автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Выбор и обоснование параметров исполнительного органа с поворотными гидромеханическими резцами для эффективного разрушения крепких горных пород проходческими комбайнами избирательного действия

РГ6 од

гссудапственний технический университет

На правах рукописи

КАТ АГАРОВ Николай Николаевич

ШБОР 11 ОБОСНОВАНИЕ НАРАШ'РОБ »тлштьшюго ОРГАНА С ПОВОРОЯМИ ГВДа(ОАН№СШШИ РЬЗЦАШ Д)1Я ЭФФЬКГДЖГО РАЗЮЬЫШЯ КРШКИХ ГСРШХ ПОРОД ПЛХСДЧШОШ Н1ЫБАШАШ *ВБИРАТЬЛШ.ГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.05.0(3 - Горные машины

Автореферат

диссертации ьа соискание ученей степени кандидата технических наук

Тула - 1993

Работа выполнена в Тульском государственном техническом университете.

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники РСФСР,

лауреат Государственной премии СССР, доктор технических наук, профессор Бреннер В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кузьмич И.А.;

кандидат технических наук, доцент Казак Ю.Н.

Ведущее предприятие - Центральный научно-исследовательский и

проектно-конструкторский институт проходческих машин и комплексов для угольной, гср-юй промышленности и подземного строительства (ЦНИИНодземмаш).

Защита диссертации состоится " ff v Mft% 1993 г. в i4 часов на заседании специализ1Грованного совета К 053.47,04 Тульского государственного технического университета по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, D2, 9 учебный корпус, ауд. 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского гоеударствешого технического университета.

Автореферат разослан " 2 " ¿У(Т/СР^З 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

О.М.Писцунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

Актуальность работы. Элективное использование проходческих комбайнов избирательного действия, составляющих подавляющее большинство парка проходческой техники в угольной промыт ченности, определяется областью применения псродоразрушающего инструмента. В связи с этим наиболее перспективным, с точки зрения разрушения более крепких и абразивных псрод, является использование в конструкциях исполнительных органов проходческих комбайнов гидромеханического режущего инструмента.

В настоящее время институтом ЦНИШсдземмшп, фирмой "НИГЬЛ" и Тульским государственном техническим университетом разработан гидромеханический исполнительный орган с встроенным в корпус коронки источником гидравлической мощности. В качестве инструмента, в частности, использобались гидромеханические резцы /ГМР/, в котсрых подвод воды высокого давления осуществлялся через осевой канал непосредственно в зону разрушения. В результате- исследований доказана эффективность разрушения пород резцами ГЫР по сравнению с механическими резцами. Получены расчетные зависимости для определения силовых и энергетических показателей процесса разрушения пород резцами ГМР. Экспериментально доказана эффективность оснащения проходческих комбайнов избирательного действия исполнительными органами с встроенным источником гидравчическсй мощности и резцами ГМР.

Счнако, физическая сущность процесса гидромеханического резания изучена недостаточно. Отсутствуют соответствующие корректные математические модели, что не дает возможности однозначно и достоверно трактовать данные экспериментальных исследований различных авторов. Отсутствуют также исследования по изучению особачпоетей процесса разрушения перед поворотными резцами ГМР и рекомендации по выбору их рациональных углов установки и разворота с течки зрения снижения нагруженнссти инструмента и увеличения срока службы, ' а вьбор рациональных параметров гидромеханических исполнительных органов ведется без учета влияния этих углов. До настоящего времени не проводились исследования по применению в качестве высоконапорной жидкости б резцах ГШ? вецеств, понижающих сопротивляемость горных пород разрушению, например, растворов поверхностно-активных веществ (I1AB).

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

Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами НИР и ОКР ЦШЫИсдземмаш и по теме НИР Т.улПИ 0? гос.per. OliJOOOO toVc).

Цель работы. Обоснование рациональных парс-легрсв исполнительного органа, на основании выявленных закономерностей взаимодействия поверстных резцов ГЫР с массивом, обеспечиваших эффективное разрушение крепких горных пород.

Идея работы. Эффективное разрушение крепких горных пород достигается за счет использования в конструкциях исполнительных органов проходческих комбайнов поворотных резцов ГЫР с учетом особенностей и закономерностей их взаимодействия с массивом при рациональных параметрах резания.

Метод исследования - комплексный, включающий научный анатиз и обобщение результатов ранее выполненных работ по иехЕшическсму и гидромеханическому разрушению горных пород, опита эксплуатации проходческих комбайнов с гидромеханическими исполнительными органами; теоретические и экспериментальные исследования процесса разрушения массива поворотными резцами ГЫР в стендовых условиях; обработку пксперименталышх данных с применением методов теории вероятностей, математической статистики и ЭВМ.

Научные положения, разработанные лично с о и с к а т е л е м, и их новизна:

- разработана математическая модель разрушения горного массива резцом ГЦР, адекватно описывающая процесс возникновения и роста трсчцин в породе при помощи методов механики хрупкого разрушения с использованием критериев прочности Кулона и Г'ри^итса, что дает возможность выявления качественных особенностей процесса развития трещин по мере поступления в их полость высоконапорной воды и определения нагруюенности инструмента;

- установла1Ы закономерности формирования нагрузок на поворотных резцах ГМР с учетом углов установки и разворота инструмента, обеспечивающие обоснование силовых и энергетических параметров исполнительного органа и уточняющие методику его расчета;

- на основании исследований взаимосвязи углов установки и разворота поворотнш резцов ГА!? с силовыми и энергетическими показателями процесса разрушения выявлены области минимальных удельных полных энергозатрат, позволяющие определить рациональные значения относительного шага резания для исполнительного органа проходческого коибайна;

- определено влияние углов установки и разворота поворотных резцов ГМР на интенсивность их вращения;

- выявлено влияние растворов ПАВ на силовые показатели процесса разрушения пород резцами ГМР в зависимости от концентрации ПАВ, параметров стружки и давления жидкости.

Д ист о верность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- представительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных средств измерений;

- корректным применением методов математической статистики и теории вероятностей при обработке экспериментальных данных с применением ЭВМ;

- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (отклонение составляет 4...20 %).

Научное значение работы заключается в разработке математической модели разрушения массива резцом П.'Р с привлечением методов адекватного описания процесса возникновения и развития трещин в горной породе, основанных на законах механики хрупкого разрушения и предусматривающих решение краевой задачи теории упругости методом конечт^х элементов; а такжевуствновлешш закономерностей изменения силовых и энергетических показателе!': процесса разрушения массива поворотными резцами ГМР и интенсивности врапения в зависимости от углов установки и разворота инструмента, позволяющих выявить их рациональные сочетания и обосновать параметры исполнительного ергача, обеспечивающие эффективное разрушите крепких горни пород.

Практическое значение работы:

- впервые предложены конструкции поворотных резцов ГМР и подЕИяные гидравлические уплотнения, работающие с водой высокого давления, защищенные авторским свидетельством;

- установлены расчетные зависимости для определения усилий резания и подачи на поворотных резцах ГМР;

- получены расчетные зависимости для определения рациональных параметров резания при разрушении массива поворотными резиа\;и ГМР, обеспечивающих минимум удельных полных энергозатрат;

- экспериментально доказана эффективность применения растворов ПАВ при разрушении крепких горных пероц резцами ГМР;

- уточнена "Методика расчета схемы размещения инструмента на режущей коронке; режимных, силовых, энергетических параметров гидромеханического исполнительного органа и производительности про-

ходческсго комбайна избирательного действия".

Реализация результатов работы:

- "Методика расчета схемы размещения инструмента на режущей коронке; режимных, силовых, энергетических параметров гидромеханического исполнительного 'органа и производительности проходческого комбайна избирательного действия" принята фирмой "ШПЪН" и используется при создании проходческих комбайнов нового технического уровня;

- основные результаты работы использованы фирмой "НШЬП" при разработке поворотных резцов ГМР и исполнительного органа с встроенным источником гидравлической мощности дтя проходческого комбайна 41Ш-2м.

Ожидаемый экономический пффект от применения комбайна 41 ¡11-2м с исполнителы-км органом с встроенным источником гидравлической мсдн зти, оснащенного поворотными резцами ГМР, составит 6292,4 тыс, руб. на один комбайн (в цепах ноября 1992 г.). Доля автора - 20 -или 1258,5 тыс.руб.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на ХХ1У-ХХУ1л . научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского политехнического института (г. Тула, 1988 - 1992 г.г.); на II семинаре по угольному машиностроению Кузбасса (г. Кемерово, 1991 г.); на международной конференции Теомеханика-91" (г. Острава, ЧСйР, 1991 г.).

П у б л и к а ц и и. Но результатам диссертационной работы опубликовано б научных работ, получено I авторское свидетельство на изобретение и I положительное решение по заявке на предполагаемое изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 102 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 30 таблиц, список использованной литературы из 93 наименований, 4 приложения.

ОСНОВШЬ СОДШАНИЬ РАБОТЫ

Изучению процесса разрушения горных пород гидромеханическим . инструментом, сочетающим в себе совместное воздействие на массив механического инструмента и струи выссконапорной воды, посвящены исследования, выполненные А.А.Артемьевым, И.И.Дорошенко, Р.П.Афанасьевым, Ю.А.Гольдиным, Ю.А.Худиным, И.А.Кузьмичем, В.Г.Мерзляко-вим, А.£.Кичигикым, Г.П.Никоновым и др. Их анализ показывает, что

использование исполнительных органов, реализующих в своей конструкции гидромеханический способ разрушения, является одним из перспективных направлений расширения области эффективного применения проходческих комбайнов для разрушения крепких и абразивных горных пород.

Работы, выполненные Антиповьм В.В., В.А.Бреннером, А.Б.Шаби-ным, М.М.Щеголевским, М.1.1.Миллером, А.Ь.Пушкаревгм и др. свидетельствуют, что наибольшей эффективностью, с течки зрения снижения нагрузок на резцах и энергоемкости процесса разрушения, обладает бесщелевая схема гидромеханического разрушения, при которой подвод воды высокого давления осуществляется через осевой канал механического резца непосредственно в зону его контакта с массивом.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований по установлению основных закономерностей разрушения массива резцами FLIP институтом ЦНЛНПодземмаш и фирмой "H11TLU" совместно с Тульским государственным техническим университетом создан гидромеханический исполнительный орган проходческого комбайна, отличительной особенностью которого является размещение источника воды высокого давления внутри режущей коронки.

Однако, анализ проведенных теоретических и экспериментальных исследований по разрушению крепких горных пород резцами ГМР и гидромеханическим исполнительным органом показал:

- отсутствие корректных математических моделей, адекватно описывающих процесс взаимодействия резца ГМР с массивом;

- отсутствие исследований по изучению особенностей процесса разрушения пород поворотными резцами ГМР и рекомендаций по выбору рациональных углов их установки и разворота;

- интенсивность вращения поворотных резцов Г.МР ранее не изучалась;

- отсутствие расчетных зависимостей для определения силовых и ■знергетических .показателей процесса разрушения пород поворотными резцами ГМР.

Рее ото не позволяет дать обоснованные рекомендации по выбору рациональных параметров разрушения и расчету нагружеыности исполнительного органа, оснащенного резцами ГМР, а таете рассчитать ветчину расходуемой мощности и производительность проходческого комбайна.

Кроме того, до настоящего Бремени не рассматривался вопрос о повышении эффективности использования энергии высскснансрной вояк в резцах IMP путем добавления зцдкостей, ослаблякзнх сспро-швляр-

- в -

мость пород резанию, например, растворов ПАВ.

В соответствии с изложенным были псстав (ены следующие задачи исследований:

- установить основные факторы и закономерности, определяющие процесс взаимодействия поворотных резцов ГМР с массивом;

- разработать математическую модель разрушения массива рез- ■ цон ГЫР, обеспечивающую определение его нагруатнности и выявление качественных особенностей процесса возникновения и развития трещин в породе и адекватное его списание, достигаемое за счет использования методов механики хрупкого разрушения;

- установить влияние углов установки и разворота поворотных резцов ГШ3 на силовые и энергетические показатели процесса разрушения, а также на интенсивность их вращения;

- получить расчетные зависимости для определения нагрузок на поворотных резцах ГМР и рациональных параметров разрушения;

- определить эффективность разрушения горных пород резцами ГМР с использованием ПАВ в зависимости от толщины стружки, давления »идкости и концентрации раствора;

- уточнить "Методику расчета схемы размещения инструмента на режущей коронке; режимных, силовых, энергетических параметров гидромеханического исполнительного органа и производительности проходческого комбайна избирательного действия.

На основании проведенных исследований по гидромеханическому способу разрушения процесс взаимодействия поворотных резцов ГМР с массивом определяется следующими основными факторами: параметрами разрушения - толщиной стружки Л , шагом Ь и скоростью резания Ц? ; гидравлическими параметрами инструмента давлением воды Р0 и диаметром канала á0 (расходом воды Q0 ); углами установки резца Ц (углем между продольной осью резца и плоскостью резания) и разворота Ji , а также физико-техническими свойствами массива.

В качестве основных критериев, характеризующих процесс разрушения пород поворотными резцами ГМР, приняты усилия резания P¿ и подачи Ру и полная удельная энергоемкость гидромеханического разрушения В0 , равная сумме удельных затрат на механическое /Д,,, и гидравлическое £г разрушение.

Однако, при моделировании процесс взаимодействия резца ГМР с массивом определялся следующими факторами: физико-техническими свойствами массива - вязкостью разрушения Ки , пределом прочности на одноосное растяжение - 6р , пределом прочности на.од-

ноосное сжатие - 6еж ; параметрами разрушения - толщиной стружки Л л шагом резания Ь ; углем установки резца И и давлением вог№ Р0 . За основной показатель процесса разрушения принята удельнел ебщая нагрузка на резце ГМР - /? . Расчетная схема представлен* на рис. I.

Рис. I. Схема роста трещины

I - трещина; 2 - горный массив

Аначнэ экспериментальных данных показал, что в первом приближении можно считать удельную общую нагрузку /? прямо пропорциональной t и рассматривать поставленную задачу как плоскую. Тогда (1)

где Р - общая Нагрузка на резце ГМР.

В математической модели использовались два критерия разрушения: критерий прочности Кулсна и критерий прочности Гри^итса, основанный на представлениях механики разрушения. Первый критерий справедлив для момента образования трецшы и при небольшой ее протяженности; второй применим для сравнительно длинных трещин. В процессе расчета для каждого положения устья трещины определялись значения /?, и с использованием критериев Кулона и Гриффитса, соответственно.

Согласно критерию разрушения Кулона трещина растет в направлении касательной к площадке, на которой распределенное касательное усилие L достигает величины

(. если

если £ >0', если 0\

где - прочностные константы материала;

О - распределенное нормальное усилие, действующее на ' площадку.

В соответствии с критерием ГржЭДитса рост трещины будет происходить при выполнении равенства

¡(¡Ч{-,Ч<;С) (?)

где К] К; - коэффициенты интенсивности напряжений.

/ -3 л* . .

Для определения и , ^ и /{^ , /(г необходимо найти напряжения , , б^-у в окрестности згны разрушения. Поэтому в мате» гтической модели использован метод конечных элементов (в обычной постановке). Так как рассматриваемая задача является линейно упругой, то напряжения (зу и пропорциональны /? и их

можно представить в виде

сч/ «V

бх = бщ (4)

Г«) N *** и

где , 6у , бду вычисляются при й = I.

Знал напряжения в точке, совпадающей с устьем трещины, можно вычислить ^ и О и из условия (2) найти /?. :

<¿>0:

С/Т, 'если 0г где X и ^ вычисляются при й = I.

(6) (7)

Р* Д/~ компоненты вектора распределенных усилий на площадке

• Лг = Я/6* + (0)

«V »О

П^Пу- компоненты единичной нормали к площадке

П</=С05% (Ю)

У - угол наклона площадки к оси абсцисс (угол, определяющий кагграв/ение pedí, трещины). Ког-ффициенты интенсивности напряжений определялись по формулам

Ш)

К; (12)

где Р0 - давление воды в полости трещины;' Q' - длина трещины.

, fiP?' -

где S - параметр интегрирования.

Удельная общая нагрузка Й2 находилась из выражения (3) в результате решения квадратного уравнения:

* 2Po\!af -- Щс/2 , (14)

если Ki • В противном счучае:

firff'%- 1151

Расчетным значением считалось меньшее из /?/ и для казг-аог'о нового положения вершины трещины до мемента выхода ее на :в< 'одную поверхность. Таким образом получалась зависимость fí(tí) , по которой определялось наибольшее значение f\ . Усилие резания вычислялось rio формуле

Pz~-R¿coíU. (16)

Результаты, полученные при анализе математической модели, 5ыяи проверены в ходе экспериментальных исследований процесса эазрушения гарньгх пород резцами ГЫР. С этой цельп использовался . Лециальнкй стенд, по принципу действия аналогичный : целому строгальному станку с усилиями резания 1280 icH и подачи 1200 кН. Для снижения устанобленной мощности 1тривод стенда выполнен по пневмо-'йдрсаккумулятерной схеме. В качестве источника воды высокого швления использовался гкдромультипликатср одностороннего действия, обеспечивающий максимальное рабочее давление 150 Í51a и рас-сод 100 л/мин.

Породные блоки размером 0,78x1,07x1,12 (м) крепились на подвижном столе стенда.

Для регистрации усилий резания и подачи, скорости резания, давления высоконапорной воды стенд оборудован измерительной системой, состоящей из тензодинамометра, тензоманометрсв, датчика перемещения, блока питания "Агат", усилителя "Тспаз-3" и светолучевого осциллографа Н-Н7/1. Обработка результатов экспериментов проводилась с использованием преобразователя графиков &-01В, ЭВМ СМ - 1600 и СМ 1914.

В качестве породсразрушающего инструмента использовались поворотные резцы ГМР с каналом для подвода воды диаметром 0,8 и 1,0 мм, геометрия режущей части которых соответствовала резцам РКС-3 (с углом заострения керна 90°), с различными вариантами подвижных уплотнений (рис. 2). оксперименты выполнены на блоке песчат-ка с Рц - 1810 Ша. Резание осуществлялось по повторной схеме в установившемся режиме.

Рис. 2. Подвижные гидравлические уплотнения поворотного резца ГМР

■ I - резец; 2 - кулак; 3 - втулка; 4 - резиновое кольцо;

5 - капролоновое кольцо; б - пружина

Исследования, выполненные с цель» установления влияния угла установки поворотного резца ГМР на силовые показатели разрушения, проводились при толщине стружки 10 мм, кате резания 10, 20 и 30 мм, давлении воды 50, 100 и 140 МПа, диаметре канала резца 0,6 и

1,0 мм, скорости резания 0,04; 0,3 и 0,5 м/с, угле разворота инструмента 0,10 и 15°. Угол установки составлял 35, 45 и 55°. Анализ экспериментальных данных показал, что с ростом угла установки Ц усилия резания и подачи уменьшаются по линейным зависимостям в 1,5...1,7 и 1,8...2,3 раза соответственно. Степень влияния угла установки на усилия и Ру предлагается учитывать с помощью коэффициентов:

Каг-- 2,22-0,025U \ (17)

; . Kug =Z62 -0,03ч а. ш)

Для уравнения (IV) индекс корреляции составил 0,9 при коэффициенте вариации В,6 а для-С 18) эти величины составили 0,86 и 14,о 1. соответственно.

■ Влияние угла разворота Ji на усилия резания и подачи изучалось при толщине стружки 10 мм, шаге резания 20, 30 и 40 мм, ско- — рссти резания 0,04; 0,3 и 0,5 м/с, давления воды 36 и 100 Mía, диаметре канала 0,0 и 1,0 мм. Угол установки резца был постоянным и составлял 45°. Угол разворота Ji изменялся от 0 до 20° (через 5°). Резец при этом разворачивался от забоя. Анализ зависимости р2 -f(ji) показал, что с увеличением Ji усилие резания имеет тенденцию к снижению, особенно ярко выраженную при углах разворота Ji = Ь..Л0°. При этом Рг уменьшается в 1,3 - 1,5 раза. При дальнейшем увеличении разворота .резца усилие резания начинает повы-шагься. Достаточно заметный рост наблюдается уже при J > 15°.

Подобная тенденция у механического инструмента проявляется при больших значениях Ji . Такая повышенная "чувствительность" резца Г'ЛР к увеличению угла разворота обгясняется, вероятно, тем, что при росте Ji направление действия струи выссконапорной воды, совпадающей с продольной осью резца, все более переносится на "глухой" уступ неразрушенной части забоя. Это в значительной мере снижает эффективность ее использования. Установлено, что при Ji~20 P¿ в среднем всего лишь на 16 % ниже усилия резания при Ji =0°.

В результате обработки экспериментальных данных получена зависимость для определения коэффициента ¡{ji¿ , учитывающего влияние угла разворота на усилие резания:

K/>.é 0,963 - 0,0492fi + 0t0Q223jil, í 19)

Индекс корреляции для уравнения (19) составил 0,7В при коэффициенте вариации 15,4

Исследование зависимости (19) на экстремум позволило поучить рациональное значение угла разворота поворотного резца ГМР, составляющее II0.

Анализ эксперкменталыигх данных позволил сделать вывод о том, что усилие Рд для поворотного резца ГМР не зависит от угла раз' ворота в исследованном диапазоне его изменения. Коэффициент, учитывающий влияние угла разворота на усилие подачи, при рекоменцуется принимать равным 0,9.

На основании проведенных исследований Предложены зависимости для расчета нагрузок (в Н), действующих на поворотный резец ГМР:

Рг = ЦКр0гК^ (,0,25 * 0,018 Ь /)) ; (20)

Рд - юУ^Ил^уКь/^Кцу (О,46 + 0,0/26 И). (21)

Коэффициенты варкапии экспериментальных данных относительно расчетных по выражениям (20) и (21) составили 14,3 ^ и со-

ответственно.

В результате исследований по изучению интенсивности вращения поворотных резцов ГМР установлено, что максимальная интенсивность вращения наблюдается при угле установки 45° (составляя при этом ^0...70 1'рад/м) и при угле разворота резца в диапазоне 5.. .10° . (65...91 гред/м).

Для определения рациональных параметров разрушения массива поворотами резцами ГЫР проведены исследования влияния относительного шага резания на показатели процесса разрушения P¿¡Hw,El■ и £д при различна углах установки и разворота инструмента.

Влияние ¿/Л на показатели процесса разрушения пород в зависимости от угла установки изучалось при толщине струики 10 мм, давлении вод; 100 Ша, диаметре канала 0,8 мм, скорости резания 0,3 м/с. Угол разворота резЦа составлял С0.

Эксперименты показали,' что при увеличении относительного шага рез&ния от I до 5 и угла установки от 35 до 55° усилие реза-

ния (в интервале ¿У ) линейно возрастает в 3,4 - 3,7 раза. При этом большим значениям (X соответствуют меньшие значения Рг . При значениях >4 поворотный резец П1Р Начинает работать в прерывисто-установившемся режиме, вследствие чего у зависимостей

Р2 '!(^/Ь, и) наблюдается резко внрал'ашый интенсивный рост усилия резания. Удельные энергозатрат) на механическое разрушение

Нц/ изменяется по параболической зависимости, а удельные гидравлические энергозатраты Ег гиперболически уменьшаются. Удельная попая энергоемкость процесса £0 изменяется по' параболической -зависимости и имеет минимум в точке, соответствующей рациональному отношении • Исследование зависимостей Е0 '/(^/¡1)

на экстремум позволило получить значения рационального относительного пага резания. Соответствующее уравнение связи имеет вид:

= 4,03-0,004 и. (22)

Из выражения (22) можно сделать вывод о том, что с увеличением Ц. значения (^)р остаются практически постоянными и, следовательно, в исследованном диапазоне изменения Ц влиянием угла установки на величину можно пренебречь.

Влияние на показатели процесса разрушения пород в

зависимости от угла разворота уЗ изучалось при тех яе параметрах' разрушения и гидравлических характеристиках резца, как н в злучае установления влияния на показатели процесса в

зависимости от И . Угол разворота изменялся в пределах ст О 10 20°. Угол установки при этом составлял 45°.

Установлено, что при увеличении

от I до 4 усилие резания юзрастает по линейному закону в 3,5 - 3,9 раза, причем с увеличе-1ием уЗ значения Р^ уменьшаются во всем диапазоне изменешя ^/¡х .

Удельная полная энергоемкость Ео Яля всех значений уЗ с 'Во "ичением ¿А изменяется по параболической зависимости, имеющей шимум в точке, которая соответствует рациональному значению (£/Ь)р . Б результате обработки данных эксперима1та получено равнение, отражающее связь между величиной (^/И)р и углом разво-ота у}

№р -^7/от (23)

Из выражения (23) видно,, что при возрастании /3 от 0 до 5° начения . увеличиваются, а затем при дальнейшем разворо-

е резца ПЛР величина рационального относительного шага резания габилизируется, оставаясь практически постоянной.

Методом множественной регрессии получена зависимость для "¡ределе'ния рационального относительного шага резания:

ч . по,т .щss.-ofim -чт -0,157 о,от , '

(Vidp^W Po -de h Л'р Л . <24)

Проверке, уравнения (24) по критерию Фишера при уровне значимости <з6 х 0,05 свидетельствует о соответствии математической модели экспериментальным данным. Проверка коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента (при том же уровне значимости) показала, что они статистически значимы. Коэффициент вариации, характеризующий отклонение экспериментальных данных относительно расчетных* составил 4

Для определения эффективности разрушения горных пород резцами ГМР с использованием растворов ПАВ проведены экспериментальные исследования при давлении воды 30 , 60, 100 и 140 Ша, диаметре канала резца 0,6 мм, скорости резания 0,3 м/с, угле разворота С0, угле установки 45°. Поперечное сечение стружки изменялось от 50 до 2UJ к,,2. Резание осуществлялось по повторной схеме. В качестве активней среды применялся, по рекомендация:.! сотрудников ПГД к,;. А.А.Скочинского, раствор сульфансла в воде с величиной объемной концентрации 0; 0,05; 0,1 и 0,2 £ (при Спав = 0 ^ использовалась чистая веда).

Установлено, что наиболее эффективной концентрацией раствора ПАВ, с точки зрения снижения усилий резания и подачи, является величина концентрации, равная 0,1 Усилия P¿ и ру при поперечном сечении стружки 5 = 50 мм, pQ » ЮС Ша и Спаи =■ = 0,1 в 1,6 раза меньше соответствующих усилий при тех яе значениях S,P0 и Спа& = Анализ эксперкиентальшос данных показал, что усилия н Ру при увеличении пеперечного сечения стружки возрастают линейно. Существеннее снижение нагрузок на резцах ГМР при разрушении породы с применением ПАВ обусловлено не только способность» раствора препятствовать закрытию микротрещин, но и проникать по ним в массив при обычном атмосферном давлении. Если же нагнетать раствср ПАВ в сеть макро- и микротрещин под высоким давлением, то эффективность действия раствора, вероятно, повысится. Зто подтверждено результатами экспериментов, показавших, что увеличение давления воды от 30 до 140 Ша способствует снижении усилий P¿ и Ру на резце ПАР в 1,6 и 2,1 раза соответственно. При использовании раствора ПАВ с концентрацией 0,1 % усилия резания и подачи уменьшаются в 2,4 и 3,0 раза соответственно. Кроме того, значения P¿ и Ру при использовании раствора ПАВ в указанном диапазоне изменения давления соответственно в 1,1 - 1,5 и 1,2 - 1,6 раза меньше, чем при использовании воды (при 5 = 200 M.vr)

Сопоставление зависимостей усилия резания на резце Г1.1Р от давления воды, шага резания и угла установки инструмента, полученных теоретическим и экспериментальным путем, указывает на их удовлетворительную сходимость (отклонение составляет 4...20 %). Это свидетельствует о том, что разработанная математическая модель адекватно и достаточно точно описывает процесс разрушения массива резцом ГМР.

На основании проведенных исследований уточнена "Методика расчета схемы размещения инструмента на режущей коронке; режимных, силовых, энергетических параметров гидромеханического исполнительного органа и производительности проходческого комбайна избирательного действия", в соответствии с которой выполнен расчет исполнительного органа с поворотными резцами ГМР, показавший, что комбайн 4Ш-2м, оснащенный таким исполнительным органом, обеспечивает разрушение пород с контактной прочностью до 1200 М11а с теоретической производительностью 0,22 м3/мш. Ожидаемый экономический эффект от внедрения одного комбайна 4Г1Л-2м с исполнительным органом, оснащенным поворотными резцами Г.ЛР, составляет 6252,4 тыс.руб. Доля автора - 20 % или 1258,5 тис.руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано повое решение актуальной научной задачи, заключающейся в установлении закономерностей формирования ьагрузок на поворотных резцах ГМР, а также определении рациональных, с точки зрения удельных полных энергозатрат, параметров разрушения массива с учётом гидравлических характеристик инструмента, глубины, шага и скорости резания, контактной прочности пород, углов установки и разворота поворотных резцов ГМР, позволяющих обосновать выбор силовых и режимных параметров гидромеханического исполнительного органа проходческого комбайна для эффективно- • го разрушения крепких горных пород.

Основные выводы, научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

I. Разработана математическая модель разрушения массива резцом ГМР, адекватно списывающая на основе методов механики хрупкого разрушения с использованием критериев прочности Кулона и Гриффит-са процесс возникновении и развития трещин в породе и позволяющая выявить его качественные особенности, а также определить нагружен-ность инструмента в зависимости от физико-технических свойств мае-

сива, толщины стружки, угла установки и давления воды.

2. Определено, что углы установки и разворота поворотного резца ГМР оказывают существенное влияние на его нагруженность.

Изменение угла установки с 35 до 55° приводит к снижению усилия резания и подачи в 1,5 - 1,7 и 1,6 - 2,3 раза, соответственно. При угле разворота уЗ = 10...12° усилие резания имеет наименьшие значения. Усилие подачи поворотного резца ГА1Р практически не зависит от угла разворота.

3. Получены расчетные зависимости для определения усилий резания и подачи на поворотных резцах ГМР.

4. Па основании взаимосвязи углов установки и разворота поворотных резцов ГМР с силовыми и энергетическими показателями процесса разрушения выявлены области минимальных удельных полных энергозатрат, определяющие рациональные значения относительного шага резания для исполнительного органа, оснащенного поворотными резцами ГМР. При этом обнаружено, что угол установки поворотных

■резцов ПоР влияния на величину не оказывает. Получена

расчетная формула для определения рациональных значений относиг-тельного шага резания.

5. Установлено, что дта обеспечения наилучших условий вращаш поворстнгх резцов ГМР значения угла установки должны составлять 45...50е, а угла разворота - 5...10°.

6. Экспериментально доказана эффективность разрушения горных пород резцами ГМР с использование;.; растворов ПАВ. Установлено положительное влияние растворов ПАВ на силовые показатели процесса разрушения пород резцами ГМР в зависимости ст концентрации ПАВ, параметров стружки и давления жидкости. Определена наиболее эффективная концентрация раствора ПАВ.

7. Предложены конструкции поворстньх резцов ГМР и подвижные гидравлические уплотнения для веды высокого давления, защищенные авторским свидетельством;

0. Уточнена "Методика расчета схемы размещения инструмента на режущей коронке; режимных, силовых, энергетических параметров гидромеханического исполнительного органа \\ производительности проходческого комбайна избирательного действия", которая принята фирмой "НИТЕП" и использована при проектировании гидромеханического исполнительного органа комбайна 4ПП-2м.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения комбайна 4Ш1-2м составит 6292,4 тыс.руб. Доля автора - 20 ^ или 1258,5 тыс.руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Плеханов A.C., Катагаров H.H., Коротков Б.А. Метод расчета рациональных параметров ослабления породного массива механогвдравли-

ческим »¡нструментсм//Механиэвция проходки горных выработок: Сб. науч.tp.УШИШодземмаш. - М., 1990. - С. 91-95.

2. Яабин A.B., Миллер М.М., Катагаров H.H. Влияние прочности пород и параметров режима резания на силовые показатели разрушения массива механогидравлическим резцом//Механизация горных работ на шахтах: Сб.науч.тр./ГулПИ. - Тула, 1990. - С. 35-41.

3. Антилов В.В., Кабин A.B., Пушкарев A.b., Катагаров H.H. Определение рациональных параметров исполнительного органа проходческого комбайна, оснащенного механогидравлическими резцами //Совершенствование горных машин и оборудования: Тез.докл. П

семинара по угольному машиностроению Кузбасса. - Кемерово. - 1991.

и прочности пород на показатели процесса взаимодействия механогид-раялич'есзт-резцов с мпссивсм//Комплексная механизация горных работ: Сб.научн.тр./ГулПП. - Тула, 1991. - С. 33-37.

с-д£ hydrputic r.uitePb // ргссяс/'Пр oj ¿//г international co.nJe.tw-сп „ Geomuhanicb 9i" Hrcdzc/Ostrava/ Citc!>oьSoi /24-26 septemier W1.-P.24S-297.

6. Миллер M.'i., Катагаров H.H. Влияние диаметра канала меха-ногидравлического резца на силовые показатели процесса разрушения

//Комплексная механизация горных работ на шахтах: Сб.науч.тр. /ГулПИ. - Туча, 1992. - С. 23-27.

7. A.c. I7I78I3 СССР, МКИ4 L2IC27/24. Исполнительный орган проходческого комбаР,на/Бренз!ер В.А., Шабин A.B., Катагаров H.H.

и др. (СССР). - Опубл. в Б.И. - 1992. - h" 9. - С. НО.

8. Гидромеханическое породсраярушающее устройстро/Антипов В.В., Жабин A.B., Катагаров H.H. и др. Полежит, решение о выдаче а.с. по

заявке № 4877635/03 от 9.07.90.

- С. 46.

4. Миллер U.U., Катагаров H.H. Влияние параметров разрушения

/