автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров исполнительного органа и разработка установки для проведения перегонных тоннелей метрополитенов

На правах рукописи

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА И РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ

Специальность: 05.05.06 - «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Я о (У'Т 2500

Кемерово - 2008

003450471

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»

Научный руководитель Горбунов Валерий Федорович

заслуженный деятель науки РСФСР, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты Аксенов Владимир Валерьевич

доктор технических наук

Кузнецов Владимир Всеволодович кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация ЗАО «Новосибирское научно-производствен-

ное объединение «Сибгормаш»

Защита диссертации состоится 21 ноября 2008 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.102.01 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28. Факс (3842) 36-16-87.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет».

Автореферат разослан 20 октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Г. Захарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важнейшими элементами инфраструктуры и системы жизнеобеспечения многих российских городов являются коммуникационные тоннели и тоннели метрополитенов. За последние десятилетия темпы строительства метрополитенов в крупных городах России значительно снизились. Практически прекратились работы по внедрению новых конструктивно-технологических решений, обещавших значительное снижение трудозаграт и стоимости строительства метрополитенов. Вместе с тем сохранение в новых условиях хозяйствования метростроительных организаций, и их оснащенность, позволяют считать, что общий потенциал отечественного метростроения остается еще па достаточно высоком уровне. Его поддержание и развитие является актуальной задачей.

Одним из основных направлений, способствующих интенсификации работ по сооружению перегонных тоннелей метрополитенов, является применение механизированных комплексов, что дает возможность резко увеличить темпы строительства и, примерно вдвое, снизить трудозатраты.

В связи с этим по-прежнему актуальным является не только создание новых механизированных комплексов оборудования, но и модернизация существующих частично механизированных щитовых комплексов, таких как ЩН-1С, Щ-21 и др. с ручной разработкой забоя. В Российской Федерации их насчитывается более 30 штук. Проходческие щиты ЩН-1С используются для сооружения перегонных тоннелей Красноярского метрополитена. Достигнутые средние скорости проходки составляют 24-26 м/мес. при низкой производительности и высоком уровне ручного труда и травматизма. В связи с этим возникла необходимость создания установки для механизированного разрушения забоя в составе щита ЩН-1С и совершенствование технологии сооружения перегонных тоннелей модернизированным щитом.

Инициатором работы выступило ООО «Красноярскметрострой». В проекте участвовали ОАО «Кузниишахтострой» и Сибирский центр горного машиностроения.

Цель работы: обоснование параметров и разработка установки для проведения перегонных тоннелей метрополитенов, обеспечивающей повышение эффективности горнопроходческих работ.

Идея работы заключается в создании установки с исполнительным органом избирательного действия, обеспечивающей разрушение вмещающих пород по всей площади проходческого забоя за счет радиального и окружного перемещения режущей коронки.

Задачи исследований:

• разработать конструкцию установки с исполнительным органом избирательного действия для механизированного разрушения пород забоя с учетом конструкции щита ЩН-1 С;

• обосновать способ разрушения пород забоя исполнительным органом избирательного действия в составе проходческого щита ЩН-1С; установить основные закономерности процесса разрушения горных пород на стенде и в подготовительном забое; на их основе определить основные параметры рабоче-

го органа и разработать технологию ведения горных работ при сооружении перегонного тоннеля метрополитена;

• построить математическую модель динамических процессов разрушения массива под воздействием конической головки и концентрического ее перемещения по площади забоя; изучить на математической модели основные закономерности работы исполнительного органа и проверить в практических условиях работоспособность его опытного образца;

• разработать рекомендации по совершенствованию конструкции установки для механического разрушения забоя.

Методы исследований:

• анализ и обобщение опыта создания проходческих установок для строительства метрополитенов;

• методы теории вероятностей, математической статистики, аналитического и имитационного моделирования многосвязных систем, статистической динамики горных машин;

• экспериментальный метод с использованием в обработке элементов теории случайных функций.

Научные положения, выносимые на защиту:

• разрушение пород забоя по всей площади поперечного сечения тоннеля достигается путем совмещения радиального и концентрического перемещения корончатого исполнительного органа относительно оси выработки;

• принципиально новые конструкция установки, схема обработки забоя и разработанная технология проведения тоннеля позволяют увеличить темпы проходки в 2,5 раза;

• максимальная производительность установки достигается при использовании резцов с рабочим вылетом 65 мм при разрушении вмещающих пород с абразивностью до 10 мг. с учетом применения породопогрузочной машины непрерывного действия с нагребающими лапами;

• разработанная рациональная схема разрушения пород забоя, с применением математической модели установки, позволяет снизить динамические нагрузки в приводе исполнительного органа на 30%.

Научная новизна работы:

• разработаны статическая и динамическая модели режимов нагружения исполнительного органа установки; определены рациональные режимы работы исполнительного органа; определена модель рациональной схемы нагружения коронки исполнительного органа за один ее оборот;

• получены зависимости составляющих усилия разрушения от основных режимных и геометрических параметров инструмента;

• определена зависимость производительности установки от абразивности породы и типа режущего инструмента;

• установлены расчетные зависимости, учитывающие влияние на нагру-женность исполнительного органа конкретных условий эксплуатации (толщина

стружки, скорость и углы перемещения корончатого исполнительного органа по забою и др.)

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

• использованием апробированных математических методов;

• корректной постановкой задач по исследованию взаимодействия исполнительного органа установки с разрушаемым горным массивом;

• сходимостью результатов теоретических исследований с данными, полученными в ходе опытно-промышленной эксплуатации установки в составе проходческого щита.

Личный вклад автора заключается:

• в обосновании принципа разрушения вмещающих пород по всему сечению радиальными и концентрическими составляющими перемещения исполнительного органа избирательного действия проходческого щита;

• в изучении основных закономерностей формирования нагрузки на элементы проходческого щита и исполнительного органа в процессе разрушения вмещающих пород забоя;

• в построении динамической модели взаимодействия рабочего органа установки с разрушаемой средой, пригодной для исследования компоновочных схем установки;

• в участии в заводских испытаниях и промышленном опробовании установки, обобщении результатов экспериментальных исследований и разработке рекомендаций по совершенствованию конструкции установки для механического разрушения пород забоя щитом ЩН-1С.

Практическая ценность работы состоит в том, что её результаты позволяют:

• расширить область применения модернизированного щита, создать новую технологию его использования;

• разрушать вмещающие породы строго по контуру выработки кольцевой формы, обеспечивая высокую точность движения щита;

• рассчитывать параметры конструкции и технологию работы установки применительно к конкретным горно-геологическим и горно-техническим условиям эксплуатации проходческого щита.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты исследований были использованы ОАО «Кузниишахтострой» и ООО «Сибирский центр горного машиностроения» при проектировании и изготовлении опытного образца установки для механизированного разрушения пород забоя при проходке перегонного тоннеля Красноярского метрополитена, а также при корректировке рабочей документации на опытную партию установок.

Апробация работы.

Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались на Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк, 2005

г.); Юбилейной 50-й научно-практической конференции студентов и аспирантов Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России - новые подходы к развитию угольной промышленности», проходившей в рамках Международной выставки-ярмарки «Экспо-Уголь» (г. Кемерово, 2005 - 2006 гг.); Российско-Китайском симпозиуме (г. Кемерово, 2006 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 117 наименований и приложений. Основной текст изложен на 133 машинописных страницах и содержит 54 рисунка, 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматривается существующие способы сооружения тоннелей метрополитенов, показана необходимость работ по внедрению новых конструктивно-технологических решений, позволяющих повысить темпы проходки, снизить трудозатраты и стоимость строительства метрополитенов. Разработке и совершенствованию проходческого оборудования и технологии сооружения горных выработок посвящены работы Я.И. Базера, В.Н. Гетопанова, В.Ф. Горбунова, A.B. Докукина, Б.А. Картозии, В.Х. Клорикьяна, А.Н. Левченко, В.Г. Лукьянова, О.Н. Макарова, Л.Е. Маметьева, Н.А, Малевича, В.Е. Меркина, Г.В. Петренко, Н.М. Покровского, В.И. Солода, В.А. Ходоша, В.Н. Хорина и др.

В настоящее время применение механизированных комплексов дает возможность резко увеличить темпы строительства тоннелей и примерно вдвое снизить трудозатраты. В связи с этим по-прежнему актуальным является создание не только отечественных гидрощитов, но и комплексов для механизированной проходки тоннелей в скальных и смешанных грунтах. До сих пор этот грунтовый диапазон в отечественной практике закрывается бесщитовыми и бу-ровзырвными комплексами АБТ-5,5М; КПМ-11 и частично механизированными щитами ЩН-1С, Щ-21 с ручной разработкой забоя.

Строящиеся перегонные тоннели Красноярского метрополитена имеют протяженность от 900 до 3000 метров. Их сооружение ведется под застроенной зданиями городской территории на глубине от 35 до 65 м от поверхности. Геологическое строение трассы тоннелей представлено сложной осадочной толщей разнозернистых выветренных, трещиноватых песчаников с прослоями мергелей, алевролитов, гравелитов, линзами известняков.

Строительство тоннелей ведется с использованием немеханизированных щитов ЩН-1С круглой формы, конструктивные решения которых традиционны и представлены на рис. 1.

В целях повышения уровня механизации и скорости проведения перегонных тоннелей, создание установки для механизированного разрушения забоя и обоснование ее параметров является актуальной задачей.

Разрабатываемая установка для механизированного разрушения пород забоя должна быть размещена на основе щита ЩН-1С без существенных изменений его конструкции, с учетом выполнения других горных работ.

Рис. 1. Проходческий щит 1ЦН-1С: 1- ножевое кольцо; 2 - опорное кольцо; 3 - хвостовая часть; 4 - вертикальные перегородки; 5 - горизонтальные перегородки; 6 - выдвижные площадки;

7 - система силовых гидроцилиндров

Для реализации намеченных задач выполнен анализ конструкции проходческих щитов и исполнительных органов машин для сооружения тоннелей, рассмотрены методики их расчета на прочность.

Анализ конструкций и условий применения исполнительных органов проходческих щитов показал, что в щитах круглой формы для сооружения тоннелей метрополитенов преимущественное значение получили исполнительные органы избирательного действия на подвижной телескопической стреле. Вместе с тем, все рассмотренные конструкции исполнительных органов избирательного действия имеют важный недостаток - невозможность разработки породы в периферийной части забоя точно по периметру внешней оболочки щита, что обеспечивает направленное его перемещение по трассе тоннеля без ручной разработки отдельных участков, недоступных исполнительному органу.

Таким образом, анализ конструкций и методики расчета исполнительных органов избирательного действия показал, что они не в полной мере соответствуют поставленным задачам модернизации проходческого щита ЩН-1С.

Выявленные тенденции в развитии метростроения и проведенный анализ конструктивных схем исполнительных органов и методик их расчета позволили сформулировать цель и поставить задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию конструкций установки для механизированного разрушения пород забоя.

При создании установки для механического разрушения пород забоя в составе щита ЩН-1С необходимо было учесть положительные стороны конструкции исполнительных органов (ИО) избирательного действия и устранить вышеотмеченные недостатки в их работе в составе щитов.

В результате выполненных исследований были разработаны новые кинематическая (рис. 2), а также компоновочные схемы исполнительного органа для механизированного разрушения пород забоя (рис. 3). Она защищена патентом на полезную модель.

Рис. 2. Кинематическая схема исполнительного органа избирательного действия Основные требования к ее разработке: • размещение установки должно производиться без существенных изменений конструкции и несущей способности щита ЩН-1С;

Рис. 3. Схема установки проходческого щита для механизированного разрушения пород забоя: 1 - проходческий щитЩН-1С; 2 - исполнительный орган с конической коронкой; 3 - вал рабочей турели; 4 - подшипники скольжения; 5 -реечный механизм; 6 - гидроцилиндры.

• конструкция ИО должка обеспечивать разрушение пород забоя по всей его площади с учетом круглой формы щита, точности его передвижения и выполнения других процессов проходческого цикла согласно паспорту ведения горных работ, в частности, возможности работы породопогрузочной машины с основания щита;

• с пульта управления работой ИО должен быть хороший обзор по всей площади забоя.

При использовании установки разрушение породы происходит за счет вращения резцовой коронки ИО, закрепленной на турели, перемещающейся за счет гидравлических домкратов как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, а с помощью реечного механизма - по кругу.

виа А

Рис. 4. Модернизированный проходческий щит ЩН-1С: 1 - щит ЩН-1С; 2 - исполнительный орган избирательного действия; 3 - турель; 4 - рабочий поворотный вал; 5 - маслостанция установки; 6 - пульт управления;

7 - привод поворотного вала.

В качестве исполнительного органа установки был принят рабочий орган избирательного действия проходческого комбайна 1ГПКС Копейского машза-вода. Его конструктивные и силовые параметры вполне соответствовали поставленным задачам.

В состав установки входят также турель, поворотный вал с реечным механизмом, опорная плита с узлами крепления подшипниковых опор вала, маслостанция и пульт управления (рис. 4).

Разработанная конструкция установки была подвергнута исследованиям с целью определения опорных реакций в узлах крепления установки к щиту для 12 вариантов нагружения ИО и мер по укреплению конструкции щита.

В третьей главе выполнены исследования и расчеты основных параметров установки, технологии работы механизированного щита ЩН-1С в подготовительном забое. Описаны результаты сопроводительных испытаний.

Методика расчета производительности ИО установки для механического разрушения пород забоя модернизированного щита ЩН-1С разработана на основе методики расчета производительности ИО проходческого комбайна.

Значение технической производительности выпускаемых проходческих комбайнов в справочной литературе представлены однозначно применительно к определенным показателям разрушаемых пород. Это объясняется тем, что каждый из комбайнов создавался для эксплуатации в конкретных условиях выработок угольных шахт. Учитывая, что горно-геологические условия при строительстве метрополитенов отличаются большим разнообразием (стсж=1,5...120 МПа), техническая производительность ИО также меняется в широких пределах и определяется из выражения

б,

К

б

теор

■ +

Ч +1 Л

V

БИ

б

, м /мин,

/

теор

где Кг - коэффициент готовности модернизированного проходческого щита;

^ - время затрачиваемое на изменения направления движения ИО, мин;

^ - время на пофузку горной массы (погрузка машиной 1ПНБ), не совмещенное с разрушением забоя, мин;

Б - сечение тоннеля, вчерне, м2;

Ь - толщина стружки, срезаемой за один оборот режущей коронки, м;

13 - время на замену одного резца, мин;

Ъ - удельный расход резцов, шт/м3;

Отеор - теоретическая производительность ИО, м3/мин.

Выполненные работы по созданию установки для механизированного разрушения пород забоя и модернизации на ее основе проходческого щита ЩН-1С позволили разработать новую технологическую схему сооружения тоннеля (рис. 5). Проектная скорость проведения тоннеля составила 78 м/месяц, производительность труда проходчиков - 5,1 м3 в свету/чел.-см.

Опытный образец установки для механизированного разрушения пород забоя был установлен на щите ЩН-1С, работающем на участке трассы Красноярского метронолитенная: ствол №2 - ст. «ул. Копылова». Проектная протяженность перегонного тоннеля - 3600 м (рис. 6).

Промышленные испытания опытного образца установки в составе щита ЩН-1С проведены в соответствии с «Программой и методикой приемочных испытаний».

Всего за период испытаний пройдено 96 метров перегонного тоннеля. Расчетно-эхсплуатационная скорость проходки составила 64 м/мес.

Рис. 5. Технология сооружения тоннеля модернизированным щитом: а - разработка исполнительным органом нижней и верхней части забоя тоннеля; б - погрузка отбитой горной массы нижней части забоя; в - перемещение щита

ЩН-1С домкратами к забою; г - установка тюбингового крпления; 1 - шит; 2 - ИО; 3 - 1ПНБ-2; 4 - эректор; 5 - лотковый тюбинг; 6 - самоходный

вагон.

Проведенные испытания показали, что установка работоспособна, ее оборудование конструктивно и технологически взаимоувязано со щитом ЩН-1С и другими машинами, участвующими в процессе сооружения перегонного тоннеля.

Установка обеспечивает механизацию работ по всей площади забоя с учетом требований сооружения перегонного тоннеля Красноярского метрополите-

Рис. 6. Установка для механизированного разрушения пород забоя

Полученные результаты промышленных испытаний показали высокую сходимость расчетных и фактических параметров установки. Расхождение не превышало 11%. В ходе испытаний использовались различные типы резцов для конической коронки исполнительного органа.

В результате выполненных исследований определены техническая производительность установки и усилие в ее приводе в зависимости от прочности и абразивности вмещающих пород и типа режущего инструмента (рис. 7; 8).

[Ч

5 з

л—

1 2 3 4 5 6

коэф. крепости f

[ а = 5 мг "——б - 10мг в= 15мг

Рис. 7. Зависимость технической производительности установки от крепости и абразивности вмещающих пород

/

— э

1 2 3 4 5 6

коэф, крепости Г

|-1 РКС-1 -2 РКС-2-3 РШ25-65 |

Рис. 8. Зависимость рабочего давления в гидросистеме установки от крепости разрушаемых пород и типа режущего инструмента

Как видно из рисунков, абразивность вмещающих пород оказывает существенное влияние на производительность исполнительного органа и нагружае-мость его привода. Это связано с увеличенным расходом режущего инструмента и его заменой.

Анализ результатов промышленных испытаний позволил выяснить причины, связанные с выходом из строя элементов привода установки (поворотного вала, узлов крепления гидроцилиндров т.д.). Ими стали динамические нагрузки возникающие при работе установки в определенных режимах обработки забоя, пиковые нагрузки на привод ИО возникают при разрушении вмещающих пород по внешнему диаметру щита (при круговом вращении ИО снизу вверх).

В целях углубленного изучения взаимодействия режущей коронки ИО с породами забоя в процессе их разрушения, определения влияния возникающих нагрузок на привод и конструкцию установки, разработана динамическая модель ее работы в подготовительном забое.

В четвертой главе приведена математическая модель работы установки с помощью которой, описаны динамические процессы и нагрузки, формирующиеся в рабочих режимах ИО в его приводе.

Рабочий орган избирательного действия с изменяемой траекторией создает возможность не только детального анализа, но и выбора рационального управления движением. В конечном счете, определение сложной функции глу-

бины резания должно быть направлено на формирование приемлемых динамических процессов привода режущей части.

Сравнение возможных траекторий осложняется стохастичностыо процессов резания горных пород. Следует вспомнить, что еще в 1976 году в известной работе A.B. Докукина, А.Г. Фролова и Е.З. Позина было предложено использовать нормальный закон распределения для случайных величин момента на двигателе <р{Мт) и мощности. При наличии данных расчет может быть произведен с заданным уровнем доверительной вероятности.

Как компромиссный вариант моделирования нагрузок можно использовать подход, предложенный в Институте угля и углехимии СО РАН для диагностики состояния сложных уникальных объектов. Здесь для сравнения возможных моделей нагрузок используется рабочая гипотеза о «предыстории» их формирования, определяющая диагностические признаки функции.

Практика испытаний рабочего органа показала, что траектория обработки забоя рабочим органом избирательного действия существенно влияет не только на производительность установки, но и может привести к выходу оборудования из строя.

Проблема выбора рациональной траектории для рабочего органа обусловлена тем, что при работе исполнительного органа разрушение забоя в направлении «сверху вниз»и его отработка за счет боковой (круговой) подачи оказались чреваты поломками привода перемещения из-за значительных динамических нагрузок, сходных по своим характеристикам со ступенчатым «набросом» нагрузки (рис. 9).

t

Рис. 9. Динамическая нагрузка при ступенчатом изменении режима

Таким образом, была поставлена актуальная задача выбора рационального режима перемещения и формы стружки, обеспечивающей безаварийную работу установки.

Как компромиссный вариант моделирования нагрузок можно использовать подход, предложенный для диагностики состояния сложных уникальных

объектов. Модель момента сопротивления перемещению коронки может быть представлена в виде

,7\

I . V

1--

V У

Г

Л, 0 < / < Г; т = 1,2,3,...; « = 1,2,3,...,

где параметр М* определяется из условия Мт п (/ — Г) — Л/0 _

В варианте т = п = 1 находим модель угловых деформаций в приводе, представленную на рис. 10:

I

вмп

I 4

£ + Тк1

Т к' Т2

х 10 '

О

J_1_

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.5 0.7 0.8 0.9 1

I

Рис. 10. Динамический процесс в приводе при основной модели нагрузки

В итоге получаем динамический момент сопротивления (рис. 11)

Л „ 1 Л 1 ,з

Ми;ДИН (0 = к(Р\Л (0 + (0 =

= 6Мп

Тк

2 с

I Г I /2

с 2 с ■ +

Тк Т2к2

1 е

I ____

Т 2 Г2 3 Г3

1 ] + 2 ' Г З'Г2

где

<

Ри(0 = /"мСМ*.

Эффект снижений опасности поломок в приводе при выбранной траектории движения коронки виден непосредственно по отсутствию ярко выраженных «пиков». Кроме того, уменьшается величина угловых деформаций, которые могут иметь негативные последствия.

1.5 г

0.5 -

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

г

Рис. 11. Динамический момент в приводе при основном типе нагрузки

Для того, чтобы выбрать альтернативные модели плавного перевода коронки предлагается использовать

/

*1>3(О = 20М0-

1-1 т

\3

; м>2>2(г) = 30м0

го 2 / 1 ^

1-

V т,

= 20Мй\ -

Л3 г

г

1 -V т

У

При выборе рационального варианта траектории учтено различие объемов разрушения породы в каждом из режимов

V =

&

М

I

(ОсН

о о

где Э - общий коэффициент пропорциональности. В рассмотренных частных случаях получаем:

/ . 1 . л \Т

Ухл = 3 тз

\

К13 - 20ТЗ

Угл = 30 тз

1 1 Г4

3 ' тъ 6

1 .11

6 'г3 4 4

1

/ о

+

3 /5

1

J_.ll__L.iL4._L. О =1Г(9.

12 Т4 10 Г5 30 Т6 I 2

У31 = 20 ТЗ

,6 л

1

^___L._L_

20 ' Т5 30 Т6

На этой основе выделен режим с параметрами М = 1; п = 3 (рис. 12)

Уо

- -ТЗ 3

н 0.5

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 t

0. 6

0.7

0.8

0.9

Рис. 12. Альтернативный вариант траектории коронки

В этом случае получено решение, вызывающее несколько больший динамический момент (рис.13)

4 36^-9-^1.1-

Т2к Т

с с ,1с с 1с

724-7+544-Т-144-^+36-^Г+18-

Т*к4 Г к1

' с1

24-—+18--12

Т к Тк

Г/с" ' ~~Т2к2

,2 Г

Гк1

Т2к

л

1с_ | Г__3 Г_\ J•7,з 5у !

Рис. 13. Динамическая нагрузка в приводе при траектории ти - 1, л - 3

Таким образом, устанавливаются следующие основные правила выбора рационального режима работы исполнительного органа:

- резкий перевод коронки на новую стружку формирует динамичный режим на-гружения с пиковыми значениями, величина которых сильно зависит от динамических параметров привода; подобные выбросы являются причиной поломок и других внезапных отказов (деформации, смятия и т.п.);

- при ограниченной прочности элементов привода следует рекомендовать режим, задаваемый основной моделью с параметрами /и = 1, и = 1; в этом случае достигается уменьшение угловой деформации и, особенно, скорости деформации и скорости изменения динамической нагрузки;

- для достижения наименьшей энергоемкости следует принять режим с параметрами /и = 1, л = 3; некоторое повышение деформации и скорости изменения

нагрузки компенсируется производительностью, уступающей только 33,3 % максимальному («ступенчатому») режиму.

По результатам выполненных исследований и анализа математической модели разработаны рекомендации по оптимизации процесса разрушения пород забоя (рис. 14) и совершенствованию конструкции наиболее нагруженных узлов установки (рис. 15).

С учетом динамических процессов в приводе ИО выполнены работы по совершенствованию конструкции рабочего поворотного вала и механизма его вращения (рис. 15), а также элементов гидропривода ИО.

Оптимизация схемы разрушения пород забоя ИО позволила повысить технико-экономические показатели работы модернизированного щита ЩН-1С при проходке тоннеля.

Рис. 14. Схема разрушения вмещающих пород ИО установки: порядок разрушения нижней (а) и верхней (б) части забоя радиальными перемещениями ИО, зачистка левой (в) и правой (г) частей забоя круговым вращением ИО.

Рис. 15. Рабочий вал с турелью и реечным механизмом вращения ИО

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, обеспечивающие решение важной задачи повышения уровня механизации и скорости проведения перегонных тоннелей метрополитенов проходческими щитами ЩН-1С, что имеет существенное значение для решения транспортной проблемы в крупных городах РФ.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему.

1. Строящиеся перегонные тоннели Красноярского метрополитена имеют протяженность от 900 до 3000 м. Сооружение тоннелей ведется под застроенной зданиями городской территорией на глубине от 35 до 65 м от поверхности, с помощью частично механизированных проходческих щитов ЩН-1С. Их модернизация путем оснащения оборудованием для механизированного разрушения пород забоя является актуальной задачей, позволяющей повысить уровень механизации процессов проходческого цикла до 75% и увеличить скорость проведения перегонных тоннелей щитами ЩН-1С в 2,5 - 3 раза.

2. Разработаны кинематическая и компоновочная схемы исполнительного органа избирательного действия механизма разрушения забоя, учитывающие

горно-геологические условия проведения тоннелей щитом ЩН-1С и его конструктивные особенности.

3. Определены нагрузки, действующие на конструкцию щита ЩН-1С и узлы установки во время работы исполнительного органа избирательного действия с конической головкой. Разработаны предложения по модернизации щита и созданию установки, механизирующей отбойку горных пород на полное сечение выработки.

4. Разработана методика расчета технической производительности установки, которая позволяет получить ее значение в зависимости от типа режущего инструмента и горно-геологических условий сооружения перегонных тоннелей. Определены рациональные схемы разрушения забоя исполнительным органом избирательного действия установки.

5. Выполненные работы по созданию установки для механизированного разрушения пород забоя и модернизации на ее основе проходческого щита ЩН-1С позволили разработать новую технологию сооружения перегонных тоннелей с высокими технико-экономическими показателями. Проектная скорость проведения тоннеля составила 78 м/мес., а производительность труда проходчика - 5,1 м3 в свету/чел-см.

6. Проведенные предварительные (заводские) и промышленные испытания опытного образца установки подтвердили высокое соответствие фактических ее параметров расчетным. Всего за период испытаний пройдено 96 метров перегонного тоннеля. Расчетно-эксплуатационная скорость проходки составила 64 м/мес. Экономический эффект от внедрения установки за период приемочных испытаний составил 240 ООО рублей, что в пересчете на погонный метр тоннеля составляет 2500 руб./пм экономии бюджетных средств.

7. Построена математическая модель динамических процессов разрушения пород забоя под действием конической головки исполнительного органа и концентрического его перемещения по площади забоя. Установлены основные правила выбора рационального режима работы исполнительного органа, предотвращающего опасный динамический режим нагружения привода при сохранении высокой производительности при отбойке горной массы.

8. Выполненные исследования и анализ результатов испытаний позволили разработать предложения по совершенствованию конструкции опытного образца установки, работающей в составе щита ЩН-1С. После проведения модернизации конструкции, согласно рекомендациям, установка продолжила работу по проходке тоннеля Красноярского метрополитена, отказы приводов исполнительного органа прекратились, уровень его вибраций снижен, а биение при отработке пород забоя прекратились.

9. Установка может применяться в составе создаваемых проходческих комплексов для сооружения горных выработок круглой и арочной формы поперечного сечения.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Григоренко С.Ю. Перспективы разработки установки для механического разрушения горных пород забоя при проведении перегонных тоннелей метрополитенов [Текст] / Горбунов В.Ф., Григоренко С.Ю. // "Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений": Труды международной конференции: Екатеринбург, 18-20 мая 2004 г. - Екатеринбург изд-во УГГЛ. -2004. - С. 150-152.

2. Григоренко С.Ю. Патент 43588 РФ МПК7 Е21Д 9/06. Проходческий щит [Текст] / Григоренко С.Ю., Григоренко Ю.Д., Винокуров Г.Ф. Хроленко М.А.: заявл. 22.06.2004, опаубл. 27.01.2005, бгол. №3.

3. Григоренко С.Ю. Проведение тоннелей щитом ЩН-1С, оборудованным исполнительным органом избирательного действия [Текст] / Горбунов В.Ф., Григоренко С.Ю. // Сборник научных трудов международной научно-практической конференции "Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов": Изд. Центр СибГИУ. - Новокузнецк. - 2005. - С. 79-83.

4. Григоренко С.Ю. Выбор механизма и схемы разрушения пород забоя при проведении перегонных тоннелей Красноярского метрополитена с использованием модернизированного щита 1ЦН-1С [Текст] / Горбунов В.Ф., Григоренко С.Ю. // "Сборник лучших докладов студентов и аспирантов КузГТУ": КузПУ, Кемерово. -2005. - С. 96-97.

5. Григоренко С.Ю. Обоснование конструктивных решений и силовых параметров установки с исполнительным органом избирательного действия [Текст] / Горбунов В.Ф., Григоренко С.Ю. // "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности": Труды 7-й международной конференции "Экспо-уголь" - г. Кемерово: - Кемерово. - 2006. -С. 232-233.

6. Григоренко С.Ю. Определение параметров исполнительного органа избирательного действия проходческого щита [Текст] / Горбунов В.Ф., Григоренко Ю.Д., Григоренко С.Ю. // Сборник научных статей международной научно-практической конференции "Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов". - Новокузнецк. - 2005. - С. 90-92.

7. Григоренко С.Ю. Разработка методики расчета производительности исполнительного органа проходческого щита ЩН-1С [Текст] / Григоренко С.Ю., Лебедев A.A. // Материалы первой межрегиональной научно-практической конференции - г. Кемерово: - Кемерово. - КемГППК. - 2006. - С. 271-273.

8. Григоренко С.Ю. Разработка технологии проведения тоннеля модернизированным щитом ЩН-1С [Текст] / Горбунов В.Ф., Григоренко Ю.Д., Войтов М.Д., Григоренко С.Ю. // Вестник КузГТУ. - Кемерово. - КузГТУ. - 2006. -№3.-С. 30-33.

9. Григоренко С.Ю. Способ проходки горных выработок круглого сечения [Текст] / Григоренко, Ю.Д., Войтов М.Д., Григоренко С.Ю. // Сборник трудов 8-й международной научно-практической конференции "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности": г. Кемерово: - Кемерово. - 2006. - С. 92-93.

10. Григоренко С.Ю. Новая технология сооружения тоннеля Красноярского метро [Текст] / Григоренко Ю.Д., Григоренко С.Ю., Лебедев A.A. // Материалы 4-го Российско-китайского симпозиума. - г. Кемерово: - Кемерово. - КузГТУ. -2006.-С. 176-181.

11. Григоренко С.Ю. Новые модели динамических процессов горных машин с рабочим органом избирательного действия [Текст] / Григоренко Ю.Д., Григоренко С.Ю. // Материалы 4-го Российско-китайского симпозиума. - г. Кемерово: - Кемерово. - КузГТУ. - 2006. - С. 191 -196.

12. Григоренко С.Ю. Модернизация проходческого щита ЩН-1С и разработка технологии сооружения перегонного тоннеля Красноярского метрополитена [Текст] / Першин В.В., Войтов М.Д., Григоренко С.Ю., Григоренко Ю.Д. // «Горное дело и электромеханика». -2006. - №11. -С.45-48.

Подписано в печать 01.10.2008. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Объем 1,3 п.л. Тираж 120 экз. Заказ ££ у Кузбасский государственный технический университет 659926, Кемерово, ул. Весенняя, 28. Типография ГУ Кузбасского государственного технического университета 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.