CC BY
11
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2019;(12):161-168
УДК 622.23.05:622.235 DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12-0-161-168
НОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА С ПЛАНЕТАРНЫМ УДАРНО-СКАЛЫВАЮЩИМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ОРГАНОМ
Л.С. Ушаков
Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева, Орел, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация: Обоснована необходимость создания высокоэффективной горной техники с ударно-скалывающим исполнительным органом и приводится научная база для определения конструктивно-кинематических, силовых и энергетических параметров проходческих комбайнов для проведения выработок по крепким породам. Современные буровые проходческие комбайны (тоннелепроходческие комплексы) для разрушения породного массива используют принцип силового резания (резцы, диски, шарошки), для реализации которого необходимо создавать большие напорные усилия, в результате чего происходит повышенное измельчение продуктов разрушения, что ведет к высоким удельным затратам энергии на проведение выработок; конструкция комбайна обладает большой металлоемкостью и малой мобильностью, требует длительных сроков на запуск оборудования в работу, что в случае необходимости проведения относительно коротких технологических выработок горнодобывающих предприятий не рентабельно. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований установлены корреляционные зависимости для определения: необходимой величины энергии удара единичного инструмента по массиву в зависимости от его крепости, выхода продуктов разрушения за удар, удельных затрат энергии и других параметров силового воздействия. В связи с этим предложена новая энергетическая концепция создания проходческого комбайна, проведена предварительная оценка влияния на его производительность реализуемых (по крепким породам) параметров планетарным ударно-скалывающим исполнительным органом. Предложены и запатентованы в РФ способ проведения горной выработки и варианты конструктивного решения отдельных силовых элементов проходческого комбайна. Ключевые слова: проведение горных выработок, крепкие горные породы, механический (импульсный) способ разрушения, планетарный ударно-скалывающий исполнительный орган, статические напорные усилия, концентрация энергетического воздействия на забой, удельная энергоемкость процесса, управляемость движением комбайна, шаговый движитель, вакуумный отсос штыба, дистанционный контроль за работой проходческого комбайна. Для цитирования: Ушаков Л. С. Новая энергетическая концепция проходческого комбайна с планетарным ударно-скалывающим исполнительным органом // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2019. - № 12. - С. 161-168. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12-0-161-168.
New energy concept for heading machine with planetary percussive-shearing drum head
L.S. Ushakov
I.S. Turgenev Orel State University, Orel, Russia, e-mail: [email protected]
© Л.С. Ушаков. 2019.
Abstract: The demand for the high-efficiency mining machinery with percussive-shearing drum heads is justified, and the scientific framework is presented for determining structural, kinematic, force and energy characteristics for heading machines to operate in hard rocks. Modern tunnel boring machines break rocks by cutting under force application (cutters, discs, roller cutters), which requires high crowing power to be generated. As a result, over-grinding of rocks takes place, which brings high energy inputs of heading. The structure of such machines is highly metal-intensive and low mobile; the actuation of the machines consumes much time, which is inefficient in case of short drivage. Based on the implemented theoretical and experimental research, the correlation dependences have been obtained for finding: required blow energy per tool depending on rock mass hardness, fragmented product yield per blow, specific energy input and other parameters of the force impact. Then, a new energy concept is proposed for heading machine design, and the pre-estimate of such machine efficiency (in hard rock mass) with planetary percussive-shearing head drum is performed. The heading method and structural variants of force elements of heading machines are proposed and licensed.
Key words: heading, hard rocks, mechanical (impulse) fracture method, planetary percussive-shearing head drum, energy concept, static crowding power, concentration of energy impact on face, specific energy input, shearing machine motion controllability, stepper motor, vacuum removal of chips, automated control, remote control of heading machine operation.
For citation: Ushakov L. S. New energy concept for heading machine with planetary percussive-shearing drum head. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019;(12):161-168. [In Russ]. DOI: 10.25018/02361493-2019-12-0-161-168.
Введение
В прошлом веке естествоиспытатели и горные практики обосновали решение научно-технической проблемы разработки эффективных методов без взрывного (механического) разрушения прочных горных пород и создания наего основевы-сокопроизводительных исполнительных органов горных машин. Однако наибольшее внимание к этой проблеме во всем мире стало уделяться во второй половине ХХ в. в связи с увеличением нагрузки на минеральное сырье и твердые топливные ресурсы [1]. Этот период включает в себя первые научные конференции и публикации исследователей по изучению механизма разрушения горных пород импульсными механическими нагрузками, разработке мощных гидравлических и гидропневматических ударных устройств, которые обобщены, в том числе, в коллективных монографиях и диссертациях [2—5].
В результате этих исследований были разработаны: основы теории и методов
«импульсных технологий» для горных работ, которые в совокупности обобщают результаты исследований по механике разрушения твердых тел при ударных нагрузках, выявляют процессы переноса энергии удара и формирования нестационарного (волнового) поля напряжений в массиве, рациональные схемы и параметры гидромолотов, манипуляторов большой несущей способности и исполнительные органы, а также использование различного полнофункционального оборудования для решения конкретных технологических задач. В конечном итоге эти знания создают необходимую научную базу для разработки высокоэффективного горного оборудования с ударно-скалывающими исполнительными органами [6—11].
Энергетическая схема современных проходческих машин основывается на создании большего напорного усилия на забой с помощью движителей (механизмов подачи) и реализации раздавливаю-
щего воздействия инструментов (шарошек или дисков) на породу со свободной поверхности массива (при определенной траектории их движения). Для эффективной работы по данной схеме, оба силовых фактора имеют решающее значение. Это, в конечном счете, определяет конструкцию машины, ее энерговооруженность, массу, длину и размещение функциональных элементов.
Созданные по данной энергетической схеме современные проходческие комбайны (агрегаты) для проведения тоннельных выработок по скальным породам (по данным ОАО «Бамтоннельстрой»)
представлены преимущественно буровыми комбайнами, основные конструктивные параметры которых показаны на рис. 1, а, б) [4].
Проведенный анализ основных параметров выше перечисленных тоннеле-проходческих комплексов и проходческих комбайнов (агрегатов) показал:
• рабочая длина тоннелепроходче-ских агрегатов находится в диапазоне от 55 до 123 м, а масса соответственно составляет от 200 до 1500 т (рис. 1, а), что делает неприемлемым использование таких комплексов для проведения технологических (горных) выработок, про-
62,5
70 85 125 Длина машины, м
55 67 62,5 70 85 125 123 260 Длина машины, м
Рис. 1. Диаграммы, характеризующие зависимость массы (а) и энерговооруженности (б) от длины проходческих агрегатов (комбайнов): LOVAT MTS -1000 (1, 2); LOVAT-RME - 106 SE 17800 (3); LOVAT RME - 139 SE и 21100 (4); LOVAT RME SE 24800 (5); LOVAT RME - 232 SE 14700 (6); LOVAT RME -242 SE 18400 (7); SELI-LOVAT RME - 394 SE/GS (8)
Fig. 1. Diagrams of mass (a) and energy efficiency (b) of heading machines as functions of their length: LOVAT MTS -1000 (1, 2); LOVAT-RME - 106 SE 17800 (3); LOVAT RME - 139 SE и 21100 (4); LOVAT RME SE 24800 (5); LOVAT RME - 232 SE 14700 (6); LOVAT RME -242 SE 18400 (7); SELI-LOVAT RME - 394 SE/GS (8)
тяженность которых сопоставима или меньше длины комплекса, и может иметь повороты;
• суммарная установленная мощность приводов проходческих агрегатов составляет от 300 кВт до 7000 кВт, что связано с высокими удельными затратами энергии на разрушение горной породы (преимущественный выход мелких фракций) (рис. 1, б).
В связи с тем, что решением Правительства РФ «Технология экологически безопасной разработки месторождений и добычи полезных ископаемых», отнесена к критическим технологиям РФ, актуальным является проведение дальнейших исследований по обоснованию различных способов разрушения горных пород и выполнение на основе этих данных ОКР по созданию нового типа исполнительных органов, удовлетворяющих современным требованиям горного производства.
Предлагается новая концепция для решения важной народно-хозяйственной проблемы по механическому (безвзрывному) способу разрушения крепких горных пород: переход от силового резания горных пород к разрушению их пролонгированными силовыми импульсами.
В сложившейся ситуации, рассматривается целесообразность проведения исследований и опытно-конструкторских работ по следующим технологическим направлениям:
1. Переход от силового резания горной породы дисками и шарошками к производству скола породы пролонгированным силовым импульсом (ударом).
Преимущество: Такой переход обеспечит снижение удельных затрат энергии и уменьшение металлоемкости конструкции.
2. Применение планетарной конструктивно-кинематической схемы или другого механизма, обеспечивающего перенос-
ные движения исполнительного органа комбайна (агрегата).
Преимущество: дает возможность последовательной обработки всей площади забоя.
3. Применение мощных генераторов механических импульсов с автоматической системой подключения к энергообеспечению и заменой их в случае отказов.
Преимущество: высокая производительность и минимальное время простоев на выполнение ремонтно-восстано-вительных операций.
4. Уменьшение длины проходческого комбайна (комплекса).
Преимущество: возможность его использования для проведения коротких подготовительных выработок, что обеспечит интенсификацию всего комплекса горных работ.
Для эффективной работы по проведению горных выработок требуются мобильные машины, способные изменять вектор своего движения, иметь ограниченную массу и возможность проведения краткосрочных монтажно-демонтажных работ, низкие удельные затраты энергии на разрушение крепких пород и, следовательно, меньшее энергопотребление. В перспективе решение этой задачи просматривается на основе применения ударного способа силового воздействия на массив.
Проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями отечественных научных школ [9, 10] и ученых других стран [2] установлены корреляционные зависимости между параметрами необходимого силового (ударного) воздействия инструментом горной машины на массив пород, удельной энергоемкостью и производительностью процесса при различных схемах разрушения забоя и сопротивляемости пород разрушению (рис. 2).
Уравнения регрессии для различных уровней факторов при схеме разруше-
Рис. 2. Схемы разрушения горного массива ударным способом: разрушение при влиянии двух свободных поверхностей (а); разрушение в блокированных условиях (б); разрушение при ударе инструмента в лоб забоя (в)
Fig. 2. Schemes of impact fracture of rocks: (a) under influence of two free surfaces; (b) confined conditions; (c) frontal impact
ния массива ударом инструмента в лоб забоя (см. рис. 2, в) имеют следующий вид [11]:
г ^
Vp=a2d
0,04
ЪА -0,35—— + 0,1—ф2 +1,9-^2--X) РКДХ X ткд
-0,4 —-0,6ф2 -0,06^ + 0,65 X т„
А„ х 10~6 = -50
\2
/ _ N2
+ 2,4
-8,8(ф2)2 -0,6
/
\2
_ _ с 0 Зп _ су о т, _ . Эп __ ст0 __ Зп _ _ -3,6 —— + 5,5 ——- — 2,1 —ф2 +37 —-20 —+ 28ф2
РкА ^ Рт т2 ^ Ркд ^
пг
\т2 j
+ 2^ + 27,3 m0
шение длины лунки скола породы над шириной лезвия инструмента; Р -динамическая прочность породы; ср — угол заострения инструмента; А
Основными определяющими параметрами в приведенных уравнениях регрессии являются: V — объем отделенной от массива породы за удар; а — ширина лезвия инструмента; о7 — максимальное напряжение в инструменте при ударе; X — превы-
контактная — удельные
затраты энергии на разрушение породы; т1и т2 — соответственно, массы бойка и инструмента; т^ —удельная составляющая массы бойка в силовом импульсе.
На основе обобщения выше приведенных результатов исследований и патентных разработок, выполненных в разные годы в КарПТИ, на Копейском и Скуратов-ском машиностроительных заводах, в ОрелГТУ и ООО «ИНТЦ «Орел-инжиниринг» был разработан новый «Способ проведения горной выработки» (патент РФ №2624491) [12], суть которого заключается «в многоточечном силовом воздействии на свободную поверхность забоя исполнительными органами, приводимыми в действие от внешних источников энергии, придании центральным исполнительным органом направления движения комбайну с последующей активизацией периферийных исполнительных органов и перемещением их по траектории эпициклоиды, отличающийся тем, что на свободную поверхность забоя осуществляют ударно-скалывающее воздействие породоразрушающими инструментами посредством генераторов механических импульсов путем приложения ими пролонгированных ударных нагрузок с последовательным пошаговым смещением инструмента по всей поверхности сечения забоя» (рис. 3).
Рис. 3. Схема планетарного ударно-скалывающего исполнительного органа и последовательность (способ) обработки забоя
Fig. 3. Layout of planetary percussive-shearing drum head and sequence (method) of treatment of rock
Для реализации способа проведения горной выработки были разработаны «Ударно-скалывающий исполнительный орган проходческого комбайна» и «Гидравлическое ударно-скалывающее устройство».
Для прогнозной оценки энергетических параметров и производительности ударно-скалывающего исполнительного
органа проходческого комбайна проведенный расчет (для принятых исходных условий) позволил получить следующие результаты (см. таблицу).
Заключение
Таким образом, энергетическая концепция создания проходческих комбайнов нового типа, заключающаяся в пере-
Исходные параметры (вариант)
Сечение горной выработки, м2 12
Расчетная площадь поражения забоя (скола породы) за один удар инструментом, м2 0,008
Частота ударов по забою одним инструментом исполнительного органа, уд/мин 150
Эквивалентная глубина лунки скола породы, м 0,03
Крепость разрушаемых пород (по шкале проф. М.М. Протодьяконова) 12...14
Количество исполнительных органов, установленных на планетарном исполнительном органе и совокупно обрабатывающих поверхность забоя 9
Энергия единичного удара инструментом по забою (общая энерговооруженность исполнительного органа), Дж 2000 (18 000)
Количественные показатели эффективности исполнительного органа проходческого комбайна
Число лунок, необходимых для обработки всей площади проходки 2500
Время снятия слоя, равного одной глубине лунки скола, мин 1,85
Мощность, подводимая к исполнительному органу, кВт до 150
Проходка выработки за одну смену, пог. м 8
Суточная (техническая производительность) проходка выработки, пог. м 20,4
Месячная техническая производительность комбайна, пог. м 600.650
распределении энергетического потенциала в пользу повышения его на рабочем органе и снижении — на механизмах подачи, потребует создания ударно-скалы-
вающего планетарного исполнительного органа, что открывает перспективу безвзрывной проходки выработок по породам высокой крепости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Wilson J. Resource Powers? Minerals, Energy and the Rise of tht BRICs // Tirde World Quarterly. 2015;36(1):223-239.
2. Wang Jingyuang, Deng Xianghui, Cao Weiping Numerical analysis on the stability of layered surrounding rock tunnel under the conditions of different inclination angle and thickness // American Journal of Traffic and Transportation Engineering. 2019;4(2):67—74. Published: May 31, 2019. DOl: 10.11648/agtte 20190402.14.
3. Xiangguo Li, Zhiqian Mei, Denglin Zhu, Baochun Xie Modeling and anti-sway control of ship-mounted crane // Advances in Mechanical Engineering. 9(9):168781401772725. September 2017. DOI: 10.1177/1687814017727252.
4. Liu Shuangshuang, Yang Guoping Performance analysis of hydraulic hammer at homeand abroad // International Journal of Research in Engineering and Science (IJRES). 2016:4(8):52—56.
5. Ушаков Л.С., Котылев Ю.Е., Кравченко В.А. Гидравлические машины ударного действия. — М.: Машиностроение, 2000. — 416 с., ил.
6. Ушаков Л.С. Гидравлические ударные механизмы: опыт расчета и проектирования. Обзор гидравлических схем и конструкций. — Palmarium Academic Publishing (Германия), 2013. — 273 с.
7. Kamanin Yu. N., UshakovL.S., Panichkin A. V., Redelin R. A. Development and mathematical simulation of an orbital-type actuator of a tunneling machine // International Review of Civil Engineering (IRECE). 2017;8(4):133—137. DOI: 10.15866/irece.v8i4.12825.
8. Mendyka P., Kotwica K., Stopka G., Gospodarczyk P. Innovative roadheader mining head with assymetrical disc tools // International Multidisciplinary Scientific GeoConference: Surveying Geology & Mining Ecology Management (SGEM). 2016;2:489—496.
9. Аксенов В. В., Хорешок А.Д., Ефременков А. Б. и др. Создание нового инструментария для формирования подземного пространства // Горная техника. — 2015. — № 1 (15). — С. 24—26.
10. Субботин В. А., Телегина О. В. Новый исполнительный орган тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК) // Горная техника. — 2012. — № 2 (10). — С. 14—17.
11. Лазуткин А. Г., Ушаков Д. С., Нордин В. В. Влияние энергетических компонент на эффективность разрушения горных пород ударным инструментом // Известия вузов. Горный журнал. — 1984. — № 7. — С. 69—72.
12. Ушаков Л. С. Патент РФ № 2624491. Способ проведения горной выработки. Заявка № 2015113260, приоритет от 09.04.2015. ЕШ
REFERENCES
1. Wilson J. Resource Powers? Minerals, Energy and the Rise of tht BRICs. Tirde World Quarterly. 2015;36(1):223—239.
2. Wang Jingyuang, Deng Xianghui, Cao Weiping Numerical analysis on the stability of layered surrounding rock tunnel under the conditions of different inclination angle and thickness. American Journal of Traffic and Transportation Engineering. 2019;4(2):67—74. Published: May 31, 2019. DOl: 10.11648/agtte 20190402.14.
3. Xiangguo Li, Zhiqian Mei, Denglin Zhu, Baochun Xie Modeling and anti-sway control of ship-mounted crane. Advances in Mechanical Engineering. 9(9):168781401772725. September 2017. DOI: 10.1177/1687814017727252.
4. Liu Shuangshuang, Yang Guoping Performance analysis of hydraulic hammer at homeand abroad. International Journal of Research in Engineering and Science (IJRES)2016:4(8):52—56.
5. Ushakov L. S., Kotylev Yu. E., Kravchenko V. A. Gidravlicheskie mashiny udarnogo deystviya [Hydraulic percussive machines], Moscow, Mashinostroenie, 2000, 416 p.
6. Ushakov L. S. Gidravlicheskie udarnye mekhanizmy: opyt rascheta iproektirovaniya. Obzor gidravlicheskikh skhem i konstruktsiy [Hydraulic percussive mechanisms: Experience of design and engineering. Review of hydraulic layouts and structures], Palmarium Academic Publishing (Germany), 2013, 273 p.
7. Kamanin Yu. N., Ushakov L. S., Panichkin A. V., Redelin R. A. Development and mathematical simulation of an orbital-type actuator of a tunneling machine. International Review of Civil Engineering (IRECE). 2017;8(4):133—137. DOI: 10.15866/irece.v8i4.12825.
8. Mendyka P., Kotwica K., Stopka G., Gospodarczyk P. Innovative roadheader mining head with assymetrical disc tools. International Multidisciplinary Scientific GeoConference: Surveying Geology & Mining Ecology Management (SGEM). 2016;2:489—496.
9. Aksenov V. V., KHoreshok A. D., Efremenkov A. B. New tools for underground space formation. Gornaya tekhnika. 2015, no 1 (15), pp. 24—26. [In Russ].
10. Subbotin V. A., Telegina O. V. A new head drum for mechanized tunneling system. Gornaya tekhnika. 2012, no 2 (10), pp. 14—17. [In Russ].
11. Lazutkin A. G., Ushakov D. S., Nordin V. V. Influence of energy components on efficiency of rock fracture by percussive tool. Izvestiya vuzov. Gornyyzhurnal. 1984, no 7, pp. 69—72. [In Russ].
12. Ushakov L. S. Patent RU 2624491, 09.04.2015.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Ушаков Леонид Семенович — д-р техн. наук, профессор, Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева, e-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
L.S. Ushakov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, e-mail: [email protected],
I.S. Turgenev Orel State University, 302026, Orel, Russia.
A
НОВИНКИ ИЗДАТЕЛЬСТВА «ГОРНАЯ КНИГА»
Ялтанец И.М., Гаевский К.К. (составители)
Теория и практика гидромеханизации горных и строительных работ (1998-2018)
Год: 2019 Страниц: 490
ISBN: 978-5-4347-0005-4 (в пер.) UDK: 622.271.6 (075.8)
Приведены сведения, относящиеся к новым техническим и технологическим решениям и показателям работ гидромеханизированных предприятий. Отражены прогрессивные технологии и средства гидромеханизации, соответствующие современному уровню и ближайшей перспективе. Представлены данные гидромеханизированных горных и строительных работ. Рассмотрены вопросы экономики и охраны окружающей среды в условиях Российской Федерации. И.М. Ялтанец — Геотехнологии освоения недр» Горного института Национального исследовательского технологического университета (НИТУ) «МИСиС»; К.К. Гаевский — генеральный директор ООО УК «Юграгидрострой».
Для специалистов, работающих в области гидромеханизации, студентов и широкого круга инженерно-технических работников.
д.т.н., проф. кафедры «
