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 инструментомтеоретические исследования на базе моделирования процесса резания углей с использованием методов механики разрушения, теории упругости, конечных элементов и вариационного исчисленияпроведение 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 исчислениядостаточным объемом выполненных численных экспериментовкорректным применением методов математической статистики при обработке и анализе данныхудовлетворительной 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.

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&trade-.

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.