автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Основы расчета опорно-сцепных параметров шахтных самоходных машин при обеспечении их проходимости

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, КУЛЬТУРЫ И ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

.ЙВАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

О ; ^

На правах рукописи УДК 622.627.2.001.57

БЕКЕНОВ ТАСЫБЕК НУСУПБЕКОВИЧ

ОСНОВЫ РАСЧЕТА ОПОРНО-СЦЕПНЫХ ПАРАМЕТРОВ ШАХТНЫХ САМОХОДНЫХ МАШИН ПРИ ОБЕСПЕЧЕНИИ ИХ ПРОХОДИМОСТИ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Алматы -1998

Работа выполнена в Карагандинском Государственном техническог, университете

Научные консультанты:

д-р техн. наук, профессор А.Т.Филимонов д-р техн. наук, профессор С.А. Джиенкулов

Официальные оппоненты:

д-р техн. наук, профессор

A.М. Ткаченко

д-р техн. наук, профессор С.С.Жетесов

д-р техн. наук, профессор

B.Н. Свиденко

Ведущая организация: АО "КааНИИуголь"

Защита состоится " ¡0 " 1998 года в 14" часов на заседа

диссертационного Совета Д. 14.31.03 при Казахском национальном техничес университете по адресу:

Республика Казахстан, 480013, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахск национального технического университета. Автореферат разослан " о " ьуНЧ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент

В.В.Поветкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Современное состояние добычи полезных ископаемых подземным способом неразрывно связано с широким использованием высокопроизводительного самоходного оборудования.

В этом аспекте в последние годы интенсивно осуществляются работы по расширению области применения подобного оборудования.

О настоящее время предложены прогрессивные технологии проведения горноподготовительных работ, очистной выемки мощных крутых нарушенных пластов и отработки ' целиков на действующих шахтах с применением самоходного транспорта.

Проведенные опытно-промышленныо испытания самоходных машин на шахтах Карагандинского и Прокопьевского бассейнов, показали, что технико-экономические показатели их значительно возросли { скорость проходки по породе увеличилась на 22...25%, а по углю-на 150%). Кроме того, шахтные самоходные машины. ( ШСМ ) использовались для механиэац^.1 ряда вспомогательных работ на угольных шахтах.

Одной из главных причин, сдерживающих широкое использование самоходных машин на угольных шахтах, являются тяжелые дорожные условия их эксплуатации Приспособленность конструкции ШСМ к эффективному выполнению перевозок в стесненных шахтных условиях зависит как от свойств машины, так и от свойств дорожных условий.

Настоящая работа > посвященная обеспечению опорно-сцепной проходимости самоходных машин и обоснованию выбора типов ШСМ для транспортирования горной массы с учетом конкретных условий эксплуатации, является актуальной.

В связи с этим данная проблема направлена на повышение эффективности эксплуатации ШСМ на основе обеспечения их опорно-сцепной проходимости по деформируемым фунтам (почвам) шахтных выработок.

Обеспечение опорно-сцепной проходимости ШСМ основывается на анализе их взаимодействия с деформируемой, по мере продвижения горных работ, почвой. Трудность решения данной проблемы усугубляется тем , что зачастую даже несущую способность фунтов и проходимость по ним колесных машин определяют эмпирическими методами ввиду отсутствия достаточно точных аналитических зависимостей.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Постановлением СМ СССР, № 814 от 18.08.83 г и ГКНТ СССР и Госплана СССР № 172/91 от 24,04.84 г. а также по координационному плану АН КазССР № 53 от 03.04.S6 г. и по комплексным планам исследовании Гипроуглегормаша и КарПТИ (отчеты № ГР 8,1088127, 01.85.0062426, 0186,0067574, 0186.0046786 ).

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является определение основных опорно-сцепных параметроз шахтных самоходных машин при обеспечении их проходимости по деформирующимся фунтам выработок и разработка методики их расчета.

ОСНОВНАЯ ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в использовании закономерностей изменения олорно-сцепных параметров проходимости самоходной машины по деформирующимся грунтам выработок от его конструктивных параметров и прочностных параметров фунта, обеспечиваниях болео высокую точность тяговых и прочностных расчетов и эффективность эксплуатации машин о шахтных условиях.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Теоретические исследования проведены

с использованием основных положений механики сплошной среды, теории предельного равновесия, прочности Кулона-Мора и проходимости колесных машин. Экспериментальные исследования проведены на устройстое для испытания фунта выработки и опытно-промышленных образцах шахтных самоходных машин, с использованием современного метрологического ■ оборудования в полигонных и производственных условиях.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ полученные автором и выносимые на защиту:

- Критерии прочности, Определяемые напряженно-деформированным состоянием фунтов выработок, характеризуются как критерии оценки опорно-сцепной проходимости самоходной машины;

- Несущая способность и максимальное сопротивление сдвигу деформируемого фунта выработки определяются пределом прочности, и характеризуются равенством касательных и нормальных напряжений в фунте под колесами самоходных машин;

- Закономерности формирования сил сцепления колеса с фунтом и уплотнения колесом грунта самоходных машин, определяются изменениями соотношении нагрузок на колесо и площади его контакта с фунтом;

- Закономерности взаимодействии колес ведущих мостов шахтных самоходных машин с грунтом выработки определяют особенности перераспределения тяговых сил на их колесах при трогании;

- Принципиально новый механизм формирования опорно-сцепных параметров проходимости шахтных самоходных машин определяет новую концепцию развития их ходовой части.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов исследования заключается в следующем:

.- Впервые рассмотрены закономерности формирования опорно-сцепных параметров проходимости самоходных колесных машин в предельном напряженном состоянии грунтов выработок;

- Обоснованы закономерности распределения напряжений в фунте и установлены теоретические критерии прочности;

- Получены уравнения, определяющие предельное напряженное состояние фунта под колесами самоходных, машин;

- Установлены закономерности изменений напряжений в деформируемом грунте при воздействии возмущающих нагрузок, соответственно установлена модель прочности деформируемого фунта и методика его определения;

- Получены аналитические зависимости, определяющие несущую способность, сопротивление сдвигу и многократность деформирования фунта под колесами самоходных . машин, зависящие только от классических характеристик грунта;

- Выведены аналитические зависимости для определения сил сцепления колес с фунтом и уплотнения колесами фунта самоходных тлашин;

- Установлены закономерности изменения опорно-сцепных показателей ' проходимости самоходных машин в зависимости от их конструктивных параметров и прочностных параметров поча выработок;

- Обоснованы закономерности перераспределения тягоаых сил на колесах полноприводных шахтных самоходных машин при трогзнии;

- Обоснованы основные параметры и показатели для оценки технического , уровня ходовой части самоходной машины, комплексно учитывающие стадии проектирования и эксплуатации;

- Разработана методика расчета основных опорно-сцепных параметров проходимости шахтных самоходных машин.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧИМОСТЬ работы заключается о разработке методики оценки и расчета опорно-сцепной проходимости самоходных машин, которая позволяет оценить и рассчитать показатели опорно-сцепной проходимости самоходных машин при влиянии как параметров машины, так и несущей способности и сопротивления сдвигу фунта выработок. Методика оценки опорно-сцепной проходимости самоходных машин использована при их проектировании и проверена на конкретных примерах опытно-промышпенных испытаний ряда шахтных самоходных машин в полигонных и шахтных условиях, а также реализована в учебном процессе. Фактический материал работы составили результаты научных исследований, проведенные автором в период с 1981 года по 1997 год, позволивший разработать конструкции для определения механических свойств фунта выработок, новые принципы определения несущей способности и сопротивления сдвигу грунта выработок, новую концепцию формирования опорно-сцепных показателей проходимости шахтных самоходных машин.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ подтверждается корректной постановкой задач исследований, обоснованными теоретическими и экспериментальными исследованиями, удовлетворительной сходимостью (в пределах 5-18%) расчетных и экспериментальных данных.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Разработано и внедрено устройство для испытания поча выработок. Разработана методика расчета опорно-сцепной проходимости шахтных самоходных машин, которая апробирована в конструкторском отделе НЛЦ Типроуглегормаш" и ПО "Карагамдауголь", а также утверждена &еедо региональной и отраслевой.

Предложенная автором методика определения нес/щей способности, сопротивления сдвигу и многократной деформируемости грунта выработок внедрена при промышленных испытаниях самоходных вагонов 5ВС-15, ВС-15Э и тягача ТГЛ-1 на шахта "Тентекская" ПО "Карагамдауголь" и самоходного вагона 0С-5Э на шахте "Коксовая" ПО "Прокопьсвсхугсль".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положении, результаты научных исследований и выводы диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрения на Ученых Советах НПЦ Типроуглегормаш" (1983, 1084, 198В, 1989, 1995), на заседании Совета НТО Воронежского завода горнообогатительного оборудования (Воронеж, 1906), наОеесоюэиых и Республиканских конференцих и совещаниях по горным маимюм ( Кива, 1992; Караганда 1983, 1905, 1980, 1990), на заседании НТО ПО "УралкэлиЛ" (Березники, 1989), на 1-ом респуликанском съезде по теоретической и прикладной механике (Алматы,' 1SS6), на международной конференции по механике горных пород (Алматы, 1997), на -международной конференций " научно-технический прогресс - основа рыночной экономики" ( Караганда, 1997) на научных' семинарах кафедры " Промышленный транспорт" КарГТУ (1982-1989), на заседаниях кафедры "Промышленный транспорт" КарГТУ (1996); кафедры "ПТМиГ" КазНТУ (1996); кафедры "Прикладная математика" КарГУ (1996), на объединенном заседании кафедры "ШПС" КарГТУ (1956), на расширенном заседании кафедры СДМ и ПТМ Казахской Академии транспорта и коммуникации, КаэГАСА и кафедр ПТМ и Горные машины КазНТУ (1996-1908).

Научная стажировка проведена в > Казахском национальном техническом университете с 5 мая по 5 августа 1997 г. ' *

ПУБЛИКАЦИИ, По теме диссертации опубликовано 39 научных публикаций, в том числе два авторских свидетельства на изобретения, в которых изложены основйые научные положения, выводы и рекомендации по работе.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация изложена на 308 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 17 таблиц; состоит из введения, семи .разделов, заключения и списка литературы из-160 наименований и приложений на 93 страницах.

Автор выражает благодарность докт.техн.наук З.Т.Акашееу за постоянное внимание и помощь в процессе подготовки диссертационной работы к защите.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обзор отечественных и зарубежных работ по добыче полезных ископаемых подземным способом показывает необходимость применения самоходного оборудования для механизации основных и вспомогательных

процессов.

Разработке основ теории шахтных пневмоколесных машин посвящены груды А.О.Спиваковского, Н. С.'Полякова, А. О. Евневич, Я. Б.Кальницкого, Н.В.Тихонова и др.

Разработке методов оценки качества, выбора типов и параметров горно транспортных машин для конкретных условий применения и перспективам использования шахтных транспортных машин посвящены работы З.Т.Акашева, Д.Т.Анкудинова, В.А.Бреннера, А.Н.Данилрова, С А Джиенкулова, С.С.Жетессаа, РАКабашева, С.С.Музтна, ПИ.Солода, Р.Н. Тауколева, А.М.Ткаченко, А.Т.Филимонова, И.А. ЯнцеНа и др.

Совершенствованию конструкции и повышению надежности самоходных вагонов посвящены работы А. В. Баумана, Г. Р. Вейнгардта, К. Г. Каримова, В. С. Литвинова, А. А. Насипкалиева, К.О.Оразова, В.А.Пинского, А.В.Сафонова, К. Б. Хаирова, Ю.М.Шендеровича, В.М.Фешина и др.

Анализ зарубежных работ и результатов предварительных-испытаний самоходного транспорта в условиях угольных шахт стран СНГ показал целесообразность его применения для очистной выемки мощных нарушенных крутых пластов, отработки целиков и горноподготовительных работ. Промышленные испытания самоходных вагонов 4ВС-10 и 5ВС-15 показали высокую их эффективность, поскольку снизились затраты на наращивание транспортных линий и на доставку материалов в забой. Кроме того, вагоны использовались для механизации ряда вспомогательных работ. Однако, опыт эксплуатации самоходных вагонов как в СНГ, так и за рубежом в угольных шахтах показал и недостатки их применения, заключающиеся в ограничениях по углу наклона выработки, сечению выработки и несущей способности почвы. Поэтому был произведен анализ исследований проходимости колесных машин по фунту, которому посвящены работы отечественных (Чудакова Ё. А., Агейкина Я. С., Бабкова В. Ф., Безбородовой Г.Б., Зимилева Г. В., Кнороза В. И. , Никулина П. И., Строева С. С., Шуклйна С.А., Ульянова Н. А., и др.) и зарубежных (БеккераМ., ЯносиЗ, ХаррисонаВ. идр.) ученых. Анализ показал, что в настоящее время отсутствуют аналитические ме-

тоды расчета предельного коэффициента сцепления колеса машины с опорной поверхностью, соответственно, несущей способности почвы и сопротивления сдвигу почвы; отсутствуют достаточно точные зависимости деформации почвы при воздействии многократных нагрузок от колес машин. •

Анализ выполненных работ в этом направлении (Кошарного Н.Ф., Иванова H.H., Свиденко В.Н., Рокаса С.И., Резникова С.И., Батракова О.Т. и др.) показал, что одной из главных причин при этом является несоответствие параметров экспериментальных установок с параметрами исследованных ими сред, что приводило к неточным определениям характеристик деформируемой среды.

Научные труды названных авторов формируют базу для совершенствования существующих и создания новых средств рудничного транспорта. Однако, недостаточность исследования вопросоа обеспечения опорно-сцепной проходимости шахтных самоходных машин с деформируемой опорой не позволяет установить рациональные пути • дальнейшего их совершенствования применительно к различным условиям стесненных шахтных выработок.

Очевидно, такая задача может быть решена, если будут установлены закономерности формирования опорно-сцепных показателей проходимости шахтных самоходных машин. Тогда, используя эти закономерности и развивая их в нужном направлении, можно будет совершенствовать самоходные машины для типовых условий и эффективно использовать существующие машины в конкретных дорожных условиях.

Известно, что проходимость машины по грунту определяется допустимой удельной нагрузкой на грунт и коэффициентом сцепления.

Анализ фундаментальных работ по почвоведению и механике грунтов отечественных ученых Цытовича H.A., Бахтина П.У., Зеленина А.Н..И др. показал, что физико-механические свойства почвы и грунтов определяются одними и теми же показателями. Денисовым А.Б. выявлено, что такие показатели физико-механических свойств почв, как сцепление С , угол внутреннего трения f и модуль деформации Е, характеризующие процесс взаимодействия в системе "колесный движитель-почва", являются инвариантными к методу их определения. Кроме того, сравнительные экспериментальные исследования несущей способности почв выработок угольных шахт и грунтов, проведенных Атыгае-вым К.О.,показали, что процессы их деформирования имеют качественную аналогию.

Экспериментальные и теоретические исследования сопротивления грунтов, проведенные Рокасом С. показали, что для расчета предель-

ных нагрузок целесообразны расчетные схемы отечественных ученых Береззнцева В.Г. и Соколовского В.В.

Поэтому разработку методов оценки и основ расчета опорно-сцепной проходимости шахтных самоходных машин необходимо выполнить с использованием условия предельного равновесия. Для этого необходимо выполнить целый комплекс теоретических и экспериментальных исследований. Общий алгоритм исследования состоит из отдельных независимых модулей: "Разработка модели напряженного состояния деформируемой почвы выработки", "Разработка модели прочности деформируемой почвы выработки", "Разработка модели опорно-сцепной проходимости шахтных самоходных машин", "Разработка модели колееобрэ-зовэния под шахтными самоходными машинами", "Исследование влияния конструктивных и эксплуатационных параметров на опсрно-сцепнуго проходимость шахтных самоходных машин" и "Опытно-промышленные испытания и разработка рекомендации по обеспечению опорно-сцепной проходимости шахтных самоходных машин", что обеспечивает поэтапный принцип исследования. Каждый модуль является самостоятельной единицей, последующие из которых зависят от предыдущих.

Модуль " Разработка модели напряженного состояния деформируемой почвы выработки" содержит поиск закономерностей распределения напряжений в почве с целью установления его критериев прочности.

Неоднородное объемное напряженное состояние (рис.1) при различных главных напряжениях (б^б^б/) способствует превалирован-ному пластическому разрушению система кубических уравнений которого будет в виде

- 6х + ~ 6'^'= О

взб71 + = 0,

1 ^ а &

где 6,6,6 - инвариантные соотношения; 6/ £>] - соответственно наибольшее, среднее и наименьшее главные напряжения.

Данное объемное напряженное состояние (рис.1) рассмотрим как совокупность трех плоских напряженных состояний.

Схема распределения напряжения

-¿Г

б; Рис. 1

Напряжения на этих площадках Ъг 0.5 + <аь),

0,5(4, - ,

б£3 =0,5(<О2 ~ >

где Тц . > - касательные напряжения;

¿<5 ' ^гз * б^г - нормальные напряжения.

Главные напряжения на этих площадках будут соответствовать напряжений

где б* , , ¿/у - компоненты напряжений; С и • - сцепление и угол внутреннего трения почвы. И соответствующие первые инварианты - '

(2) (3) ¡'1)

(5)

(6) (7)

кругам

(8)

,. (9)

(Ю)

о

б'хгз * S^s ~ 6s, (12)

= * (Щ ■

Критерии прочности, согласно напряженному состоянию (рис.1)

буду . , ,

gm &S ~ fot -¿coe^fe, - 6j) ;

¿f/п ^ for -У)f&, *&e)

sin* fc?os-tPcos'fJf&s

Критерии прочности

(14)

(15)

(16)

.0>r УЬ GS){6f -6j+PCctotf "\ (17)

Зелениным Л.Н. экспериментально получен критерий прочности (17), который яепяется то>едостзенным критерию (14) полученным теоретически. Причем условие прочности оказалось единым, что позволило описывать напряженные состояния деформируемой почвы концентрическими кругами и считать пластичность неотъемлемым свойством любой почвы.

Модуль "Разработка модели прочности деформируемой почвы выработки' содержит установление закономерностей изменения свойств почвы под воздействием внешней нагрузки вплоть до потери его прочности.

Так предельному напряженному состоянию (14) или (17) соответствуют формулы преобразования

е = (в, - вз)/г + Cctg (21)

6 €tn <r° = (6/ * 6з)/2 } ' (22)

g } = (б, - 6з)/2 ±Г(в, * бз)/2Joes'ad

(23)

бжу

= OS (St * ffj) sin (24)

= [(6x-6y/-/ 4 + fy +2Cctf , (25)

где - введенный параметр

Условие прочности (25) совместно с дифференциальными уравнениями равновесия при решении образуют основную систему уравнений предельного равновесия почвы, которая для каждого граничного напряженного состояния в пределах концентрических кругов (рис.3) будет решаться отдельно как для сплошной почвы определенного размера до точки разрыва.

Определим граничные уравнения для определения предела прочности почвы в пределах концентрических кругов напряжений.

Уравнения напряженного состояния Кулона-Мора, для плоского напряженного состояния при &! > 63

&м - 6/ саз*^; бз>6,

~ 03&6~/ S/rz 3d ■ ¿JqL ~~ 0}£ 6з s/n ¿ci.

и при

б/d - б/ S/'noC j 6s л = бзса^и j

г7$ ¿V;

fis* ¿С(/-tf У)

-/

При граничных условиях 6/>$)попучт

Pis '¿Ccos ¿Y'со* èsP-s/nSfiF* Pjs = 20 cos1 -s/'n У)

(26)

(27)

где соответственно, нормальная и касательная составляю-

щие главного напряжения 6t\ 6jpi соответственно, нормальная и касательная составляющие главного напряжения 6у, pi - угол заключенной между направлением Gf и нормалью. При О получаем предел прочности почвы, соответствующий несущей способности на уплотнение

. Ps^cfS-tg^y, <2в)

где Я- несущая способность почвы, соответствующая концу фазы уплотнения и началу фазы сдвигов. При = 45° получаем предел прочности почвы, соответвтвующий несущей способности начала разрушения

(29)

(30)

где /-^t- и - несущие способности почвы в осевом и поперечном направлениях.

При граничных условияхполучим

= <?СсОЛ- S-//7¡Р)'\ , {32)

Дгу * £Ccos>S° feos? 2 (/>- ■ (33)

Экспериментальные исследования несущей способности почэ выработок Карагандинского бассейна проведенных Атыгаевым К.О. подтверждает теоретические значения рассчитанные по формулам (28) и (29).

Сравнение расчетных/^по (23) с экспериментальными при угле внутреннего трения почвы болео 16 показывает их высокую сходимость с погрешностью от 2 до 6%. При угле внутреннего трения почвы менео 10* расчетные знпчения/^по (28) показывают достаточную сходимость с осредненными для выбранных штампов экспериментальными значениями начального сопротивления почвы с погрешностью в пределах 15%. Сравнение расчетных/^? по (29) с экспериментальными/?для всех значений угла внутреннего трения показывает достаточную сходимость с погрешностью не болео 12%. Наиболее» сходимые расчетные результаты с экспериментальными получаются с использованием штампов с площадями от 150 до 500 см2, т.е. в пределах где масштабный эффект в экспериментах не проявлялся. Что касается совпадений Р.? по (28) при углах внутреннего трения более 1б"с экспериментальными сопротивлениями уплотнения почвы Й, а при углах внутреннего

о 1

трения менее 10 с экспериментальными начальными сопротивлениями

Объясняется это тем, что по (28) - это несущая способность почвы, соответствующая началу фазы сдвигов, то есть в первом случае видимый сдвиг начинается при давлении Р(, а во втором' случае сразу же при давлениях^. Это объясняется тем, что во втором случае почва является более пластичной и проявления почвы по периметру штампа незначительны, то есть вдавливание штампа здесь сопровождается проявлением сдвигов почвы.

Далее установим при каких условиях достигается предел прочности.

Касательное и нормальное напряжение,характеризующее предельное контактное вззимодействие определяется:

t = (G s/n ifcasrV+CSn*

6я [G/f -S'/n У) - COPlPjS'ni} (35)

где: & - нормальное напряжение;

& - нормальная нагрузка;

JJitf - ллоа^дь пластического контакта. Расчеты по данным формулам представим в виде графических зависимостей (рис.2) при различных прочностных параметрах почвы и постоянной площади пластического контакта. Точки пересечения из графиках по оси ординат соответствуют предельным сопротивлениям сдвига( ¿ = С О ",''' ), а по оси абцисс пределом прочности (). Соответствие точек пересечения I пределу прочности наблюдается при углах внутреннего трения (¡Р) до 15°и любых значениях сцепления (С), что означает преобладание в почве фрикционных свойств при превышении У свыше 15я. Следует отметить,что точки пересечения, соответствующие пределам прочное!и при любых прочностных параметрах почвы лежат на одной линии. Из анализа графичеси-х зависимостей видно,что предел прочности достигается при постепенном увеличении удельной нормальной нагрузки. Проведенные расчеты также показывают, что при постепенном уменьшении удельной нормальной • нагрузки (в простейшем случае при &~COn$t и увеличении,^), предел . прочности не достигается.

Концентрические круги напряжений получаются посредством уравнения:

»

6} = [гссо?!Р* ефм </-<)](36)

где: ¿V и бз - соответственно наибольшее и наименьшее главные напряжения. Расчеты были проведены при различных ¿'и Ус варьированием ¿V до предела прочности. Результаты расчетов представлены в виде кругов напряжений при С = 15 Н/см2 и f = б"(рис.3), при С = 15 Н/см* и f = 15г(рис.4), при С = 25 Н/см2 и f = 15°( Pnc.i), при С = 15 Н/см2 и f = 25° (рис.6). Едином для всех этих напряженных состоянии является предел прочности (пластичности ) определяемый по формуле;

fiff = Cccs>y(j -f-f/n yv eonPjfcos"??- s'/n У cos* У)' '

где Pf - предел прочности, определяющий предел пластичности. При

этом на рис.4 и рис.5" пределы прочности достигаются при 47 Н/см и 78 Н/см

соответственно. Причем при равных У во втором случае из-за большего С

больше поперечное напряжение растяжения при достижении предела прочности.

Из этого выходит , что при образовании трещин предел прочности еще не

достигается тем больше,чем больше С и f. Причем на рис.4 и рис.5"пределы

прочности почвы на одноосное сжатие равны соответственно 39 и 68 Н/см2, а

2 '

фактические пределы прочности 47 и 78 Н/см соответствуют пределам прочности на поперечное сжатие. При этом фактические предельные круги напряжений

переходят за огибающие и пересекают ось1 в точке соответствующей сцеплению почвы. Данный метод определения предела прочности имеет и практическую ценность, т.к. предельный круг напряжений связывает между собой пределы прочности на сжатие и растяжение. Что касается рис.3 и рис.б, то на рис.3 предел прочности определяется пределом прочности на одноосное сжатие равное 33,2 Н/см , а на рис. б предел прочности определяется пределом прочности на одноосное сжатие равное 46,5 Н/см4, но при небольшом контактном •¡рении. О случае большого контактного трения предел прочности на рис.б равен ' 57 Н/см2, котрый определяется по формуле /¡-2С(/~ ¿0$) .

/О

И

б)

С Л

н

20

/О

4 б/б// ///V

V

^ /

/о

го

6'Ю3, н

Рис. 2

а) 1-С = 25 Н/см; 2-С = 15 Н/см2; 3-С=5Н/см2

б) 1-1? =15°; 2-У = 10°; 3-? = 5°

Концентрические круги напряжений

' g Рис- 3

С= 15Н/СМ ; f = 5° Концентричс-счиэ круги напряжений

Рис, 4 С=15Н/см; f =15°

Концентрические круги напряжений

Рис. 5 С=25Н/см*"; >"--15"

Концентрические круги напряжении

Рис.5 С= 15 Н/см2; ЧР=25"

\

Модуль "Разработка модели опорно-сцепнсй проходимости шахтных самоходных машин" содержит установление закономерностей изменения их опорно-сцепных показателей проходимости в зависимости от конструктивных параметров и дорожных условий эксплуатации по соответствующей модели взаимодействия колеса машины с почвой. Разработка математической модели взаимодействия отпечатка колесного движителя с почвой выработки была выполнена с использованием условия предельного равновесия. При этом, были сделаны следующие допущения: взаимодействие отпечатка с почвой происходит по плоской деформируемой поверхности с достаточным трением, так как на величину предельной нагрузки не влияет форма площади нагружемия; нормальная и касательная составляющие напряжений в пятне контакта распределяются равномерно, поскольку рассматриваются их максимальные величины, которые возникают при трогании машины с моста; рассматриваем взаимодействие только одного колеса, т.к. оценку проходимости и выбор . конструктивных параметров колеса производят по наиболее нагруженному колесу. Расчетная схема формирования продельных нагрузок в зоне контакта колесного движителя с почвой показано на рис. 7.

На основании расчетной схемы и соответствующей модели установлены уравнения для определения опорно-сцепных показателей проходимости самоходных машин.

Удельная нормальная нагрузка превышает удельную касательную нагрузку. В этом случае предельные опорно-сцепные возможности машины определяются согласно рис. 7,

Расчетная схема предельного равновесия при взаимодействий отпечатка колесного движителя с почвой

Рис.7

Рич = - ^¿СЯГ ,

(39)

где£

щ ^ чя" соответственно силы сцепления колеса и уплотнения

почвы колесом; £ и ^ - сцепление и угол внутреннего трения; ¿¡^ - сцепной вес;

[у и I, - ширина и длина контакта колеса с почвой.

При -¿>Р продельные опорно-сцепные возможности машины определяются

Рщ= (сЪШЧ-т

(41)

Задавшись расчетными параметрами почвы вь>работки С -10П/см2 и '/= 15° определим его несущие способности согласно фомулам (28)-(33). В результате расчетов получим, что несущие способности на уплотнение равно 13,7 Н/см2, а на предельное разрушение равно 32 И/см2 [рассчитанные по формуле= £ С СОХ У (СозЛ1!- ■

Для данных дорожных условий, задаваясь удельной нагрузкой машины от 10 Н/см2 до 35 Н/см2 при неизменном сцепном весе колеса 1000,Н по расчетным формулам (38) и (39) получены значения опорно-сцепных сил от удельной нагрузки при Р>~Ь, а по расчетным формулам (40) и (41) получены значения опорно-сцепных сил от удельной нагрузки при ~Ь>Р. Из полученных расчетных данных видно, что эффективное взаимодействие любых приводных колес машины с почвой при сохранении условия/0-^ происходит, если удельные нагрузки колес машины подчиняются условию 13 Р^з^ 31.

В этом случае контакт ведущего колеса машины с грунтом осуществляется в зоне обеспечивающим запас проходимости. Это обстоятельство объясняется тем, что заданные дорожные условия имеют

несущую способность на уплотненна равное 13,7 Н/см2 и несущио способности на разрушение равные от 27,5 Н/см2 до 32 Н/см2. Соответственно в этих пределах наблюдается превышение сцепных возможностей машины над силами уплотнения. В случаях, если удельная нагрузка больше значения 31 Н/см2 при сохранении условия происходит наоборот превышение сил уплотнения над сцепными, которое сопровождается пояолониам буксования, которая будот тем больше, чем больше разница между ними.

Расчеты показывают, что с увеличением растут сдвиги почвы, соответственно растет сопротивление почвы качению колеса машины. При этом одновременно прирост силы сцепления уменьшается за счет уменьшения площади контактной поверхности.

Экспериментальная проверка формул для определения максимальной силы сцепления колеса с почвой были проведены на экспериментальном образце пнеамокопесного тягача ТГЛ1 (конструкция института Гипроуглегормаш) о производственных условиях (на шахте Тентекская ПО Керагандауголь). Одновременно с испытаниями на проходимость ТГЛ-1 проводились замеры характеристик почвы выработки. При елажности алевролита 11% сцепление его составило 26 Н/см2, а угол внутреннего трения 15. Несущие способностй на уплотнение составило 30 Н/см2, на разрушение - 67 Н/см2, и на предельное разрушение - 03 М/см2. Сцепной вес колес одного моста 6500 Н, а другого моста-1500 П. Использовались двойные шины, площадь отпечатка которых равна 325 см2.

По формула (33) получилось следующее: при = 6500 И, Рец -7450 Н; при (гк - 1500 Н,РС^~ 5000 Н.

Экспериментальное значение^ составило от 5000 до 6000 Н, что достаточно удовлетворительно подтверждает согласие между ними, а также и существованпз различных случаев контактного взаимодействия.

Модуль "Разработка модели колесобразовонип под шахтными самоходными машинами" содержит установление количественных закономерностей колееобразования под самоходными машинами.

Эксплуатация по выработке носит последовательный характер по мере продвижения проходки. Следовательно, можно полагать, чго данный периодический процесс подчиняется закону арифметической прогрессии, так как при движении самоходного вагона время действия нагрузки на начальный участок почвы будот в два раза больше, чем на следующий и т.д. При этом предположим, что на всех участках сеченио выработки и время воздействия при однократном приложении нагрузки постоянны.

Общее время воздействия на любой участок поста П проездов вагона можно определить

(42)

где tf, - соответственно время воздействия нагрузки на почву на 1-ом ч/7-ом проездах вагона; ДЁ • разность времени между предыдущим и последующим воздействиями;

/2 - количество проездов вагона.

Время воздействия на почву на 2-ом, из 3-ем.....на/?- ом

проездах можно определить на основе исходного допущения,что каждое последующее время воздействия в два раза больше предыдущего.

Таким образом, используя введенный Я.С.Агеймты» коэффициент снижения напряжения при кратковременном действии нагрузок, определим динамические значения нагрузок, действующих нз почву на всем протяжении повторных нагрузок для порожнего и груженого вагона в отдельности:

-х к)]- Р,-., 6 Сь +*■/=)',

где " динамические значения последующей

и предыдущей удельных нагрузок, соответственно от порожнего и груженного вагона; ^ - нечетное число, равное порожнему проходу (1,3,...,Л-1); ¿' - четное число, равное груженному проходу (2,4,6....я);-

- время релаксации. Максимальную глубину колеи определим после повторных проездов вагона до полной ее стабилизации

/ £ Р?* Ps С72сг7сй?[{#г-/1Г1,/аг2?)]

£«(Р?~РГ) '(45)

где CI - коэффициент затухания напряжения по глубине; £> - диаметр штампа, равновеликого площади контакта; Нг - толщина деформируемого слоя почаы; кгл - глубина линейной деформации почвы; Ек - модуль деформации почаы на -ом проезда вагона; - динамическое значение удельной нагрузки на К -ом проезде вагона.

Колееобраэованис под самоходными вагонами 5ВС-15 и В С 53 от их многократных проездов по одному следу рассмотрим для тех случаев, когда удельные нагрузки их колес не превышают несущую способность почвы. Дпя определения колееобразооания под самоходными вагонами 5ИС-15 и ВС5Э обоснованы расчетные параметры дпя описания состояния почв выработок.

Колееобразования под самоходными вагонами 5ВС-15 и ВС5Э в

зависимости от их повторных проездов по почвам выработок несущими 2 2

способностями 70 Н/см и 50 Н/см соответственно представлены на рис. 8 . Из рисунков видно, что осадки почвы стабилизируются поело 6-7 проездов груженного вагона 5ВС-15 в пределах 25 см. и после 4-6 проездов груженного вагона ВС5Э в пределах 17 см. Из рисунков видно, что многократные часто повторяемые нагрузки увеличивают глубину стабилизируемой осадки (кривые 2), которые после 10 проездов будут находиться соответственно в пределах 27 см и 19,5 см. Расчетные данные по (45) подтверждаются экспериментальными данными образования колеи под самоходными вагонами 5ВС15 и ВС5Эс приемлемой погрешностью.

Модуль "Исследование влияния конструктивных и эксплуатационных параметров на опорно-сцепную проходимость шахтных самоходных машин" содержит определение параметров спорно-сцепной проходимости самоходных машин.

Установлено, что по фактору проходимости по бездорожью возможны три класса колесных машин удобных для сравнения между собой.

К первому классу относятся машины с постоянной площадью контакта с почвой (жесткие движители). Здесь дпя заданных дорожных условий любое повышение сцепного веса сопровождается повышением как силы сцепления, так и уплотнения почвы колесом, разница между которыми уменьшается по мере приближения удельной нагрузки несущей способности почвы на разрушение. В таких классах машин Пюбое повышение сцепного веса снижает их проходимость, т.к. уменьшается их запас. Поясним это на примере (рис.9), который получен при следующих данных: сцепление -15 Н/см2. угол внутреннего трения 15р, площадь контакта колеса с почвой - 325 см2.

Ко второму классу относятся машины с постоянной удельной нагрузкой. Здесь для заданных дорожных условий каждое пропорциональное повышение сцепного веса и площади контакта, обеспечивающие постоянство удельной нагрузки, приводит к повышению запаса прохо-

Рис. 8

1- при кратковременном действий нагрузки;

2- при длительном действий нагрузки а) 5ВС-15; б) ВС5Э

димости, т.е. с каждым повышением сцепного веса сила сцепления увеличивается в большей мере, чем сила уплотнения почвы колесом. Применительно к расчетному состоянию (сцепление -15 Н/см2, угол внутреннего трения -15*, площадь контакта - 325 см2) данное • обстоятельство показано на рис. 10.

К третьему классу относятся машины с постоянным сцепным весом. Здесь для заданных дорожных условий любое повышение площади контакта, соответственно понижение удельной нагрузки сопровождается повышением силы сцепления и одновременным понижением силы уплотнения почвы колесом, что приводит к прогрессивному увеличению запаса проходимости. Данное обстоятельство при том же, что и в предыдущем случае, расчетном состоянии, показано на рис. 11.

Анализ рис, 9-И показывает, что лучшими являются второй и третий классы. Эффективность второго класса повышается с повышением разницы между несущей способностью почвы на разрушение и заданной удельной нагрузкой колеса машины.

С точки зрения влияния параметров почвы на опорно-сцепные показатели проходимости ШСМ анализ рис.9-4 показывает, что при С =Сщ{

при любых^г Увеличивать'/ не эффективно. При малых .!>к и больших 9 (Руд) односторонее увеличение f приводит к большому уменьшению Ру„, чем односторонее увеличение С, хотя запас проходимости во втором случае всегда больше за счет большего увеличения в этом случае (}ц. Это говорит о том, что при малых £к можно увеличивать У в сочетании с С, т.е. находить оптимальные соотношенияи. ПриУк^ одновременное увеличение и С будет тем лучше, чем больше при этом будет^.

Зависимости сил сцепления и уплотнения от удельной нагрузки

н

7

6

2 3 '> 5 Руд., н/см

Рис. 9

Зависимости сил сцепления и уплотнения от нагрузки

, íyn И

6

Л? /2 i4 G-(03,H

Рис. Ю

Зависимости сил сцепления и уплотнения от площади контакта \-сц >Fl>n}-fOs,H

ю б

Ь {00 ¿ОС 300 ÍCD (25 : см"

Рис. н

Анализ расчетов показывает, что при повышении У до ^"изменения близки к линейным. При дальнейшем повышении ориен-

е л

тировочно до 20 идет затухание интенсивности роста Гщ . Превышение значения 20° приводит наоборот к снижению/^ . Данное обстоятельство говорит о том, что превышение У свыше 15 является не

ч

ч

ч I I

рациональным.

Сравнительные анализы проведенных расчетов показали, что при заданных параметрах машины (удельная нагрузка которой равно несущей способности почвы на уплотнение) увеличение сцепления почэы от 15 Н/см2 до 26 Н/см2 (на 73%) при угле внутреннего трения, равной 15 дает аналогичное увеличение несущей способности почвы, сила же сцепления увеличивается на 44%, а сила уплотнения почвы колесом уменьшается на 32%. Такое же увеличение сцепления почвы, но при угле внутреннего трения 25 дает увеличение силы сцепления на 20,5% и уменьшение силы уплотнения почвы колесом на 64%. Увеличение угла внутреннего трения от 15°до 25°при сцеплениях почвы 15 Н/см2 и 20 н/см2 дает одинаковый эффект.Причем увеличение У заметного влияния на силу сцепления колеса не оказывает, уменьшая только силу уплотнения почвы колесом. Таким образом увеличение У свыше 15°является не целесообразным. Перспективным для повышения запаса проходимости является увеличение сцепления почвы, при углах внутреннего трения менее 15°, особенно при малых его значениях.

Параметры функционирования пневмоколесных движителей многоприводных машин, зависящие от свойств самих движителей и от типа силовой передачи рассмотрим пологая опору (почву выработки) твердой. При этом будем рассматривать только начальные этапы формирования параметров.

На многоприводных колесных машинах с блокированной трансмиссией при их движении даже по прямолинейной траектории на малой скорости наблюдается циркуляция мощности из-за перераспределения тяговых сил на колесах. Причиной подобных явлений применительно к самоходным вагонам с колесной формулой 4x4 является то, что если они будут только переднеприводными, то радиус качения их колес будет меньше, чем когда они были бы заднеприводными. Следовательно, передние колеса вагонов являются по отношению к задним отстающими (при равенстве весовых состояний мостов и давлениях воздуха в шинах), соответственно крутящие моменты на колесах вагона в зависимости от величины давления воздуха в шинах (которые на всех колесах постоянны) будут подчиняться условию > , где

крутящие моменты, соответственно на передних и задних колесах), которое подтверждается экспериментами, проведенным на вагоне 4ВС-10. При этом превышение давления воздуха в шинах передних колес над давлением воздуха в шинах задних колес обеспечивает превышение радиуса качения передних колес над радиусом качения

задних колес, соответственно выполняется условие что также

подгсер:кдается экспериментами.

Данное обстоятельство также подверждается ширсксмаштабными исследованиями причин перераспределения тяговых сил на автомобилях марок УРАЛ-377 (6x4) и УРАЛ-375 (6x6).

Модуль "Опытно-промышленные испытания и разработка рекомендации по обеспечению опорно-сцепной проходимости шахтных самоходных машин".

Методика оценки и расчета опорно - сцепной проходи- 1 мости при проектировании и эксплуатации шахтных самоходных машин, включает четыре этапа. Во-пер<зых, производится оценка и расчет опорно-сцепной проходимости ШСМ по граничным значениям несущей способности почв выработок с целью выбора диапазона допускаемых нагрузок на заданную почву и проектирования параметров вновь создаваемых ШСМ для типовых дорожных условий; во-вторых производится оценка и расчет опорно-сцелнсй проходимости ШСМ по величинам их сил сцеплении колес с почвой и уплотнении колесами почвы с целью выбора для заданной почвы и проектирования для типовых условий рациональных соотношений указанных параметров, входящих о допускаемый для этих условий по несудай способности предел, в третьих производится оценка и расчет проходимости ШСМ по величине их клиренса с целью выбора максимально-допустимого количества их проездов по одному следу и проектирования параметров ШСМ при кратковременных и многократно прилагаемых нагрузках, входящих с допускаемой для заданной почоы предел и превышающих его и в червертых производится оценка технического уровня ходовой части ШСМ по обоснованно выбранной номенклатуре показателей технического уровня.

ПЕРВЫЙ ЭТАП.

Количественная оценка и прогнозирование опорно-сцепной проходимости ШСМ по почзам горных выработок можно произвести по несущей способности почв выработок согласно уравнениям (28) - (37).

ВТОРОЙ ЭТАП.

Количественная оценка и расчет опорно-сцепной проходимости ШСМ по величинам их сил сцепления колес с почвой и уплотнения колесами почвы производтся по уравнениям (38) - (41).

ТРЕТИЙ ЭТАП.

Оценка и расчет проходимости шахтных самоходных машин по величине их клиренса производится по максимально-допустимой осадке почвы от воздействия многократных нагрузок на слабом участке выработки, по уравнениям (42) - (45).

После этого произведем оценку проходимости по критерию

k-max <nh*3

где hK- клиренс вагона; П- коэффициент запаса, • Расчет осадки почвы, представленной песчаниками, аргиллитами, алевролитами от воздействия многократных нагрузок самоходных машин 5ВС-15, ВС15Э, 8С5Э производится по разработанной программе на ЭВМ.

ЧЕТВЕРТЫЙ ЭТАП. '

Для того, чтобы установить все конструктивные параметры машин, необходимо еще обосновать их основные параметры. Согласно цели работы при обосновании основных параметров мзшин учтем только те, которые будут определять эффективность переволок. . Установлено, что о качестве основных параметров, в случае, когда глазным параметром является установленная мощность привода (приводов) (/^дЗ, необходимо принять сухую массу вагона ((?), сумму времени ездки с грузом и разгрузки соответственно при движении и разгрузке на максимальной скорости максимальный пре-

одолеваемый подъем (^^.грузоподъемность и минимальный радиус поворота при фиксированной дальности перевозок.

Для установления всех эксплуатационных параметров, когда глазным параметром является сухая масса вагона, всо основные параметры остаются те же, только вместо сухой массы вагона будет реализуемая мощность привода (tip).

Таким образом, при помощи предлагаемой методики оценки опорно-сцепной проходимости машин по почвам выработок можно произвести как сравнительную оценку огюрно-сцепной проходимости различных машин для заданных дорожных условий, так и прогнозирование ожидаемой опорно-сцепной проходимости конструируемой машины для типовых дорожных условий.

Обоснование безопасной скорости движения нового самоходного вагона ВС15Э (конструкция института Гипроуглегормаш) произведена по его опорно-сцепной проходимости на закруглениях выработок. Сравнительная оценка проходимости вагона ВС15Э была произведена с базовым вагоном 5ВС-15М. С учетом движущих сил на колесах вагонов были получены, соответствующие коэффициенты буксования всох колес сравниваемых вагонов. Далее рассчитаны соответствие углов складывания.секции вагона ВС15Э углам поворота его мостов, равные углам поворота мостов вагона 5ВС15М. Также расчитаны различия в углах поворота внутреннего и наружного колес вагона 5ВС15М относительно центра поворота.

Z7

С учетом конструктивных отличий вагонов 5ВС15М и ВС15Э определены обобщенные коэффициенты буксования их колес отдельно по внутреннему и .наружному бортам. Результаты которых показали, что значения обобщенных коэффициентов буксования колес вагона ВС15Э зна- ■ чительно меньше, чем у серийного вагона 5ВС15М, что свидетельствует о меньшем значении сопротивления движению вагона ВС153(запас проходимости больше)по сравнению с сопротивлением движению вагона 5ВС15М (запас проходимости меньше)на повороте. По результатам установлено, что безопасное движение вагона ВС15Э на повороте с радиусом 10,67 м может осуществляться со скоростью 5,0 км/ч, что почтя » два раза больше чем у вагона 5ВС15М. Данная рекомендация принята Горгостехнадзором СССР для положительного решения № 23/472 or 22.03.90 г. ' ■

Обоснование способов, повышающих опорно-сцепную проходимость самоходных иашш-^осуществляется по следующим направлениям.

Удельную нагрузку при увеличении сцепного веса можно сохранить: подбором шин увеличенного размера, особенно по диаметру (применительно к машинам, работающим на шахтах, это трудно осуществимо, хотя возможно до определенного предела) а также применением таких высокоэластичных шин, которые при любом увеличении сцепного веса дают соответствующее увеличение площади контакта.

При постоянном сцепном весе увеличение площади контакта с целью повышения проходимости машины можно осуществить, во-первых, создавая машины шэрнирно-ссчлененныо в плане [одна схема из которых (вагон ВС153) реализована на прзетике институтом Гипроуглегор-маш1, в профиле, сбоку и осевые, применительно к сочлененным в плзнз повышение проходимости осуществляется при изгибе полурам за счет увеличиения при этом площадей контакта колес, которые гидроцилиндры поворота тянут назад (в подобных случаях за счет комплексного влияния тангенциальных и боковых сил площади контакта колес увеличивается); во-вторых, применяя колеса с повышенной тангенциальной эластичностью.

Установлено, что основные нагрузки у переднеприводных машин формируются в задней части, а у заднеприводных машин в передней части контакта их приводных колес с почвой. В результате у переднеприйодных колес больше зона, где реализуется трение покоя соответственно, больше длина контакта колеса с почвой, за счет большей тангенциальной выборки шины, что приводит к повышению силы сцепления.

Таким образом оптимальными способами повышающими проходимость ШСМ Являются такие, которые обеспечивают на каждый прирост нагрузки большой прирост (в %-ом отношении) площади контакта.

Следовательно, для повышения запаса проходимости ШСМ особенно перспективным является создание высокоэластичных колес, обеспечивающих большой прирост контактной поверхности, а также увеличение сцепления почвы, особенно при меньших углах внутреннего трения.

В этом плане были проведены соответствующие сравнительные теоретические и экспериментальные исследования удельной нормальной нагрузки и силы сцепления 4-х и 6-ти колесных вагонов ВС-15Э .По результатам проведенных замеров и расчетов получилось следующее.

В груженном состоянии при общей нагрузко 4-х колесного вагона ВС 15Э 276200 И сумарная площадь контакта колес с почвой составляла 4600 см(площадь контакта одиночной шины1150 см2), что соответствует удельной .нагрузке на почву равной С0Н/см2. В аналогичном состоянии 6-ти колесного ВС15Э при общей нагрузке 343000 Н (площадь контакта одиночной шины 1120 см2) удельная нагрузка на почву составипа 50 Н/см2. При этом использовалась стандартная шина 8-166(14x20). Сила сцепления 6-ти колесного вагона ВС15Э составила 198264 Н, что соответствует коэффициенту сцепления 0,50 против коэффициента сцеппения 0,52 при силе сцепления 143939 Н, соответствующем 4-х колесному вагону ВС15Э.

Институтом Гипроуглегормаш специально для шахтных условий был изготовлен облегченный грузоподъемностью 5 т самоходный вагонВС5Э. Поэтому были проведены исследования по обоснованию выбора параметров его ходовой части с целью наилучшего обеспечения его проходимости. Это определение нагрузок на колеса вагона, площадей отпечатков его колес, соответственно удельных нормальных нагрузок колес на ровную площадку, интенсивности колееобра-зования, а также измерения потребляемой мощности двигателей привода хода и крутящего момента на вал-шестерне привода хода.

Сравнительные иследования проходимости вагона ВС-5Э с разными размерами шин позволили выявить, что наилучшую проходимость вагона обеспечивает шина 300-508 Р при котором удельная нагрузка колеса на почву по общей гиощэди

о

контакта составляет 30 Н/см .

В условиях шахты Ленинградская ПО "Ленинградсланец" определение сил сцепления и сопротивления качению осуществлялось с использованием погрузочной машины. При этом сила сцепления составила 46000 Н, что соответствует коэффициенту сцепления 0,65 при весе порожнего вагона 70000, Н. Сила сопротивления качению составила 3500 Н, что соответствует коэффициенту сопротивления качению 0,05.

В условиях шахты "Коксовая" ПО Прокопьевскугопь сила сцепления колеса

вагона с почвой составила 65000 Н, что соответствует коэффициенту сцепления

0,54 при весе груженного вагона 1200001 ! при влажности почвы 5 %.

Применительно к вновь проектируемому самоходному вагону ВС6Э общим

весом 75000,Н по результатам исследований рекомендуется к использованию

также шина 300-506Р модели И-111 А. При котором сила сцепления колеса вагона

с почвой составит 55054 I I, поотш 48784 И(на вагоне ВС5Э)при влажности почвы

2

8% и одинаковой удельной нагрузке на почву 34 Н/см. Такое повышение запаса

проходимости вагона ВСОЭ обеспечивается за счет снижения давления воздуха в 2. Z

и.,'.' - до 50 Н/см против 55 (-¡/см (на вагоне ВС5Э). Кроме того на вагоне ВС15Э в условиях полигона замерялись площади отпечаткоа колес при фиксированном угле складывания секции вагона, которые подтверждают теоретические выкладки утвер.-эд&ющиэ, что сила сцепления колес с почвой растет при складывании ' секции вагона за счет дополнительного увеличения при этом площадей контакта колес с почвой. Результаты усредненных замеров представлены в табл. 1,

Таблица 1

Результаты замеров отпечатков колес вагона ВС15Э

N2 Параметры Без груза С грузом

п/п \ Нэгррха, И Д^ек^и* Ппа<1р1д>з Нэгругка, Давление Плоить

ЙОЗДУ^З сгтечапа. п ео?лукз в стлеч2тг.а,

Обметы замеройч. шине. см* сп>

М'ст' Н/е«*

1. Правая сторона:

переднее колесо 46600 60 889 80400 30 2170

заднее колесо 24600 60 733 64070 54 354

2. Левая сторона:

переднее колесо: 44500 50 860 84630 48 1504

заднее колесо: 32600 55 863 70990 52 1440

Промышенные испытания серийного самоходного вагона 5ВС15 производи-лись в конвейерном квершлаге (гор.+125 м) шахты Тентексксй ¡10 Караганда-уголь. В почве выработки встречались как песчаники,так и алевролиты с аргил-литами средней крепости. Наряду с испытаниями проводились замеры деформа-тивных и прочностных свойств почвы статическим и динамическим методами.

Кроме того, оо время испытаний замерялось колеообразование ог самоходного вагона при проездах его по слабым участкам, представленным аргиллитами и алевролитами. В результате установлена критическая влажность равная 10 % при котором в общем обеспечивалась необходимая проходимость вагона, при длине транспортирования породы не пресыщающей 300 м, по алсвролщу и песчанику.

• Интенсивность колееобразования вагона ВС5Э в условиях полипмш определялась при повторных проездах вагона по слежавшемуся углго как в сухом состоянии, так и при влажностях 10 и 14%.

D период промышленных испытаний вагона ВС5Э определили интенсивность

колееобразования в зависимости от повторных проездов вагона, степени уплог-

2

нения и влажности почвы при номинальном давлении воздуха в шине СО И/см. В результате установлена критическая влажность почвы, разная 4 % при кото -ром обеспечивается необходимая проходимость вагона при длине транспортирования угля не превышающей 100 м. Средняя скорость движения вагона с

грузом составила 2,45 км/ч,а без груза 3,85 км/ч. При этом средняя удельная

2

нагрузка составила 33,5 Н/см.

Полигонные испытания тягача ТГЛ-1 также были проведены на опытном участке завода. Промышленные испытания тягача ТГЛ-1 быпи проведены в конвейрном штреке 131-А-Д6-2-Ю шахты Тснтекская ПО Карагандауголь. Почва выработки была представлена алевролитами с прослойками утлп. Одновременно с испытаниями проводились замеры физико-механических свойств почвы.

По результатам определен средний статический коэффициент сцепления составляющий 0,343. При этом использовались двойные шины размером 3-15. Статический отпечаток одиночной шины составил 162,5 см2, соответственно, при сцепном весе на одно колесо в 6500 H удельная нагрузка на почву составила 40 Н/см2

Результаты промышленных испытаний вагона 5ВС15 показывают достаточную сходимость теоретических исследований стабилизируемой колеи, так как при эксплуатации вагона по алевролиту (несущаяспособность на разрушение составляет 70 Н/см ) глубина стабилизируемой колеи равнялась 28 см, а расчетная стабилизируемая осадка почвы составила 25...27 см. Испытания вагона ВС5Э по углю штрека (несущая способность на разрушение составляет 66 Н/см2) позволили установить глубину стабилизируемой колеи равной 18 см, а -расчетная стабилизируемая осадка почвы составила17...19,5 см, что также свидетельствует о достаточной сходимости осадок почвы.

Из анализа результатов исследований видно, что для оценки и расчета проходимости самоходных вагонов по почвам квершлагов шахт Карагандинского и штреков шахт Прокопьевского бассейнов с целью выбора наиболее рационального вагона критической несущей способностью почвы необходи-

мо считать несущую способность почвы на разрушение. Это объясняется тем, что а обоих случаях глубина деформируемого слоя значительная.

Также проведено исследование интенсивности колееобразования под вагоном 5RC15M при его эксплуатации по почве вентиляционного штрека пл.Т1-Т6

шахты Тентексхой ПО Карагандауголь, представленной углем средней крепости,

2

при номинальном давлении воздуха в шине ( 60 Н/см).

По мере повторных проездов самоходного вагона одновременно определялись степень уплотненения почвы твердомером ДОРНИИ и влажность почвы. Результаты замеров показывают, что чем дальше расстояние от груди забоя, тем больше уплотнение почпы.Следовательно, почва не разрушается при нагрузках, не превышающих ее несущую способность, соответственно коэффициент сопротивления почвы качению колес вагона понижается. При этом, несущие способности почвы на двух площадках удаленных друг от друга на небольшом рассто-

j?

янии равны соответственно 174 и 195 Н/см. Модуль деформации на глубине 5 см

Z 2

равен 1300 Н/см, на глубине до 10 м равен 2100 Н/см, то есть они лежато пределах модулей деформации по выбранному расчетному состоянию. Расчетные значения колееобразования удовлетворительно сходятся с соответствующими экспериментальными данными, то есть погрешность составляет от 9% до 11%.

Исследования проведенные КарГТУ совместно с Гипроуглегормаш позволили получить технико-экономические показатели [39] приведенные ниже. При промышленном испытании вагона 5ВС-15 за полных пять месяцев работы средние темпы проходки равнялись 49 м/мес. За весь период испытаний общая трудоемкость проходки снизилась с 97чел.-ч/м до 54 чел.-ч/м, т.е. на 1,0 раза, что в конечном счете позволило получить годовой экономический эффект 41,3 тыс.руб. (в ценах 1986 г.). Опытно промышленная эксплуатация самоходного вагона ВС15Э при проходке квершлага пл.Т1-ТЗ , показала производительность по откатке горной массы на расстояние до 100 м. - 19,8 т/час. Трудоемкостьпогрузки материалов на вагон, доставки их в забой на расстоя-ние100-130 м и разгрузки в два раза меньше, чем при доставке материалов лебедками. Полученный годовой экономический эффект составил59,5 тыс. руб. (в ценах '1967 г.). При проходке вентиляционного штрека с использованием вагона ВС5Э на шахте "Коксовая" техническая производительность комплекса "комбайн-вагон" составила 30 т/час. При проходке штреков на шахте "Ленинградская" средние темпы проходки составили 307,4 м/мес. Годовой экономический эффект составил 59,5 тыс. руб. (в ценах 1988 г.). В настоящее время самоходный вагон ВС10Э проходит опытную эксплуатацию на шахте Кировская ПО " Караган-дашахтоуголь ". Гипроуглегормашем выполнены проекты на изготовление новых образцов 10-тонного (ВС10Э) и 6-тонного (ВС6Э) вагонов, которые приняты для изготовления Воронежским заводом горно-обогатительного оборудования и опытным заводом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертационной работе выполнено обобщение и решение еажиой научно-технической проблемы по повышению эффективности эксплуздеции ШСМ в стесненных шахтных условиях, позволяющее расширить область их применения.

2. Анализ иссладоааний колесных машин по грунту и результатов опытно-промышленных испытаний ШСМ позволил выявить их недостатки и определить пути определения основных опорно-сцепных параметров ШСМ при обеспечении их проходимости по деформирующимся грунтам выработок и разработки методики их расчета.

3. Предложены автором новью конструкции оборудования для экспериментального испытания грунгоо на сжатие и едэиг о шахтных условиях, позволяющие определить прочность деформируемых грунтов выработок.

4. Установлены теоретические критерии прочности грунтов выработок для разных схем напряженного состояния, которые тождественны эмпирическим критериям прочности О.Мора и А. Зеленина.

5. Для предельного напряженно-деформированного состояния грунтов получены аналитические уравнения для определения максимального сопротивления сдвигу и предела прочности (несущей способности) деформируемых грунтов выработок и разработана методика их расчета.

6. Разработана модель предельного взаимодействия отпечатка движителя машины с деформируемым фунтом выработки. Выявлен характер распределения опорно-сцепных параметров проходимости самоходных машин в зависимости от изменения нагрузок на колеса и площадей контакта их с фунтом.

7. Предложена модель деформируемости грунта выработки от воздействия

многократных проездов' самоходного вагона, которая показывает, что на

многократную проходимость существенное влияние оказывает изменения •

модуля деформации фунта по глубине и время контакта колеса вагона с

грунтом. Снижение удельной нормальной нагрузки вагона на почву от 70

2. Р 2.

Н/см до 80 и 50 Н/сМ при несущей способности почвы 70 Н/см и модулях

деформации по глубине от 600 до 1500 Н/см приводит к снижению

интенсивности колееобразования соответственно на 19 и 32%.

8. Исследование влияния конструктивных параметров самоходной мякины на его опорно-сцепные показатели проходимости показали, что основной слияние оказывает соотношение нормальной нагрузки и площади ком акта колеса с грунтом. При заданных дорожных условиях псш.ниениэ удельной нагрузки сопровождается повышением как силы сцепления колеса, так и силы уплотнения фунта колесом, разница между которыми уменьшается по мере приближения удельнойнагрузки несущей способности грунта.

9. При угле внутреннего трения '/> 15°изменения силы сцепления колеса с грунтом близки к линейным. При повышении lf до 20 происходит затухание интенсивности роста ^ , а при более 20° Реи, начинает . снижаться. При заданных параметрах машины увеличение сцепления rpyífra or 15 И/см2 до 26 Н/см2 (на 73%) при угле внутреннего трения, равней 15 даот аналогичное увеличение несущей способности фунта, сила же сцепления увеличивается на 44%, а сила уплотнения фунта колесом уменьшается на 92%. Перспективным дпл повышения запаса проходимости машины является увеличение сцепления фунта npn'jVl5.

10. Исследование опорно-сцепных параметров проходимости ШСМ показывает, что влияние!^при C-Censt и любых Лл- не значительно. При малых и больших <£( Pvg ) одностороннее увеличение f приводит к большему уменьшению силы уплотнения фунта колесом, чем односторонее увеличение С . При/'&&дноеремсннов увеличение и Г будет тем лучше, чем.больше .

11 .Перераспределение тяговых сил ШСМ при трогании показало, что основной причиной этого явления является характер и особенности взаимодействия передних и задних приводных колес машин с фунтом. • Установлено, что чем больше тангенциальная эластичность переднего движителя машины, тем большая часть тяговой нагрузки формируется в задней части контакта этого колеса, соответственно тем больше будет запас опорно-сцепной проходимости машины.

12. В результате завершенного комплекса исследований автором впервые определены основные опорно-сцепные параметры ШСМ при обеспечении их проходимости и разработана методика их расчета, обоснована скорость движения самоходного: вагона ВС15Эпо закруглениям выработок по его опорно-сцепной возможности, определены несущие способности фунтов вы-

работок, по которым прошли опытно-промышленные испытания машины 5ВС15, ВС15Э, ВС5Э и ТГЛ1 и рекомендованы параметры пневмэшин, обеспечивающие опорно-сцепную проходимость вагонов ВС.15Э, 0С5Э, ВСЮЭи ВС6Э.

Методика оценки и расчета опорно-сцепной проходимости шахтных самоходных машин утверждена в виде региональной Угольным департаментом "ИСПАТ-Кармет", а также в виде отраслевой вошла во" Временное руководство для проектирования и расчета опорно- сцепных систем шахтных самоходных машин", разработанное совместно с Гипроуглегормашем, которое утверждено Министерством Энергоресурсов РК.

Приоритет в разработке рассматриваемых в диссертации проблем защищен 37 опубликованными работами и 2 Авторскими свидетельствами на изобретения. Внедрение разработок в проектные и эксплуатационные работы института Гипроуглегормаш и Воронежского завода горно-обогатительного оборудования и ПО " Карагандашахтоуголь" подтверждено соответствующими документами.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В РАБОТАХ:

1. Бекенов Т.Н. Основы теории уплотнения в разрушения грунтов

и горных пород//Совершенствование технологических процессов и методов их контроля. Сб.науч.трудоо КПТИ, Караганда, 1991, с. 15-23.

2. Бекенов Т.Н. Упруго-пластическая теория в механике материа-лов//Новая техника и технологиястроительства. Сб.научн.трудов КПТИ, Караганда, 1995.

3. Бекенов Т.Н. Теория предельного напряженного состояния горных пород//Вестник АН РК, Алматы, 1994.

4. Бекенов Т.Н. Механизм разрушения горных пород//Вопросы проведения и охраны горных выработок. Сб.научн.трудов КПТИ, Караганда, 1990, -с.

5. Бекенов Т.Н. Основы разрушения горных пород в массивеАТе-зисы докладов Всесоюзного научно-практического совещания "Теоретические и технологические аспекты создания и применения силовых импульсных систем". Караганда, 1990. - с. 26-28.

6. Бекенов Т.Н. Модель разрушения горных пород//Изв.вузов. Горный журнал. - 1990. - N 11. - с. 19-20.

7. Бекенов Т.Н. К теории разрушения горных пород//Изв.Вузов. Горный журнал. -1993. - N 3. - с. 80-85.

8. Бекенов Т.Н. Граничные уравнения статики для оценки опор-

но-сцепной возможности самоходных машин//Иза.вузов. Горный журнал. -1990. -ИЗ- с. 87-89.

9, Бекеноа Т.Н. Мехг.ника разрушения// Развитие и совершенствование транспорта горных предприятийСб.науч.трудоз КПТИ, Караганда, 1994.

10. Бекенов Т.Н., Бекенов Тем.Н. Теория прочности пластически деформируемых сред//Новая техника и технология строительства. Труды Кар Г ТУ. - Караганда - 1995. с.26-33

11. Бекенов Т.Н., Мавлаиоаа А.Н. и др. Теория прочности пластической дискретно-континтуальной среды// Труды КарГТУ. - Караганда. -1935. с.38-41

12. Бекенов Т.Н., Мавлзнова А.Н. и др. Общая теория пластич-носм/Пруды КарГТУ. - Караганда. - 1996.-С.176-177

13. Бекеноп Т.Н. Механика разрушения// Тезисы международной 1 конференции по механике горных пород Алматы,1996.с.32-33

14. Бекенов Т.Н. Определение опорно-сцепных показателей прохо-дик'ссти шахгных самоходных вагонов//Иза.Вузов. Горный журнал. -1989. - N Q. - с. 70-72.

15. Бекенов Т.Н.Дзнияров А.Н., Оразов К.О., Определение касательной силы тяги колесного движителя горнотранспортных ма-шин//Изв. Вузов. Горный журнал. - 1984.-N 2. - с. 52-53,

16. Бекенов Т.Н. Определение силы сцепления колесного движителя горнотранспортных машин с деформируемой опорной поверх-ностью//Иза.Вузов. Горный журнал. - 1984. - N 11.- с. 58-59.

17. Бекенов Т.Н. Опорно-сцепные возможности шахтных пневмоко-лесных машин//Вопросы экспериментаьных исследований работы строительно дорожных машин: Сб.науч.трудов КПТИ. - Караганда, 1985,

с. 114-117.

18. Бекенов Т.Н. Теория опорно-сцепной проходимости шахтных самоходных машин//Груды КарПУ, Караганда, 19Q6.-C.271-273

19. Бекенов Т.Н. Уравнения процессов взаимодействия колес самоходных машин с поверхностью шахтной дороги//Интенсификация технологических процессов на угольных шахтах. Сб.науч.трудов КПТИ, Караганда, 1988,-с. 42-45.

20. Бекенов Т.Н, Граничные уравнения статики для оценки олор-носцепной возможности шахтных самоходных машин//Моделирование и оптимизация выемочно-транспортных комплексов горных предприятий. Сб.науч.трудов КПТИ, Караганда, 1988. - е.. 96-100. :

21. Бекенов Т.Н. Особенности образования трения качения пневмо-колесного движителя/ГГезисы Всесоюзного научно-практического сове-

щания "Теоретические и технологические аспекты создания и применения силовых импульсных систем", Караганда, 1990. - с.

22. Бекенов Т.Н.Данияров А.Н.; Оразов К.О., Учет неравномерности распределения нагрузки от самоходного вагона на почоу по длине выработки//Изв.Вузов. Горный журнал, 1983. N 11. с.

23. Бекенов Т.Н., Бекенов Тем.Н. Рациональные способы взаимодействии колес шахтной самоходной машины с опорой //Новая техника и технология строительства. Сб.науч.трудов, Караганда, 1995.С34-38

24. Бекенов Т.Н. Особенности функционирования мнеомоколесных движителей многоприаодных машин//Функционально-структурное моделирование и разработка машин. - Караганда. 1389. - с. 44-47.

25. Бекенов Т.Н. Особенности изменения массы колесной самоходной машины при его движении//Тезисы региональной научно-технической конференции "Молодые ученые - науке Центрального Казахстана". - Караганда. - 1988. - с. 20

26. Бекенов Т.Н. Оптимизация параметров горнотранспортных машин технологического комллекса//Совершенствованио технологических схем проведения и способов поддержания горных выработок на глубоких горизонтах. - Караганда, 1988. - с. 81-87.

27. Бекенов Т.Н. Сравнительная оценка типов силовых передач многоприводных машин// Моделирование и разработка машин и систем машин. - Караганда. - 1990. - с. 48-52.

28. Бекенов Т.Н. Взаимодействие колесного движителя самоходного вагона с опорой а начальный момент времени//Изв.Вузоо. Горный журнал. - 1990. - N 9. - с. 9929. Бекенов Т.Н. Данияров А.Н., Шендерович Ю.М Деформация

почв выработок при испытании шахтного самоходного вагона 5ВС15//Изв.Вузов. Горный журнал. -1985. - N 9. - с. 71-74.

30. Бекенов Т.Н. Математическая модель деформирования среды при многократно-прилагаемых квазистатических нагрузках//Изв.Вузов. Машиностроение. - 1989. - N 8. - с. 69-72.

31. Данияров А.Н., Бекенов Т.Н. Определение напряжений в почве выработок под колесами самоходных машин//Шахтный и карьерный транспорт. - М.: 1986.-с.197-200

32. A.c. 1105259 СССР, МКП Е 21 С 39/00. Устройство для испыта- . ния почвы выработок на сдвиг/, Т.Н.Бекенов/ А.Н.Данияров, К.О.ОразовВ.А.Макаров/ (СССР). - N 3607765/22-03; Заявлено 17.06.83; Опубл. 30.07.84. Бюл. N 28//Открытия. Изобретения; - 1984. -N28,-24 с. ' ■

33. A.c. 1234755 СССР, МКИ Е 21 С 39/00 Устройство для исследо-

вания механических совойств почв выработок/А.Н.Данияров, К.О.Ора-зов, Т.Н.Бекенов/(СССР). - N 38224096/22 - 03; заявлено 30.11.84; Опубл. 30.05.86. Бюл. М20//0ткрытия: Изобретения. - 1986. - N 20.- 194 с.

34. Бекенов Т.Н. Взаимодействие пути и подвижного состава шахтных дорог/Лез.докл. Регион, научно-техн. конф. - Караганда, 1903,- с. 47.

35. Бекеисв Т.Н. Основы разработки большегрузных самоходных ва-гонов/Яез.докл. Регион, научно-техн.конф. - Караганда, 1985. с.104,

36. Бекеисв Т.Н. Механика упруго-пластического нагружения//- .

Труды международной конференции: "Научно-технический прогресс- основа развития рыночной экономики", Караганда, 1997.-c.310-312.

37. Методика оценки и расчета спорно-сцепной проходимости шахтных самоходных машии:Утз.Угольным департаментом "Испзт-Кармэт"30.07.97/ Бекенов Т.Н., Меаланова А.Н. и др.//Деп.иауч.раб.№248 в АПП, АлмаТы, 1997-11с.

38. Джиенкулоп С.А., Бекенов Т.Н. Особенности перераспределения тяговых сил на колесах многоприводных машнн.Деп.науч.раб.№7852-К97,сС. "Дел. науч. раб." Вып.6, Алматы, 1997г.

39. Временное руководство по проектированию и расчету опорно-сцепных систем шахтных самоходных машин : НТД. Утв.Министерством Энергоресурсов РК 09.06.97./Бекенов Т.Н., Шакенов М.Ш.,Аульченксва А.А., и . др.// Разраб.КарГТУ " Гипроуглегормаш.-Караганда,1996-62с.

Бекенов Тасыбек Нусулбекулы

журетш шак^ылык,машиналардын,т1рект1 - тустасу оймдтйЫЦшамашартты-арын белплеудЦтыпыми непздер'|

-Гылыми - техникалык, ненздор! т1рек - тустасу от1мдш1пн1ц в31 журепн шак^ылын; машиналарына шамашартты орматуга к^итампсыз етуге арналган диссертациалы^ жумыс.

Бул енбек озжд'1к арнаулы жалпы механика лык, ортага непзделген. Осытуршда цазба табанынын, сапалыц шекп теориясы жэне непздолген белпмен кешенмн есептеп шыгарылган тендеулер! жасалган. Бул непзде прок - тустасу ет1мщ1Л1ПН1н,ша19'ылыцжолдармен б^рнеше рет втуге машинасы модел! жасалды.

Осы жумыста машина втуже арналган факторы боппл! болды.жэне фок-тустасу ел'мдЫп машинасынын,есептеу едю! жоспарланып, бул жолдамага сейкес келдк Бул диссертациялы^жумыс: тылыми техникапы^ »;ызметкерлерге, проектен-Д)ру твжфибел1 к^растырушылар мен эксплуатациялы^ мекемелерге жене аспиранттар мен тау кен студенттерЫе , жол курылысшылар профилшдей • ^ызметкерлерше арналган.

Bekenov Tasebek Nusupbekovich • Scientific principles of Determining Parameters of Supporting and Road Grip Passibiiity of Mininng Self - propelled machines

This thesis (dissertation) deals with the problem of scientific and technical princples providing supporting and road grip passibiiity of mining self - propelled machines. It is based, according to its specific character, on common principles of mechanics of con tinuous medium . A theory has been developed for this purpose. This is a theory of maximum working floor stability. It is based on a corresponding criterion and a number of deduced equations, which were used to create a model of supporting and road grip passabtliiy and capability of repeated movement of machines on floor.

Major factors influencing the passibiiity of machines have been found. Methods for desing of machine passibiiity and corresponding recommendations have been developed.

This dissertation is Intended for research and technical workers at design, design and experimental, and exloitation organizations, as well as for students of mining, building and road - building specialities.