1

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

ЛАВРЕНКО СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ

КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ

ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН

Специальность 05.05.06 – Горные машины

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель – д.т.н., профессор Юнгмейстер Д.А.

Санкт-Петербург –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

РАЗВИТИЯ ПРОХОДЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

МЕТРО В УСЛОВИЯХ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН

1.1 Горно-геологические условия. Анализ массива кембрийских глин как объекта разрушения

1.2 Анализ способов проведения выработок в условиях ОАО «Метрострой» Санкт-Петербург

1.3 Анализ тоннелепроходческой техники

1.3.1 Щитовые проходческие комплексы

1.3.2 Комбайны избирательного действия

1.3.3 Комбайны с ударными исполнительными органами

1.4 Анализ конструктивных особенностей породоразрушающего инструмента проходческих комплексов

1.5 Анализ методик расчета сил резания на резцах

1.6 Анализ влияния скорости приложения нагрузки на разрушение пород 1.7 Анализ методик расчета ударных исполнительных органов................. 1.8 Выводы по главе 1

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

РАЗРУШЕНИЯ МАССИВА КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН РЕЗАНИЕМ И

УДАРОМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ОРГАНАМИ ПРОХОДЧЕСКОГО

КОМПЛЕКСА

Анализ критериев прочности горных пород

2. 2.2 Анализ процесса резания горных пород

2.3 Компьютерное моделирование процесса резания кембрийских глин... 2.3.1 Методика обработки осциллограмм процесса резания

2.3.2 Анализ осциллограмм процесса резания кембрийской глины эталонным резцом

2.3.3 Анализ осциллограмм процесса резания кембрийской глины резцом типа ШБМ

2.4 Обоснование параметров ударника проходческого комплекса............. 2.4.1 Динамика ударной системы «поршень-боек-инструмент» для жесткой штанги

2.4.2 Численный анализ процесса соударения элементов ударной системы «поршень-боек-инструмент»

2.5 Требования, предъявляемые к стендовой установке для экспериментального исследования процесса разрушения кембрийской глины резанием

2.6 Выводы по главе 2

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

РАЗРУШЕНИЯ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ

ОРГАНАМИ УДАРНОГО И РЕЖУЩЕГО ТИПА

3.1 Общие положения методики исследований

3.2 Стенд для исследования процесса резания кембрийских глин.............. 3.3 Методика экспериментальных исследований процесса разрушения кембрийских глин резанием

3.3.1 Исходные данные

3.3.2 Последовательность проведения испытаний

3.4 Результаты экспериментальных исследований процесса разрушения глин резанием

3.5 Экспериментальные исследования модели трехмассовой ударной системы

3.5.1 Методика проведения испытаний трехмассовой ударной системы. 3.5.2 Аналитическая обработка осциллограмм ударных процессов......... 3.6 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4 ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО РАЗРУШЕНИЯ МАССИВА КЕМБРИЙСКИХ

ГЛИН РЕЗАНИЕМ И УДАРОМ

4. вспомогательных выработок

4.2 Конструкция и принцип работы щитового проходческого комплекса для проведения вспомогательных выработок

комплекса

4.4 Методика расчета производительности и нагрузки на резцах при резании породного массива кембрийских глин

4.4.1 Основы метода расчета нагруженности исполнительных органов.. 4.4.2 Методика расчета роторных исполнительных органов проходческих комплексов

4.5 Расчет и анализ производительности проходческого комплекса........ 4.6 Алгоритм обоснования параметров ударных устройств

4.7 Технико-экономическое обоснование целесообразности применения разработанного комплекса

4.8 Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

ВВЕДЕНИЕ

сопровождается строительством перегонных тоннелей и проходкой вспомогательных выработок, которые необходимы для соединения между собой камер строящихся подземных станций, в том числе для соединения с вертикальным стволом, по которым осуществляется как откатка отбитой горной породы для выдачи ее на поверхность, так и доставка материалов и тюбингов для строительства станций. При этом на 1 км перегонного вспомогательных выработок (подходные тоннели, выработки околоствольного двора, транспортные и вспомогательные ходки, тупиковые выработки и др.).

основном на глубине 40-70 м. Разрабатываемый забой кембрийских глин весьма различен по своему составу: сухая глина; глина с включениями известняка, закварцованного известняка; глина с содержанием воды и глина с включениями гравия.

Объемы работ по сооружению вспомогательных выработок в настоящее время увеличиваются, и с развитием городского метро будут расти, но эффективность проведения таких выработок в настоящее время низкая, так как ее осуществляют с применением отбойных молотков и креплением выработанного пространства досками и металлической сеткой, что является сдерживающим фактором на пути повышения общей интенсивности строительства метро.

Основной причиной необходимости создания новых типов машин является невозможность эффективного использования известных средств проходки вспомогательных выработок и станционных тоннелей в условиях шахт ОАО «Метрострой» (щиты и комплексы бурового действия), что связано с проведением монтажных и демонтажных камер, превышающих зачастую протяженность самой выработки.

вспомогательных выработок необходимо создать технические средства разработки забоя, которые обеспечивали бы оптимальные параметры работы исполнительного органа. Для этого необходимо теоретически обосновать способ обработки забоя и параметры исполнительного органа для его разрушения.

Цель работы: обоснование параметров исполнительных органов комплекса с режущими и ударными элементами для проведения закономерностей взаимодействия их с массивом кембрийских глин, в том числе с твердыми включениями, обеспечивающими оптимальную разрушение породы.

Идея работы заключается в том, что обоснование оптимальных параметров исполнительных органов проходческого комплекса достигается совместным выбором параметров режущего и ударного инструмента и их взаимной компоновкой с учетом поочередной работы по разработке забоя.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ теорий разрушения горных пород резанием и ударом, компьютерное моделирование процесса разрушения глин резанием и ударом, экспериментальные исследования процесса резания и ударного разрушения кембрийских глин на лабораторных стендах, а также спектральный анализ осциллограмм процесса резания кембрийских глин.

Соответствие паспорту специальности.

Работа соответствует специальности 05.05.06 – Горные машины, ее формуле, а также пунктам «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы машин и оборудования и их элементов» и «Обоснование и выбор конструктивных и горнотехническими условиями, эргономическими и экологическими требованиями» области исследования.

Научная новизна работы. Установлена зависимость коэффициента сопротивляемости глин резанию от скорости резания при различных заглублениях резца; разработана математическая модель процесса исполнительными органами проходческих комплексов с учетом зависимости коэффициента сопротивляемости глин резанию от скорости резания при различных заглублениях резца; разработана математическая модель процесса взаимодействия элементов ударной системы для расчета параметров ударного исполнительного органа, выполненного по системе «поршень-боек-инструмент», основанного на «дребезге» бойка; на основе экспериментальных исследований ударных систем «поршень-боекинструмент» установлены их рациональные параметры для создания исполнительного органа проходческого комплекса ударного действия повышенной эффективности.

Защищаемые научные положения:

1. Теоретически установлен и экспериментально подтвержден параболический характер зависимости изменения удельной энергоемкости разрушения кембрийской глины резцом типа ШБМ от величины