автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование конструктивных параметров и режимов работы исполнительного органа управляемой прокалывающей установки

5~(?

На правах рукописи

I '

Рогачев Алексей Александрович

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА УПРАВЛЯЕМОЙ ПРОКАЛЫВАЮЩЕЙ УСТАНОВКИ

лу

Специальность 05 05 06 - Горные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2007

003069663

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» на кафедре «Геотехнологий и геотехники»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Бреннер Владимир Александрович

Официальные оппоненты доктор технических наук, доцент

Лукиенко Леонид Викторович

кандидат технических наук, доцент Демин Константин Вячеславович

Ведущее предприятие ООО «Скуратовский опытно-

экспериментальный завод»

Защита диссертации состоится « 23 » мая 2007 г в 14 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212 271 04 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу 300600, г Тула, пр Ленина 92, учебный корпус 6 , аудитория 311

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Автореферат разослан « 20 » апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

А Е Пушкарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ускоренные темпы роста объёмов строительства и освоения подземного пространства, повышение требований к экологической безопасности ведения горных работ при устройстве тоннелей и прокладке инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин и наличия на поверхности зданий и сооружений обуславливают необходимость создания технических средств, обеспечивающих образование выработок с минимальным воздействием на окружающий массив В значительной степени этим условиям отвечают машины реализующие технологию проходки выработок малого сечения методом прокола При этом обеспечивается сохранение устойчивости и целостности вмещающих пород, комплект оборудования компактен и мобилен, не требуется значительных территорий и времени для подготовки и выполнения работы Однако отсутствие научно обоснованных методов выбора режимов работы установки, обеспечивающих проходку выработок заданного профиля, ограничивает возможности такой техники и препятствует её широкому использованию Кроме того, отсутствие описания механизма взаимодействия исполнительного органа машины с массивом не позволяет сформировать концепцию и реализовать управляемость исполнительного органа при его движении по заданной траектории, что существенно ограничивает область применения прокалывающих установок и определяет актуальность диссертации

Работа выполнялась в рамках хоздоговорной тематики № 032505 и № 032602 (Генеральный заказчик - ЗАО «Строительный инструмент»)

Цель работы. Обоснование конструктивных параметров, режимов работы и выявление закономерностей формирования нагрузок на исполнительном органе при его взаимодействии с грунтовым массивом, обеспечивающих управление прокалывающей установкой и проходку выработки малого сечения заданного профиля в различных горно-геологических и горно-технических условиях

Идея работы. Движение исполнительного органа прокалывающей установки по заданной траектории обеспечивается за счет конструктивного исполнения головной секции става при соблюдении силовых режимов проходки, задаваемых на основании установленных закономерностей взаимодействия исполнительного органа с массивом

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- с использованием метода начальных параметров разработана математическая модель описания напряженно-деформированного состояния исполнительного органа прокалывающей установки при его взаимодействии с грунтовым массивом, позволяющая определять отклонение от прямолинейной траектории в зависимости от режимов работы установки с учетом конструктивных характеристик головной секции става, физико-механических свойств массива и глубины заложения,

- в качестве режимного параметра работы прокалывающей установки, обеспечивающего движение исполнительного органа по заданной траектории, ,

целесообразно использовать усилие прокола, задаваемое на основании выявленных закономерностей и условий ведения работ,

- конструкция исполнительного органа управляемой прокалывающей установки должна иметь головную секцию, геометрические параметры которой выбираются исходя из свойств грунтового массива, что позволит обеспечить необходимый профиль прокладываемой выработки

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом теоретических исследований процесса взаимодействия исполнительного органа прокалывающей установки с грунтовым массивом, подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов, полученных расчетным путем, с результатами экспериментов (средняя величина относительной погрешности не превышает 15 %)

Работа соответствует шифру специальности 05 05.06 -'Торные машины", ее формуле, а так же пунктам "изучение закономерностей внешних и внутренних рабочих процессов в горных машинах, комплексах и агрегатах с учетом внешней среды", "обоснование параметров и режимов работы машин и оборудования и их элементов", "обоснование и выбор конструктивных и схемных решений машин и оборудования во взаимосвязи с горнотехническими условиями, эргономическими и экологическими требованиями", области исследования

В работе использован комплексный метод исследования, включающий научный анализ и обобщение опыта эксплуатации прокалывающих установок, разработку математической модели, основанной на методе начальных параметров, для описания напряженно-деформированного состояния исполнительного органа прокалывающей установки при его взаимодействии с фунтовым массивом, экспериментальные и теоретические исследования закономерностей процесса взаимодействия исполнительного органа управляемой прокалывающей установки с массивом, проведение и обработку результатов численных экспериментов, анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики, сопоставление экспериментальных и расчетных данных

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования нагрузок на исполнительном органе прокалывающей установки при его взаимодействии с грунтовым массивом, приводящих к отклонению от прямолинейной траектории в зависимости от физико-механических свойств массива и глубины заложения, что позволяет обосновать его конструкцию, выбрать режимы работы установок и расширить область их применения на проходку выработок заданного профиля

Практическое значение работы:

- разработан пакет программ для персонального компьютера, позволяющих рассчитывать напряженно-деформированное состояние исполнительного органа прокалывающей установки при его взаимодействии с грунтовым массивом,

- разработана «Методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки» Показано, что серийная установка прямолинейного прокола УМТ-0,6, оснащенная ставом диаметром 70><10 мм, длиной 55 м с головной

секцией длиной 1,42 м с углом наклона рабочей площадки к оси става 30°, при соблюдении расчётных режимов работы осуществляет проходку криволинейной выработки заданного профиля, что расширяет область её применения,

- создан полноразмерный стенд для исследования работы прокалывающих установок в широком диапазоне изменения режимных и геометрических параметров

Реализация работы. «Методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки» передана ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» и использована при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов прокалывающих установок Результаты работы используются в учебном процессе по дисциплине «Горные машины и комплексы» 17 01 00

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение на ежегодной конференции «Неделя горняка», МГГУ, г Москва, 2005 - 2007 гг, на конференциях молодых ученых и конференциях профессорско-преподавательского состава в ТулГУ, г.Тула, (2005, 2006 и 2007 гг), на III Международном научном симпозиуме "Ударно-вибрационные системы и машины и технология", ОрелГУ, г.Орел (2006 г ) Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и основных выводов, изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 16 таблиц, список использованной литературы из 39 наименований и приложения

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Опыт фирм - мировых лидеров в технологиях бестраншейной прокладки трубопроводов "SCHMIDT, KRANZ & СО GMBH", "Soltau", "Herrenknecht", a, также отечественных предприятий ОАО "Мосинжстрой", МГП "Мосводоканал", НП "РОБТ", ООО "Крот и К", ООО "Микрощит" и др является яркой иллюстрацией перспективности техники, осуществляющей проходку выработок малого диаметра на небольших глубинах в условиях, не допускающих открытый способ ведения работ

Анализ результатов исследований, выполненных Бавыкиным А И, Бреннером В А , Васильевым H В , Головиным К А, Кантовичем JIИ, Картозия Б.А , Огером А Д, Пущкаревым А Е , Самойловым В П , Сарычевым В И. и другими учеными, дает основание утверждать, что одно из наиболее актуальных направлений развития техники для подзем ных горны х ра бот является создание компактных и мобильных, не требующих значительных территорий и времени для подготовки оборудования и выполнения работы установок управляемого прокола, способных высокопроизводительно выполнить проходку прямолинейных выработок малого диаметра При этом существующие на рынке образцы такой техники в значительной степени отвечают требованиям потребителей, но дальнейшее расширение области их применения на проходку криволинейных выработок

сопряжено с необходимостью решения целого ряда проблем Это, в первую очередь, отсутствие научно обоснованных методов расчЬта отклонения исполнительного органа от прямолинейного движения в результате взаимодействия с грунтовым массивом Существующие на сегодняшний день подходы к оценке усилий, необходимых для вдавливания исполнительного органа в массив, не позволяют оценить возможность и способы обеспечения траектории движения става, отличной от прямолинейной Применяемые исполнительные органы с наклонной к оси движения рабочей площадкой головной секции позволяют осуществлять управление проколом в части сохранения прямолинейной оси за счет наличия боковой отклоняющей нагрузки Однако механизм формирования напряженно-деформированного состояния исполнительного органа не выявлен и закономерности его взаимодействия с массивом не установлены, что не позволяет обосновать его конструкцию и режимы работы

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

разработать математическую модель описания напряженно-деформированного состояния исполнительного органа прокалывающей установки при его взаимодействии с грунтовым массивом, позволяющую определять отклонения от прямолинейной траектории в зависимости от режимов работы установки с учетом конструктивных характеристик головной секции, физико-механических свойств массива и глубины заложения,

- выбрать и обосновать факторы и показатели, определяющие и характеризующие взаимодействие исполнительного органа прокалывающей установки с грунтовым массивом при проходке выработки заданного профиля, и выявить закономерности процесса,

- экспериментально исследовать работу управляемой прокалывающей установки и оценить адекватность разработанной математической модели,

- установить влияние режимов работы установки, физико-механических свойств массива и глубины заложения, а также конструктивных характеристик исполнительного органа на величину его отклонения от прямолинейной траектории,

разработать методику расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки для проходки выработок заданного профиля

В данной области исследований в настоящее время достигнуты значительные успехи, однако практическое использование большинства выдвинутых предположений наталкивается на серьезные трудности, которые возникают, главным образом, из-за недостаточного учета адекватности геотехнических и геотехнологических факторов горно-геологическим условиям В частности, при решении задач управления режимами работы прокалывающей установки в целях адаптации исполнительного органа к проектной траектории практически полностью отсутствует расчетный аппарат, адекватно отражающий закономерности взаимодействия, как головной секции става, так и самого става с грунтовым массивом при проходке выработки заданного профиля Особую сложность при этом представляет решение проблем, связанных с использованием головных секций в виде цилиндрического тела с наклонной плоской рабочей

секцией длиной 1,42 м с углом наклона рабочей площадки к оси става 30°, при соблюдении расчетных режимов работы осуществляет проходку криволинейной выработки заданного профиля, что расширяет область её применения,

- создан полноразмерный стенд для исследования работы прокалывающих установок в широком диапазоне изменения режимных и геометрических параметров

Реализация работы. «Методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки» передана ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» и использована при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов прокалывающих установок Результаты работы используются в учебном процессе по дисциплине «Горные машины и комплексы» 17 01 00

Лпробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение на ежегодной конференции «Неделя горняка», МГГУ, г Москва, 2005 - 2007 гг., на конференциях молодых ученых и конференциях профессорско-преподавательского состава в ТулГУ, г Тула, (2005, 2006 и 2007 гг), на III Международном научном симпозиуме "Ударно-вибрационные системы и машины и технология", ОрелГУ, г Орел (2006 г ) Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и основных выводов, изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 16 таблиц, список использованной литературы из 39 наименований и приложения

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Опыт фирм - мировых лидеров в технологиях бестраншейной прокладки трубопроводов "SCHMIDT, KRANZ & СО GMBH", "Soltau", "Herrenknecht", a, также отечественных предприятий ОАО "Мосинжстрой", МГП "Мосводоканал", НП "РОБТ", ООО "Крот и К", ООО "Микрощит" и др является яркой иллюстрацией перспективности техники, осуществляющей проходку выработок малого диаметра на небольших глубинах в условиях, не допускающих открытый способ ведения работ.

Анализ результатов исследований, выполненных Бавыкиным А И, Бреннером В А , Васильевым H В , Головиным К А, Кантовичем JIИ, Картозия Б А , Огером А Д, Пушкаревым А Е , Самойловым В П , Сарычевым В И. и другими учеными, дает основание утверждать, что одно из наиболее актуальных направлений развития техники для подзем ных горны х ра бот является создание компактных и мобильных, не требующих значительных территорий и времени для подготовки оборудования и выполнения работы установок управляемого прокола, способных высокопроизводительно выполнить проходку прямолинейных выработок малого диаметра При этом существующие на рынке образцы такой техники в значительной степени отвечают требованиям потребителей, но дальнейшее расширение области их применения на проходку криволинейных выработок

сопряжено с необходимостью решения целого ряда проблем Это, в первую очередь, отсутствие научно обоснованных методов расчета отклонения исполнительного органа от прямолинейного движения в результате взаимодействия с грунтовым массивом Существующие на сегодняшний день подходы к оценке усилий, необходимых для вдавливания исполнительного органа в массив, не позволяют оценить возможность и способы обеспечения траектории движения става, отличной от прямолинейной Применяемые исполнительные органы с наклонной к оси движения рабочей площадкой головной секции позволяют осуществлять управление проколом в части сохранения прямолинейной оси за счет наличия боковой отклоняющей нагрузки Однако механизм формирования напряженно-деформированного состояния исполнительного органа не выявлен и закономерности его взаимодействия с массивом не установлены, что не позволяет обосновать его конструкцию и режимы работы

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

разработать математическую модель описания напряженно-деформированного состояния исполнительного органа прокалывающей установки при его взаимодействии с грунтовым массивом, позволяющую определять отклонения от прямолинейной траектории в зависимости от режимов работы установки с учетом конструктивных характеристик головной секции, физико-механических свойств массива и глубины заложения,

- выбрать и обосновать факторы и показатели, определяющие и характеризующие взаимодействие исполнительного органа прокалывающей установки с фунтовым массивом при проходке выработки заданного профиля, и выявить закономерности процесса,

- экспериментально исследовать работу управляемой прокалывающей установки и оценить адекватность разработанной математической модели,

- установить влияние режимов работы установки, физико-механических свойств массива и глубины заложения, а также конструктивных характеристик исполнительного органа на величину его отклонения от прямолинейной траектории,

разработать методику расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки для проходки выработок заданного профиля

В данной области исследований в настоящее время достигнуты значительные успехи, однако практическое использование большинства выдвинутых предположений наталкивается на серьезные трудности, которые возникают, главным образом, из-за недостаточного учета адекватности геотехнических и геотехнологических факторов горно-геологическим условиям В частности, при решении задач управления режимами работы прокалывающей установки в целях адаптации исполнительного органа к проектной траектории практически полностью отсутствует расчетный аппарат, адекватно отражающий закономерности взаимодействия, как головной секции става, так и самого става с грунтовым массивом при проходке выработки заданного профиля Особую сложность при этом представляет решение проблем, связанных с использованием головных секций в виде цилиндрического тела с наклонной плоской рабочей

поверхностью, расположенной под углом а к продольной оси става

При такой постановке управление прокалывающим исполнительным органом сводится к решению двух основных задач - к определению общего усилия прокола и обеспечению заданной траектории трассы прокола, которые предопределяются только режимом проникновения става в грунт без его вращения

При анализе существующих методов было выявлено, что при определении общего усилия прокола ставами малых диаметров учитываются не все факторы, отражающие реальную работу машины в конкретных горно-геологических условиях Так, например, не в полной мере учитываются параметры горного давления (даже на небольших глубинах), конструктивное исполнение предлагаемого исполнительного органа, его взаимодействие с массивом Исходя из этого предложено необходимое общее усилие прокола Р„р определять суммированием усилия вдавливания исполнительного органа Рупл, затрачиваемого на преодоление сопротивления уплотнению грунта, усилий Ртр1 и Ртр2, возникающих от трения става о грунт под влиянием горного давления и собственной массы, усилия Рсц от сцепления става с грунтовым массивом и реактивных нормальной Рщ и касательной РТ сил на рабочей площадке головной секции (рис 1)

\

р ' пр . "ta \ / Р Упл

Y*1/

'тр1'тр2 "сц Р

Рис 1 Расчетная схема для определения общего усилия прокола

Тогда выражение для определения общего усилия прокола в соответствии с перечисленными силами сопротивления можно представить следующим образом 2

Р„р - di )lcJ+Ccmndlcm+PN sina+PT cosa, (1)

где 0угл - коэффициент сопротивления грунта уплотнению, d и d,n - внешний и внутренний диаметры исполнительного органа (става), м, и0 - коэффициент пористости грунтового массива, у - средний объемный вес покрывающего выработку грунтового массива, кН/м3, Н - глубина заложения выработки, м, v -коэффициент Пуассона вмещающего фунта, 1ст - длина става, м, / - коэффициент трения става о грунт, уст - объемный вес материала става, кН/м3, Сст - сцепление става с грунтом, кПа

Уравнение (1) исходя из функциональных характеристик гаполняющих его компонентов может быть условно разделено на три составные части, имеющие превалирующее значение при решении поставленных задач и характеризующиеся следующими показателями Рут, Р/ и РЛг. Первый отражает усилие вдавливания головной секции исполнительного органа в массив, второй — влияние длины става и горно-геологических характеристик, а третий - отклонение от прямолинейной траектории заложенной выработки Нетрудно заметить, что влияние первого компонента является базовым и в последующем неизменным для задания начального усилия прокола

Особый интерес представляет решение задачи об определении составной части общего усилия /V при варьировании таких параметров, как глубина заложения выработки, коэффициент трения и сцепления при изменении длины става В этом случае составляющая Р, находится в прямой пропорциональности от длины 1ст, а коэффициенты, характеризующие отношение РДст, определяются именно на основе перечисленных параметров. Так, например, с использованием формулы (1) было установлено, что при изменении коэффициента сцепления става с грунтом от 1 до 10 кПа (соответствует сцеплению металла с грунтами) и коэффициента трения /от 0,3 до 0,6 отношение РДст находится для става с внешним диаметром (I = 0,07 м в следующих диапазонах при глубине заложения выработки Н = 1 м - от 1,10 до 3,07 кН/м, при Н = 2 м - от 2,04 до 4,96 кН/м, при Н = 3 м - от 2,98 до 6,84 кН/м, при Н = 4 м - от 3,92 до 8,73 кН/м, при Н = 5 м - от 4,86 до 10,61 кН/м Для става с диаметром <1 = 0,0965 м соответствующие показатели следующие 1,54 - 4,29 кН/м, 2,84 - 6,89 кН/м, 4,14 - 9,49 кН/м, 5,43 - 12,09 кН/м, 6,73 - 14,68 кН/м При диаметре й = 0,120 м, соответственно. 1,92 - 5,34 кН/м, 3,54 - 8,58 кН/м, 5,15-11,81 кН/м, 6,77 - 15,04 кН/м; 8,38 - 18,27 кН/м Увеличение Р/ кратно увеличению длины става

Нахождение третьей составляющей Р^т связано с максимальной сложностью, так как ее определение обеспечивает управление проколом в соответствии с заданным профилем выработки При этом в основу решения положено представление об оперативной корректировке направления движения исполнительного органа с учетом взаимодействия всего става с грунтовым массивом Выполненные исследования базировались на применении универсального численного метода расчета - метода начальных параметров

Для реализации задачи, связанной с обеспечением заданной траектории движения исполнительного органа при проходке выработки малого диаметра методом прокола, была разработана обобщенная расчетная схема (рис 2), отличающаяся наличием и нормальных связей, имитирующих взаимодействие става с грунтовым массивом и характеризующихся реактивными усилиями отпора Контакт головной секции с массивом отражается нормальными и касательными силами, силами трения и сцепления

При этом приняты следующие допущения

- массив грунта представляется квазиоднородным,

- пилотный став рассматривается как непрерывная толстостенная труба, с расчетной изгибной жесткость

Рис 2. Обобщенная расчетная схема взаимодействия исполнительного органа с

грунтовым массивом В итоге на основе метода начальных параметров была сформирована расчетная модель, включающая три уравнения силовых факторов, уравнение контактирования головной секции с массивом и систему физических уравнений совместности перемещений массива и става, первое из которых отражает деформации грунта на каждом из участков дискретизации расчетной схемы, а второе - боковое перемещения става Такие уравнения после реализации граничных условий были сгруппированы в единую базовую систему уравнений, представленную в следующем виде

* п

1=1

Pfí°NP.

+ Pr<*NP, = Р",,Р>-

0.0a MQ + М »«АО/ + Z RjaMR, =

PNf+P,=

J=l

mi2 » ****

4 sin а

R

1 + v

+ Xj =0;

1 2E l

v j

j

Q,aXjQ+M,aXjU -ху=0,

при j = l,2,...,n.

(2)

В системе уравнений (2), кроме описанных выше, приняты следующие обозначения ()0 и М0 - поперечная сила и изгибающий момент в начальном (нулевом) сечении исполнительного органа, X) - деформация фунта (боковое перемещение става) на у-м участке В данных уравнениях первый индекс в коэффициентах а отражает искомый параметр, а второй - влияющий фактор Выражения для коэффициентов влияния имеют следующий вид

а<20 ав1/ ~ ат ~анв — Я

'ел,

а

1ЫР

= сов а , а

мм

= 1; адр = а„к =зта

мд ~ I ст ■

" 1 1 1

* \к=1 4

£1(2Ест1ст),

КбЕст1стУ

(бЕст1ст),

где и 1ст - модуль упругости материала и момент инерции сечения става

Полученная система содержит в общем случае (4+2п) уравнений, а решением системы является определение неизвестных начальных параметров ()0 и Мо, нормальной Р\ и касательной РТ реактивных сил по площадке скольжения, реактивных усилий отпора грунтового массива и боковых перемещений става (деформаций массива) в сечениях приложения реактивных усилий После нахождения неизвестных определяется напряженно-деформированное состояние става в любом )-м его сечении При этом находятся поперечные и продольные силы, изгибающие моменты, углы поворота, перемещения и напряжения

Данная модель была реализована в виде программного обеспечения, ориентированного на определение всех перечисленных силовых факторов Главным предметом анализа при этом являются получаемые отклонения (боковые перемещения) става от прямолинейной оси выработки при варьировании физико-механических характеристик грунта и конструктивных характеристик исполнительного органа

Для оценки корректности дискретизации расчетной схемы было осуществлено сравнение конечных результатов при различном количестве участков разбиения става по длине В результате установлено, что задание длины участков менее 0,15 м (увеличение дискретизации рабочей схемы) не приводит к существенному изменению точности расчетов - разница результатов не превышает 0,05 %

Моделирова ние напряженно-деформированного состояния

исполнительного органа прокалывающей установки при его взаимодействии с грунтовым массивом потребовало некоторой идеализации, т е введения ряда предположений Поэтому наиболее правильным в таком случае является сравнение результатов теоретических исследований, выполненных по модели, с закономерностями процесса взаимодействия става с грунтовым массивом, установленными экспериментально, и таким образом, проведение оценки адекватности этой модели реальному процессу

Экспериментальные исследования влияния основных факторов на показатели процесса взаимодействия исполнительного органа с фунтовым

массивом проводились на специальном стенде, имитирующем работу прокалывающей установки с полноразмерным ставом, прикрепленным к кронштейну подвижной подающей каретки, перемещающейся по направляющим посредством гидроцилиндров с приводом от маслостанции Конструкция стенда позволяла задавать рабочие режимы в широком диапазоне

Работы в стендовых условиях проводились в трех различных грунтах (таблица) грунт I - сухой плотный песчаный грунт, грунт II - сухой разрыхленный песчаный грунт, грунт III - влажный песчаный грунт

На первом этапе производились исследования изменения бокового перемещения в конечном сечении головной секции х„, в зависимости от длины става 1ст и угла наклона рабочей площадки головной секции к оси става а В ходе выполнения работ длина става изменялась в пределах от 0 до 4,8 м, а угол а имел значения 30 и 45° Значение усилия прокола Рпр, фиксируемого в ходе эксперимента, соответствовало минимально необходимому для начала процесса внедрения

Основные характеристики грунтового массива

№ Характеристика грунтового Ед Значение

п/п массива изм Грунт I Грунт II Грунт III

1 Модуль упругости Егр кПа 900 700 500

2 Коэффициент сопротивления уплотнению дут кПа 430 250 180

3 Коэффициент пористости п0 0,4 0,4 0,4

4 Средний объемный вес покрывающего скважину грунтового массив у кН/м3 2,2 1,8 2

5 Коэффициент трения материала става о грунт / 0,6 0,6 0,3

6 Коэффициент сцепления материала става с грунтом с ^ст кПа 4,0 4,0 2,0

7 Глубина заложения скважины Н м 0,5 0,5 0,5

Анализ экспериментальных данных, представленных на графике (см рис 3), показал, что боковое перемещение в конечном сечении головной секции зависит от длины става во всем исследуемом интервале его значений Например, для головной секции с а- 45° на всех испытуемых грунтах при увеличении длины става от 1,5 до 3,0 м перемещения в конечном сечении возрастает в 2,1 раза

Кроме того, уменьшение угла наклона рабочей площадки головной секции к оси става ос при неизменной длине става также приводит к увеличению бокового перемещения в конечном сечении головной секции Так, например, уменьшение

а от 45 до 30° для грунта I при длине става 3 м увеличивает боковое перемещение в конечном сечении головной секции в 1,47 раза, для грунта II - в 1,37 раза, для грунта III - в 1,32 раза

На втором этапе было проведено исследование изменения бокового

перемещения в конечном сечении головной секции л:я, от величины усилия прокола р

г пр

Анализ экспериментальных данных, представленных на графике (см рис 3), показал, что перемещение в конечном сечении головной секции зависит от величины усилия прокола во всем исследуемом интервале его значений Например, в грунте I при увеличении усилия прокола от 8,0 до 12,0 кН, при длине става 1 м перемещения в конечном сечении возрастают в 1,28 раза, в грунте II при длине 2 м-в 1,31 раза, в грунте III при длине Зм-в 1,7 раза

Результаты проведенных в стендовых условиях экспериментальных исследований стали базой для апробации разработанной расчетной модели

Сравнение экспериментальных и теоретических данных подтвердило высокую степень сходимости получаемых результатов Средняя величина относительной погрешности не превышала 10-15 % В итоге стало возможным проведение многовариантных исследований методами численного моделирования взаимодействия исполнительного органа с грунтовым массивом в широком диапазоне исходных данных

При проведении пилотных исследований отклонений исполнительного органа от заданной траектории было выявлено, что наибольшее влияние на боковое перемещение в конечном сечении головной секции л„ оказывают следующие факторы усилие PN„ как составляющее общего усилия прокола, жесткость грунтового массива Кгр=Егр/(1-у), длина става 1ст, угол наклона рабочей площадки головной секции к оси става а, коэффициент трения става о фунт/ В связи с этим моделирование осуществлялось при изменении данных величин в следующих пределах, реально отражающих конструктивные и физико-механические характеристики 10 кН < PNr < 30 кН, 500 кПа < Кгр < 40000 кПа, 0,5 м < 1ст< 4,5 м, 30° < а < 60°, 0,3 </ < 0,6 Исследования проводились для стандартных сечений става (профилей труб малого диаметра) 70x10 мм, 96,5x14 мм, 120x15 мм В качестве постоянных параметров были приняты длина головной секции (/„ = 0,1 м) и коэффициент Пуассона (v = 0,3) Изменение коэффициента сцепления Сст от 1 до 10 кПа, как показали результаты расчетов, не приводило к существенным отклонениям исследуемых показателей (изменения в результатах не превышали 1 %)

В общем случае при варьировании приведенных исходных параметров было смоделировано более 3200 геотехнологических ситуаций В качестве иллюстрации результатов моделирования на рис 4 приведены графические зависимости бокового перемещения (отклонения) в конечном сечении головной секции л:„ от длины става при изменении жесткости грунтового массива и при значениях а = 30°, / = 0,3 и P/vr = 10 кН Аналогичные зависимости были получены и для всех других ситуаций

12

s ю

ш 8

\ *

т 1 /'

\ 1 1 . t , - \/

/ ! j

/ *

/ * /л г- J п

Л !

// У/ —

О 0,3 060912151821 2,4 27 3 333639424548 длина става, м

| Грунт |а-30° ->-Грунт II а=30° -—Грунт III а=30° |

16

14

я Ю

S

- !

У /Т /

(

> |

/ <у I <

' 1 i 1 1 1 I 1 ;

— i : | —

0 03060912 1518 2,1 2427 3 333639 4,2 4,5 48 _длина става, м _ __

Грунт I а=45° -»- Грунт 11 а=45° Грунт III g^S'"1

Рис 3 Результаты стендовых исследований процесса взаимодействия исполнительного органа прокалывающей установки с грунтовым массивом

Необходимо отметить, что характер изменения отклонений остается однотипным и при увеличении составляющей усилия прокола Рц„ т е абсолютные значения отклонений возрастают кратно увеличению силы, а, следовательно, усилие прокола может быть использовано в качестве управляющего фактора.

Приведенные зависимости показывают, что при определенной длине става изменение отклонений става от прямолинейной оси становится незначительным, асимптотически приближаясь к максимальному значению х„ чах Так, например, для слабых грунтов с жесткостью 500 кПа отклонения не превышают 1 - 2 % от х„ иах= 14,0 мм при длине става более 1,7 м, а для грунтов с Кгр = 5000 кПа максимальное значение отклонения достигается уже при длине 0,9 м

Общий анализ результатов моделирования показал, что максимальные отклонения в конечном сечении головной секции хп чах става возникают при минимальных значениях коэффициента трения и угла наклона а Так, для анализируемых трех исполнений става они составляют 24,0, 17,5 и 13,9 мм Данные отклонения фиксировались при длине става 1,7, 2,65 и 3,0 м Отсюда можно сделать вывод о наличии активной управляющей зоны става у головной секции, размер которой изменяется в зависимости от механических характеристик грунта На рис 4 такая активная зона имеет вид ярко выраженной ветви степенной функции

Обработка результатов методами математической статистики позволила получить эмпирические зависимости изменения длины активной зоны става от жесткости грунтового массива для трех типов става, которые имеют следующий вид (корреляционное отношение не менее 0,95)

для става с <1= 70,0 мм /жт=9,734Кгр~0,279, (3)

для става с <1 = 96,5 мм 1акт=21,653л",/-331, (4)

для става с <1 = 120,0 мм 1акт= 18,619КерАШ (5)

Данные зависимости позволяют определять активную зону става при изменении модуля упругости и коэффициента Пуассона грунтового массива При этом длина 1акт не зависит от усилия /\г, которое влияет только на абсолютное изменение отклонения, как было отмечено выше

В связи с тем, что основным показателем соблюдения заданной траектории прокола является отклонение в конечном сечении головной секции става от прямолинейной оси выработки, по результатам численного моделирования взаимодействия исполнительного органа с грунтовым массивом после поитерационной обработки была получена обобщающая формула в следующем виде

(\0.7S2

Е I I

ст ст I

К!Г )

В этом уравнении а„ред характеризует предельный угол наклона рабочей площадки головной секции к продольной оси става Данный угол определяется из третьего уравнения системы 2 при переопределении Р,\> и РТ через составляющую РКт, в результате чего формируется соотношение а„реа > агс/, которое при сохранении неравенства обусловливает возможность отклонения рабочего органа от прямолинейной оси выработки

-»- /Т / 1 ■

/

1

1

! !

—1——1

Г -Г- 1 1 -...-.. -—-1

-Кгр=500кПа

- Кгр=750 кПа |

- Кгр=1 ООО кПа | -Кгр=1500 кПа

- Кгр=2000 кПа

- Кгр=3000 кПа

- Кгр=5000 кПа -Кгр=10000кПа -Кгр=20000кПа

- Юр=40000 кПа -1акт

10 15 20

Длина стаза/ст,м

Кгр=500 кПа

— Кф=750кПа Кгр=1000кПа

— Кгр=1500кПа —*- Кгр=2000 кПа —•—Кгр=ЗОООкПа —Кгр=5000 кПа -Кгр=10000 кПа

Кгр=20000 кПа Кгр=40000 кПа 1ахт

20 25 30 Длина става 1ст, м

Кгр=500 кПа —Кгр=750 кПа

— Кгр=1000 кЛа

— Кгр=1500кПа -»- Кгр=2000 кПа -•— Кгр=3000 кПа —»— Кгр=5000 кПа

-Кгр=10000«Па

-«- Кгр=20000 кПа —*— Кгр=40000 кПа

— 1аю-

20 25 30

Длина става /ст, м

Рис 4 Зависимости перемещения (отклонения) в конечном сечении головной секции хп става от его длины 1ст: а - став 70x10, а=30°,/=0,3, б - став 96,5x14, а=30°,/=0,3, в - став 120x15, а=30°,/=0,3

Полученное по итогам численного моделирования уравнение позволяет определять отклонение в конечном сечении головной секции става при любой комбинации физико-механических характеристик грунта (Егр, v, f), глубины заложения выработки Н и конструктивных параметров исполнительного органа, которые характеризуются моментом инерции сечения става 1ст, модулем деформации материала става Ест и углом наклона рабочей площадки головной секции к продольной оси става а

Сравнение значений х„, полученных расчетным путем из выражения (6), с экспериментальными подтвердило высокую степень сходимости получаемых результатов (корреляционное отношение не менее 0,84)

На основании выполненных исследований разработана методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки Методика позволяет производить

-расчет и выбор конструктивных параметров исполнительного органа прокалывающей установки для проходки выработки малого диаметра заданного профиля в массиве с известными физико-механическими свойствами,

- расчет рабочих режимов для прокалывающей установки при проходке выработки малого диаметра заданного профиля в массиве с известными физико-механическими свойствами исполнительным органом принятой конструкции

По разработанной методике составлен пакет программ для персонального компьютера и выполнены расчет и выбор конструктивных параметров исполнительного органа, а, также рабочих режимов прокалывающей установки УМТ-0,6 для проходки выработки малого диаметра заданного профиля в массиве с известными физико-механическими свойствами Расчет показал, что серийная установка прямолинейного прокола УМТ-0,6, оснащенная ставом диаметром 70x10 мм, длиной 65 м с головной секцией длиной 1,42 м, при соблюдении расчётных режимов работы осуществляет проходку криволинейной выработки заданного профиля, что расширяет область её применения

«Методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки» передана ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» и использована при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов прокалывающих установок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой, на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований, содержится новое решение актуальной задачи выявления закономерностей работы управляемой прокалывающей установки, на основе математически смоделированного механизма формирования нагрузок на исполнительном органе при его взаимодействии с массивом, приводящих к отклонению от прямолинейной траектории, что позволило обосновать его конструкцию, разработать методику расчета режимов работы машины в целом и расширить область её применения

_____I

- Кгр=500 кПа '

- Кгр=750 кПа ¡| -Кгр=1СЮ0кПа |'| -Кгр=1500кПа

- Кгр=2000 кПа

- Кгр=3000 кПа

- Кгр=5000 кПа -Кгр=10000кПа -Кгр=20000кПа -Кгр=40000кПа —1акт

1 5

Длина става lern, м

—Кгр=500 кПа

— Кгр=750кПа

— Кгр=1000кПа

— Кгр=1500кПа -*-Кгр=2000кПа —-КгртЗОООкПа —Кгр=5000 кПа -Кгр=10000 кПа

Кгр~20000 кПа -»~Кгр=400СЮкПа ——latan

20 25 30 Длина става lern ,м

—Кгр=500 кПа Кгр=750 кПа ->-Krp=1000 кПа — Кгр=1500 кПа -»- Кгр=2000 «Па -»-Krp=3000 Pila —t—Кгр=5000кПа

-Кгр=10000 кПа

-»-Кгр=20000«Па —Кф-40000 кПа —«~-1акт

20 25

Длина (лава lern,

I

-j В

Рис 4 Зависимости перемещения (отклонения) в конечном сечении головной секции хп става от его длины 1ст- а - став 70x10, а=30°,_/=0,3, б - став 96,5x14, а=30°,у=0,3, в - став 120x15, а=30°,/=0,3

Полученное по итогам численного моделирования уравнение позволяет определять отклонение в конечном сечении головной секции става при любой комбинации физико-механических характеристик грунта (Егр> V, /), глубины заложения выработки Н и конструктивных параметров исполнительного органа, которые характеризуются моментом инерции сечения става 1ст, модулем деформации материала става Ест и углом наклона рабочей площадки головной секции к продольной оси става а

Сравнение значений х„, полученных расчетным путем из выражения (6), с экспериментальными подтвердило высокую степень сходимости получаемых результатов (корреляционное отношение не менее 0,84)

На основании выполненных исследований разработана методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки Методика позволяет производить.

-расчет и выбор конструктивных параметров исполнительного органа прокалывающей установки для проходки выработки малого диаметра заданного профиля в массиве с известными физико-механическими свойствами,

- расчет рабочих режимов для прокалывающей установки при проходке выработки малого диаметра заданного профиля в массиве с известными физико-механическими свойствами исполнительным органом принятой конструкции

По разработанной методике составлен пакет программ для персонального компьютера и выполнены расчет и выбор конструктивных параметров исполнительного органа, а, также рабочих режимов прокалывающей установки УМТ-0,6 для проходки выработки малого диаметра заданного профиля в массиве с известными физико-механическими свойствами Расчет показал, что серийная установка прямолинейного прокола УМТ-0,6, оснащенная ставом диаметром 70x10 мм, длиной 65 м с головной секцией длиной 1,42 м, при соблюдении расчётных режимов работы осуществляет проходку криволинейной выработки заданного профиля, что расширяет область её применения

«Методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки» передана ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» и использована при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов прокалывающих установок

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой, на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований, содержится новое решение актуальной задачи выявления закономерностей работы управляемой прокалывающей установки, на основе математически смоделированного механизма формирования нагрузок на исполнительном органе при его взаимодействии с массивом, приводящих к отклонению от прямолинейной траектории, что позволило обосновать его конструкцию, разработать методику расчета режимов работы машины в целом и расширить область её применения

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему

1 Усовершенствована расчетная зависимость для определения общего усилия прокола, учитывающая силы, затрачиваемые на отклонение от прямолинейной оси выработки и влияние сил трения и сцепления поверхности става от взаимодействия с грунтовым массивом, а, также влияние горного давления

2 Поставлена и решена методом начальных параметров задача математического моделирования нагрузок на исполнительном органе при его взаимодействии с массивом, приводящих к отклонению от прямолинейной траектории Использование математической модели обеспечивает удовлетворительную сходимость экспериментальных и расчетных данных (средняя величина погрешности не превышает 15 %)

3 Установлено, что в качестве силового параметра работы прокалывающей установки, обеспечивающего необходимое отклонение исполнительного органа от прямолинейной траектории движения целесообразно использовать усилие прокола, задаваемое на основании выявленных закономерностей и условий ведения работ Показано, что абсолютные значения отклонений возрастают кратно увеличению усилия прокола

4 На основе выявленных закономерностей установлено, что наибольшее влияние на отклонение исполнительного органа от прямолинейной траектории оказывают следующие факторы усилие возникающее в процессе взаимодействия наклонной рабочей площадки головной секции с грунтовым массивом, как составляющее общего усилия прокола, жесткость фунтового массива, длина става, угол наклона рабочей поверхности головной секции, коэффициент трения става о фунт

5 Выявлено, что конструкция рабочего органа управляемой прокалывающей установки должна иметь головную секцию с активной зоной, геометрические параметры которой выбираются исходя го профиля прокладываемой выработки и свойств фунтового массива Так для ставов диаметром 70,0, 96,5 и 120,0 мм длина активной зоны составляет 1,7, 2,65 и 3,0 м соответственно Получены эмпирические зависимости степенного вида для расчета изменения длины активной зоны от жесткости фунтового массива для трех типов става

6 Получена обобщающая формула, которая позволяет определять отклонение става при любой комбинации физико-механических характеристик фунта, глубины заложения скважины и конструктивных параметров исполнительного органа, которые характеризуются моментом инерции сечения става, модулем деформации материала става и углом наклона рабочей площадки головной секции к оси става

7 Разработана методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки Показано, что серийная установка прямолинейного прокола УМТ-0,6, оснащенная ставом диаметром 70x10 мм, длиной 55 м с головной секцией длиной 1,42 м с углом наклона рабочей площадки к оси става 30°, при соблюдении расчетных режимов работы осуществляет проходку криволинейной

выработки заданного профиля, что расширяет область её применения

8 «Методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки» передана ООО «Скуратовский опыгно-экспериментальный завод» и использована при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов прокалывающих установок

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1 Рогачев А А Установка для проведения микротоннелей УМТ-0,6 / А А Рогачев, Ю В Антипов, И И Браккер, Д П Бессолов, // ТулГУ, - Тула, 2004 -10с ил - Деп в ВИНИТИ 29 04 2004 № 736 - В2004

2 Рогачев А А Обзор установок горизонтального бурения (прокола) представленных на российском рынке / А А Рогачев, В А Бреннер, А Е Пущкарев, К А Головин // Материалы III международного научного симпозиума "Ударно-вибрационные системы, машины и технологии" - Орел. ОрелГУ, 2006 - С 189195

3 Бреннер В А Особенности использования горизонтального направленного бурения / В А Бреннер, А А Рогачев, А Е Пушкарев, К А Головин, М В Тарасов // Материалы III М еждународного научного симпозиума "Ударно-вибрационные системы, машины и технологии" -Орел ОрелГУ, 2006 - С 195-200

4 Рогачев А А Стендовая база для изучения процесса разрушения массива грунта методом горизонтального бурения / А А Рогачев // Материалы III Международного научного симпозиума "Ударно-вибрационные системы, машины и технологии" -Орел ОрелГУ,2006 -С200-204

5 Рогачев А А Математическое моделирование процесса взаимодействия исполнительного органа прокалывающей машины с грунтовым массивом / А А Рогачев, В А Бреннер, К А Головин, А Е Пушкарев, В И Сарычев // Материалы III Международного научного симпозиума "Ударно-вибрационные системы, машины и технологии" - Орел ОрелГУ, 2006 - С 510-520

6 Рогачев А А Расчетная модель процесса взаимодействия исполнительного органа прокалывающей машины с грунтовым массивом / А А Рогачев, В А Бреннер, К А Головин, А Е Пушкарев, В.И. Сарычев II Геотехнология и защита окружающей среды -2006 -№2 -С 61-70

7 Рогачев А А Формирование управленческого решения при определении режимов проходки горных выработок на основании математического моделирования / А А Рогачев // Изв ТулГУ. Сер "Экономика Управление. Финансы" — 2006 — Вып 3 -С 356-360

8 Бреннер В А Экспериментальные исследования взаимодействия исполнительного органа прокалывающей установки с грунтовым массивом / В А Бреннер, К А Головин, А Е Пушкарев, А А Рогачев, В И Сарычев // Изв ТулГУ Сер "Экология и безопасность жизнедеятельности" - 2006 - Вып 8 - С 158-160

Изд лиц ЛР № 020300 от 12 02.97 Подписано в печать ИОА^ Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл.печ лУч-изд.л.-Тираж <£0Рэкз. Заказ б 10 <

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ • 300600, г. Тула, ул. Болдина, 151

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Бестраншейные способы прокладки коммуникаций и сфера их практического использования.

1.2. Оборудование для реализации технологии бестраншейной прокладки коммуникаций.

1.3. Основные аспекты управления исполнительного органа при бестраншейной прокладке коммуникаций.

1.4. Обзор существующих исследований взаимодействия исполнительного органа прокалывающей установки с массивом грунта.

1.5. Цели и задачи исследования.

2. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ПРОКАЛЫВАЮЩЕЙ УСТАНОВКИ С ГРУНТОВЫМ МАССИВОМ.

2.1. Постановка задачи расчета.

2.2. Формирование базового уравнения для определения усилия прокола.

2.3. Исследование влияния длины става и горно-геологических условий на усилие прокола.

2.4. Разработка обобщенной расчетной модели взаимодействия исполнительного органа с грунтовым массивом.

Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ УПРАВЛЯЕМОГО ПРОКОЛА.

3.1. Общие положения методики экспериментальных исследований.

3.2. Стендовая база и инструмент.

3.3. Экспериментальные исследования влияния основных параметров на показатели процесса взаимодействия исполнительного органа прокалывающей машины с грунтовым массивом.

Выводы.

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА С ГРУНТОВЫМ МАССИВОМ.

4.1. Обоснование угла наклона рабочей поверхности головной секции.

4.2. Имитационное моделирование взаимодействия исполнительного органа с грунтовым массивом.

4.3. Статистическая обработка результатов имитационного моделирования.

4.4. Методика расчета основных показателей работы прокалывающей машины.

4.5. Пример расчета основных показателей работы прокалывающей машины.

Выводы.

Актуальность темы. Ускоренные темпы роста объёмов строительства и освоения подземного пространства, повышение требований к экологической безопасности ведения горных работ при устройстве тоннелей и прокладке инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин и наличия на поверхности зданий и сооружений обуславливают необходимость создания технических средств, обеспечивающих образование выработок с минимальным воздействием на окружающий массив. В значительной степени этим условиям отвечают машины реализующие технологию проходки выработок малого сечения методом прокола. При этом обеспечивается сохранение устойчивости и целостности вмещающих пород, комплект оборудования компактен и мобилен, не требуется значительных территорий и времени для подготовки и выполнения работы. Однако отсутствие научно обоснованных методов выбора режимов работы установки, обеспечивающих проходку выработок заданного профиля, ограничивает возможности такой техники и препятствует её широкому использованию. Кроме того, отсутствие описания механизма взаимодействия исполнительного органа машины с массивом не позволяет сформировать концепцию и реализовать управляемость исполнительного органа при его движении по заданной траектории, что существенно ограничивает область применения прокалывающих установок и определяет актуальность диссертации.

Работа выполнялась в рамках хоздоговорной тематики № 032505 и № 032602 (Генеральный заказчик - ЗАО «Строительный инструмент»).

Цель работы. Обоснование конструктивных параметров, режимов работы и выявление закономерностей формирования нагрузок на исполнительном органе при его взаимодействии с грунтовым массивом, обеспечивающих управление прокалывающей установкой и проходку выработки малого сечения заданного профиля в различных горногеологических и горно-технических условиях.

Идея работы. Движение исполнительного органа прокалывающей установки по заданной траектории обеспечивается за счет конструктивного исполнения головной секции става при соблюдении силовых режимов проходки, задаваемых на основании установленных закономерностей взаимодействия исполнительного органа с массивом.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- с использованием метода начальных параметров разработана математическая модель описания напряженно-деформированного состояния исполнительного органа прокалывающей установки при его взаимодействии с грунтовым массивом, позволяющая определять отклонение от прямолинейной траектории в зависимости от режимов работы установки с учетом конструктивных характеристик головной секции става, физико-механических свойств массива и глубины заложения;

- в качестве режимного параметра работы прокалывающей установки, обеспечивающего движение исполнительного органа по заданной траектории, целесообразно использовать усилие прокола, задаваемое на основании выявленных закономерностей и условий ведения работ;

- конструкция исполнительного органа управляемой прокалывающей установки должна иметь головную секцию, геометрические параметры которой выбираются исходя из свойств грунтового массива, что позволит обеспечить необходимый профиль прокладываемой выработки.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом теоретических исследований процесса взаимодействия исполнительного органа прокалывающей установки с грунтовым массивом; подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов, полученных расчетным путем, с результатами экспериментов (средняя величина относительной погрешности не превышает 15%).

В работе использован комплексный метод исследования, включающий научный анализ и обобщение опыта эксплуатации прокалывающих установок; разработку математической модели, основанной на методе начальных параметров, для описания напряженно-деформированного состояния исполнительного органа прокалывающей установки при его взаимодействии с грунтовым массивом; экспериментальные и теоретические исследования закономерностей процесса взаимодействия исполнительного органа управляемой прокалывающей установки с массивом, проведение и обработку результатов численных экспериментов, анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики, сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования нагрузок на исполнительном органе прокалывающей установки при его взаимодействии с грунтовым массивом, приводящих к отклонению от прямолинейной траектории в зависимости от физико-механических свойств массива и глубины заложения, что позволяет обосновать его конструкцию, выбрать режимы работы установок и расширить область их применения на проходку выработок заданного профиля.

Практическое значение работы:

- разработан пакет программ для персонального компьютера, позволяющих рассчитывать напряженно-деформированное состояние исполнительного органа прокалывающей установки при его взаимодействии с грунтовым массивом;

- разработана «Методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки». Показано, что серийная установка прямолинейного прокола УМТ-0,6, оснащенная ставом диаметром 70x10 мм, длиной 55 м с головной секцией длиной 1,42 м с углом наклона рабочей площадки к оси става 30°, при соблюдении расчётных режимов работы осуществляет проходку криволинейной выработки заданного профиля, что расширяет область её применения; создан полноразмерный стенд для исследования работы прокалывающих установок в широком диапазоне изменения режимных и геометрических параметров.

Реализация работы. «Методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки» передана ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» и использована при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов прокалывающих установок. Результаты работы используются в учебном процессе по дисциплине «Горные машины и комплексы» 17.01.00.

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

1. Усовершенствована расчетная зависимость для определения общего усилия прокола, учитывающая силы, затрачиваемые на отклонение от прямолинейной оси выработки и влияние сил трения и сцепления поверхности става от взаимодействия с грунтовым массивом, а, также влияние горного давления.

2. Поставлена и решена методом начальных параметров задача математического моделирования нагрузок на исполнительном органе при его взаимодействии с массивом, приводящих к отклонению от прямолинейной траектории. Использование математической модели обеспечивает удовлетворительную сходимость экспериментальных и расчетных данных (средняя величина погрешности не превышает 15 %).

3. Установлено, что в качестве силового параметра работы прокалывающей установки, обеспечивающего необходимое отклонение исполнительного органа от прямолинейной траектории движения целесообразно использовать усилие прокола, задаваемое на основании выявленных закономерностей и условий ведения работ. Показано, что абсолютные значения отклонений возрастают кратно увеличению усилия прокола.

4. На основе выявленных закономерностей установлено, что наибольшее влияние на отклонение исполнительного органа от прямолинейной траектории оказывают следующие факторы: усилие возникающее в процессе взаимодействия наклонной рабочей площадки головной секции с грунтовым массивом, как составляющее общего усилия прокола; жесткость грунтового массива; длина става; угол наклона рабочей поверхности головной секции; коэффициент трения става о грунт.

5. Выявлено, что конструкция рабочего органа управляемой прокалывающей установки должна иметь головную секцию с активной зоной, геометрические параметры которой выбираются исходя из профиля прокладываемой выработки и свойств грунтового массива. Так для ставов диаметром 70,0, 96,5 и 120,0 мм длина активной зоны составляет 1,7; 2,65 и 3,0 м соответственно. Получены эмпирические зависимости степенного вида для расчета изменения длины активной зоны от жесткости грунтового массива для трех типов става.

6. Получена обобщающая формула, которая позволяет определять отклонение става при любой комбинации физико-механических характеристик грунта, глубины заложения скважины и конструктивных параметров исполнительного органа, которые характеризуются моментом инерции сечения става, модулем деформации материала става и углом наклона рабочей площадки головной секции к оси става.

7. Разработана методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки. Показано, что серийная установка прямолинейного прокола УМТ-0,6, оснащенная ставом диаметром 70x10 мм, длиной 55 м с головной секцией длиной 1,42 м с углом наклона рабочей площадки к оси става 30°, при соблюдении расчётных режимов работы осуществляет проходку криволинейной выработки заданного профиля, что расширяет область её применения.

8. «Методика расчета режимов работы управляемой прокалывающей установки» передана ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» и использована при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов прокалывающих установок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой, на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований, содержится новое решение актуальной задачи выявления закономерностей работы управляемой прокалывающей установки, на основе математически смоделированного механизма формирования нагрузок на исполнительном органе при его взаимодействии с массивом, приводящих к отклонению от прямолинейной траектории, что позволило обосновать его конструкцию, разработать методику расчета режимов работы машины в целом и расширить область её применения.

1. Рыбаков А. П. Основы бестраншейных технологий. Теория и практика / А. П. Рыбаков. М.: ПрессБюро, 2005. - 304с.

2. Бестраншеные технологии в России: целесообразность и экономическая эффективность. Выпуск №29. Статья №3. http://www.mrrnz.ru/article/index.htm

3. Международная конференция и выставка по бестраншейным технологиям прокладки городских коммуникаций // РОБТ. 2001. -№6. - С.30-36.

4. Soltau RVS-80 в России. // РОБТ. 1998. - №8. - С.21-28.

5. Антипов В.В. Освоение оборудования для бестраншейных технологий прокладки инженерных коммуникаций на Скуратовском экспериментальном заводе / В.В. Антипов, И.И. Бракер // Метро и тоннели 2002 - № 3. - С.11-13.

6. Словарь терминов, применяемых в области бестраншейных технологий. Грунтовый риск. Выпуск №30. Статья №1. http://www.mrmz.ru/article/index.htm

7. Б.Ф. Белецкий Технология и механизация строительного производства / По материалам сайта "SBH СОТРАНС" http://www.sbh.ru/index.htm 2003г.

8. Прохоров Н.И. Расчет усилия прокола / Н.И. Прохоров, А.Н. Панин, А.Д. Огер // Известия Тульского государственного университета. Сер. "Геомеханика. Механика подземных сооружений" Вып. 1 / ТулГУ. -Тула, 2003.-С.228-233.

9. Васильев Н.В. Закрытая прокладка трубопроводов / Н.В. Васильев -М.: Недра, 1964.-264с.

10. Сулакшин С.С. Техника и технология направленного бурения скважин / С.С. Сулакшин М.: Недра, 1967. - 310с.

11. Кершенбаум Н.Я. Виброметод в проходке горизонтальных скважин. / Н.Я. Кершенбаум, В.И. Минаев // М.: Недра, 1968. 158с.

12. Рогачев А.А. Установка для проведения микротоннелей УМТ-0,6 / А.А. Рогачев, Ю.В. Антипов, И.И. Браккер, Д.П. Бессолов, // ТулГУ, Тула, 2004. - Юс.: ил. - Деп. в ВИНИТИ 29.04.2004 № 736 - В2004.

13. Рогачев А.А. Математическое моделирование процесса взаимодействия исполнительного органа прокалывающей машины с грунтовым массивом / А.А. Рогачев, В.А. Бреннер, К.А. Головин, А.Е. Пушкарев,

14. В.И. Сарычев // Материалы III Международного научного симпозиума "Ударно-вибрационные системы, машины и технологии". Орел: ОрелГУ, 2006.-С.510-520.

15. Рогачев А.А. Формирование управленческого решения при определении режимов проходки горных выработок на основании математического моделирования. // Известия ТулГУ. Серия "Экономика. Управление. Финансы". Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ. 2006.-с. 356-360.

16. Рогачев А.А. Формирование управленческого решения при определении режимов проходки горных выработок на основании математического моделирования / А.А. Рогачев // Изв. ТулГУ. Сер. "Экономика. Управление. Финансы". 2006 - Вып. 3. - С. 356-360.

17. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: Учеб. для вузов / Н.С. Булычев. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра. - 1994. - 382 с.

18. Леман Э. Проверка статистических гипотез / Э. Леман. М.: Мир., 1975.-с. 450.

19. Болыпев Л.Н. Таблицы математической статистики / Л.Н. Болыиев, Н.В. Смирнов. М., Наука., 1965. -256с.

20. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов / В.И. Феодосьев.- М.: Наука, 1979.-560с.

21. Каретников В.Н. Автоматизированный расчет и конструирование металлических крепей подготовительных выработок / В.Б. Клейменов, В.А. Бреднев. М.: Недра, 1984. - 312с.

22. Сарычев В.И. Геомеханическое обоснование параметров систем разработки короткими забоями пологих угольных пластов средней мощности: Дис. д-ра техн. наук/ ТулГУ. Тула, 2000. - 284 с.

23. Барон Л.И. О познавательной ценности экспериментально-статистического метода в науке о разрушении горных пород / Л.И. Барон В кн.: Науч. сообщ. ИГД им. А.А. Скочинского, 1973. -Вып. 113.-C.3-21.

24. Седов Л.И. Методы подобия и размерностей в механике / Л.И. Седов. -М.: Наука, 1967.-428с.

25. Большев Л.Н., Таблицы математической статистики / Л.Н. Большев, Н.В. Смирнов. М., Наука, 1965. -256 с.

26. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений / Ю.В. Линник. М.: Физматгиз., 1962. -387с.

27. Крамер Г. Математические методы статистики / Г. Крамер. М.: Мир, 1975.-с. 243.

28. Тутубалин В.Н. Статистическая обработка рядов наблюдений / В.Н. Тутубалин. М.: Знание, - 1973.-е. 301.

29. Добронравов В.В., Курс теоретической механики. Учебник для вузов / В.В. Добронравов, Н.Н. Никитин, А.Л. Дворников М.: Высшая школа, 1974.-528 с.

30. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики / С.М. Тарг М.: Наука, 1972.-480 с.

31. Бронштейн И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев М.: Наука, 1964. - 608с.

32. Цытович Н.А. Механика грунтов: краткий курс / Н.А. Цытович. М.: Наука, 1987.-354с.