Совершенствование метода расчета нагрузок, действующих на резцы горных машин для добычи угля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат технических наук Чеботарев, Павел Николаевич

• Чеботарев, Павел Николаевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чеботарев, Павел Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Промышленное использование угледобывающих комбайнов.

1.2. Анализ методов и результатов расчета нагруженности резцов , исполнительных органов проходческих и очистных комбайнов.

1.3. Анализ характеристик разрушаемости угольных пластов.

1.4. Анализ опыта применения режущего инструмента на исполнительных органах очистных и проходческих комбайнов.

1.5. Цель и задачи исследований.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗРУШЕНИЯ МАССИВА РЕЗЦОМ ГОРНОЙ МАШИНЫ.

2.1. Схемы нагружения резца в процессе резания массива.

2.2. Основные допущения, применяемые в модели.

2.3. Определение удельных усилий резания и подачи, действующих на резец при разрушении массива.

2.4. Решение задачи механики разрушения для массива с уступом

2.5. Математическая формулировка задачи.

2.6. Сингулярность полей напряжений и деформаций.

2.7. Разбиение массива на конечные элементы.

2.8. Определение координатных функций.

2.9. Определение деформаций и напряжений.

2.10. Вариационное уравнение для одного конечного элемента.

2.11. Численное интегрирование.

2.12. Система алгебраических уравнений.

2.13. Решение системы уравнений.

2.14. Программная реализация математической модели разрушения массива резцом горной машины.

Выводы.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА РЕЗЦЫ ПРИ РАЗРУШЕНИИ УГОЛЬНОГО МАССИВА.

3.1. Установление корреляционных связей вязкости разрушения угольного массива с его прочностными показателями.

3.2. Обоснование характера распределения нагрузки по режущей поверхности резца.

3.3. Установление координат точек приложения усилий, действующих на резец при разрушении угольного массива.

3.4. Влияние вязкости разрушения, режимных, геометрических и установочных параметров процесса резания на усилия резания и подачи.

3.5. Определение расчетных зависимостей усилий резания и подачи при разрушении угля.

3.6. Сопоставление расчетных зависимостей по определению нагру-женности резцов с экспериментальными данными.

Выводы.

4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СИЛ РЕЗАНИЯ, ПОДАЧИ И РАСХОДУЕМОЙ МОЩНОСТИ ПРИ РАЗРУШЕНИИ УГЛЯ ДЛЯ ЗАДАННОЙ КОНСТРУКЦИИ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОМБАЙНА.

4.1. Основные положения.

4.2. Определение параметров снимаемой резцом стружки.

4.3. Определение нагруженности инструмента при резании углей

4.4. Определение нагрузки привода.

4.5. Пример расчета барабанного исполнительного органа проходческого комбайна Урал-320У.

4.6. Программа определения усилий резания, подачи и расходуемой мощности при разрушении углей.

В ыводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование метода расчета нагрузок, действующих на резцы горных машин для добычи угля»

Актуальность работы. В настоящее время добыча угля в стране осуществляется 121 разрезом и 85 шахтами общей годовой производственной мощностью около 383 млн. т. В 2010 г. ими добыто более 323 млн. т угля. Правительством РФ принята «Энергетическая стратегия России на период до 2030 г.», где планируется увеличение добычи угля до 430 млн. тонн. Для выполнения этой стратегической задачи в указанный период требуется обеспечить прирост производственных мощностей предприятий отрасли как за счет модернизации действующих, так и строительства новых предприятий по добыче угля. Концентрация горного производства на перспективных шахтах угольной отрасли за счет технического переоснащения очистных комплексов требует значительных изменений в ведении подготовительных работ. И в первую очередь это касается комбайнового способа. С учетом отставания отечественного горного машиностроения от мирового уровня возникает потребность в совершенствовании существующего и создании нового очистного и проходческого оборудования.

В настоящее время в области создания исполнительных органов горных машин накоплен значительный теоретический материал по процессам разрушения углей и горных пород. Методы их расчета и проектирования во многом опираются на результаты экспериментальных исследований в области разрушения и учитывают лишь основные факторы этого процесса. Поэтому во многих случаях предпочтение отдается сложным эмпирическим зависимостям, которые были получены на основе экспериментов во второй половине прошлого века, когда еще не существовало достаточно мощных вычислительных технологий. 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 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 прочностных классических 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 и определить показатели процессов. Однако применительно к разрушению углей этого сказать 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.

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.

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.

Заключение диссертации по теме «Горные машины», Чеботарев, Павел Николаевич

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

1. Разработана математическая модель процесса разрушения массива резцом горного комбайна, позволяющая раскрыть механизм разрушения на основе выявленных закономерностей процесса развития трещины в массиве и определять нагрузки, действующие на резец, для различных условий.

2. Установлены 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 разрушаемое™.

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 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 Жи.0 = 300 кВт комбайн «Урал-320У» может обеспечить производительность по отбойке 10,8 т/мин при работе на пластах сопротивляемостью Ар = 450 Н/мм. При разрушении углей с сопротивляемостью резанию менее 360 Н/мм возможно увеличение производительности комбайна до 14,4 т/мин при условии уравнивания частот вращения барабана и фрез.

7. Методика расчета усилий резания, подачи и расходуемой мощности принята к использованию ОАО «Копейский машиностроительный завод» при проектировании проходческих комбайнов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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 п роектирования их исполнительных органов, что имеет существенное значение для горного машиностроения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чеботарев, Павел Николаевич, 2012 год

1. Алексеев К.Ю. Развитие угольной отрасли России (О долгосрочной программе развития угольной промышленности России на период до 2030 года)/ К.Ю. Алексеев // Уголь. 2011. № 8. С. 6-14.

2. Корзун В. Во главе угля Электронный ресурс. «Эксперт Сибирь» №13 (326), 04.2012. URL: http://expert.ru/siberia/2012/13/vo-glave-uglya/

3. Галиева Н.В. Современное состояние горно-шахтного оборудования на угольных шахтах России Электронный ресурс. Научный вестник Московского Государственного Горного Университета. №6 (27), 06.2012. URL: http:// vestnik.msmu.ru/files/2/20120706162755 .pdf

4. Бреннер В.А. Состояние и перспективы развития проходческих комбайнов для горных выработок/ В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, И.Г. Шмакин // Каталог-справочник «Горная Техника 2004». 2004. С. 30-36.

5. Мизин Б.А. Новые проходческие комбайны П110 и П220 на шахтах Украины/ Б.А. Мизин, В.Н. Белик // Горное оборудование и электромеханика. 2000. №5. С. 18-21.

6. Хорешок А. А. О состоянии и развитии проходческих комбайнов избирательного действия на шахтах Кузбасса / А. А. Хорешок, А. Ю. Борисов // Горное оборудование и электромеханика. 2006. № 11. С. 42-45.

7. Хорешок A.A. О состоянии и перспективах развития средств механизации горно-проходческих работ в условиях Кузнецкого угольного бассейна/ A.A. Хорешок, В.В. Кузнецов, А.Ю. Борисов// Горная Техника 2008/ Издательский дом «Славутич». С. 86-90.

8. Линник Ю.Н. Концепция развития очистного, проходческого, конвейерного и бурового оборудования на период до 2020 г./ Ю.Н. Линник и др. // Горное оборудование и электромеханика. 2006. № 2. С. 2-12.

9. Волчок Ю.П., Мальчер М.А Опыт создания горных комбайнов циклического действия с барабанным исполнительным органом. М.: Уголь, 2011, №6. С. 20-22.

10. Цыпин Я.JI. Исследование нагрузок на поворотных резцах исполнительных органов очистных угольных комбайнов и разработка методики их расчета: автореф. дис. канд. техн. наук/Я.Л. Цыпин, Москва, 1986. 15 с.

11. Резание угля / А.И. Берон, A.C. Казанский, Б.М. Лейбов и др. М., Госгор-техиздат, 1962. 440 с.

12. Позин Е.З. Сопротивляемость углей разрушению режущим инструментом. М., Наука. 1972. 238 с.

13. Берон А.И. Разрушение угля исполнительными органами резцового типа в режиме крупного скола. Автореф. дис. канд. техн. наук. М., ВУГИ, 1956. 20 с.

14. Любощинский Д.М. Исследование основных параметров рабочих органов с целью увеличения производительности добычных машин и повышения уровня механизированной повалки в условиях Карагандинского бассейна. М., ИГД им. А. А. Скочинского, 1962. 35 с.

15. Берон А.И. Основы расчета и особенности органов крупного скола. Уголь, 1957. № 2. С. 25-32.

16. Любощинский Д.М., Позин Е.З., Казак Ю.Н. Разрушение углей исполнительными органами выемочных машин. М., Госгортехиздат, 1961. 220 с.

17. Позин Е.З. Инструкция по определению показателей сопротивляемости углей разрушению при резании с помощью динамометрического сверла СДМ-1. М., ИГД им. А.А Скочинского, 1964. 35 с.

18. Позин Е.З., Любощинский Д.М., Антонов П.Е. Исследование перемещения узкозахватных комбайнов/ЛГехнология и техника струговой выемки антрацитов: Сб. науч. тр. ШахтНИУИ. Вып. 12. Шахты, 1972. С. 195-203.

19. Исследование динамической нагруженности многодвигательных приводов исполнительного органа проходческого комбайна / Ю.Д. Красников, Шмарьян E.H., Хургин З.Я. // Научн. сообщ. ИГД им. A.A. Скочинского. М., 1970. № 80. С. 70-73.

20. Зильберт И.С., Любощинский Д.М., Позин Е.З. Сопоставительные определения показателей сопротивляемости угля разрушению приборами ДКС и

21. СДМ-1 в Карагандинском бассейне // Механизация и автоматизация горных работ: Сб. науч. тр. Вып. 3. М., Недра. 1967. С. 152-161.

22. Динамические процессы горных машин / A.B. Докукин, Ю.Д. Красников, З.Я. Хургин и др. М.: Наука, 1972. 150 с.

23. Михайлов В.Г., Крапивин М.Г. Горные инструменты. М.: Недра. 1970. 215 с.

24. Топчиев A.B., Солод В.И. Расчет производительности выемочных агрегатов. М.: Недра. 1966. 100 с.

25. Позин Е.З., Меламед В.З., Тон В.В. Разрушение углей выемочными машинами. М.: Недра, 1984. 288 с.

26. Слободкин М.И. Основы аналитической теории резания углей. М., Угле-техиздат, 1947; Пекин, 1957 (китайское издание на русском языке).

27. Слободкин М.И. Об экспериментальных и теоретических исследованиях процесса резания углей / М. И. Слободкин. Тула, 1960. 114 с.

28. Шмакин И.Г. Исследование основных закономерностей процессов разрушения хрупких анизотропных тел (углей) резцовым инструментом: Автореф. дис. канд. техн. наук. Тула, 1966. 22 с.

29. ОСТ 12.44.258-84. Отраслевой стандарт. Комбайны очистные. Выбор параметров и расчет сил резания и подачи на исполнительных органах. Методика. Донгипроуглемаш. 107 с.

30. РД 12.25.137-89. Комбайны проходческие избирательного действия. Расчет исполнительных органов. М., 1989. 75 с.

31. КД12.10.040-99. Изделия угольного машиностроения. Комбайны очистные. Методика выбора параметров и расчета сил резания и подачи на исполнительных органах (взамен ОСТ 12.44.258-84). Введен с 01.01.2000. Донецк: Минуглепром Украины, 1999. 75 с.

32. Шмакин И.Г. Расчет на ПЭВМ режимов работы горных машин // Фонды ТулГУ, рег.№2365. Тула, 2000. 16 с.

33. Математическая модель процесса разрушения породы резцом / И.Г. Шмакин, Н.Б. Седенков // На пороге третьего тысячелетия: Сб. научн. тр. ТулГУ. Тула, 1999. С. 98-101.

34. Система автоматизированного проектирования исполнительных органов горных машин / В.А. Бреннер, И.Г. Шмакин, И.Л. Скролис // Избранные труды ученых ТулГУ. Тула, 1997. С. 139-149.

35. Каркашадзе Г.Г. Задачник по разрушению горных пород: Учебное пособие. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2008. 165 с.

36. Каркашадзе Г.Г. Механическое разрушение горных пород: учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во МГГУ, 2004. 222 с.

37. Нотт Д.Ф. Основы механики разрушения. М.: Металлургия, 1978. 256 с.

38. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. 640 с.

39. Черепанов Г.П. К теории резания горных пород //Проблемы прочности. 1986. №8. С. 94-102.

40. Бреннер В.А., Жабин А.Б., Пушкарев А.Е., Щеголевскнй М.М. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных пород. М.: Изд-во Академии горных наук, 2000. 343 с.

41. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ. М.: Мир, 1986.318 с.

42. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. М.: Мир, 1975. 538 с.

43. Барон Л.И., Глатман Л.Б., Губенков Е.К. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. Научно-методические основы. Разрушение резцовым инструментом. М.: Наука, 1968. 216 с.

44. Чеботарев П.Н. Современный подход к исследованию механического разрушения угольного массива// Изв. ТулГУ. Науки о Земле. Вып.2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 281-284.

45. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых: Учебник для вузов. /В.И. Бондаренко, Кузьменко A.M., Грядущий Ю.Б., Колоколов О.В., Харченко В.В., Табаченко Н.М., Почепов В.Н. Днепропетровск, 2002. 730 с.

46. Моделирование разрушения углей режущими инструментами/ Е.З. Позин и др.. М., Наука, 1981. 181 с.

47. Распределение и корреляция показателей физических свойств горных пород /М.М. Протодьяконов и др. М., Недра, 1981, 192 с.

48. Гришкова Н. П., Староверова В. А. Физико-механические свойства пласта Дроновского в связи с его анизотропией. Сб. научных трудов ИГД АН УССР, № 1 (10), 1951.

49. Институт строительной механики АН УССР. Отчет. Выяснение, к какой анизотропной модели должен быть отнесен каменный уголь, и определение его упругих характеристик, 1950.

50. Некрасов С.С. Сопротивление угля и других материалов резанию: Авто-реф. дис. докт. техн. наук. М., 1958.

51. Сосунов Г. И. Теоретические и экспериментальные исследования по разрушению горных пород механическим способом. М., МГИ, 1959.

52. Горные машины для подземной добычи угля / П.А. Горбатов, Г.В. Пет-рушкин, Н.М. Лысенко, C.B. Павленко, В.В. Косарев. Под ред. П.А. Горбатова. 2-е изд., перераб. и дополн. Донецк: Норд Компьютер, 2006. 669 с.

53. ГОСТ 25.506-85. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.

54. ASTM Book of Standarts. 1972. Е 399. 72. P. 955.

55. ГОСТ 29167-91 «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении»

56. Крапивин М. Г., Раков И. Я., Сысоев Н. И. Горные инструменты. М.: Недра, 1990. 256 с.

57. Каталог ООО «Управляющая компания «Кузнецкий механический завод»». Новокузнецк (Кемеровская обл.). 2003.

58. Каталог ООО «Горный инструмент». Новокузнецк (Кемеровская обл.). 2003.

59. Каталог ОАО «Копейский машиностроительный завод». Копейск (Челябинская обл.). 2008.

60. Каталог Краснолучского машзавода. Красный Луч (Украина). 2003.

61. Картавый Н.Г. Исследование процесса разрушения угля многорезцовым стругом. Диссертация, М., МГИ, 1960.

62. Чеботарев П.Н. Математическая модель разрушения массива резцом горной машины // Изв. ТулГУ. Технические науки. Вып. 9. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012, С. 74-80.

63. Методика определения вязкости разрушения (трещиностойкости) горных пород. ИГД им. A.A. Скочинского, 1990. 15 с.

64. Чеботарев П.Н. Установление корреляционных связей вязкости разрушения угольного массива с показателями его прочности // Изв. ТулГУ. Технические науки. Вып. 9. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012, С. 88-92.

65. Математическая статистика: лабораторный практикум / Г.Ю. Мишин, E.JI. Сазонова, Т.Т. Снопок, Д.Н. Шевченко, под ред. B.C. Серегиной. Гомель, БелГУТ, 2001. 60 с.

66. Плотников В.П. Вывод формулы для расчета производительности очистных комбайнов со шнековым, барабанным или корончатым исполнительным органом / В.П. Плотников // Уголь. 2009. № 9. С. 6-7.

67. Барон Л.И. Горнотехническое породоведение. М.: Наука, 1977. 323.