автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров трансмиссии геохода с волновой передачей

На правах рукописи

Тимофеев Вадим Юрьевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСМИССИИ ГЕОХОДА С ВОЛНОВОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ

Специальность 05.05.06 — «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О МАЗ 2012

Кемерово-2012

005017683

Работа выполнена в Юргинском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук Аксенов Владимир Валерьевич

Официальные оппоненты:

Буялич Геннадий Даниилович, доктор технических наук, доцент, Кузбасский государственный технический университет, профессор

Мартынов Георгий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, Кемеровский технологический институ пищевой промышленности, доцент

Ведущая организация: ООО «Юргинский машзавод»

Защита состоится 24 мая 2012 года в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.102.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28. Факс (3842) 39-69-60. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имеш Т.Ф. Горбачева».

Автореферат разослан «_ в » апр^уиЛ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета $ .аУ^ А.Г. Захарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время на шахтах Кузбасса на один миллион тонн добытого угля приходится около 4,7 километров подземных горных выработок, проводимых с использованием проходческих комбайнов. Объем проведенных горных выработок в Кузбассе за 2011 год составляет около 400 км. В соответствии с Долгосрочной Программой развития угольной промышленности России на период до 2030 года намечено увеличение объемов добычи угля подземным способом в 1,3 раза. Ожидаемый объем проведения горных выработок к 2030 году может составить 500...550 км в год.

За всю историю метрополитена России сооружено 480 км линий метро. В рамках развития строительства подземных линий метро в ближайшие 15 лет планируется проложить еще 160 км.

Существующее горнопроходческое оборудование (проходческие комбайны и щиты) накопило в своем развитии ряд существенных недостатков: создание тяговых и напорных усилий происходит за счет массы проходческого оборудования; большая металлоемкость оборудования; ограниченность применения по углам наклона проводимой выработки; низкие скорости проходки.

Одним из перспективных направлений в решении проблемы проведения горизонтальных и наклонных выработок является геовинчестерная технология, базовым элементом которой, является геоход - аппарат, движущийся в подземном пространстве с использованием геосреды. Одной из основных систем геохода, определяющей его работоспособность, является трансмиссия.

В последнее время получают распространение (в том числе и в трансмиссиях горных машин) механизмы с относительно новой механической передачей - волновой передачей с промежуточными телами качения (ВППТК). Данная передача обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с передачами, традиционно используемыми в трансмиссиях горных машин: большие предаваемые вращающие моменты, большие передаточные числа, меньшая металлоемкость.

Отсутствие технически и научно обоснованных решений трансмиссии геохода с волновой передачей и методик определения ее параметров сдерживает работы по созданию геоходов нового поколения. Поэтому исследования, направленные на обоснование параметров трансмиссии геоходов с волновой передачей, являются актуальными.

Цель работы - разработать схемные, конструктивные решения и обосновать геометрические и силовые параметры трансмиссии геохода с волновой передачей.

Идея работы заключается в использовании волновой передачи с промежуточными телами качения в трансмиссии геохода.

Задачи работы:

1. Разработать схемные и конструктивные решения трансмиссии геохода.

2. Разработать математическую модель взаимодействия элементов волновой передачи с промежуточными телами качения в трансмиссии геохода.

3. Определить влияние внешних силовых факторов на геометрические параметры волновой передачи с промежуточными телами качения в трансмиссии геохода.

Методы выполнения исследований:

- метод системного анализа и синтеза технических систем;

- метод математического моделирования взаимодействия геохода с геосредой и взаимодействия элементов трансмиссии геохода;

- аналитические методы расчетов технической механики;

- методы компьютерного моделирования с использованием программных

средств SolidWorks 2010;

- метод конечных элементов (МКЭ) с использованием программных средств

SolidWorks Simulation 2010.

Научные положения, выносимые на защиту; ^

- конструктивное решение трансмиссии геохода на основе роликовой Bill ПК с неподвижным сепаратором обеспечивает непрерывное вращение движителя геохода с необходимым вращающим моментом;

- размеры ролика и сепаратора передачи являются взаимовлияющими и определяют основные параметры ВППТК. Диаметр и длина ролика прямо пропорциональны передаваемому вращающему моменту и обратно пропорциональны квадрату среднего радиуса сепаратора;

- в центральной части геохода размер свободного пространства, достаточного для размещения транспортного оборудования и обслуживания исполнительного органа, обеспечивается использованием в трансмиссии ВППТК с полым валом, и однозначно определяется разработанной математической моделью взаимодействия элементов трансмиссии.

Научная новизна:

- получены аналитические выражения для определения необходимого вращающего момента трансмиссии геохода с учетом его непрерывного движения в геосреде;

- впервые разработаны конструктивные решения трансмиссии геохода с ВППТК с полым валом, реализующие необходимый вращающий момент, и обеспечивающие свободное пространство в центральной части геохода;

- разработана математическая модель взаимодействия элементов ВППТК в трансмиссии геохода, позволяющая определять ее основные параметры, в зависимости от размеров геохода, значений необходимого вращающего момента, и требуемого габарита внутреннего пространства;

- определено влияние внешних силовых факторов на геометрические параметры трансмиссии геохода с ВППТК.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, обеспечиваются применением апробированной исходной математической модели взаимодействия геохода с геосредой, экспериментально проверенной на натурном образце геохода, корректностью допущений при усовершенствовании математической модели для определения усилий, необходимых для перемещения геохода; результаты работы получены с помощью апробированных современных методов расчета, компьютерного моделирования и гарантируются использованием фундаментальных положений механики, прикладной математики, динамики машин.

Личный вклад автора:

- усовершенствована математическая модель взаимодействия геохода с геосредой в совмещенном режиме его перемещения;

- разработаны схемные и конструктивные решения трансмиссии геохода с ВППТК с полым валом;

- разработана математическая модель взаимодействия элементов ВППТК в трансмиссии геохода;

- разработана методика расчета силовых параметров трансмиссии геохода с ВППТК;

- получены зависимости конструктивных параметров трансмиссии геохода с ВППТК от внешних воздействующих факторов.

Практическая ценность работы.

Предложенные конструктивные решения трансмиссии геохода с ВППТК и разработанная методика определения параметров трансмиссии, учитывающая многообразие возможных компоновок ВППТК в трансмиссии геохода, могут быть использованы проектировщиками при создании новых образцов горнопроходческой техники.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты работы были использованы при выполнении НИОКР в рамках государственных контрактов №78-ОПН-07п от 10 августа 2007 г. и №26-ОГМ8 от 04 февраля 2008 г. «Разработка специальной технологии проходки аварийно-спасательных выработок в завалах при ликвидации техногенных катастроф».

Методика определения параметров трансмиссии горной техники использована при проектировании горнопроходческой техники в Особом Конструкторском Бюро ООО «Юргинский машзавод».

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-практических конференциях: «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2008-2011), «Машиностроение - традиции и инновации» (Юрга, 2011), «Энергетическая безопасность России» (Кемерово, 2008-2010), «Перспективы развития Восточного Донбасса» (Новочеркасск, 2008, 2010), «Новые технологии в угольной отрасли» (Белово, 2009), на международном научно-методическом семинаре «Современные проблемы техносферы и подготовки инженерных кадров» (Сусс, Тунис, 2009), на «Форуме горняков» (Днепропетровск, Украина, 2010,2011).

Публикации.

По теме диссертации всего опубликовано 40 печатных работ, основные результаты работы опубликованы в 18 печатных работах, в том числе 14 статей в изданиях, рекомендованных ВАК России, получен 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 145 страницах текста, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 73 наименований, содержит 53 рисунка, 13 таблиц и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и идея, научные положения, выносимые на защиту, научная новизна, обоснованность и достоверность научных положений, практическая значимость.

В первой главе рассмотрены существующие конструкции геоходов и их трансмиссий. Также приведен обзор и анализ трансмиссий, нашедших применение в проходческих комбайнах и щитах традиционного исполнения, а также в

другой горной технике.

Разработке и совершенствованию геовинчестерной технологии, геоходов, а также горнопроходческого оборудования в целом посвящены работы А.Ф. Элле-ра, В.В. Аксенова, В.Ф. Горбунова, В.Ю. Садовца, В.И. Солода, В.Н. Гетопанова, В.М. Рачека, В.Х. Клорикьяна, В.В. Ходоша, A.B. Топчиева, H.A. Малевича, С.М. Эткина, В.М. Симоненко, JI.E. Маметьева и других.

В результате анализа существующих проходческих систем установлено, что трансмиссии перемещения традиционных горных машин принципиально отличаются от трансмиссий геоходов как по кинематическим схемам, так и по развиваемым силовым и кинематическим параметрами. Непосредственное их использование в трансмиссии геохода невозможно. Также неприменимы для проектирования трансмиссии геоходов существующие методики расчета силовых и прочностных параметров трансмиссий горнопроходческой техники.

Проведен обзор технической и патентной литературы, рассмотрено состояния вопроса по волновым передачам с промежуточными телами качения. Существенный вклад в исследование волновых передач с промежуточными телами качения внесли: А.Е. Беляев, Э.Н. Панкратов, Е.А. Ефременков, B.C. Степанов. Выявлены основные преимущества ВППТК перед другими, применяемыми в горног машиностроении: высокие передаточные отношения, большая нагрузочная спо собность, низкая металлоемкость, высокий кпд.

Во второй главе выявлены особенности работы трансмиссии геохода и раз работаны требования к трансмиссиям геоходов нового поколения, основными и

которых являются:

- обеспечение непрерывности подачи геохода на забой;

- обеспечение вращающего момента на внешнем движителе достаточного дл продвижения головной и стабилизирующей секций геохода и для создания доста

точного напорного усилия;

- размеры и расположение трансмиссии и привода должны оставлять свобо; ное пространство внутри агрегата для удаления породы из призабойной зонь размещения транспортного оборудования и обслуживания исполнительного орп на;

- трансмиссия и привод должны быть смонтированы на единой конструктш ной базе геохода.

Для определения величины необходимого вращающего момента МВР за оснс ву принята конструктивная схема двухсекционного геохода ЭЛАНГ-4, к которо приложены активные и реактивные силы и моменты (рисунок 1).

\

е= ¿> ^f.OS

/

/ J

Рт — тяговое усилие винтового движителя; Ро — проекции полной силы сопротивления вмещающей породы резанию на ось вращения; Рвз - усилие взаимодействия головной и стабилизирующей секций при движении агрегата; Рввл ~ усилие внедрения винтовой лопасти в при-контурный массив при движении агрегата, зависящее от вида исполнительного органа установленного перед ней; Рвя - суммарное усилие внедрения элементов противовращения в породу;

Ргн - нормальная составляющая нагрузок от горного давления на головную секцию; Рхя ~ нормальная составляющая нагрузок от горного давления на стабилизирующую секцию; Рэп — нормальная составляющая реактивной силы на элементах противовращения от реактивного крутящего момента;

Мвр - необходимый вращающий момент; Мш- вращающий момент, необходимый ддя перемещения разрушенной породы кз нижней части геохода вверх; Мцо - вращающий момент сопротивления резанию ка ИО; Мтио ~~ вращающий момент сопротивления, создаваемый трением ИО по породе; МР - реактивный вращающий момент на стабилизирующей секции; Ог - вес головной секции, с учетом смонтированных на ней ИО, и другого оборудования; Gpm~ вес отбитой горной массы, находящейся внутри агрегата; Gx— суммарный вес стабилизирующей секции с оборудованием; г г—радиус головной секции; гос — радиус по середине шариков останова; гэп ~ расстояние от оси вращения до середины элементов противовращения; Гу—радиус стабилизирующей секши; г0— радиус центрального патрубка ИО геохода; Ал - высота винтовой лопасти; а—угол подъема выработки; Р - угол подъема винтовой лопасти; &- средний угол между плоскостью перекрытия исполнительного органа и плоскостью, перпендикулярной оси вращения; со—угловая скорость вращения геохода.

Rhab " реакция пород контура выработки на винтовую лопасть (реакция навивки); Кц0 - проекция полной силы сопротивления пород резанию на плоскость перпендикулярную оси вращения; Тнлв ~ силы трения винтовой лопасти по вмещающей породе; Тг.об - суммарная сила трения головной оболочки по вмещающей породе;

Тцо — сила трения исполнительного органа (ИО) по вмещающей породе;

Tqc - суммарная сила трения качения останова;

7эя - суммарная сила трения элемет-ов противовращения о породу;

Тх.об - суммарная сила трения стабилизирующей секции о породу;

Рис. 1 - Взаимодействие геохода с геосредой. Схема сил

Математическая модель взаимодействия геохода с геосредой учитывает одновременное перемещение двух секций геохода с непрерывной подачей на забой и позволяет определить Мвр, Кнав и Рт-

МВР = КНАВ

-М

2 '

О)

где Му = -Мги -М

ю - Ыто ~ Тг.ов -С01р-гг- Тос ■ гос - Рввл ■соз р ■ (гг +кд/2).

-М.-&--Р,

Кц4В

г 1г

гэп_

—---/1 И 5

(2)

где Рг = -Рвн + вх -*1п(±а)-ТХЛБ-Р0 +(СГ +Сгм) М-а)-Тг.о5 ■ ¡¡пР-Тиа .мВ-Рм-зт/}-

Рт^НАВ-СМР

(3)

Установлено влияние диаметра проводимой выработки И на величину МВр. Наибольший рост необходимого вращающего момента происходит при изменении диаметра от 3 до 5 м в рассматриваемом диапазоне, что объясняется увеличением площади его наружней поверхности и воздействия сил горного давления, и, как следствие, увеличением сил трения по наружней поверхности. Изменение угла наклона

•вр< Нм

М1

5,0.10' 4,5-Ю6 4,010® 3,510® 3,0-10' 2,5-10' 2,0-Ю' 1,5-10* 1,0-10' 0.5-101

а=ЗС° а-0°

\ \ \

V \

\

г

-1,751 п«

ЗД

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Рис, 2. Влияние диаметра геохода £> на величину необходимого вращающего момента МВР

выработки а влияет незначительно на величину необходимого вращательного момента (относительное изменение не более 10%). Для геохода ЭЛАНГ-4 диаметром 3,7 м необходимый вращающий момент Мвг= 1,75-10 Н-м.

В третьей главе разработаны схемные и конструктивные решения трансмиссии геохода с роликовой однорядной ВППТК с полым валом. Исходя из конструкции ВППТК возможны два базовых варианта ее компоновки в трансмиссии геохода: с зафиксированным венцом (рисунок За) и зафиксированным сепаратором (рисунок 36). В первом варианте зубчатый венец 2 зафиксирован на стабилизирующей секции 3, а сепаратор 4 являясь выходным звеном, передает вращение головной секции 1 через ролики 6 (рисунок За). Во втором варианте сепаратор 4 зафиксирован на стабилизирующей секции 3, а зубчатый венец 2, являясь выходным звеном, передает вращение головной секции 1 через ролики 6 (рисунок 36). Входным элементом передачи является эксцентриковый генератор волн 5, выполненный в виде полого вала.

Рис. 3. Базовые схемные решения трансмиссии геохода с ВППТК

На основе базовых схемных решений разработан ряд конструктивных решений трансмиссии геохода с ВППТК, анализ которых на соответствие требованиям, предъявляемым к трансмиссии геохода, показал, что наиболее приемлемым является решение с зафиксированным сепаратором. На одно из решений получен патент на изобретение №2418950 от 20.09.2011 (рисунок 4).

6 4 8 3

1 - головная секция геохода, 2 - зубчатый венец, 3 - стабилизирующая секция, 4 - сепаратор, 5 - генератор волн (полый вал), 6 - ролики ВППТК, 7 - двигатель, 8 - выходной фланец двигателя, 9 - опоры качения

Рис. 4. Конструктивная схема трансмиссии геохода

В четвертой главе определены параметры силового распределения в элементах ВППТК: генераторе волн, сепараторе и зубчатом венце, параметры тел качения и влияние внешних силовых факторов на геометрические параметры ВППТК в трансмиссии геохода. Вращающий момент на зубчатом венце Мв должен быть больше необходимого внешнего момента МВР (рисунок 5):

2РЗ

1=1

где FBxi-FBi-sinai - проекция реакции зубчатого венца от воздействия г-го ролика на ось Xi, Н; а,■ - угол передачи движения для z'-го ролика, град; Rccp - средний радиус сепаратора передачи, м; Rccp=dp-Z-(1 +Кш)/2-тс; Кш - коэффициент ширины перемычки сепаратора; ZP3 - число роликов в передаче одновременно находящихся в зацеплении, ZP3=KP3-Z; КРЗ - коэффициент числа роликов одновременно находящихся в зацеплении; Z - общее число роликов в передаче.

Вращающий момент на генераторе волн Мр.

Мг=Мв/д, (5)

где ц - передаточное отношение передачи.

Передаточное отношение передачи при зафиксированном сепараторе:

д = 2 + 1, (6)

где число роликов в передаче.

Реактивный момент на сепараторе волн Мс уравновешивается реакцией в заделке сепаратора и пропорционален отношению Z к д:

Mc=(Z|q)■Mвp (7)

Так как в передаче одновременно находятся в зацеплении 30...50% от общего числа роликов (т.е. КРЗ=0,3...0,5), то для определения реактивных сил взаимодействия элементов передачи и нагрузок необходимо установить силовое распределение в зацеплении на участке силового контакта роликов (угол зацепления ф*).

Нормальная сила реакции на одной перемычке сепаратора:

FCi =

Mr

RCcp ' ZP3

Сила трения скольжения ролика по перемычке сепаратора:

рти=ра-*ё<Ртр> где сртр - угол трения стали по стали.

Полная сила реакции на одной перемычке сепаратора:

ра=ра/СО!!<Ргр Сила реакции генератора волн от воздействия одного ролика:

со,? а,

(8)

(9)

(10)

(П)

sin(ai +t//j)

Во время поворота генератора на угол (р* ролик находится в равновесии под действием реакций сепаратора, генератора, венца и силы трения о поверхность перемычки сепаратора (рисунок 6). Сила реакции зубчатого венца от воздействия одного ролика:

cos \f/i

FB,=Fn

(12)

cos ai

Так как углы а и у/ меняются в зависимости от изменения срг, то на участке угла зацепления ср* силы воздействуют на генератор волн и зубчатый венец неодинаково и зависят от угла поворота генератора волн срг. Для диаметра геохода 3,7 м, при Мя=1,75-106 Н-м и построены графики зависимостей усилий: венца FB, генератора Fr и сепаратора F с от текущего угла поворота генератора срг (рисунок 7). На начальном этапе поворота генератора имеет место скачкообразное изменение усилий в генераторе Fr и венце FB:

Рис. 6. План сил, приложенных к ролику

' Гер

■16,

(13)

что позволяет при дальнейшем силовом расчете элементов ВППТК ввести коэффициент неравномерности нагрузки Кнн= 16.

6-1(Г

■10

210

5

3 8 е ь?

и

£

рг! ~~ / о* Ь? Л

о

23

46

69

92

115

<Рп фал

Рис. 7. Влияние угла поворота генератора волн (рг на усилия, возникающие в элементах ВППТК

Установлено, что параметром, связывающим нагрузочную способность передачи и ее геометрические параметры, являются длина Ьс и диаметр ролика. Длина ролика определяется из условия контактной прочности в контактной паре «перемычка сепаратора - ролик». Усилия в венце ¥в, генераторе и сепараторе £с распределяются по линии контакта данных элементов с роликом и создают распределенные нагрузки fs.fr,/с соответственно (рисунок 8).

Ролик

а

/с

/в

Зубчатый венец

Сепаратор

\

II I

\МГ

Мг

Я

Сер

Генератор волн

Рис. 8. Нагрузка на ролике

Распределенная нагрузка на перемычке сепаратора:

F' М fc= — =---, (И)

Lc Ьс ■ q ■ Rc ■ Крз ■ cos срТр

где Lc - длина контакта ролика с сепаратором, м.

Контактные напряжения в контактной паре «перемычка сепаратора — ролик» описываются уравнением частного случая контактной задачи Герца и не должны превышать допускаемых контактных напряжений материала сепаратора:

\ fС ЕГЕ2

<\Рпр-я [Ero-juD+Eya-ri)]^"^' (15)

где рПр - приведенный радиус кривизны в месте контакта, м; pnP=2-dP\ Eh Е2 -модули упругости материалов ролика и сепаратора, Па; щ, ju2 - коэффициенты Пуассона материалов ролика и сепаратора; [°я] - допускаемые контактные

напряжения материала сепаратора, Па.

Минимальная длина ролика из условия контактной прочности:

Ьс>-, 2-М'-К°*--_-^dk-_(16)

[о£] -л-2 .R^-Kn-cosqb [Е,-(1-»22) + Е2-(1-^)]

Минимальный диаметр ролика определяется из условий прочности на срез и жесткости перемычки сепаратора. Усилие на перемычке Fc выражается через вращающий момент на венце Мв:

Fc=-^--(17)

Rccp-KP3-4-cos(pTP

Площадь перемычки сепаратора:

Snc=Hc-Wn=KHc'Kwn-dp> (18)

где Нс - толщина сепаратора, м; Wc - ширина перемычки сепаратора по среднему радиусу, м; Кнс - коэффициент диаметра ролика.

Касательные напряжения в перемычке сепаратора должны быть меньше допускаемых касательных напряжений при циклических нагрузках для материала сепаратора:

т =-^-7-<Н (19)

Rccp -Крз-Я- Кнс ■ Kwn ■ dp ■cos (Ртр

Минимальный диаметр ролика из условия прочности перемычки: >_MB-(1 + Kwn)-KHH_

г__MB-(1 + Kwn)-KHH_

2-л-Кнн ■ Крз ■ Кнс ■ Kwn -R2Ccp • [тс]• cos(pTP

Из выражений (16) и (20) следует, что размеры ролика и сепаратора являются взаимовлияющими и определяют основные параметры ВППТК. Диаметр и длина ролика зависят от передаваемого вращающего момент и среднего радиуса сепаратора.

Проверка выполнения условия жесткости перемычки сепаратора осуществлялась с применением МКЭ. Для чего, с использованием программного продукта SolidWorks Simulation 2010, была создана трехмерная модель нагружения сепаратора с изменяющимися параметрами (рисунок 9).

Сила Рс

Рис. 9. Трехмерная модель нагружения сепаратора ВППТК (диаметр геохода 3,7 м, 80 мм)

Рис. 10. Эпюра результирующи: перемещений в сепараторе (с?р=8 ММ, 11Стах=0,004 мм)

В соответствии с разработанной математической моделью к перемычкам сепаратора были приложены нагрузки, определены граничные условия и заданы параметры материала модели. Получен ряд эпюр результирующих перемещений сепаратора при различных значениях Мв, ^с и (рисунок 10). Критерием оценки предельного состояния жесткости сепаратора послужили следующие допущения: перемещения в сепараторе /ис должны быть меньше допуска на изготовление пазов сепаратора Тп; допуск на изготовление роликов (по ГОСТ 25255-82) и допуск ширины паза перемычки сепаратора равны. График результирующих перемеще-

Тп, /лс 0,010

0,008 0,006

ММ

0,004 0,002

0

\

\

и

40

160 4 , мм

нии в перемычке сепаратора цс построенный по результатам моделирования (рисунок 11), показывает, что требуемая жесткость сепаратора в рассматриваемом диапазоне достигается в интервале йр от 80 мм и более.

80 120

Рис. 11. Результаты моделирования изменения перемещений в сепараторе ВППТК

На основании полученной математической модели взаимодействия и схемы зацепления ВППТК определены геометрические соотношения основных элементов (рисунок 12).

dp DH К Wn

Сепаратор

Рис. 12. Геометрические параметры передачи

Средний радиус сепаратора:

«СсР 2л (21)

Толщина генератора волн без учета величины эксцентриситета:

Нг=Кг-с1р, (22)

где Кг - коэффициент толщины генератора волн.

Радиус генератора волн:

кг = Яаи-е-А, (23)

где ЯСвн - внешний радиус сепаратора, м, Лс<™= ДсФ+0,5-Яс; е - эксцентриситет передачи, м, е=КЕ<1р; КЕ - коэффициент эксцентриситета передачи; А - зазор в передаче, м, А =КА -¿Р\ Кл - коэффициент зазора в передаче.

Наружний диаметр передачи:

Он=2-(Ян+Нв), (24)

где Ян - наружний радиус зубьев венца, м; Нв - толщина зубчатого венца, м, Нв=Кв-йР\ Кв - коэффициент толщины венца.

Диаметр свободного пространства в генераторе волн: 'г-(1 + Кт)

Den ~ dp

— Кн

п

-2-КЕ-2-Кй-2-Кг

Коэффициент свободного пространства:

К.

СП

_Dcn

DH

(25)

(26)

Геометрически диаметр свободного пространства DCn определяется внутренним радиусом генератора Rr и зависит от толщины генератора волн Нг и коэффициента толщины генератора Кг. По выражениям (25), (26) построен график изменения коэффициента КСП в зависимости от диаметра ролика передачи, при фиксированном значении наружнего диаметра £>д=3,7 м, и при различных значениях коэффициента Кг (рисунок 15).

Минимально допустимое значение коэффициента свободного пространства получено из опыта проектирования геоходов ЭЛАНГ-4 и ЭЛАНГ-4, у которых КСПтт=0,65...0,75, принято Ксптт=0,65. На участке графика от 80 до 200 мм диаметра ролика, для обеспечения KcriZ-0,65, необходимое значение коэффициента Кг изменяется в интервале от 5,5 до 1,3, причем меньшему значению диаметра ролика соответствует большее значение коэффициента

Кг.

Значение толщины зубчатого венца Нв зависит от диаметра ролика и связа-Рис. 15. Зависимости КСп от dP при но с ним коэффициентом Кв. Для опре-различных значениях Кг деления значения коэффициента Кв с

помощью МКЭ создана трехмерная модель нагружения зубчатого венца с изменяющимися параметрами, к которой, в соответствии с математической моделью взаимодействия, приложены нагрузки. Получен ряд эпюр результирующих перемещений в зубчатом венце ßB при различных значениях Кв, по которым построены графики результатов моделирования (рисунок 13). Критерием необходимой жесткости венца послужило следующее допущение: результирующие перемещения в зубчатом венце цв не должны превышать 1 % от эксцентриситета передачи из условия обеспечения зацепления в ВГТПТК. Величина коэффициента Кв в интервале диаметра ролика от 80 до 200 мм колеблется в пределах 3,7...2,7, причем меньшим значениям диаметра соответствует большее значение коэффициента.

0 40 80 120 160 dp,

Рис. 13. Результаты моделирования и-нения перемещений в зубчатом веш

Заключение

В диссертации решена актуальная задача обоснования параметров трансмиссии геохода с волновой передачей с промежуточными телами качения, что вносит существенный вклад в горное машиностроение и экономику страны.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1.Установлено, что конструктивные решения трансмиссий традиционных горных машин (проходческих комбайнов и щитов), напрямую неприменимы в

dp, мм

трансмиссии геохода, в виду существенных функциональных и конструктивных различий, а также различий в принципе работы. Отсутствуют требования и научно обоснованный подход к созданию новых схемных и конструктивных решений трансмиссии геохода.

2. На основании выявленных особенностей работы геохода сформулированы требования к трансмиссии, основными их которых являются: трансмиссия должна обеспечивать непрерывное перемещение агрегата на забой; трансмиссия- должна обеспечивать вращающий момент на внешнем движителе достаточный для продвижения головной и стабилизирующей секций геохода и создание напорного усилия; размеры и расположение трансмиссии и привода должны оставлять достаточное свободное пространство внутри агрегата.

Усовершенствованная математическая модель взаимодействия двухсекционного геохода с геосредой, учитывает непрерывное вращательно-поступательное перемещение геохода. Установлено, что необходимый вращающий момент для геохода диаметром 3,7 м равен 1,75-10б Нм. Анализ зависимости изменения необходимого вращающего момента показывает, что, угол наклона выработки существенно не влияет на вращающий момент, т.к. относительная разница момента при изменении угла наклона выработки от +30° до -30° составляет не более 10%. Существенное влияние оказывает, диаметр выработки (геохода): при изменении диаметра геохода от 3 до 5 м происходит рост вращающего момента в 6,9 раза.

3. Разработаны конструктивные решения трансмиссии геохода с ВППТК с полым валом, соответствующие требованиям, предъявляемым к трансмиссиям геоходов нового поколения.

Получены аналитические зависимости для определения развиваемого трансмиссией вращающего момента, параметров силового распределения в элементах ВППТК, а также зависимостей для определения минимальных длины и диаметра ролика. Установленные параметры силового распределения в элементах ВППТК показывают наличие максимальных реактивных усилий, что определяет необходимость введения коэффициента неравномерности нагрузки Кт (Кшр\в для геохода диаметром 3,7 м).

Разработана математическая модель взаимодействия элементов ВППТК трансмиссии двухсекционного геохода при непрерывном режиме его перемещения, которая определяет параметры силового распределения в передаче, а также кинематические и геометрические соотношения, с учетом их взаимного влияния, в зависимости от вращающего момента и заданных условий работы геохода.

4. Анализ зависимостей влияния нагрузок на перемещения в зубчатом венце, при различных значениях коэффициента толщины зубчатого венца Кв, показал что, на участке графика от 80 до 200 мм диаметра ролика, только при значениях Кв=Ъ,1 ...2,7 обеспечиваются перемещения в пределах допустимых значений. Получена аналитическая зависимость влияния диаметра ролика на величину свободного пространства в центральной части геохода. Анализ зависимости показал, что на участке от 80 до 200 мм диаметра ролика, для обеспечения значения коэффициента свободного пространства Ксп^0,65, значение коэффициента Кг изменяется в интервале от 5,5 до 1,3 соответственно.

Основное результаты диссертационной работы опубликовано в следующ. научных трудах:

Статьи в изданиях рекомендованных ВАК

1. Разработка математической модели взаимодействия геохода с геосредой В.В. Аксенов, А.А. Хорешок, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев // Горный инфо{ мационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ 2011 -ОВ №2. С. 79-91.

2. Разработка и анализ возможных вариантов гидро- и электропривода трансмиссии геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.К Блащук // Вестник КузГТУ/ Кемерово, 2010 - № 3. С. 7-14.

3. К вопросу о применении редукторного привода в трансмиссии агрегата да проведения аварийно-спасательных выработок (геохода) / В.В. Аксенов, М.К Блащук, В.Ю. Тимофеев, В.Ф. Горбунов // Горный информационный аналитиче ский бюллетень. Промышленная безопасность и охрана труда на предприятия: топливно-энергетического комплекса / Москва, МГГУ, 2011 - ОВ №9. С. 25-36.

4. К вопросу о создании новой технологии аварийно-спасательных выработо при ликвидации техногенных катастроф / В.В. Аксенов, В.Ю. Тимофеев, А.В. Са пожкова, В.Ф. Горбунов // Горный информационный аналитический бюллетеш Промышленная безопасность и охрана труда на предприятиях топливно энергетического комплекса / Москва, МГГУ, 2011 - ОВ №9. С. 60-68.

5. Разработка и анализ возможных вариантов гидропривода в трансмисси геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Гор ный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение Москва, МГТУ, 2010 - ОВ №3. С. 184-193.

6. Анализ возможных вариантов электропривода и механических передач трансмиссии геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю Блащук // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машино строение/Москва,МГГУ, 20Ю-ОВ№3. С. 154-163.

7. Разработка и анализ возможных вариантов гидропривода в трансмисси) геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Гор ный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение Москва, МГГУ, 2010 - ОВ №3. С. 184-194.

8. Обзор волновых передач возможных к применению в трансмиссии геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2010 - ОВ №3. С. 137-149.

9. Обзор трансмиссий горной техники / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2010 - ОВ №3. С. 55-66.

10. Моделирование взаимодействия корпуса носителя геохода с геосредой / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МПГУ, 2010-ОВ№3. С. 41-48.

11. Формирование требований к основным системам геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Садовец, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук, В.Ю. Бегляков // Горный информационный аналитический бюллетень. Перспективы развития гор-

но-транспортных машин и оборудования / Москва, МГТУ, 2009 - OB №10. С. 107-118.

12. Разработка требований к трансмиссии геоходов / А.Б. Ефременков, В.В. Аксенов, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев // Известия вузов. Горный журнал / Екатеринбург, 2009-№ 8. С. 101-103.

13. Обоснование необходимости разработки трансмиссии геоходов / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев // Вестник КузГТУ / Кемерово, 2009- № 3. С. 24-27.

14. Разработка требований к основным системам геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Бегляков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев, A.B. Сапожкова // Горное оборудование и электромеханика / Москва, 2009- №5. С.3-7.

Статьи в прочих изданиях.

15. Разработка модели взаимодействия геохода с геосредой / Тимофеев В.Ю. / Материалы международной конференции «Форум горняков - 2011». - Д.: Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет», 2011.-С. 186-190.

16. Синтез компоновочных решений трансмиссии геохода с волновой передачей с промежуточными телами качения / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев, A.B. Сапожкова // Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 1: сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2010. С. 102-107.

17. Разработка требований к основным системам геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев, A.B. Сапожкова// Современные проблемы техносферы и подготовки инженерных кадров: III Международный научно-методический семинар - Сусс (Тунис), Донецк, Дон ПТУ, 22 окт. -1 нояб. 2009. - Донецк: [s.n.], 2009. - с. 123-129.

18. Патент на изобретение №2418950 RU / Проходческий щитовой агрегат (геоход) / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, В.Ю. Бегляков, М.Ю. Блащук. - Опубл. 20.05.2011.

Подписано к печати 17.04.2012 Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ/Ш-ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им Т.Ф. Горбачева». 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28. Типография ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им Т.Ф. Горбачева». • 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.

Юргинский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

61 12-5/2834

На правах рукописи

Тимофеев Вадим Юрьевич

Л

и^ЛЛУ1

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСМИССИИ ГЕОХОДА С ВОЛНОВОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Аксенов Владимир Валерьевич

Юрга-2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр

ВВЕДЕНИЕ 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 9

1.1 Конструкция и принцип работы геоходов и трансмиссии 9

1.2 Приводы и трансмиссии горной техники 19

1.3 Обзор волновых передач с промежуточными телами качения 31

1.4 Выводы 3 7

2 ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ТРАНСМИССИИ ГЕОХОДА 3 8

2.1 Особенности работы и разработка требований к трансмиссии reo- 38 хода

2.2 Определение необходимых усилий трансмиссии при непрерывном 41 перемещении двухсекционного геохода

2.3 Определение влияния размеров геохода на силовые параметры его 55 трансмиссии

2.4 Выводы 58

3 СИНТЕЗ КОНСТУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ТРАНСМИССИИ 61 ГЕОХОДА С ВОЛНОВОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ ТЕЛАМИ КАЧЕНИЯ

3.1 Разработка компоновочного решения волновой передачи с про- 61 межуточными телами качения

3.2 Разработка компоновки волновой передачи с промежуточными 62 телами качения в трансмиссии геохода

3.3 Разработка схемного решения привода геохода с волновой пере- 67 дачей с промежуточными телами качения

3.4 Синтез конструктивных решений трансмиссии геохода с волновой 72 передачей с промежуточными телами качения

3.5 Принцип работы трансмиссии геохода с волновой передачей с 82 промежуточными телами качения

3.6 Выводы 83

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ТРАНСМИССИИ ГЕОХОДА

85

С ВОЛНОВОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ ТЕЛАМИ

КАЧЕНИЯ

4.1 Силовое распределение в элементах волновой передачи с проме- 85 жуточными телами качения

4.2 Определение основных геометрических параметров роликов вол- 91 новой передачи с промежуточными телами качения

4.3 Исследование напряженно-деформированного (НДС) состояния 98 элементов волновой передачей с промежуточными телами качения методом конечных элементов

4.4 Определение основных взаимосвязей геометрических параметров 103 волновой передачи с промежуточными телами качения

4.5 Определение влияния внешних силовых факторов на геометриче- 106 ские параметры волновой передачи с промежуточными телами качения

в трансмиссии геохода

4.6 Разработка методики расчета параметров трансмиссии геохода с 113 волновой передачей с промежуточными телами качения

4.7 Выводы 123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

127

ПРИЛОЖЕНИЯ

134

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

В настоящее время на шахтах Кузбасса на один миллион тонн добытого угля приходится около 4,7 километров подземных горных выработок, проводимых с использованием проходческих комбайнов. Объем проведенных горных выработок в Кузбассе за 2011 год составляет около 400 км. В соответствии с Долгосрочной Программой развития угольной промышленности России на период до 2030 года намечено увеличение объемов добычи угля подземным способом в 1,3 раза. Ожидаемый объем проведения горных выработок к 2030 году может составить 500...550 км в год.

За всю историю метрополитена России сооружено 480 км линий метро. В рамках развития строительства подземных линий метро в ближайшие 15 лет планируется проложить еще 160 км.

Существующее горнопроходческое оборудование (проходческие комбайны и щиты) накопило в своем развитии ряд существенных недостатков: создание тяговых и напорных усилий происходит за счет массы проходческого оборудования; большая металлоемкость оборудования; ограниченность применения по углам наклона проводимой выработки; низкие скорости проходки.

Одним из перспективных направлений в решении проблемы проведения горизонтальных и наклонных выработок является геовинчестерная технология, базовым элементом которой, является геоход - аппарат, движущийся в подземном пространстве с использованием геосреды. Одной из основных систем геохода, определяющей его работоспособность, является трансмиссия.

В последнее время получают распространение (в том числе и в трансмиссиях горных машин) механизмы с относительно новой механической передачей - волновой передачей с промежуточными телами качения (ВППТК). Данная передача обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с передачами, традиционно используемыми в трансмиссиях горных машин: большие предаваемые вращающие моменты, большие передаточные числа, меньшая металлоемкость.

Отсутствие технически и научно обоснованных решений трансмиссии геохода с волновой передачей и методик определения ее параметров сдерживает работы по созданию геоходов нового поколения. Поэтому исследования, направленные на обоснование параметров трансмиссии геоходов с волновой передачей, являются актуальными.

Цель работы - разработать схемные, конструктивные решения и обосновать геометрические и силовые параметры трансмиссии геохода с волновой передачей.

Идея работы заключается в использовании волновой передачи с промежуточными телами качения в трансмиссии геохода.

Задачи работы:

1. Разработать схемные и конструктивные решения трансмиссии геохода.

2. Разработать математическую модель взаимодействия элементов волновой передачи с промежуточными телами качения в трансмиссии геохода.

3. Определить влияние внешних силовых факторов на геометрические параметры волновой передачи с промежуточными телами качения в трансмиссии геохода.

Методы выполнения исследований:

- метод системного анализа и синтеза технических систем;

- метод математического моделирования взаимодействия геохода с геосредой и взаимодействия элементов трансмиссии геохода;

- аналитические методы расчетов технической механики;

- методы компьютерного моделирования с использованием программных средств SolidWorks 2010;

- метод конечных элементов (МКЭ) с использованием программных средств SolidWorks Simulation 2010.

Научные положения, выносимые на защиту:

- конструктивное решение трансмиссии геохода на основе роликовой ВППТК с неподвижным сепаратором обеспечивает непрерывное вращение движителя геохода с необходимым вращающим моментом;

- размеры ролика и сепаратора передачи являются взаимовлияющими и определяют основные параметры ВППТК. Диаметр и длина ролика прямо пропор-

5

циональны передаваемому вращающему моменту и обратно пропорциональны квадрату среднего радиуса сепаратора;

- в центральной части геохода размер свободного пространства, достаточного для размещения транспортного оборудования и обслуживания исполнительного органа, обеспечивается использованием в трансмиссии ВППТК с полым валом, и однозначно определяется разработанной математической моделью взаимодействия элементов трансмиссии.

Научная новизна:

- получены аналитические выражения для определения необходимого вращающего момента трансмиссии геохода с учетом его непрерывного движения в геосреде;

- впервые разработаны конструктивные решения трансмиссии геохода с ВППТК с полым валом, реализующие необходимый вращающий момент, и обеспечивающие свободное пространство в центральной части геохода;

- разработана математическая модель взаимодействия элементов ВППТК в трансмиссии геохода, позволяющая определять ее основные параметры, в зависимости от размеров геохода, значений необходимого вращающего момента, и требуемого габарита внутреннего пространства;

- определено влияние внешних силовых факторов на геометрические параметры трансмиссии геохода с ВППТК.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, обеспечиваются применением апробированной исходной математической модели взаимодействия геохода с геосредой, экспериментально проверенной на натурном образце геохода, корректностью допущений при усовершенствовании математической модели для определения усилий, необходимых для перемещения геохода; результаты работы получены с помощью апробированных современных методов расчета, компьютерного моделирования и гарантируются использованием фундаментальных положений механики, прикладной математики, динамики машин.

Личный вклад автора:

- усовершенствована математическая модель взаимодействия геохода с геосредой в совмещенном режиме его перемещения;

- разработаны схемные и конструктивные решения трансмиссии геохода с ВППТК с полым валом;

- разработана математическая модель взаимодействия элементов ВППТК в трансмиссии геохода;

- разработана методика расчета силовых параметров трансмиссии геохода с ВППТК;

- получены зависимости конструктивных параметров трансмиссии геохода с ВППТК от внешних воздействующих факторов.

Практическая ценность работы.

Предложенные конструктивные решения трансмиссии геохода с ВППТК и разработанная методика определения параметров трансмиссии, учитывающая многообразие возможных компоновок ВППТК в трансмиссии геохода, могут быть использованы проектировщиками при создании новых образцов горнопроходческой техники.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты работы были использованы при выполнении НИОКР в рамках государственных контрактов №78-ОПН-07п от 10 августа 2007 г. и №26-ОП-08 от 04 февраля 2008 г. «Разработка специальной технологии проходки аварийно-спасательных выработок в завалах при ликвидации техногенных катастроф».

Методика определения параметров трансмиссии горной техники использована при проектировании горнопроходческой техники в Особом Конструкторском Бюро ООО «Юргинский машзавод».

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-практических конференциях: «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2008-2011), «Машиностроение - традиции и инновации» (Юрга, 2011), «Энергетическая безопасность России» (Кемерово, 2008-2010), «Перспективы развития Восточного Донбасса» (Но-

7

вочеркасск, 2008, 2010), «Новые технологии в угольной отрасли» (Белово, 2009), на международном научно-методическом семинаре «Современные проблемы техносферы и подготовки инженерных кадров» (Сусс, Тунис, 2009), на «Форуме горняков» (Днепропетровск, Украина, 2010, 2011).

Публикации.

По теме диссертации всего опубликовано 40 печатных работ, основные результаты работы опубликованы в 18 печатных работах, в том числе 14 статей в изданиях, рекомендованных ВАК России, получен 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 145 страницах текста, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 73 наименований, содержит 53 рисунка, 13 таблиц и 2 приложения.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Конструкция и принцип работы геоходов и трансмиссии

Геоход - аппарат, движущийся в подземном пространстве с использованием геосреды, предназначен для проходки подземных выработок различного назначения и расположения в пространстве. Геоходы это новый класс горных машин (ГМ), на сегодняшний день аналогов конструкции в мировой практике нет [1].

Технология для проведения горных выработок различного назначения и расположения в пространстве с использованием геохода называется геовинчестерной технологией (ГВТ). Геовинчестерная технология - процесс механизированного проведения горных выработок с формированием и использованием системы законтурных винтовых и продольных каналов, в котором операции по разработке забоя, уборке горной массы, креплению выработанного пространства, а также перемещению всей проходческой системы на забой осуществляется в совмещенном режиме [1].

Применение данной технологии возможно для различных целей [2]:

- проходка горных выработок различного пространственного расположения;

- сооружение подземных транспортных магистралей (метрополитена, железнодорожного транспорта и автотранспорта);

- сооружение подземных хранилищ различного назначения;

- проведение аварийно-спасательных выработок при ликвидации последствий техногенных катастроф и в чрезвычайных ситуациях на горнодобывающих предприятиях [3];

- бестраншейная прокладка трубопроводов, в том числе и при преодолении естественных и искусственных препятствий и др.

Исследования в области структурного синтеза и анализа работы горнопроходческих систем позволили лаборатории проходческих комплексов Института угля СО АН СССР, совместно с работниками шахты «Карагайлинская» (г. Кисе-левск), производственного объединения «Киселевскуголь» разработать, изготовить и провести испытания, первого экспериментального образца геохода, полу-

чившего вначале название - агрегата проходческого щитового вращающегося (АПЩВ-3,0), впоследствии этот образец получил наименование ЭЛАНГ-3 [4-7].

Агрегат ЭЛАНГ-3 это геоход предназначенный для комплексной механизации проведения выработок по слабым и неустойчивым породам. Он позволяет механизировать и совместить во времени разработку забоя, погрузку горной массы, временное ограждение призабойного пространства и перемещение на забой вслед за его подвиганием. ЭЛАНГ-3 (рисунок 1.1) представляет собой цилиндрическую конструкцию, собранную из трех секций: головной, промежуточной и хвостовой.

Общий вид Вид сзади

Рисунок 1.1- Экспериментальный образец геохода ЭЛАНГ-3

На наружной поверхности оболочки 1 по винтовой линии размещена винтовая лопасть 2 (рисунок 1.2). Этот элемент является важнейшим отличительным признаком описываемой конструкции агрегата от всех известных в настоящее время проходческих машин. Взаимосопрягаемые кольца секций соединены между собой по периметру гидродомкратами 3, расположенными по хорде к окружности цилиндрических кольцевых секций 1 и под острым углом а к плоскости поперечного сечения. Штоковые части гидродомкратов 3 цапфами 4 крепятся на одной секции, например, на секции А, а цапфами 5 поршневых частей - на другой секции, например на секции В, из взаимосопрягаемых кольцевых секций 1.

Кожух пресс-погрузчика условно не показан

1 - оболочка секции, 2 - винтовая лопасть, 3, 7 - гидродомкрат, 4, 5 - цапфа, 6 - анкерные лыжи, 8 - исполнительный орган (ИО), 9 - радиальные ножи, 10 - круговые шпангоуты, 11 -загрузочные ковши, 12 - сегменты секции, 13 - фланец, 14 - круговая шина, 15 - крепления кронштейнов, 16 - катки, 17 - перекатная платформа, 18 - пресс-погрузчик

Рисунок 1.2 - Принципиальная схема геохода ЭЛАНГ-3 Винтовая лопасть на всех трех секциях имеет один шаг. На стыках колец лопасти строго смыкаются, образуя единую поверхность. На промежуточной и хвостовой секциях смонтированы по три анкерные лыжи 6 с гидродомкратами 7. Во время работы агрегата они врезаются в контур выработки и воспринимают реактивный момент от ножей ИО и сил препятствующих провороту головной секции.

В передней части агрегата расположена головная секция с исполнительным органом 8, оснащенным для разработки забоя радиальными ножами 9. Пространство между ножами перекрыто спрофилированными секторами.

Каждая кольцевая секция с внутренней стороны имеет по два круговых шпангоута 10 из шахтного спецпрофиля СВП. Головная секция по периметру внутри оснащается загрузочными ковшами 11. Для удобства транспортирования, ремонта и монтажа каждая секция выполнена из трех сегментов 12, один из которых замковый. Сегменты по взаимосопрягаемым граням выполнены с фланцами 13 и отверстиями для стяжных болтов. Промежуточная секция снабжена круговой шиной 14, которая опирается на узлы крепления кронштейнов 15 поворотных гидроцилиндров. На эту шину устанавливаются катки 16 фермы перекатной платформы 17. На эту платформу устанавливается пресс-погрузчик 18 или конвейер.

Таблица 1.1- Основные технические характеристики геохода ЭЛАНГ-3

Диаметр агрегата по винтовой лопасти, мм 3400

Диаметр агрегата по образующей секции, мм 2800

Шаг винтовой лопасти, мм 600

■у Площадь сечения образуемой выработки, м 7,2

Масса, кг 10000

Длина оболочки агрегата, мм 3690

Длина агрегата с пресс-погрузчиком, мм 6300

Механизм перемещения геохода

Тип гидравлический

Количество вращающих домкратов, шт 12

Внутренний диаметр, мм 100

Суммарное развиваемое усилие, кН 1920

Ход гидродомкратов подачи, мм 600

Насосная станция

Тип СНУ-5У

Максимальное рабочее давление, МПа 20

Производительность насоса ВНР-32/20, дм3/с (л/мин) 0,66 (40)

Общая мощность, кВт 40

Техническая производительность агрегата при ножевом ИО

На одном насосе, м/смену 6,1

О Объемная, м /смену 43,5

Следующим этапом развития стал геоход ЭЛАНГ-4НР, который имеет существенное отличие от ЭЛАНГ-3. Конструкция представляет собой двухсекционный агрегат, у которого вращается только головная секция (рисунок 1.3) [2-4, 8-11].

1 - режущая секция, 2 - вращающаяся (головная) секция, 3 - режущие ножи, 4 - винтова