Обоснование параметров опорной поверхности внешнего движителя геохода

Введение 5 1 Движители горнопроходческих систем, методы проектирования ВД и расчета взаимодействия с породой забоя 10 1.1 Анализ физико-механических свойств горных пород Кузнецкого бассейна 10 1.2 Существующие горнопроходческие системы (ГПС) 11 1.2.1 Проходческие комбайны 12 1.2.2 Проходческие щиты 14 1.2.3 Геоходы 16 1.3 Движители серийных ГПС, способы и поверхности взаимодействия движителей с геосредой 19 1.3.1 Классификация движителей по отличительным признакам 19 1.3.2 Существующие движители ГПС и их классификация 21 1.3.3 Гусеничные движители 21 1.3.4 Шагающие движители 24 1.3.5 Распорно-шагающие 25 1.3.6 С упором в постоянную крепь 26 1.4 Внешние движители геоходов 26 1.5 Существующие методы решения контактных задач 30 1.5.1 Метод конечных элементов 31 1.5.2 Системы реализации МКЭ с применением ЭВМ 32 Выводы: 33 2 Разработка вариантов профиля внешнего движителя геохода 35 2.1 Особенности работы внешних движителей и разработка требований к ним 35 2.1.1 Особенности работы движителей 35 2.1.2 Особенности работы внешних движителей геоходов 36 2.1.3 Разработка требований к внешним движителям геоходов 38 2.2 Анализ известных движителей проходческих систем 40 2.2.1 Анализ известных движителей существующих горных машин 40 2.2.2 Анализ существующих схемных и конструктивных решений внешних движителей геоходов 43 2.2.2.1 Движитель с однозаходной винтовой лопастью 43 2.2.2.2 Движитель с многозаходной винтовой лопастью 45 2.2.2.3 Однозаходный многолопастной внешний движитель пропеллерного типа 47 2.2.2.4 Многозаходный многолопастной внешний движитель пропеллерного типа 49 2.2.2.5 Выводы 50 2.3 Классификация геометрических параметров и характерных признаков внешнего движителя геохода и поверхности его взаимодействия с законтурным каналом 50 2.3.1 Элементы системы «движитель геосреда» 50 2.3.2 Профиль опорной поверхности 52 2.3.3 Классификация геометрических параметров профиля опорной поверхности СВДГ геохода 55 2.3.4 Геометрические параметры СВДГ 57 2.4 Обоснование типа образующей опорной поверхности лопасти внешнего движителя геохода 59 2.5 Выводы 61 3. Разработка модели взаимодействия ВД геохода с геосредой 63 3.1 Обоснование схемы приложения нагрузки 64 3.2 Обоснование величин нагрузок, прикладываемых к опорной поверхности законтурного канала при моделировании процесса взаимодействия ВД с геосредой 69 3.2.1 Обоснование величины нагрузки 70 3.3 Обоснование размеров модели 76 3.4 Обоснование плотности сетки конечных элементов 76 4 Влияние геометрических парамет

1. Штумпф Г.Г., Рыжков Ю.А., Шалманов В.А., Петров А.И. Ш 48 Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна: Справочник. – М.: Недра, 1994 – 447 с.: ил. 2. Зверев В. Л. Метро московское — М.: Алгоритм. 2008 — 272 с. 3. Беннет Д. Метро: история подземных железных дорог. / Пер. с англ. Ю. Богомолов — М.: Магма, 2005. — 176 с 4. Зиновьев А. Н. Сталинское метро. Исторический путеводитель. — М., 2011. — 240 с. 5. Левченко А. H., Лернер В. Г., Петренко Е. В., Петренко И. Е. Организация освоения подземного пространства. Свершения и надежды. М.: ТИМР, 2002. 406 с. 6. Картозия Б. А. Освоение подземного пространства крупных городов. Новые тенденции//ГИАБ. 2015. № S1. С. 615-630. 7. Сафохин М.С. Горные машины и оборудование: учеб. для вузов / М.С. Сафохин, Б.А. Александров, В.И. Нестеров. – М.: Недра, 1995. – 463 с. 8. Базер, Я. И. Проходческие комбайны / Я. И. Базер, В. И. Крутилин, Ю. Л. Соколов. - М. : Недра, 1974. - 304 с 9. Горные машины и комплексы / Топчиев А.Ф., Ведерников В.И., Коленцев М.Т. и др. – М.: Недра. 1971. 560 с. 10. Архангельский А.С. Проходческие комбайны. – М.: Углетехиздат, 1956. 176 с. 11. Малевич Н. А. Горнопроходческие машины и комплексы. – М.: Недра, 1980. – 384с. 12. Власов С. Н., Губенков Е. К. Тоннелепроходческие комбайны фирмы «Демаг». — «Метрострой», 1974, № 5, с. 28—29. 13. Электронная версия Горная энциклопедия. – М.: ДиректМедиа Паблишинг. 2006. – 19120 с. 14. Аксенов В.В. Научные основы геовинчестерной технологии проведения горных выработок и создания винтоповоротных агрегатов: Дис. док. техн. наук. – Кемерово, 2004, 307 с. 15. Винтоповоротные проходческие агрегаты. А.Ф. Эллер, В.Ф. Горбунов, В.В. Аксенов. – Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1992 г.– 192 с. 16. Горбунов В.Ф., Аксенов В.В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок агрегатом ЭЛАНГ // Совершенствование техники и технологии шахтного строительства: Сб. науч. тр. / КузГТУ, Кузниишахтстрой. - Кемерово, 1987. – с. 118-121. 17. Горбунов В.Ф., Аксенов В.В. О разработке геовинчестерной технологии проведения горных выработок // Механизация горных работ: Матер. Науч. конф. / КузГТУ, - Кемерово, 1997. – с. 12-13. 18. Аксенов В.В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок. – Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2004. - 264 с. 19. А.с. № 1008458 (СССР). Проходческий щитовой агрегат / Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В. – опубликовано в Б. И., 1983, № 12. 20. А.с. № 1647144 (СССР). Проходческий щитовой агрегат / Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Ткаченко А.Я., Аксенов В.В., Нагорный В.Д. – опубликовано в Б. И., 1991, № 17. 21. Горбунов В.Ф., Казанцев А.Г. Выбор и обоснование функционально-компановочной схемы винтоповоротной проходческой машины для проведения восстающих выработок // Борьба с авариями в шахтах / РосНИИГД. - Кемерово, 1995. – Вып. 14, - с. 92-103. 22. А.с. № 1167338 (СССР). Проходческий щитовой агрегат / Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Нагорный В.Д. – опубликовано в Б. И., 1985, №26. 23. А.с. № 1229354 (СССР). Проходческий щитовой агрегат / Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Ткаченко А.Я., Аксенов В.В., Нагорный В.Д. – опубликовано в Б. И., 1986, № 17. 24. А.с. № 1323531 (СССР). Проходческий щитовой агрегат / Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Нагорный В.Д. – опубликовано в Б. И., 1987, № 29. 25. Патент США № 5.072.992. Проходческий щитовой агрегат / В.Ф. Горбунов, А.Ф. Эллер, В.В. Аксенов, А.Я. Ткаченко, В.Д. Нагорный. – Патентная грамота от 17.12.91. 26. Горбунов В.Ф., Нагорный В.Д., Савельев Ю.П., Эллер А.Ф. Разработка и испытания вращающегося проходческого агрегата ЭЛАНГ // Шахтное стр-во. – 1985. - №6. – с. 8-11. 27. Горбунов В.Ф., Аксенов В.В., Эллер А.Ф. Разработка и шахтные испытания вращающегося проходческого агрегата ЭЛАНГ // Уголь. – 1989. - №2. – с. 33-34. 28. Горбунов В.Ф., Аксенов В.В., Нагорный В.Д., Скоморохов В.М., Проектирование и расчет проходческих комплексов. – Новосибирск: Наука, СО, 1987. – 192 с. 29. Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Бегляков В.Ю., Бурков П.В., Блащук М.Ю., Сапожкова А.В. Компоновочные решения машин проведения горных выработок на основе геовинчестерной технологии // Горный информационный аналитический бюллетень/ Москва, МГГУ, 2009 – №1. С. 251-259. 30. Патент на изобретение № 2418950 RU. Проходческий щитовой агрегат (геоход) / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, Тимофеев В.Ю., Бегляков В.Ю., Блащук М.Ю. Опубликовано 20.05.2011 Бюл. №14. 31. Аксенов В. В., Хорешок А. А., Ефременков А. Б., Казанцев А. А., Бегляков В. Ю., Вальтер А. В. Геоходы–основа создания нового геотехнологического инструментария для формирования подземного пространства и подземной робототехники//Перспективы инновационного развития угольных регионов России. – 2016. – С. 277-288. 32. Аксенов В. В., Хорешок А. А., Ефременков А. Б., Казанцев А. А., Бегляков В. Ю., Вальтер А. В. Создание нового инструментария для формирования подземного пространства//Горная техника. 2015. № 1 (15). С. 24-26. 33. Аксенов В.В., Бегляков В.Ю., Блащук М.Ю., Ефременков А.Б., Казанцев А.А., Хорешок А.А., Вальтер А.В. Геоход: задачи, характеристики, перспективы//Горное оборудование и электромеханика. 2016. № 8 (126). С. 3-8. 34. Аксенов В.В., Бегляков В.Ю., Казанцев А.А., Вальтер А.В., Ефременков А.Б. Опыт участия в проекте по организации высокотехнологичного производства//Горное оборудование и электромеханика. 2016. № 8 (126). С. 8-15. 35. Аксенов В.В., Бегляков В.Ю., Вальтер А.В., Ефременков А.Б., Казанцев А.А. Опыт участия Юргинского технологического института (филиала) НИ ТПУ в проекте по организации высокотехнологичного производства (ППРФ №218)//Технологии и материалы. 2016. № 2. С. 10-17. 36. Бунин В.И. Создание комплексов для проведения наклонных горных выработок. – Кемерово: Кузбассвузиздат, 1998. – 156 с. 37. Бунин В.И. Создание проходческих комплексов на принципе агрегатирования для проведения наклонных выработок. Дис. докт. техн. наук. – Кемерово, 1997. – 46 с. 38. Клорикьян В. Х., Ходош В. А. Проходческие щиты и комплексы. – М.: Недра, 1977, 326 с. 39. Бреннер В. А., Жабин А. Б., Щеголевский М. М., Поляков Ал. В., Поляков Ан. В. Щитовые проходческие комплексы: Учебное пособие. – М.: Издательство «Горная книга», Издательство МГУ, 2009. – 447 с.: ил. 40. Строительство подземных сооружений с помощью проходческих щитов / С.А. Маршак и др. – М.: Недра, 1967. – 384 с. 41. Эткин С.М., Симоненко В.М. Сооружение подземных выработок проходческими щитами. – М.: Недра, 1980. 304 с. 42. Логунцов В.М. Механизированные проходческие щиты. – М.: ВИНИТИ, 1971. 269 с. 43. Аксенов В.В., Костинец И.К., Бегляков В.Ю. Особенности работы внешнего движителя геохода//Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2013. № S6. С. 419-425 44. Аксёнов В. В., Костинец И. К., Бегляков В. Ю. Анализ применимости для геохода движителей существующих проходческих систем //Инновационные технологии в машиностроении: сборник трудов VII Международной научно-практической конференции, 19-21 мая 2016 г., Юрга.—Томск, 2016. – 2016. – С. 439-444. 45. Александров В. М., Чебаков М. И. Аналитические методы в контактных задачах теории упругости. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. – 304 с. 46. Фадеев А. Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987. –221 с. 47. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. – 236 с. 48. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987. – 315 с. 49. Победря Б.Е. Численные методы в теории упругости и пластичности. М.: Изд-во МГУ, 1995. – 298 с. 50. Рябенький В.С. Введение в вычислительную математику. М.: Физматлит, 2000. – 137 c 51. Годунов С.К. Разностные схемы. Введение в теорию. М.: Наука, 1973. – 387 c. 52. Александров В. М., Коваленко Е. В. Задачи механики сплошных сред со смешанными граничными условиями. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986.— 336 с. 53. Аксенов В. В., Дугина А. Ю. Обоснование необходимости разработки внешнего движителя геохода //Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2007. – №. 6. 54. Аксенов В. В., Ефременков А. Б., Сапожкова А. В. Обоснование необходимости разработки внешнего движителя геохода //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2010. – Т. 3. – №. 12. 55. Аксенов В.В., Костинец И.К., Бегляков В.Ю. Обоснование необходимости создания внешнего движителя геохода для проведения аварийно-спасательных выработок//Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2012. № S6. С. 110-114. 56. Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Бегляков В.Ю., Блащук М.Ю., Тимофеев В.Ю., Сапожкова А.В. Разработка требований к основным системам геохода//Горное оборудование и электромеханика. 2009. № 5. С. 3–7 57. Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе Разработка специальной технологии проходки аварийно-спасательных выработок в завалах при ликвидации техногенных катастроф // Государственный контракт от 10 августа 2007 г. № 78-ОПН-07п 58. Садовец, В.Ю. Структурная матрица геоходов / Аксенов В.В., Садовец В.Ю. / «Служение делу»: – Кемерово, - 2006. - С. 90-99. 59. Аксенов В. В., Садовец В. Ю., Резанова Е. В. Формирование фрагмента структурного портрета операции перемещения геохода //Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2008. – №. 5. – С. 8-12. 60. Аксенов В. В., Сапожкова А. В. Обзор методик определения основных параметров органов перемещения горных машин //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2011. – №. 2. – С. 16-23. 61. Аксёнов В.В., Сапожкова А.В., Резанова Е.В. Обзор методик определения основных параметров систем перемещения горных машин//Инновационные технологии и экономика в машиностроении Сборник трудов Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых. 2010. С. 502-506. 62. Бегляков В. Ю., Аксенов В. В., Казанцев А. А., Костинец И. К. Разработка законтурной опорно-движительной системы геоходов // Вестник КузГТУ. - 2017. - №6. - C. 176-181. 63. Аксенов В.В., Бегляков В.Ю., Казанцев А.А., Костинец И.К., Коперчук А.В. Классификация геометрических параметров внешнего движителя геохода //Горное оборудование и электромеханика. – 2016. – №. 8. – С. 33 39. 64. Ермаков А.Н., Аксенов В.В., Хорешок А.А., Ананьев К.А. Обзор существующих решений режущих исполнительных органов для формирования каналов за контурами выработки//Перспективы инновационного развития угольных регионов России Сборник трудов IV Международная научно-практическая конференция. 2014. С. 290-295. 65. Ермаков А.Н., Аксёнов В.В., Хорешок А.А., Ананьев К.А. Обоснование требований к исполнительным органам формирования законтурных каналов геохода//Вестн. КузГТУ. 2014. № 2. С. 5-7. 66. Ананьев К.А., Ермаков А.Н., Аксенов В.В., Хорешок А.А. Обзор существующих решений исполнительных органов для формирования каналов за контурами выработки//Горный информационно-аналитический бюллетень. -2014. -№ 12. -С. 20-24. 67. Галлагер, Р. Метод конечных элементов. Основы / Р. Галлагер. – М. : Мир,1984. – 428 с. 68. Алямовский А. А. SolidWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. – М.: ДМК Пресс, 2004. – 432 с.: ил. 69. Александров А. В., Потапов В. Д., Державин Б. П. Сопротивление материалов. 7-е изд. — М.: Высшая школа, 2009. — 560 с. 70. Моделирование напряженно-деформированного состояния породы, создаваемого воздействием на неё исполнительного органа горной машины/ Аксенов В.В., Ефременков Д.Б., Бегляков В.Ю. // Горный информационный аналитический бюллетень. Перспективы развития горно-транспортных машин и оборудования / Москва, МГГУ, 2011 – ОВ №5. с. . 71. Влияние суммарного воздействия исполнительных органов горных машин на напряжения в зоне действия отдельно взятого резца / Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Бегляков В.Ю. // Горный информационный аналитический бюллетень. Перспективы развития горно-транспортных машин и оборудования / Москва, МГГУ, 2011 – ОВ №5. с. . 72. Аксенов В.В., Хорешок А.А., Костинец И.К., Бегляков В.Ю. Зависимость напряжения в породе забоя от относительной инструментальной высоты уступа //Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2012. – №. 4 (92). С. 33-36. 73. Аксенов В.В., Хорешок А.А., Костинец И.К., Бегляков В.Ю. Влияние относительной инструментальной высоты уступа на напряжения в породе забоя //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2012. – №. 3. – С. 159-166. 74. Аксенов В. В., Костинец И. К., Бегляков В. Ю. Влияние угла наклона поверхности взаимодействия исполнительного органа геохода с породой забоя на её напряженно-деформированное состояние //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2012. – №. 2. – С. 30-36. 75. Аксенов В.В., Хорешок А.А., Костинец И.К., Бегляков В.Ю. Зависимость напряженно-деформированного состояния забоя от угла наклона поверхности взаимодействия исполнительного органа геохода с геосредой//Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2012. – №. 5 (93). С. 12-15. 76. Скоренко Т. Ввинчиваясь в грязь//Популярная механика. -2011. -№ 5 (103). -С. 56-59. 77. Антоненко С. В. Судовые движители. Учебное пособие. -" Издательство" Проспект"", 2015. 78. Остроухов С. Аэродинамика воздушных винтов и винтокольцевых движителей. -Litres, 2016. 79. Батрак Ю. А., Истомина С. В., Шестопал В. П. Определение гидродинамических нагрузок на винте в системе проектирования валопроводов ShaftDesigner. 80. Моделирование взаимодействия корпуса носителя геохода с геосредой/В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук//Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение/Москва, МГГУ, 2010 -ОВ №3. С. 41-48. 81. Блащук М.Ю., Дронов А.А., Михеев Д.А. Математическая модель для определения усилий, необходимых для перемещения геохода//Актуальные проблемы современного машиностроения: сборник трудов Международной научно-практической конференции/Юргинский технологический институт. -Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. -С. 134-139. 82. Aksenov V. V., Beglyakov V.Y., Kazantsev A.A., Doroshenko I.V. Development of Requirements for a Basic Standardized Mathematical Model of Geokhod //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – IOP Publishing, 2016. – Т. 127. – №. 1. – С. 012031. 83. Aksenov V. V., Beglyakov V.Y., Kazantsev A.A., Saprykin A.S. Substantiating Ways of Load Application When Modeling Interaction of a Multiincisal Mining Machine Actuator With Rocks //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – IOP Publishing, 2016. – Т. 127. – №. 1. – С. 012032. 84. Аксенов В. В., Бегляков В. Ю., Гановичев С. И. Обоснование необходимости разработки унифицированной математической модели геохода //Технологии и материалы. – 2015. – №. 3. – С. 9-13. 85. Sadovets V. Y., Beglyakov V. Y., Aksenov V. V. Development of math model of geokhod bladed working body interaction with geo-environment//IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015. Т. 91. С. 012085. 86. Создание нового вида щитовых проходческих агрегатов многоцелевого назначения – геоходов: Научно-технический отчет (промежуточ.) / ЮТИ ТПУ; Рук. В.В. Аксенов. № госрегистрации 01201374690. – Юрга, 2013. – 508 с.: ил. 87. Справочник горного инженера под общей редакцией докт. техн. наук роф. В. К. Бучнева. М., Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу. 88. Стренг Г. Линейная алгебра и ее применения. М.: Мир. 1980. 89. Каханер Д., Моулер К., Нэш С. Численные методы и программное обеспечение. М.: Мир. 1998. 90. Стрижов В. В. Методы индуктивного порождения регрессионных моделей. М.: ВЦ РАН. 2008. 55 с. 91. В.В. Аксенов, А.А. Хорешок, К.А. Ананьев, А.Н. Ермаков Определение силовых и кинематических параметров исполнительных органов геохода методом имитационного моделирования//Вестник КузГТУ. 2016. № 1. С. 77-82. 92. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Синтез конструктивных решений исполнительных органов геоходов // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2010 – ОВ №3. С. 49-54. 93. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Синтез конструктивных решений исполнительных органов геоходов//В сборнике: Инновационные технологии и экономика в машиностроении Труды VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. 2009. С. 626-629. 94. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Разработка конструктивных решений исполнительных органов геоходов//Тр. Международной школы-семинар для магистрантов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти профессора Хорста Герольда (Университет им. Отто-фон-Герике, Магдебург, Германия) «Новые технологии, материалы и инновации в производстве». 26-30 июня 2009. г. Усть-Каменогорск, Казахстан.. -Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2009. -С85-89. 95. Аксенов В.В., Ананьев К.А., Бегляков В.Ю. Использование параметров поверхности взаимодействия исполнительного органа геохода с породой забоя для формирования исходных данных к проектированию разрушающего модуля//Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2012. № 2. С. 56-62. 96. Бегляков В.Ю., Ефременков А.Б., Блащук М.Ю., Сапожкова А.В. Выбор рациональных геометрических параметров исполнительного органа геохода//В сборнике: Современные техника и технологии Труды 14 Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых. В 3 томах. 2008. С. 234 236. 97. Аксенов В.В., Бегляков В.Ю. Влияние относительного расстояния между уступами на НДС породы забоя//Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2012. № 7. С. 105-111. 98. Аксенов В.В., Хорешок А.А., Ананьев К.А., Ермаков А.Н. Разработка схемных решений исполнительных органов геоходов//Изв. вузов. Горный журнал. 2014. № 3. С. 73-76. 99. Ананьев, К.А. Создание исполнительного органа геохода для разрушения пород средней крепости: дис. ... канд. техн. наук: 05.05.06 / Ананьев Кирилл Алексеевич. – Кемерово, 2016. – 144 с. 100. Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Влияние уступа на НДС призабойной части горной выработки, при проходке геоходом. Тр. ХII межд. научно-практ. конф. «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности». Кемерово: ИУУ СО РАН, КузГТУ, ННЦ ГП – ИГД им. А.А. Скочинского, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь», 2010 – С. 216-224. 101. Бегляков В.Ю. Обоснование параметров поверхности взаимодействия исполнительных органов геоходов с породой забоя. Дис. канд. техн. Наук. -Кемерово, 2012. -139 с. 102. В.В. Аксенов, В.Ю. Садовец, Г.Д. Буялич, В.Ю. Бегляков Влияние уступа на НДС призабойной части горной выработки//Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). -2011. -Отд. вып. 2: Горное машиностроение. -С. 55-67.

1 ДВИЖИТЕЛИ ГОРНОПРОХОДЧЕСКИХ СИСТЕМ, МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВД И РАСЧЕТА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ПОРОДОЙ ЗАБОЯ 1.1 Анализ физико-механических свойств горных пород Кузнецкого бассейна Анализ физико-технических свойств горных пород показывает, что у всех без исключения горных пород предел прочности на одноосное сжатие значительно выше, чем на растяжение [1]. В таблице 1.1 приведены прочностные характеристики пород, преобладающих в угленосных районах Кузбасса, из которых видно, что предел прочности на одноосное сжатие от 8 до 30 раз превышает предел прочности на одноосное растяжение. Таблица 1.1 Физико-технические свойства горных пород Кузнецкого бассейна Порода МПа МПа Анжерский угленосный район, поле шахтоуправления "Сибирское" Алевролит мелкозернистый слабослоистый 77,1 9,2 8,38 Песчаник среднезернистый, массивный с преобладанием кварцево-карбонатного цемента 92 8,9 10,34 Песчаник мелкозернистый местами слабослоистый 87,6 7,2 12,17 Алевролит мелкозернистый трещиноватый 48 3,7 12,97 Алевролит мелкозернистый трещиноватый с преобладанием глинистого цемента 43 3,2 13,44 Алевролит крупнозернистый слоистый 59 3,8 15,53 Анжерский угленосный район, поле шахтоуправления "Физкультурник" Песчаник среднезернистый 72,3 5,8 12,47 Алевролит среднезернистый массивный 72,3 5,8 12,47 Алевролит крупнозернистый 47,4 3,2 14,81 Алевролит мелкозернистый, близкий к аргиллиту 39 2,3 16,96 Алевролит мелкозернистый, слоистый слаботрещиноватый 54,2 2,9 18,69 Анжерский угленосный район поле, шахты "Анжерская-Южная" Песчаник мелкозернистый, слабосцементированный с прослойками углистых веществ 6,8 0,8 8,50 Переслаивание слабосцементированного среднезернистого песчаника и алевролита 6,3 0,5 12,60 Алевролит темный, среднезернистый 74,6 2,9 25,72 Алевролит темно-серый, крупнозернистый 45,4 1,5 30,27 Кемеровский угленосный район, поле шахты "Бутовская" Аргиллит углистый 26 1,2 21,67 Кемеровский угленосный район, поле разреза "Новоколбинский" Аргиллит слабослоистый, темный (162 м) 30,7 3,4 9,03 Аргиллит слоистый, темный (298 м) 40,3 3,7 10,89 Распадское месторождение, поле шахты "Распадская" Конгломерат массивный, размер включений 5-6 мм 25,5 2,8 9,11 Конгломерат с включениями различных обломков 52,1 5,7 9,14 Гравелит разноцветный с включениями крупного гравия 73,3 5,5 13,33 Не вызывает сомнения, что несущая способность межвиткового целика при сжимающих напряжениях будет больше, чем при растягивающих. Это позволило сформулировать идею работы, которая заключается в том, чтобы, изменяя форму ОП, добиться смещения значений главных напряжений в породе приконтурного массива в сторону сжатия. 1.2 Существующие горнопроходческие системы (ГПС) На данный момент наибольшее распространение получили комбайновый и щитовой способы механизированной проходки горных выработок [2 13]. В настоящее время получает развитие новый вид проходческого оборудования – геоходы [14 35]. 1.2.1 Проходческие комбайны Отличительной особенностью проходческих комбайнов является расположение рабочего оборудования (исполнительный орган, погрузочные и транспортирующие устройства) на ходовом оборудовании (обычно гусеничного типа) и совмещение операций по разрушению породы, уборке, погрузке и транспортированию горной массы в пределах машины. По типу ходового оборудования различают проходческие комбайны на гусеничном ходу (рис. 1.1), шагающие (рис. 1.2) и распорно-шагающие (рис. 1.3, 1.4). а б а – непрерывного действия с роторным исполнительным органом, б – циклического действия с исполнительным органом избирательного типа Рисунок 1.1 – Проходческие комбайны с гусеничным ходовым оборудованием Рисунок 1.2 – Проходческий комбайн ШБМ-2 с шагающим ходовым оборудованием Рисунок 1.3 – Схема распорно-шагающего ходового оборудования а б а – стволопроходческий комбайн, б – стволопроходческий агрегат Рисунок 1.4 – Стволопроходческие системы Проходческие комбайны с гусеничным, шагающим и распорно-шагающим ходовым оборудованием не обладают универсальностью в части ориентации выработки в массиве [36, 37]. 1.2.2 Проходческие щиты Основной отличительной особенностью щитовых проходческих систем является расположение рабочего оборудования внутри временной передвижной крепи, что позволяет осуществлять проходку в сложных горно-геологических условиях [13, 38 42]. Для создания напорных усилий и перемещения щитов на забой наибольшее распространение получили распонно-шагающие ходовые механизмы (рис. 1.5), ходовое оборудование с упором в постоянную крепь (рис. 1.6) и гусеничное ходовое оборудование. Щитовые комплексы с гусеничным ходовым оборудованием обычно включают в себя проходческий комбайн на гусеничной ходовой тележке, работающий под защитой временной крепи щита. Рисунок 1.5 – Проходческий щит с распорно-шагающим ходовым оборудованием Рисунок 1.6 – Проходческий щит с ходовым оборудованием с упором в постоянную крепь Как и комбайны, проходческие щиты не обладают универсальностью в части ориентации выработки в пространстве. 1.2.3 Геоходы Геоходы – это новый класс проходческих систем, отличительной особенностью которых является использование приконтурного массива горных пород для восприятия реактивных сил от технологических операций и создания напорного и тягового усилий. Для этого в геоходах введена дополнительная технологическая операция – формирование законтурных каналов, что позволяет им вести проходку при любых углах наклона выработки [14 16]. Организующим началом геоходов является принцип ввинчивания в геосреду. На данное время изготовлено два экспериментальных образца геоходов: «ЭЛАНГ-3» (рис. 1.7 а) и «ЭЛАНГ-4» (рис. 1.7 б). «ЭЛАНГ-3» прошел шахтные испытания, «ЭЛАНГ-4» – стендовые. При испытаниях первых образцов геоходов доказана их принципиальная работоспособность. а б а – «ЭЛАНГ-3» с ножевым ИО, б – «ЭЛАНГ-4» с барабанным ИО с резцами Рисунок 1.7 – Экспериментальные образцы первых геоходов На рисунке 1.8 показана конструкция геохода «ЭЛАНГ-3», который состоит из трех секций с винтовыми лопастями, перемещение геохода осуществляется пошагово за счет поочередного поворота секций. При повороте одной из секций две другие фиксируются за счет распорных элементов. Этим обеспечивается опора для передачи крутящего момента привода вращения и восприятия других технологических усилий. Геоход «ЭЛАНГ-3» оснащен ножевым ИО и предназначен для проходки по породам с коэффициентом крепости до f = 1 по шкале профессора М.М. Протодьяконова. На рисунке 1.9 показана конструкция геохода «ЭЛАНГ-4», который состоит из двух секций: одна (головная) является корпусом движителя и оборудована винтовой лопастью, другая (хвостовая) стабилизирующая и оборудована элементами противовращения, перемещение геохода осуществляется за счет вращения головной секции. Геоход «ЭЛАНГ-4» оснащен барабанным ИО с резцами и предназначен для проходки по породам с коэффициентом крепости до f = 5 по шкале профессора М.М. Протодьяконова. Рисунок 1.8 – Принципиальная схема геохода «ЭЛАНГ-3» Рисунок 1.9 – Принципиальная схема геохода «ЭЛАНГ-4» Направление усилия, развиваемого винтовой лопастью внешнего движителя геохода (ВД ГХ) геохода (рис. 1.10), почти совпадает с направлением развиваемых полезных усилий (тягового и напорного). – силы трения оболочек секций о породу, – нормальная сила на лопасти ВД, – сила трения лопасти ВД о породу, – сила лобового сопротивления, – момент, развиваемый трансмиссией Рисунок 1.10 – Схема приложения сил к внешнему движителю геохода Принцип работы ВД ГХ обеспечивает ряд преимуществ перед традиционными ходовыми системами горных машин: – в отличие от гусеничного ходового оборудования ВД ГХ не использует вес машины для формирования полезного усилия, что побуждает к снижению металлоемкости машины; – в отличие от распорно-шагаюших механизмов ВД ГХ не использует сил трения, силы взаимодействия с геосредой близки по значению с развиваемым полезным усилием, ВД ГХ оказывае значительно меньшее воздействие на стенки выработки, что обеспечивает дополнительные возможности по снижению металлоемкости машины и позволяет расширить область применения геоходов; – в отличие от упора в постоянную крепь ВД ГХ может работать непрерывно и независимо от крепи, что позволяет использовать любую приемлемую для горных условий крепь, варьировать способы крепления и т.п. Доказано: – принципы взаимодействия существующих ГПС (комбайны и щиты) с горным массивом накладывают ограничения на величину и направление развиваемых тяговых и напорных усилий, в результате существующие ГПС не обладают универсальностью в части ориентации выработки в пространстве; – принцип взаимодействия геоходов с горным массивом, заключающийся в использовании приконтурного массива горных пород, не накладывает ограничений на величину и направление развиваемых тяговых и напорных усилий и обеспечивает универсальность в части ориентации выработки в пространстве. 1.3 Движители серийных ГПС, способы и поверхности взаимодействия движителей с геосредой 1.3.1 Классификация движителей по отличительным признакам По определению движитель – устройство, преобразующее энергию двигателя, либо внешнего источника, через взаимодействие со средой, в полезную работу по перемещению транспортного средства. Является частью машин. В рамках работы предлагается выделить следующие актуальные характерные признаки, по которым можно классифицировать движители: – конструктивное исполнение; – способ взаимодействия с геосредой; – расположение относительно выработки; – способ формирования усилия взаимодействия; – ориентация усилий взаимодействия; – режим работы. По мере накопления информации список признаков можно развивать. По конструктивному исполнению различают колесные, гусеничные , рельсовые, шагающие, комбинированные и др. По способу взаимодействия со средой (если исключить реактивные сопла) движители можно условно разделить на два основных типа [43]: 1) работающие на границе раздела твердой и подвижной (жидкой, газообразной сыпучей и др.) сред; 2) работающие «внутри» среды, т.е. окруженные средой и использующие физические свойства среды. По расположению относительно выработки движители можно условно разделить на: 1) внутренние – расположенные в пределах (внутри) контура выработки; 2) внешние – расположенные за пределами контура выработки. По способу формирования усилий взаимодействия движители можно условно разделить на: 1) использующие гравитацию (вес машины); 2) не использующие вес машины (гравитацию). По ориентации усилий взаимодействия движители можно условно разделить на: 1) с продольным направлением, когда вектор силы нормального взаимодействия направлен коллинеарно или с незначительным отклонением от направления движения и полезного усилия; 2) с поперечным направлением, когда вектор силы нормального взаимодействия направлен перпендикулярно или с незначительным отклонением от перпендикулярности по отношению к направлению движения и полезного усилия. По режиму работы движители можно условно разделить на: 1) непрерывного действия; 2) циклического действия; 3) циклического действия с возможностью реализации непрерывного режима. 1.3.2 Существующие движители ГПС и их классификация В настоящее время для механизированной проходки подземных горных выработок широкое распространение получили ГПС с различными типами движителей, среди которых можно выделить основные [36, 37]: – гусеничные; – шагающие; – распорно-шагающие; – с упором в постоянную крепь. 1.3.3 Гусеничные движители Гусеничное ходовое оборудование (рис. 1.1, 1.11) обеспечивает высокую маневренность и мобильность проходческого комбайна. Наибольшее распространение получили двухгусеничные тележки с многоопорными гусеницами. Рисунок 1.11 – Гусеничный движитель Недостатком гусеничного ходового оборудования является то, что развиваемые напорное и тяговое усилия напрямую зависят от веса машины и коэффициента трения, а поэтому, вес машины должен быть значительно больше развиваемых усилий. Тоже относится и к устойчивости комбайна от опрокидывания. Вовлечение веса в формирование тягового и напорного усилий накладывает жесткие ограничения на область применения по углу наклона выработки. Это приводит к росту металлоемкости машин и повышению требований к энерговооруженности. О чем свидетельствуют приведенные в таблице 1.2 характеристики проходческих комбайнов. Таблица 1.2 – Основные характеристики проходческих комбайнов со стреловидным ИО Классы комбайнов Масса (т) Мощнасть привода исполнительного органа (кВт) Установленная мощнасть (кВт) (МПа) Сечение выработки (м2) Легкие До 20–25 До 60–80 До 100–120 До 70–80 До 20–25 Средние До 35–50 До 100–160 До 160–220 До 100–110 До 35 Тяжелые До 100–110 До 300–400 До 500–660 До 140–150 До 40–45 Масса отдельных проходческих комбайнов со стреловидным ИО доходит до 130 т и более, мощность привода ИО до 560 кВт, а установленная мощность до 1000 кВт. Масса комбайнов непрерывного действия доходит до 270 т, а установленная мощность – до 2000 кВт. С ростом нагрузок на исполнительном органе острее встает проблема обеспечения устойчивости комбайнов. Повышения устойчивости без увеличения веса добиваются за счет опирания комбайна на носок стола питателя погрузочного устройства и применения домкратов-аутригеров, но это возможно только при циклической подаче комбайна на забой. Гусеничные движители работают на границе раздела твердой и газообразной сред, т.е. по признаку «способ взаимодействия со средой» относятся к первому типу. Существующие гусеничные движители располагают внутри выработки, поэтому по признаку «расположение относительно выработки» они относятся к внутренним движителям. В принципе можно представить гусеничный движитель, работающий в законтурном канале, но, в силу значительных размеров гусеничных тележек, сечение таких законтурных каналов будет соизмеримо с сечением основной выработки. Все серийные гусеничные тележки несут на себе вес машины, т.е. непосредственно используют гравитацию для формирования усилий взаимодействия. Применение гусеничных движителей побуждает к наращиванию металлоемкости машины. Известны схемные решения гусеничных движителей, работающих враспор (рис. 1.12), такие схемы исключают вес из формирования тягового усилия. Но в этом случае гравитация будет играть отрицательную роль, и, учитывая значительную массивность гусеничного ходового оборудования, использование таких схем позволит исключить опрокидывание, но обеспечить универсальность в части углов наклона проводимых выработок будет весьма затратно. Рисунок 1.12 – Гусеничный движитель, работающий в распор стенок выработки У гусеничных движителей вектор сил взаимодействия складывается в основном из сил нормального взаимодействия – веса машины или распорных усилий, нормальные силы направлены перпендикулярно к направлению движения, в результате нагрузки на механизмы ходового оборудования и на стенки выработки значительно превышают развиваемые полезные усилия. В принцип действия гусеничных движителей не заложена цикличность, поэтому по признаку «режим работы» они относятся к движителям непрерывного действия. Непрерывный режим работы реализуется в комбайнах с исполнительными органами бурового типа, но также гусеничными движители оборудуются комбайны с исполнительными органами избирательного действия. В этих случаях режим работы комбайна циклический, и возможность реализации непрерывного режима работы движителя востребована только при перемещении комбайна между выработками. 1.3.4 Шагающие движители Шагающее ходовое оборудование (рис. 1.2) обеспечивает лучшую, по сравнению с гусеничным, устойчивость, но уступает ему по маневренности. Усилия, развиваемые шагающим ходовым оборудованием, также как и у гусеничного, напрямую зависят от веса комбайна, что обуславливает те же недостатки. Все существующие шагающие движители проходческих машин работают на границе раздела сред и по признаку «способ взаимодействия со средой» относятся к первому типу. Существующие шагающие движители работают внутри выработки, поэтому по признаку «расположение относительно выработки» они относятся к внутренним движителям. Все серийные шагающие ходовые механизмы несут на себе вес машины, т.е. непосредственно используют гравитацию для формирования тяговых и напорных усилий. Поэтому, не смотря на то, что шагающее ходовое оборудование обычно легче гусеничного, применение шагающих движителей побуждает к наращиванию общей металлоемкости машины. В связи с тем, что существующие шагающие движители проходческих машин работают на границе раздела твердой и газообразной сред, вектор сил взаимодействия, как и у гусеничных, складывается в основном из веса машины, нормальные силы направлены перпендикулярно к направлению движения, в результате нагрузки на механизмы ходового оборудования и на стенки выработки значительно превышают развиваемые полезные усилия. В принцип действия шагающих движителей заложена цикличность, но обычно в шагающем ходовом оборудовании используют несколько (2…4) шагающих движителей, совместная работа которых позволяет организовать непрерывное перемещение, поэтому по признаку «режим работы» они относятся к движителям непрерывного действия. Непрерывный режим работы реализуется в комбайнах с исполнительными органами бурового типа, но также гусеничными движители оборудуются комбайны с исполнительными органами избирательного действия. В этих случаях режим работы комбайна циклический, и возможность реализации непрерывного режима работы движителя востребована только при перемещении комбайна между выработками. 1.3.5 Распорно-шагающие При работе по крепким породам требуются большие напорные усилия, в этих случаях применяется распорно-шагающее гидравлическое ходовое оборудование (рис. 1.3), которое является ходовым оборудованием цикличного действия. Также распорно-шагающее оборудование применяется для перемещения стволопроходческих комбайнов (рис. 1.4). Распорно-шагающие ходовые механизмы, в отличие от гусеничных и шагающих, не используют вес машины для создания напорных и тяговых усилий, но их действие также основано на использовании сил трения на границе раздела сред. Поэтому механизмы распорно-шагающего ходового оборудования должны развивать внутренние усилия и оказывать воздействия на стенки выработки, значительно превышающие полезные напорное и тяговое усилия [43, 44]. Что накладывает ограничения на область применения по крепости пород и на возможные напорные усилия на исполнительном органе. Все существующие распорно-шагающие движители проходческих машин работают на границе раздела сред и по признаку «способ взаимодействия со средой» относятся к первому типу. Существующие распорно-шагающие движители работают внутри выработки, поэтому по признаку «расположение относительно выработки» они относятся к внутренним движителям. В принцип действия распорно-шагающих движителей заложена цикличность, поэтому по признаку «режим работы» они относятся к движителям циклического действия. 1.3.6 С упором в постоянную крепь Ходовое оборудование, использующее упор в постоянную крепь, может работать только циклично, предъявляет особые требования к конструкции крепи, имеет весьма ограниченную область применения, это связано с невозможностью работы отдельно от крепи. 1.4 Внешние движители геоходов На экспериментальных образцах геоходов «ЭЛАННГ-3» и «ЭЛАНГ-4» были применены ВД с однозаходной винтовой лопастью (рис. 1.16), протяженность которых составляла 6 витков у «ЭЛАНГ 3» (рис. 1.13 а) и 2,5 витка у «ЭЛАНГ 4» (рис. 1.13 б). Стендовые и шахтные испытания геоходов «Эланнг-3» и «Эланг-4» позволили выявить специфические особенности работы их ВД. Многовитковые и однозаходные ВД геоходов «ЭЛАННГ 3» и «ЭЛАНГ 4» предназначались для движения в слабых породах с коэффициентом крепости f ? 1 по шкале профессора М.М. Протодьяконова. В работах [14 18] разработаны и систематизированы различные конструктивные решения ВД для геоходов, способных работать в различных условиях. Среди основных конструктивных признаков ВД геоходов выделены наиболее характерные: круговая длина лопасти, число заходов, наличие собственного исполнительного органа. а б а) ВД «ЭЛАНГ-3», б) ВД «ЭЛАНГ-4» Рисунок 1.13 – ВД экспериментальных образцов геоходов Основные конструктивные решения ВД геоходов приведены в таблице 1.3 Таблица 1.3 – Основные конструктивные решения ВД геоходов Схема Описание Однозаходная винтовая лопасть с охватом более 360°. Предназначен для работы в слабых и сыпучих породах. Многозаходная винтовая лопасть с суммарным охватом лопастей более 360°. Предназначен для работы в слабых и сыпучих породах. Внешний движитель с индивидуальным исполнительным органом. Перед лопастями ВД располагаются индивидуальные или групповые исполнительные органы. Многозаходный движитель пропеллерного типа. Короткие винтовые лопасти размещаются в разных винтовых каналах, число лопастей равно или кратно числу заходов винтовых каналов. При движении по крепким породам короткие лопасти обеспечивают «предсказуемое» расположение пятна контакта лопасти с геосредой. Наличие нескольких лопастей обеспечивает равномерность распределения тягового усилия, исключает перекос и заклинивание. Многозаходность винтовых каналов приводит к уменьшению мощности межвиткового целика, что ограничивает его несущую способность. Размещение лопастей в индивидуальных винтовых каналах позволяет расположить лопасти в одной фронтальной плоскости, что позволяет уменьшить осевую протяженность движителя. Однозаходный движитель пропеллерного типа. Короткие винтовые лопасти размещаются в однозаходном винтовом канале. При движении по крепким породам короткие лопасти обеспечивают «предсказуемое» расположение пятна контакта лопасти с геосредой. Наличие нескольких лопастей обеспечивает равномерность распределения тягового усилия, исключает перекос и заклинивание. Однозаходный винтовой канал обеспечивает максимальную несущую способность межвиткового целика, позволяет применять минимальные углы подъема винтовой линии. Самонарезающий внешний движитель. Винтовые лопасти с резцовым вооружением, формирующие законтурные каналы. 1.5 Существующие методы решения контактных задач Для определения параметров напряженно-деформированного состояния породы и элемента горной машины в области их взаимодействия приходится решать задачи контактных взаимодействий. Теоретические основы решения задач контактных взаимодействий упругих тел были заложены Ш. Кулоном в конце XVIII века [45]. Для определения напряжений в телах при их контактном взаимодействии применяют аналитические и численные методы. В виду сложности получения упругих решений контактные задачи обычно разбиваются на части, которые сводятся к решению простейших, уже решенных задач. При этом задача решается с применением ряда допущений и упрощений. Решение классических контактных задач методами математического моделирования получило развитие в конце XIX первой половине XX веков и описано в работах Герца (1881 г.), Буссинеска (1885 г.), Чаплыгина (1890 г.), Садовского (1928 г.) и др. А также эти исследования получили дальнейшее развитие в трудах В. М. Абрамова, Н. М. Беляева, Л. А. Галина, А. Н. Динника, А. Ю. Ишлинского, Н. А. Кильчевского, М. Я. Леонова, А. И. Лурье, В. И. Моссаковского, Н. И. Мусхелишвили, Д. И. Шермана, И. Я. Штаермана и других [45]. Аналитическим путем возможно решение ограниченного числа задач. Для решения задач с реальными граничными условиями, характерными для взаимодействия элемента горной машины с породой, аналитическое решений, как правило недостижимо [45, 46], или возможно, но при этом неизбежны значительные упрощения и «грубые» допущения, которые вносят значительные погрешности. Геометрические формы и физико-технические характеристики пород и элементов машин, участвующих во взаимодействии, часто оказываются весьма сложными, достаточно сложной будет и схема их силового взаимодействия. Поэтому неизбежны погрешности при решении и допущения при формулировке задачи на составление моделей. Физические характеристики геосреды, их значения и изменение по объему массива имеют вероятностный характер. То же можно сказать про схему приложения сил. Для решения реальных задач контактного взаимодействия горных машин с геосредой применяют численные методы [47 51]. Численные методы (разностные, итерационные, вариационные, асимптотический и др.) позволяют получать решения при сколь угодно сложных граничных условиях [52]. Метод конечных элементов (МКЭ) объединяет в себе возможности и преимущества основных численных методов. 1.5.1 Метод конечных элементов Теоретические основы МКЭ были разработаны советскими учеными в первой половине ХХ века. Суть метода конечных элементов при решении сложных задач контактного взаимодействия заключаться в разбиении объектов на плоские или объемные конечные элементы, приложении нагрузок и ограничений к элементам, расположенным на границе модели (задание граничных условий) и решении систем уравнений, описывающих взаимодействие элементов. Для реализации МУЭ необходимо составление и решение систем из сотен и даже тысяч уравнений, с таким же числом неизвестных. Поэтому из-за колоссальной трудоемкости в условиях отсутствия средств автоматизации вычислений МКЭ сначала не получил широкого распространения.