины а, значения RZ и RY, полученные по формуле (4), будут представлять собой функции а. Для определения нагрузок на резце необходимо найти максимумы этих функций.
Пусть RZm и RYm - упомянутые максимальные значения. Тогда искомые усилия на резце найдутся по формулам (1), где в качестве RZ и RY фигурируют RZm и RYm.
Для определения эквивалентного коэффициента интенсивности напряжений КЭ* необходимо решить задачу механики разрушения, соответствующую расчетной схеме, изображенной на рис. 1, где в качестве RZ и RY используются известные нагрузки RZ* и RY*, определяемые формулами (3).
Так как область, изображенная на рис. 1, бесконечна и нагрузки RZ и RY уравновешиваются на бесконечности, напряжения можно представить в виде суммы
, (5)
где km0 - номинальные напряжения, km* - дополнительные напряжения. Номинальные напряжения km0 получаются из решения задачи Фламана о сосредоточенной силе, действующей на полуплоскость, для тела без трещины. Введение в рассмотрение номинальных напряжений обусловлено тем, что с их помощью удовлетворяются граничные условия на бесконечности. Вследствие этого при нахождении дополнительных напряжений можно бесконечную область заменить конечной.
Напряжения связаны с деформациями законом Гука
, (6)
где km - тензор напряжений; K - объемный модуль упругости; G - модуль сдвига; km - тензор деформаций; km - символ Кронекера.
Средняя деформация определяется формулой
. (7)
Характеристики напряженно-деформированного состояния - напряжения, деформации, перемещения, в случае плоской деформации получаются в результате решения вариационного уравнения
; k = 1, 2, (8)
где S - площадь поперечного сечения; l - граничный контур; pk - распределенная поверхностная нагрузка; uk, - проекции вектора перемещений на оси введенной декартовой системы координат; - символ вариации.
Моделирование процесса разрушения основано на применении метода конечных элементов. Для рассматриваемой задачи используются изопараметрические конечные элементы в виде прямоугольников с узлами в вершинах и две системы координат - глобальная и локальная. Глобальная система координат связана с рассматриваемой областью в целом, узлы имеют двойную нумерацию, их координаты - заданные величины. Локальная система координат связана непосредственно с каждым из элементов. Образ каждого элемента в этой системе - это квадрат в локальных координатах , . Преобразование координат определяется соотношениями
; i, j = 1, 2; , [-1; 1], (9)
где xm - глобальные координаты точек элемента; i, j - номера узлов; - заданные глобальные координаты узлов; Li(), Lj() - полиномы Лагранжа.
Перемещения точек тела определяются аналогичными формулами
; i, j = 1, 2, (10)
где um - перемещения точек элемента; - перемещения узлов, являющиеся основными неизвестными задачи.
Асимптотические выражения для напряжений, перемещений и деформаций можно записать в виде
; ;
. (11)
Полученные выражения определяют координатные функции, позволяющие найти значения перемещений, напряжений, деформаций внутри элемента с точностью до константы, определяемых узловыми параметрами и коэффициентами интенсивности напряжений.
Уравнение (8) справедливо не только для всей области, но и для каждого конечного элемента. Сложив вариационные уравнения для всех элементов, в результате получаем вариационное уравнение для всей области относительно узловых неизвестных и коэффициентов интенсивности напряжений
; k, m = 1, Е , N + 2, (12)
где Tkm - матрица жесткости системы; Zm - вектор узловых перемещений системы; Pk - вектор узловых сил системы. В силу произвольности вариаций перемещений Zk получаем систему линейных алгебраических уравнений
; k, m = 1, Е, N + 2. (13)
Решение системы (13) относительно КI и КII с учетом кинематических граничных условий позволяет найти коэффициенты интенсивности напряжений.
В качестве прочностной характеристики угольного массива выступает вязкость разрушения K1C, которая может быть определена исходя из установленных корреляционных зависимостей с пределом прочности на сжатие сж (рис. 2), сопротивляемостью угля резанию (Н/мм) в неотжатой зоне массива (с учетом прослойков, включений и присечек) или показателем его разрушаемости Rуг (кВтчсм/м3) по следующим формулам:
, 106 Н/м3/2; (14)
, Н/мм3/2; (15)
, Н/мм3/2. (16)
Для обоснования характера приложения нагрузки к режущей поверхности резца посредством разработанной модели были проведены численные эксперименты, в которых усилие резания РZ прикладывалось на различном расстоянии от острия керна (рис. 3 и 4).
Рис. 2. Взаимосвязь вязкости разрушения К1С и предела прочности на сжатие сж
Рис. 3. Зависимости усилия резания PZ от длины трещины а и координаты точки его
приложения: 1 - YPz = 0,86 мм; 2 - YPz = 2 мм; 3 - YPz = 4,25 мм
Рис. 4. Зависимость усилия резания PZ от координаты точки его приложения YPz
Исследование проводилось для резца с диаметром керна d = 12 мм при вязкости разрушения угля К1C = 12,3 Н/мм3/2 (= 450 Н/мм). Глубина h и шаг резания t были приняты соответственно 30 и 45 мм, а угол резания - α = 100. Искомая теоретическая нагрузка на резец достигается в момент перехода от устойчивого роста трещины к неустойчивому и на графике соответствует максимуму функции PZ(а) (см. рис. 3). Из трех теоретических кривых экспериментальным данным (PZ = 4049 Н, на рис. 3 и 4 пунктирные линии) отвечает только кривая 2. На рис. 4 искомое значение усилия PZ находится в точке пересечения кривой с пунктирной линией. Следовательно, точка приложения усилия резания PZ находится в окрестностях вершины керна. Она будет перемещаться с изменением положения резца в пространстве относительно разрушаемого уступа. В свою очередь, изменение резца в пространстве связано с изменением режимных, геометрических и установочных параметров. Поскольку усилие PZ связано с усилием PY (см. формулу (2)), то координата точки приложения усилия PY также будет менять свое положение.
Исходя из этого, для определения координат точек приложения усилий PZ и Py были проведены углубленные численные эксперименты, в которых усилия резания и подачи прикладывалась на различном удалении от острия керна. В результате сопоставления получаемых путем математического моделирования теоретических значений усилий с их экспериментальными значениями были установлены координаты YPz и XPy искомых точек относительно острия керна для различных условий. Связь координат YPz и XPy с глубиной резания, углом резания и диаметром керна резца имеет следующий вид:
; (17)
, (18)
где YPz и XPy - координаты точек приложения соответственно усилий PZ и PY, мм; α - угол резания, град; d - диаметр керна, мм; h - глубина резания, мм.
Изучение влияния вязкости разрушения, режимных параметров процесса резания, геометрических и установочных параметров резца на усилия резания и подачи проводилось в достаточно широком диапазоне их изменения. Так, вязкость разрушения угля варьировалась в интервале К1C = 1,65-12,3 Н/мм3/2 (= = 60 - 450 Н/мм), диаметр керна резца d изменялся от 10 до 16 мм. При этом глубина резания h составляла 20 - 40 мм, а угол резания принимал значения от 80 до 110. На рис. 5-8 показано, что с увеличением каждого из параметров К1C, h, α и d нагруженность резцов линейно возрастает, т.е. полученные результаты согласуются с экспериментальными данными.
Таким образом, разработанная математическая модель позволяет устанавливать закономерности процесса развития трещины в массиве и определять нагруженность резцов горного комбайна с учетом закона распределения нагрузки по режущей части в зависимости от прочностных свойств массива, а также конструктивных параметров резцов и режимных параметров процесса резания.
Статистическая обработка теоретических значений усилий резания PZ (Н) и подачи PY (Н), при известных значениях YPz, мм, и XPy (мм) [см. выражения (17) и (18) соответственно] с учетом формулы Г.П. Черепанова позволила получить зависимости для определения нагруженности резцов при разрушении угольного массива, которые имеют вид
; (19)
. (20)
Рис. 5. Зависимость усилий резания PZ (1) и подачи PY (2) от вязкости разрушения К1C
Рис. 6. Зависимости усилий резания PZ (1) и подачи PY (2) от глубины
резания h (α = 100, d = 12 мм)
Рис. 7. Зависимости усилий резания PZ (1) и подачи PY (2) от угла
резания α (h = 30 мм, d = 12 мм)
Рис. 8. Зависимости усилий резания PZ (1) и подачи PY (2) от диаметра
керна d (α = 100, h = 30 мм)
В результате регрессионного анализа получены следующие расчетные формулы для определения усилий резания PZ и подачи PY, действующих на резец при разрушении углей:
; (21)
. (22)
С учетом шага резания, отличающегося от оптимального, угла разворота резца и отжима угольного пласта расчетные формулы (21) и (22) примут окончательный вид
; (23)
, (24)
где Kt - коэффициент влияния шага резания, отличающегося от оптимального;
К - коэффициент, учитывающий влияние угла разворота резца; Кот - коэффициент отжима угольного пласта.
Коэффициенты Kt и Кот определяются по формулам ОСТ 12.44.258-84.
Сопоставление расчетных и экспериментальных значений усилий резания и подачи показывает, что усовершенствованный метод расчета нагруженности режущего инструмента адекватно описывает процесс разрушения угольного массива резцом горной машины. Об этом свидетельствует представленная на рис. 9 удовлетворительная сходимость данных (коэффициент вариации расчетных значений относительно экспериментальных данных составил 2,6 %).
а б
Рис. 9. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений усилий
резания PZ (a) и подачи PY (б)
На основании результатов исследований разработана методика расчета усилий резания, подачи и расходуемой мощности при разрушении углей для заданной конструкции исполнительного органа и производительности проходческих и очистных комбайнов. Методика реализована в виде прикладной программы для ПК на языке Pascal в среде Borland Delphi 7 и распространяется на очистные и проходческие комбайны с барабанными или шнековыми исполнительными органами, оснащенными поворотными резцами и разрушающими угольный забой в вертикальной плоскости.
По разработанной методике выполнен расчет барабанного исполнительного органа проходческого комбайна Урал-320У. Показано, что при установленной мощности двигателя исполнительного органа 300 кВт комбайн Урал-320У при работе на пластах сопротивляемостью резанию = 450 и 360 Н/мм может обеспечить производительность по отбойке 10,8 и 14,4 т/мин соответственно.
Результаты исследований использованы ОАО КМЗ при разработке исполнительного органа проходческого комбайна Урал-320У. Кроме того, результаты исследований внедрены в учебные курсы Горные машины и оборудование подземных разработок, Расчет и проектирование горных машин и комплексов и Математическое моделирование физических процессов в горном машиностроении для студентов ТуГУ, обучающихся по специальности 150402 Горные машины и оборудование. Программное обеспечение используется при курсовом и дипломном проектировании.
З А К Л Ю Ч Е Н И Е
На основании выполненных исследований усовершенствован метод расчета нагрузок, действующих на резцы угледобывающих машин, основанный на положениях линейной механики разрушения угля и горных пород и направленный на повышение эффективности проектирования их исполнительных органов, что имеет существенное значение для горного машиностроения.
Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему.
1. Разработана математическая модель процесса разрушения массива резцом горного комбайна, позволяющая раскрыть его механизм на основе выявленных закономерностей развития трещины в массиве и определять нагрузки, действующие на резец, для различных условий.
2. Выявлены корреляционные связи между вязкостью разрушения и пределом прочности на одноосное сжатие угля и горных пород, а также между вязкостью разрушения и показателями сопротивляемости резанию угольного пласта и его разрушаемости.
3. Установлено, что координаты точек приложения усилий резания и подачи зависят от угла и глубины резания, а также диаметра керна резца. Получены расчетные зависимости для определения этих координат.
4. Установлены расчетные зависимости усилий резания и подачи от вязкости разрушения угольного массива, а также параметров режима резания, геометрии инструмента и его ориентации.
5. Усовершенствована и реализована на персональном компьютере методика расчета усилий резания, подачи и расходуемой мощности при разрушении углей для заданной конструкции исполнительного органа и производительности проходческих и очистных комбайнов.
6. Показано, что при установленной мощности двигателя барабанного исполнительного органа Wи.о = 300 кВт комбайн Урал-320У может обеспечить производительность по отбойке 10,8 т/мин при работе на пластах с сопротивляемостью резанию 450 Н/мм. При разрушении углей с = 360 Н/мм возможно увеличение производительности комбайна до 14,4 т/мин.
7. Методика расчета усилий резания, подачи и расходуемой мощности принята к использованию ОАО Копейский машиностроительный завод при проектировании проходческих комбайнов.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.
1. Чеботарев П.Н. Современный подход к исследованию механического разрушения угольного массива // Изв. ТуГУ. Науки о Земле. 2011. Вып.2. С. 281-284.
2. Чеботарев П.Н. Установление корреляционной связи вязкости разрушения горных пород с пределом прочности их на сжатие // Материалы 3-ей Всероссийской научно-технической конференции Инновационное развитие образования, науки и технологий/ под общ. ред. А.Л. Чеботарева. В 2 ч. Ч.II. Тула: Изд-во ТуГУ, 2012. С.202-204.
3. Чеботарев П.Н. Математическая модель разрушения массива резцом горной машины // Изв. ТуГУ. Технические науки. 2012. Вып. 9. С. 74-80.
4. Чеботарев П.Н. Установление корреляционных связей вязкости разрушения угольного массива с показателями его прочности // Изв. ТуГУ. Технические науки. 2012. Вып. 9. С. 88-92.
5. Чеботарев П.Н., Жабин А.Б., Лавит И.М. Обоснование характера приложения нагрузки к передней поверхности резца горной машины // Материалы 8-ой Международной конференции Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики / ТуГУ, 1-2 ноября 2012г. Тула, 2012. С. 472-478.
Изд. Лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать 6.03.2012
Формат бумаги 60x84 . Бумага офсетная.
Усл.печ.л. 1,5. Уч.-изд.л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ 39
Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, пр.Ленина, 92.
Отпечатано в Издательстве ТуГУ. 300012, г. Тула, пр. Ленина, 95.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям