СЕМЕНЧЕНКО ДМИТРО АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 622.232.83.054

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ВИКОНАВЧОГО ОРГАНА

ПРОХІДНИЦЬКИХ КОМБАЙНІВ З АКСІАЛЬНИМИ КОРОНКАМИ

Спеціальність 05.05.06 “Гірничі машини ”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Гірничі машини" Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: лауреат Державної премії України, заслужений

діяч науки і техніки України, доктор технічних

наук, професор Гуляєв Володимир Георгійович,

Донецький національний технічний університет,

завідувач кафедри "Гірничі машини".

Офіційні опоненти:

лауреат Державної премії України, заслужений

діяч науки і техніки України, доктор технічних

наук, професор Бойко Микола Григорович,

Донецький національний технічний університет,

завідувач кафедри "Гірнича механіка"

кандидат технічних наук, доцент

Нечепуренко Mихайло Семенович

Донбаський гірничо-металургійний інститут,

професор кафедри "Єнергомеханіка і обладнання"

(м. Алчевськ).

Провідна установа:

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, кафедра “Гірничі машини”, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 14.11. 2003 р. о 1200 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, І навч. корпус, ауд. 1.201.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, ІІ навч. корп.)

Автореферат розісланий 7.10. 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11. 052.05

доктор технічних наук, професор Шевцов М.Р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасна тенденція видобутку вугілля на Україні, що складає більш 90% усіх вітчизняних енергоресурсів, характеризується постійним зростанням інтенсифікації навантаження на лаву. Вітчизняні механізовані очисні комплекси нового технічного рівня забезпечують можливість зростання навантаження на лаву до 2-х і більше тисяч тонн на добу.

За даними інституту Дондіпровуглемаш одним із факторів, які найбільше стримують зростання навантаження на сучасні добувні комплекси, є відставання в підготовці нового фронту очисних робіт. Це завдання реально здійснене при проходці гірничих виробок із темпами 400-600 м / місяць.

Такі темпи проходки може забезпечити тільки комбайнова технологія проведення виробітків, що найбільш повно відповідає вимогам економічної ефективності гірничопідготовчих робіт.

На цей час усе більш широке застосування на шахтах України і за кордоном одержали прохідницькі комбайни з аксіальними коронками.

Слід зазначити, що вивченість закономірностей процесу формування вектора зовнішнього збурення і питомих енерговитрат на руйнування масиву при роботі прохідницьких комбайнів, оснащених аксіальними коронками, не можна визнати достатньою. Існуючі методики визначення раціональних конструктивних і режимних параметрів аксіальної коронки не враховують повною мірою особливостей її форми і потребують удосконалення.

Тому обгрунтування раціональних параметрів аксіальних коронок, які забезпечують підвищення продуктивності і ресурсу прохідницьких комбайнів, є актуальною науковою задачею, що має важливе значення для народного господарства України, як однієї з основних світових виробників гірничопрохідницької техніки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до наукового напрямку кафедри "Гірничі машини" ДонНТУ ? "Розробка теорії робочих процесів і методів підвищення технічного рівня гірничих машин", у рамках аспірантського плану науково-дослідної роботи, а також держтем Г2-01 і Г15-98.

Мета роботи. Підвищення продуктивності прохідницьких комбайнів на основі вибору раціональних конструктивних і режимних параметрів аксіальних коронок.

Для досягнення поставленої мети сформульовані і розв'язані такі задачі:

- виконано аналіз процесу обробки забою виконавчим органом з аксіальними коронками і складено класифікацію режимів їх роботи за видами і особливостями технологічних операцій виконавчого органа, типами бічного розрізу і схемами опрацювання забою;

- розроблено математичну модель процесу руйнування і формування вектора зовнішнього збурення на аксіальній коронці в різних режимах її роботи;

- розроблено трикомпонентний тензокулак, складено методику і виготовлено стенд для дослідження закономірностей впливу кінематичних змін, у широкому діапазоні, кутів різця на формування складових сил різання, експериментально одержано залежності для визначення середніх величин сили різання і зусилля подачі різця від параметрів зрізу і кінематичних змін його заднього кута;

- установлено для різних режимів роботи виконавчого органа закономірності впливу форми і параметрів коронки, кількості лопатей, напрямку і розміру кута їх навивання на товщину і ширину зрізу на різцях, питомі енерговитрати руйнування масиву і параметри вектора зовнішнього збурення;

- розроблено математичну модель оптимізації і методику визначення конструктивних і режимних параметрів аксіальної коронки й оцінено ефективність роботи коронки з раціональними параметрами.

Об'єктом дослідження є робочий процес взаємодії аксіальної коронки з масивом при його руйнуванні.

Предметом дослідження є закономірності й особливості стружкоутворення і формування питомих енерговитрат на різцях аксіальної коронки при різних її формах, параметрах і режимах роботи.

Методи досліджень. Досягнення поставленої мети забезпечується на основі використання методології системного підходу і раціонального сполучення теоретичних і експериментальних методів досліджень. Експериментальні дослідження з установлення закономірностей формування зусиль різання на різці при різних параметрах розрізу і значеннях кінематичних кутів різця проводилися на спеціально розробленому стенді сучасними методами і засобами електричних вимірів. Обробка результатів експериментальних досліджень проводилося на ЕОМ методами теорії можливостей і математичної статистики. Адекватність прийнятої для теоретичних досліджень розробленої математичної моделі вектора зовнішнього збурення забезпечена обгрунтуванням прийнятих вихідних положень і використанням методів аналітичної геометрії для описування процесу стружкоутворення при роботі аксіальної коронки.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше теоретично встановлені особливості і закономірності впливу форми коронки, кількості, напрямки і величини кута навивання лопатей на формування кінематичних параметрів зрізу і кутів різця, що визначає нові шляхи підвищення ефективності процесу руйнування гірського масиву на основі оптимізації параметрів стружкоутворення і зниження питомих енерговитрат.

2. Вперше експериментально встановлено, що кінематичні зміни заднього кута поворотних різців РКС-2 і Р32-70 (відповідно в межах від 9° до -3° і від 15° до -5°) не викликають різкого зростання зусилля подачі. У першому наближенні залежність цього зусилля від кінематичних змін заднього кута може бути подана лінійною функцією в зазначених діапазонах.

3. Вперше виконана класифікація режимів роботи аксіальної коронки і розроблена математична модель процесу руйнування гірського масиву і формування вектора зовнішнього збурення на виконавчому органі при його роботі в різних режимах, з урахуванням форми коронки, кількості лопатей, напрямку і розміру кута навивання спіралей.

4. Розроблена математична модель оптимізації і методика вибору раціональних конструктивних і режимних параметрів аксіальної коронки, за критерієм мінімальних питомих енерговитрат, яка відрізняється врахуванням встановлених особливостей і закономірностей процесу стружкоутворення.

Вищевикладені наукові положення і результати є теоретичною базою розв'язку наукової задачі обгрунтування режимних і конструктивних параметрів виконавчих органів прохідницьких комбайнів, оснащених аксіальними коронками. Вони дозволяють створювати високоефективні виконавчі органи для прохідницьких комбайнів нового технічного рівня.

Практичне значення отриманих результатів полягає у створенні науково-методичної бази для проектування високоефективних виконавчих органів прохідницьких комбайнів високого технічного рівня і полягає в розробці:

1. Математичного і програмного забезпечення для моделювання процесів:

- стружкоутворення при роботі аксіальної коронки й оцінки впливу її форми і параметрів на енергоємність процесу руйнування;

- формування вектора зовнішнього збурення на аксіальній коронці для оцінки динамічної навантаженості силових систем комбайна і вибору вихідних даних для їх розрахунку.

2. Методики визначення раціональних режимних і конструктивних параметрів аксіальної коронки з урахуванням різноманітності режимів роботи виконавчого органа, кінематичних змін параметрів стружкоутворення і кутів різців.

3. Трикомпонентного тензокулака і стенда для експериментального визначення складової сили різання на різці з урахуванням міцності порід, параметрів зрізу і кінематичних змін кутів різця.

Реалізація результатів роботи. Основні результати наукових досліджень використані:

-

-

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень, наведені в дисертаційній роботі, отримані особисто здобувачем. Автору належать: основні ідеї роботи, систематизація результатів аналізу і класифікація режимів обробки забою при роботі прохідницького комбайна, оснащеного аксіальними коронками, математичні моделі для дослідження робочих процесів взаємодії виконавчого органа з руйнованим масивом, аналіз і узагальнення результатів модельних досліджень і експериментальних даних процесу руйнування масиву поворотними різцями, розробка висновків і рекомендацій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи повідомлені й одержали схвалення на: Міжнародній науково-практичній конференції "XXI сторіччя - проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин" у НДА України (м. Дніпропетровськ, 1998); міжнародних технічних конференціях "Гірнича електромеханіка й автоматика" ДонНТУ (м. Донецьк 2001 р. і 2002 р.); міжнародних симпозіумах "Тиждень гірника" МДГУ (Москва, Росія 2001, 2002 і 2003 рр.); Міжнародній науково-практичній конференції "Перспективи розвитку вугільної промисловості в ХХІ сторіччі", ДГМІ (м. Алчевськ, 2002 р.).

Публікації. Основні положення і результати дисертації опубліковані в 7-ми наукових працях, у тому числі: 6 статей (у спеціальних наукових виданнях ВАК України) і підрозділ монографії.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаної літератури (92 джерела). Дисертація викладена на 158 сторінках, у тому числі 108 сторінок машинописного тексту, 10 сторінок - список літератури, 22 повні сторінки з рисунками (28 рис.) і таблицями (9 табл.) і 3 додатки.

ОСНОВНий зміст РОБОТИ

У вступі розкриті сутність і стан наукової задачі обгрунтування параметрів аксиальных коронок прохідницьких комбайнів, показана значимість її рішення для підвищення їх технічного рівня і викладена загальна характеристика дисертації.

Перший розділ дисертації присвячений аналізу стану актуальної наукової задачі - обгрунтування раціональних параметрів аксіальних коронок, що забезпечують підвищення продуктивності прохідницьких комбайнів.

Проблемі створення нових перспективних прохідницьких комбайнів, підвищенню їх технічного рівня і якості на основі наукового обгрунтування технологічних і конструктивних параметрів присвячені роботи багатьох вчених і конструкторів. Значний внесок у вирішення цих питань внесли видатні вчені й інженери, серед яких академіки Потураєв В.Н., Докукін А.В., доктори технічних наук Альшиц Я.І., Берон А.И., Бойко М.Г., Бреннер В.А., Гетопанов В.Н., Горбатов П.А., Гуляєв В.Г., Кантович Л.И., Гаркавий Н.Г., Коршунов А.Н., Красников Ю.Д., Лазуткін А.Г., Лаптєв А.Г., Малевич Н.А., Маліова Д.И., Позін Е.З., Рачек В.М., Сафохін М.С., Семенча П.В., Семенченко А.К., Солод В.І., Солод Г.І., Топчієв А.В., Хорін В.Н., Яцких В.Г., Кондрахін В.П. та ін., кандидати технічних наук Агранат А.Р., Афендиков М.Г., Болтян А.В., Бойко Е.Н., Вороновський К.Ф., Дейниченко В.А., Зайков В.И., ІсачкІн В.В., Казак Ю.Н., Кутовой В.И., Лукієнко В.Г., Лисенко М.М., Масович Ф.З., Меламед В.З., Модінов В.В., Мотін М.М., Петрушкін Г.В., Пшеничний И.Д., Симонов И.А., Солодухін В.В., Старичнєв В.В., Тон В.В., Храпов Ю.Г., Шабаєв О.Є., Шевцов В.Г. та інші, а також інженери Литвинов Г.А., Локшинський С.Г., Мізін В.А., Мінічев В.И., Самсонов Г.Н., Юргілевич В.А. і багато інших.

Завдяки роботам цих учених створена теоретична база проектування виконавчих органів для очисних і прохідницьких комбайнів.

Як показав аналіз літературних джерел, питання оптимізації параметрів аксіальних коронок і впливи форми, кількості і кута навивання спіралей на питомі енерговитрати, процес стружкоутворення і кінематичні зміни кутів різців коронки в різних режимах її роботи вивчені недостатньо.

У другому розділі розроблена класифікація режимів роботи виконавчого органа з аксіальними коронками і математичною моделлю процесу руйнування гірського масиву і формування вектора зовнішнього збурення на виконавчому органі.

Класифікація режимів роботи виконавчого органа була виконана на основі аналізу повного циклу обробки забою, за видом технологічної операції, особливостям технологічної операції, типом бічного розрізу і схемою обробки забою.

При розробці математичної моделі процесу руйнування і формування вектора зовнішнього збурення на виконавчому органі (1) були прийняті такі вихідні положення: товщина зрізу визначається як відстань від вершини різця до поверхні забою; ширина зрізу визначається як відстань між вершинами випереджаючого і відстаючого різців (які знаходяться на сусідніх лініях різання) у перетині забою площиною, що проходить через вершину різця і вісь обертання коронки; швидкість подачі аксіальної коронки є постійної.

Математична модель є сукупністю взаємопов'язаних ММ: руйнівного масиву, умови контактування різця із забоєм, визначення параметрів процесу руйнування, визначення значень складових і параметрів вектора зовнішнього збурення.

, (1)

де: mi - номер руйнованого прошарку масиву, i-им різцем; - вектор-функція визначення прошарку руйнованого масиву, i-им різцем; - координати вершини різця в просторі забою; - вектор параметрів структури і залежностей для визначення складових сил різання руйнованого масиву (компонентами вектора є: кількість прошарків руйнованого масиву; кут падіння вугільного пласта; відстань від грунту виробітку до верхньої точки прошарку уздовж вертикальної осі; залежності для визначення сили різання, подача і бічне зусилля при руйнуванні прошарку);

а- розмір ознаки контактування різця з руйнованим масивом (при а=1- різець контактує із забоєм і а=0 - різець не контактує); - вектор-функція визначення розміру ознаки контактування різця з масивом; - вектор параметрів для оцінки умови контактування різця з масивом (компонентами вектора є: довжина стріли в складеному положенні; радіус коронки; функція утворюючої поверхні коронки; зсув центру коронки щодо вертикальної площини симетрії стріли; максимальний зсув різців на коронці уздовж її осі обертання; кількість апроксимуючих поверхню забою окружностей; кути граничного положення стріли в горизонтальній площині і кут її підйому при реалізації бічного попереднього розрізу, що формує апроксимуючу окружність; координати центру осі повороту стріли в горизонтальній площині при попередніх бічних розрізах);

- вектор параметрів процесу руйнування масиву різцями лопаті аксіальної коронки (кінематичні кути, товщина і ширина зрізу на різцях лопаті); - вектор-функція визначення параметрів процесу руйнування масиву різцями лопаті; - вектори параметрів відповідно до схеми набору, режиму роботи коронки і системи подачі виконавчого органа;

- вектор складових і параметрів зовнішнього збурення, компонентами якого є: момент опору і проекції сили опору руйнування на виконавчому органі, що діють на коронку в n-тому положенні; питомі енерговитрати, середні розміри і коефіцієнти нерівномірності цих складових за один оборот; - вектор-функція визначення вектора зовнішнього збурення і його параметрів; - кількість лопатей на коронці.

Розрахункова схема для визначення параметрів зрізу і кінематичних змін кута різців аксіальної коронки наведена на рис. 1.

На схемі показана: ОXYZ - нерухома система координат, жорстко пов'язана із забоєм; ОX?yґzґ - нерухома система координат, що співпадає з положенням системи ОXYZ при її повороті навколо осі ОZ на кут повороту стріли в горизонтальній площині ; Окxyz - система координат жорстко пов'язана з віссю обертання коронки, осі якої рівнобіжні осям системи координат ОX?yґzґ ; Аi-Аi - перетин забою, в аналізований момент часу, площиною, що проходить через вершину i-го різця і вісь обертання коронки;

Окyr - система координат, що задає положення i-го різця і різців, що формують поверхню забою в перетині Аi-Аi і визначають його параметри зрізу; Лi – лопать, на якій установлений i-ий різець і випереджуючий різець у сусідній лінії різання; Л?i - випереджаюча лопать, на якій установлені різці, що формують поверхню забою для i-го різця в перетині Аi-Аi; а0 і а0ґ,b0ґ - ?оложення в аналізований момент часу вершини випереджуючого різця і різців, що формують поверхню забою для цього різця; а і а?,bґ - ?оложення вершин різців, що формують поверхню забою для i-го різця в перетині Аi-Аi; ri,R1i,R2i,R3i і yi,y1i,y2i,y3i - координати вершин i-го різця і різців, формуючих поверхню забою в перетині Аi-Аi; hi, ti і ? i - товщина, ширина зрізу i-го різця і кут нахилу поверхні забою до осі Окr у перетині Аi-Аi; - кінематичне зменшення відповідно бічного, заднього і переднього кутів i-того різця; - одиничні вектори, протилежно направлені складовим зусилля різання на i-му різці (відповідно бічний, по задній грані і сили різання);

цi і ? ?л - кути положення i-го різця на к-ій лопаті і кут зсуву лопатей коронки; - залежності для задання бічної поверхні коронки і кутів зсуву різців на лопатях; б ? в - ?ут підйому стріли і її повороту в горизонтальній площині в аналізований момент часу; Vv і ? ,щ б,щ в - швидкість висування стріли і, відповідно, кутові швидкості обертання коронки і повороту стріли у вертикальній і горизонтальній площинах; Vp і Vxi,Vyi,Vzi- швидкість різання і складові швидкості подачі i-го різця в системі координат ОX?yґzґ, в аналізований момент часу.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень для встановлення залежностей за заданням складових сил різання на базі розроблених автором стенда, тензокулака і методики їх проведення.

Для одержання залежностей за заданням середніх розмірів сили різання, сили подачі і бічного зусилля від параметрів руйнування, а також закономірностей їх формування були розроблені трикомпонентний тензокулак, методика і стенд для проведення експериментальних досліджень.

Відповідно до методики вхідними параметрами при експериментальних дослідженнях є: показники фізико-механічних властивостей руйнованого масиву, тип різця і його параметри, вид зрізу.

Вихідними параметрами є залежності середніх значень складового зусилля руйнування від параметрів зрізу і кінематичних змін кутів різця: сила різання, сила подачі, бічне зусилля.

Величинами, що варіюються (параметрами керування) у загальному випадку - параметри процесу руйнування масиву різцем, параметри зрізу, кінематичні значення кутів і проекція площадки затуплення різця.

Кількість величин, що варіюються, діапазон і крок їх зміни, а також кількість повторних дослідів і довжина їх реалізації визначаються, виходячи з конкретних задач дослідження.

На базі розробленого і виготовленого стенда були проведені експериментальні дослідження для оцінки впливу кінематичних змін заднього кута різця на зусилля різання і подачі в два етапи:

- при руйнуванні породного блока (що відноситься до глинистих сланців із міцністю f= 4) тангенціальним поворотним різцем типу РКС-2;

- при руйнуванні вуглецементного блока (Ар=250 Н/мм) гострим різцем Р32-70.

Експериментально встановлено, що кінематичні зміни заднього кута поворотних різців типу РКС-2 і Р32-70, відповідно від 9? до -3? і від 15? до -5?, не викликають різкого зростання зусилля подачі. У першому наближенні (при вищеназваних кінематичних змінах заднього кута) залежність для визначення сили подачі, що діє на різець, від величини кінематичних змін заднього кута ?бy=б y-10? і величини зусилля подачі PY10 при задньому куті ? y=10? може бути подана у вигляді

Експериментально визначені середні значення коефіцієнтів приросту зусилля подачі склали:

- 0.19 kН/град, при руйнуванні гострим різцем РКС-2 глинистого сланцю (f=4);

- 0. 072 kН/град, при руйнуванні гострим різцем Р32-70 вуглецементного блока з опірністю різання Ар=250Н/мм.

Стендові експериментальні дослідження вуглецементного блока дозволили встановити регресійні залежності для задання середніх значень складових зусилля руйнування різцем Р32-70 від ширини t, товщини зрізу h і величини кінематичної зміни заднього кута:

PZ=1.05+0. 022t+0. 090h+0. 0021th-0. 015б y,

PY=1. 67-0. 035h+0. 0018th-0. 072б y,

PX=0. 90-0. 045t+0. 0021th.

У четвертому розділі наведені результати теоретичних досліджень для встановлення закономірностей впливу форми, параметрів і режимів роботи аксіальної коронки на процес руйнування і формування вектора зовнішнього збурення.

При проведенні досліджень була використана розроблена в розділі 2 математична модель вектора зовнішнього збурення і залежності для задання складових сил різання на різці від параметрів зрізу, отримані експериментально при руйнуванні вуглецементного блока різцем Р32-70.

Для встановлення цих закономірностей були побудовані:

- залежності зміни відносної товщини зрізу , відносної дуги фрезерування і кінематичні зміни заднього кута різця від відносного радіуса його установки (рис.2) при бічному розрізі;

- залежності відносних питомих енерговитрат kw від максимальної товщини стружки на різцях випереджуючими коронками із конічною, параболічною (вертикальною, горизонтальною) і еліпсоїдальною формами бічних поверхонь (рис.3) при бічному розрізі;

- перетини поверхні забою горизонтальною площиною, яка проходить через вісь обертання коронки з еліпсоїдальною формою бічної поверхні, при різних значеннях кількості лопатей Nз, напрямку і максимального кута їх навивання. Як приклад на рис. 4 наведені перетини забою для еліпсоїдальних коронок, що мають конструктивну ширину зрізу t=40мм і кути навивання спіралей ?m = -2р ? 2р . ?а рисунку також показана конструктивна ширина зрізу t і фактичні параметри стружки (t1, h1- при негативному куті навивання спіралі; t2, h2- при позитивному) при швидкості подачі 2м/хв і кількості лопатей Nз=2.

Для встановлення закономірностей впливу режимів роботи аксіальної коронки на ефективність процесу руйнування були визначені для різних режимів значення відносного моменту опору на виконавчому органі, при його оснащенні коронками різної форми і величини параметра K і роботі в різних режимах із hmax=33 мм (див. табл. 1).

Розмір відносного моменту опору для різних режимів роботи виконавчого органа визначався як відношення моменту опору на виконавчому органі в аналізованому режимі до моменту опору в режимі бічного розрізу тією ж коронкою .

При визначенні цього розміру значення моменту опору в різних режимах приймалося за умови, що максимальна товщина зрізу на різцях коронки одна і та ж для всіх режимів.

Дані при складанні таблиці були отримані з результатів модельного експерименту для випадку роботи виконавчого органа у всіх режимах із максимальною товщиною зрізу hmax? 33мм при параметрах обробки забою з розміром заглиблення Вз=0,2 м і висотою фрезерування ? Н=1 м для фронтальної зарубки і Вз=0,8 м і ?Н=0,2 м - для інших режимів.

Таблиця 1

Величина відносного моменту опору на аксіальній коронці в різних режимах її роботи при hmax=33мм

Форма коронки | До, мм | Мб,

кНм | kм=Mi/Mб

Фронтальна зарубка | Боковий розріз двома коронками | Боковий розріз однією коронкою | Боковий розріз в кутку | Зарубка вертикальна

Еліпсоїд | 300 | 29.1 | 4.71 | 2.00 | 1 | 2.11 | 4.26

500 | 37.4 | 5.56 | 2.00 | 1 | 2.01 | 4.97

700 | 42.7 | 6.56 | 2.00 | 1 | 1.82 | 5.85

Конус | 300 | 27.0 | 3.28 | 2.00 | 1 | 2.22 | 3.01

500 | 33.3 | 3.75 | 2.00 | 1 | 2.16 | 3.40

700 | 38.5 | 4.18 | 2.00 | 1 | 2.22 | 3.79

Параболоїд горизонтальний | 300 | 30.6 | 3.73 | 2.00 | 1 | 2.19 | 3.37

500 | 38.1 | 4.36 | 2.00 | 1 | 2.08 | 3.94

700 | 46.6 | 4.72 | 2.00 | 1 | 2.02 | 4.29

Параболоїд вертикальний | 300 | 27.4 | 4.27 | 2.00 | 1 | 2.10 | 3.87

500 | 34.5 | 5.01 | 2.00 | 1 | 1.99 | 4.20

700 | 41.0 | 5.63 | 2.00 | 1 | 1.94 | 5.05

На підставі аналізу результатів досліджень було встановлено:

1. Форма бічної поверхні аксіальних коронок визначає закономірності формування товщини зрізу на різцях при бічному розрізі залежно від радіуса установки їх вершин. Для коронок із плоскою, конічною і параболічною (горизонтальною) формами товщина зрізу на різцях змінюється незначно зі зміною радіуса їх установки, а їх середня товщина зрізу близька до максимальної. Робота еліпсоїдальних, параболічних (вертикальних) коронок при бічному розрізі характеризується збільшенням товщини зрізу від мінімальної (близького до 0) до максимальної товщини зрізу при зменшенні радіуса установки різців від максимального до мінімального, при цьому дуга фрезерування різців тим більша, чим менша товщина зрізу. Це обумовлює роботу таких коронок в аналізованому режимі із великою питомою вагою руйнування масиву з малими товщинами зрізу і значне зменшення середньої товщини зрізу порівняно з максимальною. Збільшення параметра форми К цих коронок приводить до збільшення питомої ваги руйнування масиву з малими товщинами зрізу і, як наслідок, до зниження ефективності руйнування.

2. Кількість спіралей, напрямок і розмір кута їх навивання суттєво впливають на параметри процесу стружкоутворення при бічному розрізі виконавчого органа, оснащеного аксіальними коронками. При позитивному напрямку навивання спіралей (зсув різців спіралей, у міру зменшення радіуса установки їх вершини, протилежно напрямку обертання коронки) товщина стружки на різцях зменшується, а її ширина збільшується порівняно з конструктивною. При негативному напрямку навивання спіралей товщина стружки збільшується, а ширина зрізу зменшується. Інтенсивність цих змін збільшується із зростанням кількості спіралей і величини кута їх навивання.

3. Величина питомих енерговитрат на руйнування масиву виконавчим органом, оснащеним аксіальними коронками, суттєво залежить від режиму роботи. При повному використанні двигуна у режимах, які відрізняються від бічного різу однією коронкою, питомі енерговитрати вищі порівняно з цим режимом. Руйнування масиву з найбільшими питомими енерговитратами відбувається в режимах фронтальної і вертикальної зарубок. При цьому найменше збільшення питомих енерговитрат для режимів зарубок має місце при конічній формі коронки і найбільше - при еліпсоїдальній. Для всіх досліджуваних форм коронок збільшення параметра форми К призводить до відносного зростання питомих енерговитрат.

4. При оптимізації конструктивних і режимних параметрів виконавчого органа з аксіальними коронками форма коронки, її геометричні параметри, кількість лопатей, напрямок і розмір максимального кута їх навивання повинні розглядатися змінними проектування, які значною мірою визначають ефективність процесу руйнування масиву. Оптимізація цих параметрів повинна виконуватися з урахуванням можливих максимальних кінематичних змін кутів різців як обмежуючих факторів, а також із урахуванням різноманітності режимів роботи виконавчого органа і залежностей для визначення сили різання, особливо при малій товщині зрізу на різцях, для конкретних умов експлуатації комбайна.

П'ятий розділ присвячений оптимізації конструктивних і режимних параметрів аксіальної коронки (широко використовуваної в сучасних прохідницьких комбайнах), направленої на підвищення її технічного рівня.

У загальному вигляді задача оптимізація була сформульована таким чином: знайти оптимальні значення параметрів і режимів роботи коронки, при яких цільова вектор-функція якості досягає найкращого показника (при використанні прохідницького комбайна в заданій області гірничо-геологічних умов експлуатації з урахуванням обмежуючих факторів на можливі значення перемінних проектування) і реалізована у вигляді математичної моделі.

Складовими критерію оптимізації параметрів коронки були прийняті: мінімальний перебір і питомі енерговитрати і максимальні продуктивність і ресурс комбайна.

На основі виконаного аналізу ефективності роботи прохідницького комбайна (розділ 4), оснащеного аксіальною коронкою, компонентами змінних проектування були вектори: конструктивних і режимних (Vv, щ , щ б, щ в) параметрів коронки.

Складові вектора конструктивних параметрів коронки: - радіус коронки (максимальний радіус установки вершин різців на коронці); - кут зсуву зовнішньої і внутрішньої спіралей коронки; - мінімальний радіус установки вершини різців ( - зовнішня поверхня коронки, - внутрішня); - конструктивний крок установки різців; - кількість спіралей на поверхні коронки; - функція утворюючої поверхню коронки (залежність радіуса установки вершини різця r від величини осьового зсуву y і параметра форми коронки К) ; - функція кута навивання спіралі (залежність кута зсуву різців спіралі від радіуса установки їх вершини r і максимального кута зсуву різців на лопаті );

Як постійні проектування коронки прийняті: темпи проходки виробітку Lпр; вектор форми і величини перетину виробітку ; показники опірності різанню (контактна міцність, опірність вугілля різанню) і абразивності i-го руйнованого прошарку, кількість прошарків і їх питомий обсяг при руйнуванні ; радіус Rст і ширина Вст редуктора в зоні вихідного вала привода виконавчого органа, на якому знаходиться коронка; - вектор параметрів системи підвіски робочого органа.

Факторами, що обмежують простір проектування, були: максимальна припустима товщина стружки на різці за умови його вильоту; кінематичні зміни заднього і бічного кутів різця; стійкий момент двигуна приводу виконавчого органа; теплова потужність двигуна; стійкість комбайна; конструктивні можливості реалізації параметрів коронки.

Для практичної реалізації математичної моделі оптимізації обгрунтований метод визначення раціональних конструктивних і режимних параметрів аксіальної коронки (рис.5), який передбачає декомпозицію простору проектування і поетапної оптимізації.

На основі наведеної моделі і методу оптимізації була розроблена інженерна методика вибору раціональних параметрів аксіальної коронки, що передбачає визначення: енергетичних показників процесу руйнування забою, геометричних параметрів коронки (за критерієм мінімального перебору породи), форми і схеми набору (за критерієм мінімальних питомих енерговитрат, максимальних значень продуктивності і ресурсу), розміру кутового зсуву зовнішньої і внутрішньої лопатей коронки (за критерієм забезпечення максимального ресурсу), а також режимних параметрів коронки.

Розрахунковий розмір річного економічного ефекту від застосування аксіальних коронок із раціональними параметрами склав близько 50000 грн. на один комбайн при його роботі в типових умовах.

Висновки

У дисертації поданий новий розв'язок актуальної наукової задачі, що полягає у встановленні особливостей і закономірностей процесу руйнування масиву гірської породи виконавчим органом з аксіальними коронками, у розробці математичної моделі вектора зовнішнього збурення, формованого на аксіальній коронці, і методики визначення її раціональних параметрів для підвищення технічного рівня сучасних прохідницьких комбайнів.

Використання результатів роботи дозволяє на стадії проектування прохідницьких комбайнів моделювати процес взаємодії аксіальної коронки з руйнованим гірським масивом, оцінити вплив її конструктивних і режимних параметрів на ефективність робочого процесу і створювати коронки з раціональними параметрами для заданих умов експлуатації.

Основні висновки, наукові і практичні результати роботи:

1. Розроблена класифікація режимів роботи виконавчого органа з аксіальними коронками за критеріями: виконуваної технологічної операції; особливості технологічної операції; типу бічного різа; схеми обробки забою виконавчим органом.

2. Розроблена математична модель визначення параметрів процесу руйнування і вектори зовнішнього збурення, формованого на виконавчому органі з аксіальними коронками у різних режимах його роботи при обробці прохідницького забою. Модель являє собою сукупність таких взаємно погоджених математичних моделей:

- руйнованого масиву і поверхні забою, що дозволяє врахувати вплив структури і параметрів руйнованого масиву на формування вектора зовнішнього збурення й одержувати оцінку знаходження різця в контакті із руйнованим масивом для різних режимів роботи виконавчого органа з урахуванням поверхні забою, утвореної попередніми розрізами;

- визначення параметрів процесу руйнування масиву різцями коронок, які дозволяють, за відомими параметрами схеми набору різального інструмента і системи подачі виконавчого органа, визначати кінематичні значення товщини, ширини і кутів різців для різних режимів роботи виконавчого органа залежно від кута повороту коронок;

- визначення вектора зовнішнього збурення, що діє на аксіальні коронки при руйнуванні масиву, і його основних параметрів.

3. Розроблені трикомпонентний тензокулак, методика і стенд для визначення складових зусилля руйнування з урахуванням кінематичних змін параметрів зрізу і кутів різця. Стендові експериментальні дослідження вуглецементного блока дозволили встановити регресійні залежності для задання складового зусилля руйнування різцем Р32-70 від ширини, товщини зрізу і величини кінематичної зміни заднього кута.

4. Експериментально встановлено, що кінематичні зміни заднього кута поворотних різців типу РКС-2 і Р32-70, відповідно в діапазонах від 9? до -3? і від 15? до -3?, не викликають різкого зростання зусилля подачі. У першому наближенні (при вищеназваних кінематичних змінах заднього кута) залежність для визначення сили подачі, що діє на різець, від розміру кінематичних змін заднього кута ? бy=б y-10? і розміру зусилля подачі PY10 при задньому куті ? y=10? може бути подана у вигляді

Експериментально визначені середні значення коефіцієнтів приросту зусилля подачі склали: 0.19 k/град, при руйнуванні гострим різцем РКС-2 глинистого сланцю (f=4); 0.072 k/град, при руйнуванні гострим різцем р32-70 вуглецементного блока з опірністю різання Ар=250Н/мм.

5. Теоретично встановлені такі закономірності:

- Форма бічної поверхні аксіальної коронки, кількість спіралей, напрямок і розмір кута їх навивання суттєво впливають на параметри процесу стружкоутворення при бічному різі. Товщина зрізу на різцях коронок із плоскою, конічною і параболічною (горизонтальною) формами змінюється незначно зі зміною радіуса їх установки. Робота еліпсоїдальних, параболічних (вертикальних) коронок характеризується збільшенням товщини зрізу від мінімальної (близької до 0) до максимальної товщини зрізу при зменшенні радіуса установки різців від максимального до мінімального, при цьому дуга фрезерування різців тим більша, чим менша товщина зрізу. Збільшення параметра форми К цих коронок приводить до збільшення питомої ваги руйнування масиву з малими товщинами зрізу і, як наслідок, до зниження ефективності руйнування. При позитивному напрямку навивання спіралей (зсув різців спіралей, у міру зменшення радіуса установки їх вершини, протилежно напрямку обертання коронки) товщина стружки на різцях зменшується, а її ширина збільшується порівняно з конструктивною. При негативному напрямку навивання спіралей товщина стружки збільшується, а ширина зрізу зменшується. Інтенсивність цих змін збільшується із зростанням кількості спіралей і величини кута їх навивання.

- Величина питомих енерговитрат на руйнування масиву виконавчим органом оснащеним аксіальними коронками суттєво залежить від режиму роботи. Руйнування масиву з найбільшими питомими енерговитратами відбувається в режимах фронтальної і вертикальної зарубок. При цьому найменше збільшення питомих енерговитрат для режимів зарубки має місце при конічній формі коронки і найбільше - при еліпсоїдальній. Для всіх досліджуваних форм коронок збільшення параметра форми К приводить до відносного зростання питомих енерговитрат.

6. Розроблена математична модель оптимізації параметрів і форми аксіальної коронки за критеріями енергоємності, перебору породи, продуктивності і ресурсу, яка враховує обгрунтовані змінні проектування і обмежуючі фактори. Запропонований метод визначення раціональних конструктивних і режимних параметрів аксіальної коронки, що передбачає декомпозицію простору проектування і виконання поетапної оптимізації параметрів.

7. Розроблені:

- алгоритм і спеціальне програмне забезпечення, що дозволяють реалізувати математичну модель формування вектора зовнішнього збурення на виконавчому органі з аксіальними коронками і визначати у всіх режимах обробки забою параметри процесу руйнування масиву різцями коронки, а також складові вектора зовнішнього збурення і його основні параметри;

- математична модель визначення параметрів схеми набору різців виконавчого органа з аксіальними коронками, яка дозволяє формалізувати процес проектування схеми набору різального інструмента для різних форм коронок. Дана класифікація форм бічних поверхонь коронок і отримані залежності їх задання для еліпсоїдальних, трапеціїдальних і параболічних типів аксіальних коронок за відомими параметрами, які утворюють їх форму;

- інженерна методика вибору раціональних конструктивних і режимних параметрів аксіальної коронки.

Результати роботи можуть бути використані інститутами Дондіпровуглемаш, ЦНДІпідземмаш, Діпровуглемаш, а також машинобудівними заводами при створенні нових і модернізації прохідницьких комбайнів з аксіальними коронками, що серійно випускаються.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ іЗ ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні положення дисертації опубліковані в спеціальних наукових виданнях, що відповідають вимогам ВАК України, а саме:

1. Семенченко А.К., Кравченко В.М., Шабаев О.Е. Теоретические основы анализа и синтеза горных машин и процесса их восстановления как динамических систем – Донецк: РВА ДонНТУ, 2002. – 302с. (Семенченко Д.А. - подраздел 5.2.5).

2. Шабаев О.Е., Семенченко Д.А., Хиценко Н.В., Мизин В.А. Обоснование структуры исполнительного органа проходческого комбайна нового технического уровня. // Известия Донецкого горного института. Донецк - 2001. - №2. – С.118-123.

3. Семенченко Д.А. Влияние кинематических изменений заднего и переднего углов поворотного резца на формирование усилия подачи// Наукові праці ДонДТУ. Серія гірничо-електромеханічна. Донецьк - 2001. - Вип.27. - С.340-344.

4. Гуляев В.Г., Семенченко Д.А. Определение удельных энергозатрат и вектора внешнего возмущения корончатого исполнительного органа проходческого комбайна в различных режимах обработки забоя. // Наукові праці ДонДТУ. Серія гірничо-електромеханічна. Донецьк - 2001. - Вип.35. - С.38-47.

5. Семенченко Д.А. Влияние формы аксиальной коронки на формирование толщины стружки на резцах и энергозатраты разрушения при боковом резе // Сборник научных трудов, посвященный 45-летию ДГМИ, "Перспективы развития угольной промышленности в ХХI веке". Алчевск –2002. С.268-273.

6. Гуляев В.Г., Семенченко Д.А. Математическая модель и метод оптимизации параметров аксиальной коронки проходческого комбайна. // Наукові праці ДонДТУ. Серія гірничо-електромеханічна. Донецьк - 2002. - Вип.42. - С.74-83.

7. Семенченко Д.А. Обоснование параметров оптимизации аксиальной коронки проходческого комбайна. // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Сб. науч. трудов. – Донецк: ДонНТУ. - 2003. – Вып. 26.-С.65-69.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих у співавторстві:

[2] - розроблені схеми обробки забою і залежності визначення числа циклів навантаження, для різних структурно-компонувальних схем виконавчого органа, результати аналізу їх впливу на ресурс комбайна; [4], [6] - результати поданих досліджень отримані автором самостійно, постановка задач і обговорення результатів досліджень виконані з науковим керівником.

АНОТАЦІЯ

Семенченко Д.А. Обгрунтування параметрів виконавчого органа прохідницьких комбайнів з аксіальними коронками.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 - "Гірничі машини". Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2003.

Дисертація присвячена обгрунтуванню параметрів аксіальних коронок прохідницьких комбайнів. У роботі дається новий розв'язок актуальної технічної задачі підвищення продуктивності та ефективності використання комбайнів для механізації підготовчих робіт.

У роботі подана класифікація режимів роботи виконавчого органа з аксіальними коронками і розроблена математична модель процесу руйнування і формування вектора зовнішнього навантаження на виконавчому органі при його роботі в різних режимах, з урахуванням форми коронки, кількості, напрямку і розміру кута навивання спіралей. На основі експериментальних досліджень запропонована залежність для визначення сили подачі на поворотному різці від величини кінематичної зміни заднього кута. Теоретично встановлений комплексний вплив форми коронки, кількості, напрямки і