Обоснование конструктивных параметров и режимов работы исполнительного органа управляемой прокалывающей установки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат технических наук Рогачев, Алексей Александрович

• Рогачев, Алексей Александрович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рогачев, Алексей Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Бестраншейные способы прокладки коммуникаций и сфера их практического использования.

1.2. Оборудование для реализации технологии бестраншейной прокладки коммуникаций.

1.3. Основные аспекты управления исполнительного органа при бестраншейной прокладке коммуникаций.

1.4. Обзор существующих исследований взаимодействия исполнительного органа прокалывающей установки с массивом грунта.

1.5. Цели и задачи исследования.

2. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ПРОКАЛЫВАЮЩЕЙ УСТАНОВКИ С ГРУНТОВЫМ МАССИВОМ.

2.1. Постановка задачи расчета.

2.2. Формирование базового уравнения для определения усилия прокола.

2.3. Исследование влияния длины става и горно-геологических условий на усилие прокола.

2.4. Разработка обобщенной расчетной модели взаимодействия исполнительного органа с грунтовым массивом.

Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ УПРАВЛЯЕМОГО ПРОКОЛА.

3.1. Общие положения методики экспериментальных исследований.

3.2. Стендовая база и инструмент.

3.3. Экспериментальные исследования влияния основных параметров на показатели процесса взаимодействия исполнительного органа прокалывающей машины с грунтовым массивом.

Выводы.

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА С ГРУНТОВЫМ МАССИВОМ.

4.1. Обоснование угла наклона рабочей поверхности головной секции.

4.2. Имитационное моделирование взаимодействия исполнительного органа с грунтовым массивом.

4.3. Статистическая обработка результатов имитационного моделирования.

4.4. Методика расчета основных показателей работы прокалывающей машины.

4.5. Пример расчета основных показателей работы прокалывающей машины.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование конструктивных параметров и режимов работы исполнительного органа управляемой прокалывающей установки»

Актуальность темы. Ускоренные темпы роста объёмов строительства и освоения подземного пространства, повышение требований к экологической безопасности ведения горных работ при устройстве тоннелей и прокладке инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин и наличия на поверхности зданий и сооружений обуславливают необходимость создания технических средств, обеспечивающих образование выработок с минимальным воздействием на окружающий массив. В значительной степени этим условиям отвечают машины реализующие технологию проходки выработок малого сечения методом прокола. При этом обеспечивается сохранение устойчивости и целостности вмещающих пород, комплект оборудования компактен и мобилен, не требуется значительных территорий и времени для подготовки и выполнения работы. Однако отсутствие научно обоснованных методов выбора режимов работы установки, обеспечивающих проходку выработок заданного профиля, ограничивает возможности такой техники и препятствует её широкому использованию. Кроме того, отсутствие описания механизма взаимодействия исполнительного органа машины с массивом не позволяет сформировать концепцию и реализовать управляемость исполнительного органа при его движении по заданной траектории, что существенно ограничивает область применения прокалывающих установок и определяет актуальность диссертации.

Работа выполнялась в рамках хоздоговорной тематики № 032505 и № 032602 (Генеральный заказчик - ЗАО «Строительный инструмент»).

Цель работы. Обоснование конструктивных параметров, режимов работы и выявление закономерностей формирования нагрузок на исполнительном органе при его взаимодействии с грунтовым массивом, обеспечивающих управление прокалывающей установкой и проходку выработки малого сечения заданного профиля в различных горногеологических и горно-технических условиях.

Идея работы. Движение исполнительного органа прокалывающей установки по заданной траектории обеспечивается за счет конструктивного исполнения головной секции става при соблюдении силовых режимов проходки, задаваемых на основании установленных закономерностей взаимодействия исполнительного органа с массивом.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- с использованием метода начальных параметров разработана математическая модель описания напряженно-деформированного состояния исполнительного органа прокалывающей установки при его взаимодействии с грунтовым массивом, позволяющая определять отклонение от прямолинейной траектории в зависимости от режимов работы установки с учетом конструктивных характеристик головной секции става, физико-механических свойств массива и глубины заложения;

- в качестве режимного параметра работы прокалывающей установки, обеспечивающего движение исполнительного органа по заданной траектории, целесообразно использовать усилие прокола, задаваемое на основании выявленных закономерностей и условий ведения работ;

- конструкция исполнительного органа управляемой прокалывающей установки должна иметь головную секцию, геометрические параметры которой выбираются исходя из свойств грунтового массива, что позволит обеспечить необходимый профиль прокладываемой выработки.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом теоретических исследований процесса взаимодействия исполнительного органа прокалывающей установки с грунтовым массивом; подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов, полученных расчетным путем, с результатами экспериментов (средняя величина относительной погрешности не превышает 15%).

В работе использован комплексный метод исследования, включающий научный анализ и обобщение опыта эксплуатации прокалывающих установок; разработку математической модели, основанной на методе начальных параметров, для описания напряженно-деформированного состояния исполнительного органа прокалывающей установки при его взаимодействии с грунтовым массивом; экспериментальные и теоретические исследования закономерностей процесса взаимодействия исполнительного органа управляемой прокалывающей установки с массивом, проведение и обработку результатов численных экспериментов, анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики, сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования нагрузок на исполнительном органе прокалывающей установки при его взаимодействии с грунтовым массивом, приводящих к отклонению от прямолинейной траектории в зависимости от физико-механических свойств массива и глубины заложения, что позволяет обосновать его конструкцию, выбрать режимы работы установок и расширить область их применения на проходку выработок заданного профиля.

Практическое значение работы:

- разработан пакет программ для персонального компьютера, позволяющих рассчитывать напряженно-деформированное состояние исполнительного органа прокалывающей установки при его взаимодействии с грунтовым массивом;

- разработана «Методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки». Показано, что серийная установка прямолинейного прокола УМТ-0,6, оснащенная ставом диаметром 70x10 мм, длиной 55 м с головной секцией длиной 1,42 м с углом наклона рабочей площадки к оси става 30°, при соблюдении расчётных режимов работы осуществляет проходку криволинейной выработки заданного профиля, что расширяет область её применения; создан полноразмерный стенд для исследования работы прокалывающих установок в широком диапазоне изменения режимных и геометрических параметров.

Реализация работы. «Методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки» передана ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» и использована при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов прокалывающих установок. Результаты работы используются в учебном процессе по дисциплине «Горные машины и комплексы» 17.01.00.

Заключение диссертации по теме «Горные машины», Рогачев, Алексей Александрович

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Усовершенствована расчетная зависимость для определения общего усилия прокола, учитывающая силы, затрачиваемые на отклонение от прямолинейной оси выработки и влияние сил трения и сцепления поверхности става от взаимодействия с грунтовым массивом, а, также влияние горного давления.

2. Поставлена и решена методом начальных параметров задача математического моделирования нагрузок на исполнительном органе при его взаимодействии с массивом, приводящих к отклонению от прямолинейной траектории. Использование математической модели обеспечивает удовлетворительную сходимость экспериментальных и расчетных данных (средняя величина погрешности не превышает 15 %).

3. Установлено, что в качестве силового параметра работы прокалывающей установки, обеспечивающего необходимое отклонение исполнительного органа от прямолинейной траектории движения целесообразно использовать усилие прокола, задаваемое на основании выявленных закономерностей и условий ведения работ. Показано, что абсолютные значения отклонений возрастают кратно увеличению усилия прокола.

4. На основе выявленных закономерностей установлено, что наибольшее влияние на отклонение исполнительного органа от прямолинейной траектории оказывают следующие факторы: усилие возникающее в процессе взаимодействия наклонной рабочей площадки головной секции с грунтовым массивом, как составляющее общего усилия прокола; жесткость грунтового массива; длина става; угол наклона рабочей поверхности головной секции; коэффициент трения става о грунт.

5. Выявлено, что конструкция рабочего органа управляемой прокалывающей установки должна иметь головную секцию с активной зоной, геометрические параметры которой выбираются исходя из профиля прокладываемой выработки и свойств грунтового массива. Так для ставов диаметром 70,0, 96,5 и 120,0 мм длина активной зоны составляет 1,7; 2,65 и 3,0 м соответственно. Получены эмпирические зависимости степенного вида для расчета изменения длины активной зоны от жесткости грунтового массива для трех типов става.

6. Получена обобщающая формула, которая позволяет определять отклонение става при любой комбинации физико-механических характеристик грунта, глубины заложения скважины и конструктивных параметров исполнительного органа, которые характеризуются моментом инерции сечения става, модулем деформации материала става и углом наклона рабочей площадки головной секции к оси става.

7. Разработана методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки. Показано, что серийная установка прямолинейного прокола УМТ-0,6, оснащенная ставом диаметром 70x10 мм, длиной 55 м с головной секцией длиной 1,42 м с углом наклона рабочей площадки к оси става 30°, при соблюдении расчётных режимов работы осуществляет проходку криволинейной выработки заданного профиля, что расширяет область её применения.

8. «Методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки» передана ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» и использована при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов прокалывающих установок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой, на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований, содержится новое решение актуальной задачи выявления закономерностей работы управляемой прокалывающей установки, на основе математически смоделированного механизма формирования нагрузок на исполнительном органе при его взаимодействии с массивом, приводящих к отклонению от прямолинейной траектории, что позволило обосновать его конструкцию, разработать методику расчета режимов работы машины в целом и расширить область её применения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рогачев, Алексей Александрович, 2007 год

1. Рыбаков А. П. Основы бестраншейных технологий. Теория и практика / А. П. Рыбаков. М.: ПрессБюро, 2005. - 304с.

2. Бестраншеные технологии в России: целесообразность и экономическая эффективность. Выпуск №29. Статья №3. http://www.mrrnz.ru/article/index.htm

3. Международная конференция и выставка по бестраншейным технологиям прокладки городских коммуникаций // РОБТ. 2001. -№6. - С.30-36.

4. Soltau RVS-80 в России. // РОБТ. 1998. - №8. - С.21-28.

5. Антипов В.В. Освоение оборудования для бестраншейных технологий прокладки инженерных коммуникаций на Скуратовском экспериментальном заводе / В.В. Антипов, И.И. Бракер // Метро и тоннели 2002 - № 3. - С.11-13.

6. Словарь терминов, применяемых в области бестраншейных технологий. Грунтовый риск. Выпуск №30. Статья №1. http://www.mrmz.ru/article/index.htm

7. Б.Ф. Белецкий Технология и механизация строительного производства / По материалам сайта "SBH СОТРАНС" http://www.sbh.ru/index.htm 2003г.

8. Прохоров Н.И. Расчет усилия прокола / Н.И. Прохоров, А.Н. Панин, А.Д. Огер // Известия Тульского государственного университета. Сер. "Геомеханика. Механика подземных сооружений" Вып. 1 / ТулГУ. -Тула, 2003.-С.228-233.

9. Васильев Н.В. Закрытая прокладка трубопроводов / Н.В. Васильев -М.: Недра, 1964.-264с.

10. Сулакшин С.С. Техника и технология направленного бурения скважин / С.С. Сулакшин М.: Недра, 1967. - 310с.

11. Кершенбаум Н.Я. Виброметод в проходке горизонтальных скважин. / Н.Я. Кершенбаум, В.И. Минаев // М.: Недра, 1968. 158с.

12. Рогачев А.А. Установка для проведения микротоннелей УМТ-0,6 / А.А. Рогачев, Ю.В. Антипов, И.И. Браккер, Д.П. Бессолов, // ТулГУ, Тула, 2004. - Юс.: ил. - Деп. в ВИНИТИ 29.04.2004 № 736 - В2004.

13. Рогачев А.А. Математическое моделирование процесса взаимодействия исполнительного органа прокалывающей машины с грунтовым массивом / А.А. Рогачев, В.А. Бреннер, К.А. Головин, А.Е. Пушкарев,

14. В.И. Сарычев // Материалы III Международного научного симпозиума "Ударно-вибрационные системы, машины и технологии". Орел: ОрелГУ, 2006.-С.510-520.

15. Рогачев А.А. Формирование управленческого решения при определении режимов проходки горных выработок на основании математического моделирования. // Известия ТулГУ. Серия "Экономика. Управление. Финансы". Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ. 2006.-с. 356-360.

16. Рогачев А.А. Формирование управленческого решения при определении режимов проходки горных выработок на основании математического моделирования / А.А. Рогачев // Изв. ТулГУ. Сер. "Экономика. Управление. Финансы". 2006 - Вып. 3. - С. 356-360.

17. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: Учеб. для вузов / Н.С. Булычев. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра. - 1994. - 382 с.

18. Леман Э. Проверка статистических гипотез / Э. Леман. М.: Мир., 1975.-с. 450.

19. Болыпев Л.Н. Таблицы математической статистики / Л.Н. Болыиев, Н.В. Смирнов. М., Наука., 1965. -256с.

20. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов / В.И. Феодосьев.- М.: Наука, 1979.-560с.

21. Каретников В.Н. Автоматизированный расчет и конструирование металлических крепей подготовительных выработок / В.Б. Клейменов, В.А. Бреднев. М.: Недра, 1984. - 312с.

22. Сарычев В.И. Геомеханическое обоснование параметров систем разработки короткими забоями пологих угольных пластов средней мощности: Дис. д-ра техн. наук/ ТулГУ. Тула, 2000. - 284 с.

23. Барон Л.И. О познавательной ценности экспериментально-статистического метода в науке о разрушении горных пород / Л.И. Барон В кн.: Науч. сообщ. ИГД им. А.А. Скочинского, 1973. -Вып. 113.-C.3-21.

24. Седов Л.И. Методы подобия и размерностей в механике / Л.И. Седов. -М.: Наука, 1967.-428с.

25. Большев Л.Н., Таблицы математической статистики / Л.Н. Большев, Н.В. Смирнов. М., Наука, 1965. -256 с.

26. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений / Ю.В. Линник. М.: Физматгиз., 1962. -387с.

27. Крамер Г. Математические методы статистики / Г. Крамер. М.: Мир, 1975.-с. 243.

28. Тутубалин В.Н. Статистическая обработка рядов наблюдений / В.Н. Тутубалин. М.: Знание, - 1973.-е. 301.

29. Добронравов В.В., Курс теоретической механики. Учебник для вузов / В.В. Добронравов, Н.Н. Никитин, А.Л. Дворников М.: Высшая школа, 1974.-528 с.

30. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики / С.М. Тарг М.: Наука, 1972.-480 с.

31. Бронштейн И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев М.: Наука, 1964. - 608с.

32. Цытович Н.А. Механика грунтов: краткий курс / Н.А. Цытович. М.: Наука, 1987.-354с.