автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Моделирование процесса разрушения горных пород гидромеханическими резцами проходческих комбайнов и разработка метода расчета их нагруженности

РГЗ ОЛ

На правах рукописи

ХАРЛАМОВ Сергей Евгеньевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИМИ РЕЗЦАМИ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА Ш НАГРУЖЕННОСЩ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание учецо}| степени кандидата технических Нйук

ТУЛА 1998

Работа выполнена в Тульском государственном университете

Научный руководитель -докт. техн. наук, доц. А.Б.Жабин

Официальные оппоненты: докт. тевд. наук, проф. И.А.Кузьмич

канд. техн. наук, доц. Ю.Н.Казак

Ведущее предприятие ОАО «Скуратовский экспериментальный завода

Защита диссертации состоится « _<2=2_ 1998 г. р А

часов йа заседании диссертационного совете К рбЗ.47.04 при Тульском государственном университете по адресу; 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92, учебцый корпус 9, аудитория 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан » _1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кацл. техн, наук . О.Л|.11нскунов

ОКЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акзуальность работ. Эффективное использование проходческих ком-Заннов избирательного действия, составляющих подавляющее большинство тлрка проходческой техники в угольной промышленности, определяется об-хасгыо применения породоразрушающего инструмента. В связи с этим наиболее перспективным с точки зрения разрушения более крепких пород являйся использование в конструкциях их исполнительных органов гидромеханических резцов (ГМР), разрушающих забой по щелевой или бесщелевой :хемам.

Известно несколько схем компоновки ГМР. Все они по отношению к механическому разрушению обеспечивают значительные преимущества, зак-аючающиеся в уменьшении нагрузок, охлаждении режущего инструмента, снижении его износа, уменьшении пылеобразоваши и т.д.

Особое место среди них занимают ГМР, разрушающие забой по бесше-ггевой схеме: ГМР-1, а которых подвод воды высокого давления осуществляется через резец непосредственно в зону его контакта с массивом и ^МР-2, в которых высоконапорная струя воды располагается впереди резца (например, типа РКС) в непосредственной близости от него.

Если щелевая схема гидромеханического способа разрушения и бесщелевая с использованием ГМР-1 достаточно хорошо изучены, то работ, посвященных разрушению горных пород ГМР-2, насчитывается единицы. Физическая сущность процесса разрушения пород ГМР-2 не ясна. Отсутствуют соответствующие корректные математические модели, что не дает возможности однозначно и достоверно трактовать данные экспериментальных исследований различных авторов. Установленные закономерности по определению нагруженности ГМР-2 при разрушении горных пород носят фрагментарный характер, не учитывающий влияние некоторых основных факторов, и не касаются усилия подачи. Отсутствует методика расчета исполнительных органов проходческих комбайнов, оснащенных таким инструментом.

Все это сдерживает широкое практическое использование гидромеханических исполнительных органов, зребует дальнейшего развития исследований и определяет актуальность работы.

Работа выполнялась в рамках основного направления «Новые способы разрушения горных пород, технологии проведения горных выработок и бурения скважин» государственной научно-технической программы России «Прогрессивные технологии комплексного освоения топливно-энергетических ресурсов недр России» (ГНТПР «Недра России») совместно с ПГД им. А.А.Скочинского и фирмой «НИТЕП» (шифр темы 0143060000).

Цель работы. Установление закономерностей формирования нагрузок на ГМР-2 п разработка на этой основе методики их расчета, направленной

на повышение эффективности применения современны* проходческих ко1 банной избирательного действия.

Идея работы. Повышение эффективности разрушения горных поре достигается за счет использования в конструкциях исполнительных оргат проходческих комбайнов ГМР-2 с учетом закономерностей их вэаимодейс вия с массивом, выявленных путем математического моделирования проц« са гидромеханического резания.

Метод исследования - комплексный, включающий научный анализ обобщение опыта эксплуатации проходческих комбайнов с гидромеханич( кими исполнительными органами и результатов ранее выполненных раб по гидромеханическому разрушению горных пород; теоретические исслед вания на базе моделирования процесса разрушения массива ГМР-2 с испо/ зованием методов теории упругости, вариационного исчисления и механи разрушения; обработку данных численного эксперимента с применением л тодов теории вероятности и математической статистики, а также метод подобия и размерностей; сопоставление экспериментальных, расчетных теоретических данных.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- разработан метод теоретического описания процесса динамически иагружения массива высоконапорной струей воды, вызывающего появлел ь нем волнового поля напряжений и увеличивающего его трещиноватость микроуровне, что позволяет рассчитать характеристики его напряжет деформированного состояния;

• разработан метод оценки трещииопатости массива, основанный критерии прочности Кулона-Мора и позволяющий рассчитать степень ш режденности материала высоконапорной струей воды;

- разработана математическая модель процесса разрушения масс! ГМР-2, основанная на решениях задачи динамической теории упругости краевой задачи линейной механики разрушения и позволяющая раскрь механизм разрушения путем выявления закономерностей процесса развит трещины под действием резца в поврежденном высоконапорной струен во массиве;

- установлены закономерности формирования нагрузок на ГМР-: учетом глубины резания, гидравлических (давления воды и диаметра отве тня струеформирующей насадки) и конструктивных (расстояний от среза садки до поверхности массива и от оси струи воды до вершины керна рез параметров инструмента, а также прочности пород, обеспечивающие об нование силовых и энергетических показателей работы гидромеханичес: исполнительных органов.

Достоверность научных поло&ешш, выводов и рекомендаций подтве дается корректностью постановки задач; корректным использованием I

- э -

атемагическом моделировании процесса разрушения пассива ГМР-2 апро-1рованных методов теории упругости, вариационного исчисления и меха-íiKii разрушения; представительным объемом теоретических данных; кор-зктным применением методов теории вероятности и математической ста-'.стики, а также методов подобия и размерностей при обработке и анализе горетических данных; удовлетворительной сходимостью расчетных данных результатами экспериментов (отклонение не превышает 16 %) и теорети-' еских и экспериментальных исследований (отклонение составляет 18 %).

Научное значение работы заключается в установлении физической кар-нны процесса разрушения горных пород ГМР-2 и разработке метода расче-а их иагруженаости.

Практическое значение работы:

- разработан и реализован на персональном компьютере пакет расчет-ых программ по математическому моделированию процесса разрушения орных пород;

- получены расчетные зависимости для определения усилий резания и одачи, действующих на ГМР-2 при разрушении горных пород;

- разработана и реалпзопанл па персональном компьютере методика 'асчета исполшмельных органон с ГМР-2 ;иш проходческих комбайнов избирательного дп'к'пмт.

Реализации рсчулыимт p.iíwn.i. Пакет расчетных программ по матема-■цческому моделированию процесса разрушения массива ГМР-2 и «Методи-:а расчет режимных и геометрических параметров режущей коронки с "МР-2; силовых и энергетических показателей работы гидромеханического 1сполшпел|.ного органа и производительности проходческого комбайна из-¡нрптсльнога'действия» в полном об!.ег!е используются фирмой «НИТЕП» 1ри создании исполнительных органов с ГМР-2 и встроенным источником идравлической мощности для проходческих комбайнов.

Апребацня работы. Результаты исследований н оснозныз материалы щссертацнонной работы докладывались на ХХХ1-ХХХШ научно-техии-leciaix конференциях профессорско-преподавательского состава Тул.ьского государственного университета (г. Туля, 1993 - 1597 гг.), 1 Международной «окфереицин «Проблемы создания экологически чистых и ресуреосберегаю-дих технологии добычи полезных ископаемый и переработки отходов гор-шго производства» в ТулГУ (г. Тула, Í3C5 г.), научных семинарах ТулП/ j. Тула, 1995-1997 гг.), технических coserás фирмы "НИТЕП" (г. Тула, 13Э5 -1997 гг.).

Публикации. По результатам наполненных ксаитдоршип опублиго-ian,o 6 работ.

Cipyinypa н объем paftiri.!. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 109 страницах машинописного текста, со-

держит 28 рисунков, 21 таблицу, список использованной литературы из 19 наименований и 7 приложений.

Автор выражает благодарность научному консультанту канд-техт наук В.Г.Мерэлякоау за оказание помощи при проведении теоретически Исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ результатов исследований, выполненных Н.А.Артемьевьн К.Г.Асатуром, Л.И.Бароном, В.А.Бреннером, И.И.Дорошенко, А.Б.Жаб! ным, Л.Б.Глатманом, Ю.А.Гольдиным, Н.Н.Катагаровым, Ю.Г.Коняин ным, И.А.Кузьмичем, В.Г.Мерзляковым, М.М.Миллером, Г.П.Никоновьп К.М.Первовым, А.Е.Пущкаревым, М.М.Щеголевским и другими ученым позволил установить, что в отличие от щелевой схемы, главным недо татком которой является высокая энергоемкость процесса щелеобразовани и бесщелеаой с использованием ГМР-1 наименее изученным является вопр( о разрушении горных пород ГМР-2. В частности:

- не раскрыт механизм разрушения;

- отсутствуют корректные математические модели, адекватно опиа Бающие процесс разрушения пород;

- расчетные зависимости по определению нагружениостн не нос обобщающего хараетерл пли не установлены;

- некоторые результаты исследований (шляются противоречивыми.

Кроме то го, ннгяю опыта зксплупттшни проходчески?; комбайнов

гидромеханическими исполнительными органами, показал их значителыи преимущества по сравнению с машинами, исполнительные органы ¡сотор! оснащены традиционным инструментом, и позволил установить, что наиб лее рациональной схемой компоновки таких органов 'является схема, п которой источник гидравлической мощности размещается внутри режущ коронки. Однако в настоящее время отсутствует методика расчета испоят тельных органов с ГМР-2, выполненных по данной схеме.

На основании изложенного, а также в соответствии с целью рабо были поставлены следующие задачи исследований:

- разработать математическую модель процесса разрушения масс} ГМР-2 на осяоес современных представлений о разрушении материал! обеспечивающую раскрытие механизма разрушения н получение оспош! его характеристик;

- установить влшние глубины резания, гидравлических и конструкт) пых параметров инструмента, а тахйе прочности пород на силорые пока тела процесса разрушения;

- получить расчетные зависимости для определения нагрузок на

МР-2;

- для оценки адекватности математической модели реальному процессу ¿поставить результаты теоретических (в виде численных экспериментов) и кспериментальных Исследований по определению нагруженности ГМР-2;

- разработать методику расчета исполнительных органов с ГМР-2 для гроходческих комбайнов избирательного действия.

Основными факторами, определяющими процесс разрушения пород "МР-2, являются: параметры режима резания, характеризующиеся глубиной >езания Ь, шагом резания I; гидравлические параметры инструмента, [арактеризуюшиеся Давлением воды при выходе из насадки Рф и диаметром ¡тверстия струеформирующей насадки йо; конструктивные параметры инструмента, характеризующиеся расстояниями от среза насадки до поверхности пассива Ь и от оси струи воды до вершины керна резца хс; физико-техни-теские свойства пород.

В качестве основных критериев, характеризующих процесс разрушения пород ГМР-2, были приняты усилия резания Рж и подачи Р*, действующие м резец. ' ч

Важной особенностью рассматриваемого процесса разрушения массива ГМР-2 является то, что струя не нарезает щели в массиве, то есть ее воздействие целиком сводится к созданию некоего поля напряжений, способствующих более интенсивному росту трещины под действием резца. Детальный анализ схемы разрушения и решения задачи Фламана теории упругости о действии сосредоточенной силы на полуплоскость показал, что гипотеза о повышении эффективности процесса разрушения пород за счет совместного действия напряжений, создаваемых резцом и струей воды, не может считаться приемлемой, так как напряжения от действия струи везде оказываются сжимающими, что не способствует распространению трещины.

Для раскрытия Механизма разрушения массива ГМР-2 разработана математическая модель, расчетная схема которой представлена на рис. 1. Математическое моделирование осуществлялось в рамках методов механики разрушения и опиралось на теорию резания горных пород Г.П.Черепанова. Действие струи на массив можно моделировать как мгновенное приложение силы, остающейся в дальнейшем постоянной. Результатом такого воздействия является волновое поле напряжений в массиве. В точках массива, оказывающихся позади волнового фронта, возникают колебания и, как следствие, знакопеременные напряжения, Амплигуды этих колебаний с течением времени стремятся к нулю, а их средние значения - к величинам, определяемым статическим решением.

Качественную картину распределения напряжений можно представить следующим образом. В начальный момент у основания струи зарождается

Расчетная схема математической модели процесса разрушения массива

ГМР-2

волна напряжений, фронт которой распространяется со скоростью звук; горной породе. Материал за фронтом волны динамически деформируете уменьшающейся амплитудой, и в предельном случае бесконечно больцн времени в массиве устанавливается стационарное поле напряжений. Яс что наибольшие по модулю напряжения будут в окрестности волной! фронта. Поэтому приближенное решение задачи динамической тео{ упругости (точного решения этой задачи - так называемой задачи Лэмба, существует) должно давать как можно меньшую погрешность при опреде иии этих напряжений именно в этой зоне, то есть волновую асимптотику (где г - расстояние от основания струи до фронта волны).

Существенно здесь то, ч+о, во-первых, динамические напряжения з копеременны (то есть, сжатие чередуется с растяжением); во-вторых, гор( породы имеют высокие показатели прочности на сжатие и очень низкие -растяжение; в-третьих, интенсивность динамических напряжении значите но превосходит интенсивность статических. Поэтому волна напряжен проходя по массиву, может вызвать появление множества разрушении микроуровне. Это проявляется обычно в сетке микротрещин, которые дс ют породу более трещиноватой. Трещиноватость материала количестве!

ГМР-2 п струя воды(Ро^о)

Гш

Рис. 1.

щределяется некоторой функцией повреждения, представляющей собой «еру разупрочнения материала.

Продвижение макротрещины, образующейся в массиве под действием )еэца, будет происходить в поврежденном (ослабленном) материале при меньших нагрузках, действующих на резец, чем в материале, не подвергав-лемуся действию динамических напряжений. В этом н состоит, по-видимому, разрушающий эффект от действия высоконапорной струи воды.

При расчете динамических напряжений, возникающих в массиве от лруи воды, предполагаем, что массив представляет собой однородное изотропное упругое полупространство, а воздействие струи на массив является точечным. В некоторой точке поверхности к полупространству прикладывается по нормали сосредоточенная сила Р, изменяющаяся по закону P=Q H(t) (где Q - модуль силы давления водяной струи; t - время; H(t) -ступенчатая функция Хеаисайда).

Для получения приближенного решения, целью которого является определение функций перемещения ц и v в сферической системе координат в, г и <р используется метод Ритца-Канторовича. С помощью этих функций путем дифференцирования можно найти напряжения в любой точке Массива от действия высоконапорной струи воды.

Рассматриваемый приближенный метод заключается в выборе функций и и v в виде комбинации зависимостей: заданной от в и неизвестной от г и t. Далее из вариационного принципа Гамильтона получаются уравнения Эйлера-Лагранжа, представляющие собой уравнения в частных производных по координатам г и t от упомянутых неизвестны* функций, входящих в и и v. Эти уравнения с помощью преобразования Лапласа приводятся к системе обыкновенных дифференциальных уравнений, в которых аргументам Является г. В результате решения этой системы находятся зависимости изображений упомянутых функций от г. Переход ic оригиналам дает решение задачи, заключающееся в установлении максимальных напряжений в массиве, обусловленных динамическим действием струи »оды, которые определяются по формулам:

где И' - неизвестная константа. К' следует задавать, исходя из физических предпосылок. Легко видеть, что с ростом Н' напряжения (по модулю) уменьшаются. Это позволяет отождествлять константу Я' с радиусом струи воды. И действительно, чем более сконцентрирована струя, тем выше вызываемый ею разрушающий эффект.

о,

Методика оценки повреждаемости материала массива основывается иг критерии прочности Кулона-Мора, который записывается в виде

т в с - цо, (2)

где с, ц - прочностные константы материала.

В координатах сг, т выражение (2) представляет собой уравнение пря мой (рис. 2).

Точка М на плоскости »От изображает напряженное состояние в зле менте массива. Отклонение $« от этой точки до прямой (2) будем считать ме рой повреждаемости материала при динамическом нагружении массив: струей воды, а именно: если во > 0, то материал повреждается и его вязкосп разрушения уменьшается, то есть Точка М и начало координат лежат по раз йые стороны от прямой (2); если $« < 0, то повреждение отсутствует.

Величина 6о расчитывается по выражению

¡»о = стока + твЫа-р, (3)

где аир определяются формулами:

(4)

а = агс1д£; р = - г2-^ й VI + м

Изображение напряженного состояния массива от воздействия струн воды (точка М) И критерий Кулона-Мора Т '

Введем в рассмотрение функции повреждений ц/, которую удобно выб рать в форме

если

во > 0; у = 1, если зд < 0.

(5)

Здесь X - безразмерный параметр характеризующий интенсивность рост повреждений в зависимости от величи ны &о.

Функция ц/ связывает вязкость ра: рушения К1с неповрежденного мат« риала с вязкостью разрушения Кк поврежденного материала:

К1с* = уК1с. (6)

Далее с учетом результатов анализа математической модели процесс разрушения массива механическим резцом, предложенной Г.П.Черепанс выи, предполагаем:

- горный массив представляет собой линейно упругую изотропнут сплошную среду,

Рис. 2.

- поставленная задача рассматривается как плоская (Р*= £ КгН Р, = {Л», де Ш и Ку - величины соответствующих усилий, отнесенные к единице даш-1Ы по оси ОХ;

- усилие И! распределено равномерно по глубине резания, если Ь < I 0 -1лина образующей конусной поверхности керна резца) и по длине 1 в про-ивном случае, а усилие Иу распределено равномерно по длине 1 (см. рис. 1);

- разрушение инициируется ростом трещины, исходящей от основания 'ступа;

- развитие трещины происходит в поврежденном материале под дейст-щем резца.

В качестве основного показателя, характеризующего процесс разруше-шя массива ГМР-2 при моделировании, принята удельная сила сопротивле-шя резанию й, определяющаяся по формуле

К = (7)

Кроме того, вьщеляем в траектории трещины три участка ее роста (см. эис. 1): устойчивый (I), на котором рост трещины сопровождается увеличении нагрузки на ГМР-2; квазиустойчивый (П), на котором трещина растет три постоянной нагрузке, и неустойчивый (Ш), на котором трещина растет три уменьшающейся нагрузке. Рост трещины на первых двух участках будем считать квазистатическим. Участок Ш в данной модели не рассматривался.

Для ГМР-2 угол а (см. рис. 1), определяющий отношение усилий 11* и Ву, близок к углу установки резца и. Будем предполагать, что на всем протяжении роста трещины в пределах участков I и П угол а остается постоянным, иными словами «1а Ыл = 0, где а - длина трещины (см. рис. 1). В этом случае каждому значению а будет соответствовать вполне определенное значение И, зная которое можно вычислить К2 и Ну. Таким образом, для опреде-пения усилий, действующих на ГМР-2 со стороны массива, достаточно знания зависимости И = Ца). Максимум этой функции и является удельной силой сопротивления резанию.

Согласно линейной механике разрушения необходимым условием роста трещины является выполнение следующих соотношений:

К} + К|1 = К;», еслиК^О} (8)

|К11| + рК, = К'1с, еслиКкО, (9)

где Кт и Кц - коэффициенты интенсивности напряжений, характеризующие напряженное состояние в окрестности вершины трещины; ц - коэффициент трения.

Значения К( и Ки зависят от конфигурации и длины трещины, величины и распределения нагрузок Л* и Ну.

Учитывая, что распределенные нагрузки от резца Их/1 или ШЬ и Н,Л пропорциональны й, можно записать

где Кщ, Как * удельные коэффициенты интенсивности напряжений, вычисленные при К * I-

Подставляя соотношения (10) в формул (8) и (?), получим

Уравнения (1|) и (12) позволяют при известных значениях К» И Кпн вычислять значения Н, обеспечивающие продвижение вершины трещины.

Математическое моделирование процесса разрушения массива ГМР-2 основано на методе граничных элементов и предусматривает его компьютерную реализацию. Из первом этапе вычислений решается задача расчета напряженно-деформированного состояния горного массива от действия водяной струи- В результате ее рещения определяется функция повреждения ч< по формуле (5) в зависимости от координат I и у, а вязкость разрушения Находится с учетом повревденности материала по формуле (6). второй этап вычислений моделирует рост трещины. Этот рост в данной модели, вследствие применения численных методой решение, происходит дискретно. Не каждом шаге этого процесса трещина увеличивается на заданную (скоД! угодно малую) величину Дц (см. рис. 1). Направление роста трещины опреде ляется углом <р. Предварительно выбирается начальный угол наклона тре щнны (¡>в и определяется; соответствующая ему длина участка устойчивой роста трещины ао, траектория Которого принимается прямолинейной.

Значения коэффициентов интенсивности напряжений (см. формуль (Ю и (12)) на каждом шаге расчета находятся р результате рещения краево? задачи линейной механики разрушения для бесконечной области с гранич ными условиями, изображенной на рис. 1. Эта область конформно отобра жается на конечную область, контур которой не имеет особенности в вер ' шине треЦшщл. Далее решается известное граничное интегральное уравне нис относительно комплексной функции у<0, после чего вычисляются К» 1 Кпв по формуле

где - 1 = 7-1; у(-1) - значения функции комплексного переменного у(1) пр Iя -1; I - комплексная координата точки контура конечной области.

Исходными данными для выполнения расчетов по модели являются: 1 Ре, {Ъ, Ь, X«, а, 1, К1с, Аа, н, а также пределы прочности на одноосное сжате с*« и растяжение а, В результате расчетов получаем начальный утол накл< ¡¡а трещины фа, траекторию трещины, усилие Н в зависимости от длины тр> шины а (см. рис. 1).

= если В*,„2*0} + если »|С,в<0?

<Ц)

(12)

(13)

Таким образом, разработанная математическая модель позволяет выявить закономерности процесса развития трещины в поврежденном от действия высоконапорной струи воды массиве и определить нагруженность ГМР-2 для различных условий.

В процессе теоретических исследований было выполнено шесть серий численных экспериментов, исходные данные которых представлены в табл I. Значения остальных исходных данных составляли: I = 8,5 мм (для керна диаметром 12 мм с углом заострения 90°); Да = 0,5 мм, ц = 0,22 и а = 45°.

Таблица 1

Исходные данные при выполнении расчетов по модели

N h, Р», do, L, Хе. Спи, Kic,

серии мм МПа мм мм ММ МПа МПа H/mmw

1 5-23 100 1,0 30 2 38 3,8 24

2 15 20-120 1,6 40 5 42 4,2 31

3 10 120 0,6-1,6 40 5 57 5,? 64

4 № 120 1,0 30-60 5 57 5,7 64

5 10 100 1,0 30 0-30 38 3,8 24

6 15 100 1,6 40 5 38-64 3,8 - 6,4 24-84

Результаты теоретических исследований сводятся к следующему. С увеличением h значения фо возрастают от отрицательных (трещина растет в глубь массива) да положительных (трещина направлена в сторону верхней поверхности массива), а увеличивается, а а» остается практически постоянной. При этом показано, что R увеличивается в 17 раз (с 8,3 до 143 Н/мм).

При увеличении Ро И диаметра отверстия насадки ао и а уменьшаются, причем более интенсивно при возрастании do, а фо не изменяется. Кроме того, установлено, что Ро и do оказывают существенное влияние на величину R. Увеличение Рои do приводит к снижению усилия R с 220 до 49,2 Н/мм и с 326 до 87,3 Н/мм, или в 4,4 и 3,7 раза соответственно.

Выявлено, что с увеличением расстояния от среза насадки до поверхности массива длина участка устойчивого роста трещины и начальный угол ее наклона остаются постоянными, а длина трещины незначительно увеличивается. При этом возрастание L приводит к повышению усилия R на 25 %.

С увеличением хс значения ао и а значительно возрастают: в 3,5 и 2,3 раза соответственно, а значения фо уменьшаются от положительных до отрицательных. При этом установлено, что повышение расстояния от оси струи воды до вершины керна резца вначале приводит к незначительному уменьшению усилия R, минимум которого достигается при хс = 2 мм, а потом - к ее увеличению с 45 до 147 Н/мм, или в 3,3 раза.

С возрастанием предела прочности пород на одноосное сжатие значения в«, в и <рв не изменяются. Показано, что с ростом (т<* усилие Я увеличиваете« в 7 раз (с 43,5 до 301 Н/мм)-.

Для получения расчетной формулы удельно!) силы сопротивления резанию К в зависимости от влияющих факторов были проведены численные эксперименты, которые обрабатывались с помощью методов подобия и размерностей и множественного регрессионного анализа.

Функциональная зависимость между усилием К и влияющими факторами может бьггь представлена в следующем общем виде:

где Н«гх - удельная сила сопротивления резанию при механическом раз рушении; РЧ - осевое динамическое давление струи воды на расстоянии Ь от среза нйсадки, величина которого определяется по известной зависимости.

Применив методы подобия и размерностей и воспользовавшись трем) первичными единицами измерения массы, расстояния и времени с масшта бами М; Ь; Т, можно записать выражение (14) » безразмерном виде

В результате обработки данных- численных экспериментов в соответст вин с выражением (15) и с учетом того, что Р, = К t coso и Р, и R t sina, i Rwn~Pi**Jt cosa или R«a=P> иalt riña, получены расчетные зависимости да определения усилий резания и подачи (в Н) при разрушении пород ГМР-2;

Р, « Р. „[б,6042 - 5,768^- + 0,277^-j) (16)

Р, - Р, ¡0,6042 - 5,768^1 + 0¿77M (17)

V- °<*h V

где РсиехИ РГн« • соответственно усилия резания и подачи при механическо» разрушении, вычисленные по известным формулам ОСТа 12,44.197-81.

Коэффициент вариации экспериментальных данных относительно рас четных по формулам (16) и (17) не превышает 16%,

Моделирование процесса разрушения горных пород ГМР-2 потребовг до, как обычно это принято, некоторой идеализации, т.е. введения ряд предположений. Поэтому наиболее правильным в таком случае являете сравнение результатов теоретических исследований, выполненных по мод< ли, с закономерностями процесса разрушения пород ГМР-2, установлю цыми экспериментально, и таким образом оценка адекватности этой модел реальному процессу.

Сопоставление результатов теоретических я экспериментальных исследований показало, что разработанная математическая модель раскрывает механизм и адекватно описывает процесс разрушения массива ГМР-2. Об этом свидетельствует удовлетворительная сходимость теоретических и экспериментальных данных (наибольшее отклонение составило 18 %). Кроме того, модель пригодна для анализа и прогноза нагруженности ГМР-2 при разрушении пород различной прочности.

На основании результатов исследований разработана методика расчета гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов избирательного действия, по которой составлен пакет расчетных программ для персонального компьютера и выполнен расчет исполнительного органа с ГМР-2 и встроенным источником гидравлической мощности для проходческого комбайна 1ГПКС. Расчеты показали, что комбайн 1ГПКС с гидромеханическим исполнительным органом обеспечивает разрушение пород с асш - 87 МПа, имея при этом производительность От - 0,2 м3/мин. Кроме того, комбайн 1ГПКС с таким исполнительным органом при разрушении пород с со» = 70 МПа, обеспечивает производительность От = 0,31 м3/мин, что в 1,4 раза больше, чем производительность комбайна 1ГПКС при механическом разрушении. На основании этих расчетов был спроектирован и Изготовлен гидромеханический исполнительный орган для комбайна 1ГПКС. Б результате проведенных стендовых испытаний подтверждена работоспособность и установлена эффективность такого исполнительного органа по сравнению с механическим. При этом средняя техническая производительность составила 0,26 м}/шш при разрушении пород с ого»» 80 МПа.

Пакет расчетных программ по математическому моделированию процесса разрушения массива ГМР-2 и «Методика расчета режимных и геометрических параметров режущей коронки с ГМР-2; силовых и энергетических показателей работы гидромеханического исполнительного органа и производительности проходческого комбайна избирательного действия» в полном объеме используются фирмой «НИТЕП» при создании исполнительных ор- ! Ганоп с ГМР-2 и встроенным источшПсам гидравлической мощности для проходческих комбаййов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является законченной научной кзалифн- ' кационной работой, в которой на базе выполненных антором теоретических исследованиий содержится Новое решение актуальной задачи установления : закономерностей формирования нагрузок на- ГМР-2 путем математического моделирования процесса гидромеханического резания И разработки на этой основе методики их расчпа, направленной на повышение эффективности

применения современных проходческих комбайнов избирательного действия, что имеет большое практическое значение для горной промышленности.

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

1. Показано, что гипотеза о повышении эффективности процесса разрушения пород ГМР-2 за счет сопмесгцого действия напряжений, создаваемых резцом и струен воды, не может считаться приемлемой.

2. Разработана математическая модель процесса разрушения горных пород ГМР-2, позволяющая выявить закономерности процесса развития трещины в массиве под действием резца с учетом влияния высоконапорной струи воды и обеспечивающая определение нагруженности инструмента для различных условий.

3. Установлено, что при разрушении горных пород ГМР-2 давление воды перед насадкой, диаметр отверстия струеформирующей насадки, глубина резания, рассголшп; от оси струи воды до вершины керна резца и от среза Насадки до поверхности массива, а также предел прочности пород па одноосное сжатие оказывают существенное влияние на нагруженность инструмента. При эгом обнаружено, что с увеличением Ро и (Ь нагруженность инструмента уменьшается, а с увеличением 1а, Ь и ас® - ¡юзрастаст. Увеличение расстояния 'Ас вначале приводит к незначительному уменьшению, а потом к возрастанию нагрузок. С учетом всех перечисленных факторов и с помощь«: методов подобия и размерностей получены расчетные зависимости для определения усилий резания и подачи, действующих на ГМР-2.

4. Разработанная математическая модель адекватно описывает процесс и раскрывает механизм разрушения массива ГМР-2, основные положение которого заключаются б следующем:

- струя воды высокого давления, действуя на массив, создаст в нем пол« динамических напряжений, фронт которых,зарождаясь в начальный момеш у основания струи, распространяется со скоростью звука в горной породе;

- материал за фронтом волны динамически деформируется и волн; напряжении, проходя по массиву, повреждает (ослабляет) его, увеличим; концентрацию мнхродефсктов и микроразрушег.ий;

- разрушение инициируется ростам трещины, исходящей от оснозашп уступа, в который упирается резьц;

- развитие трещины происходит а поаре>:данном массиве под денег вне; : механического резца.

5. Разработана «Методика расчета режимных и геометрических пара .-¡строя режущей ::орснки с ГМГ-2; с:шо&ых и энергетических нокаттеле! ^¿ини гндромгханнческого исполнительного органа и производитель»)осп ¡фохоцчтг-иозо комбайна избирательною действия)/, хот орал пршша фир

мой «НИТЕП» и использована при разработке гидромеханического исполнительного органа с встроенным источником гидравлической мощности для проходческого комбайна 1ГПКС.

б. Показано, что оснащение проходческих комбайнов исполнительным органом с ГМР-2 и встроенным источником гидравлической мощности позволяет повысить производительность по разрушению пород или расширить область их эффективного применения на более прочные породы.

Основные положения диссертации опубликованы п следующих работах:

1. Жабин А.Б., Катагаров H.H., Миллер М.М., Харламов С.Е. Влияние давления воды на усилия резания и подачи при разрушении горных пород гидромеханическим резцом//Механизация и комплексная автоматизация горных работ на шахтах. Тула, 1994. С. 22-26.

2. Аверин В.В., Пушкарев А.Е., Харламов С.Е. Расчет нагруженное™ гидромеханического инструмента//Механизация и комплексная автоматизация горных работ на шахтах. Тула, 1995. С. 17-22.

3. Жабин А.Б., Катагаров H.H., Пронин О.В., Харламов С.Е. Влияние параметров стружки на показатели процесса разрушения горных пород в зависимости от угла установки гидромеханического резца//Механизация и комплексная автоматизация горных работ на шахтах. Тула, 1995. С. 27-35.

4. Жабин А.Б., Лавит И.М., Харламов С.Е. Теоретические исследования разрушения массива гидромеханическим резцом по схеме "струя через резец'У/Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства /Тез. докл. 1-я Мезд. конф. - Тула, 1996. С. 160.

5. Жабин А.Б., Лавит И.М., Харламов С.Е. Определение расчетных зависимостей для усилий резания и подачи при разрушении горных пород гидромеханическими резцами, выполненными по схеме "струя через резец" //Механизация и комплексная автоматизация горных работ на шахтах. Тула, 1997. С. 46-52.

6. Жабин А.Б., Мерзляков В.Г., Лавит И.М., Харламов С.Е. Особенности математического моделирования процесса гидромеханического разрушения горных пород по схеме "струя перед резцом" //Прикладные задачи газодинамики и механики. Тула. 1997.