CC BY
0ДОРОЖНЫЕ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ И ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫЕ МАШИНЫ ROAD, CONSTRUCTION AND LIFTING AND TRANSPORT VEHICLES
УДК 622.23.05
Аксенов Владимир Валерьевич1, доктор техн. наук, Садовец Владимир Юрьевич3, канд. техн. наук, доцент, Прейс Елена Валерьевна3, канд. техн. наук, доцент, Пашков Дмитрий Алексеевич2, аспирант.
Научно-исследовательский центр ООО "Сибирское НПО" 650002, Россия, г. Кемерово, Сосновый бульвар, 1.
Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского Отделения Российской академии наук, 650065, Россия, г. Кемерово, пр. Ленинградский, 10.
3Кузбасский государственный технический университет имени ТФ. Горбачева, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.
E-mail: [email protected]
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ НОЖЕВОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ГЕОХОДА
Аннотация: В статье ставится задача рационализации математической модели определения сил резания на ноже исполнительного органа геохода. Актуальность работы заключается в необходимости получения выражений для определения сил сопротивления грунта резанию на участках ножевого исполнительного органа геохода. В статье обоснованы граничные условия для определения характерных точек на радиальном ноже исполнительного органа геохода. Результатом работы являются полученные выражения для определения: Ро.св проекции силы сопротивления грунта резанию, зависящей от ширины резания, на главную ось вращения геохода, Дио.св _ проекции силы сопротивления грунта резанию на плоскость, которая расположена перпендикулярно главной оси вращения геохода. На основании проведенной работы определены задачи для дальнейших исследова-
Ключевые слова: горные машины, геоход, геоходная технология, исполнительный орган, нож.
Информация о статье: принята 19 ноября 2018 г.
DOI: 10.26730/1816-4528-2018-5-16-21
Введение. Современные технологии строительства подземных сооружений, а также добычи полезных ископаемых подземным способом стремительно развиваются. Одним из направлений развития этих технологий является применение роботов. Однако в технологиях образования полости в подземном пространстве практически не используются устройства, способные выполнять операции технологического цикла в совмещенном режиме. [1-3].
В связи с этой актуальной проблемой возникают задачи разработки новых подходов к технологиям строительства подземных сооружений в области создания новых машин и механизмов, способных в автоматических режимах на уровне роботизации выполнять все процессы для образования полости в подземном пространстве [4-6].
Одним из новых подходов к формированию полости в подземном пространстве является геоходная технология. В этом подходе за базовый элемент (подземный робот), способный выполнять основные операции технологического цикла строительства подземных сооружений, принят геоход.
В настоящее время коллектив авторов разрабатывает элементы геоходной технологии, при которой остро возникает необходимость разработки конструктивных и рациональных технических решений органов разрушения забоя, применение которых позволяет образовывать полости в массиве мягких горных пород с коэффициентом крепости до 1 по шкале М.М. Протодьяконова [7-10].
Поэтому работы, направленные на обоснование параметров исполнительных органов геоходов для разрушения пород крепостью до 1, являются актуальными.
Методика исследования. При определении силовых параметров ножевого исполнительного органа геохода [11-13] силу сопротивления грунта резанию представляют двумя составляющими:
Р0.св ~ проекции силы резания, зависящей от ширины резания грунта, на ось вращения геохода;
Рио.св - проекции силы резания на плоскость, расположенную перпендикулярно оси вращения гс-охо да.
Ранее в работах [14-16] были получены выражения для определения составляющих силы грунта резанию Р0.св и Яио.св:
Р =
1 о.св
фтсвИв + пРш
п cosy
he ctgiS+фтр) mrfí —
' í ■ - I sin a
к
rctg-—dx -2nx
ctgjSí+фтр) cosy
cosy
D —
nо.св
P«3H)f cosarctg^dx (1)
Í , K A
- cosarctg-dx
J * 2nx
(pmceh6 + nPm neos у
ctgiS+фтр)
+
O/»'"» rctg^dx
cosy из»J J a 2nx
cosy
(2)
Кроме этого, в работах [17-20] были обоснованы граничные условия интегрирования, необходимые
Рис. 1. Схема ножевого исполнительного органа
Fig. 1. Scheme of blade-type effector
для определения характерных точек на ноже исполнительного органа геохода.
Для получения выражений, позволяющих определять положение характерных точек, нами были сформулированы 3 задачи:
1) Получить выражение для определения радиального положения характерной точки, при котором составляющая силы резания Ро.св в изменяющихся пределах интегрирования от 0 (центр вращения геохода) до х (координата точки ножа (рисунок 1)) будет равна составляющей силы резания РИо.св в изменяющихся пределах интегрирования от х до ЯТ (радиус геохода), т.е.
Л "Г
j P,csdx = j
^ИО.СВ^^- '
(3)
2) Получить выражение для определения радиального положения характерной точки, при котором составляющая силы резания Ро.св в изменяющихся
пределах интегрирования от 0 до х будет равна составляющей силы резания Росв в изменяющихся пределах интегрирования от х до т.е.
л "г
j Рс.св^-Х — j Рсс
,dx\
(4)
3) Получить выражение для определения радиального положения точки, при котором составляющая силы резания РИо.св в изменяющихся пределах интегрирования от 0 до х будет равна составляющей силы резания РИо.св в изменяющихся пределах интегрирования от х до т.е.
Л. '»Г
j ^ИО.СВ^* j ^ИО-СВ*^ '
(5)
После интегрирования выражения (1,2) примут
вид
фтпсв hi + hBnPv
ce 2пп cos у sin pi sin (32
i he íA. hgCtgiS+фтр) ctgiSx+фтр)
2Í yt"4'* ñ
cosy
cosy
"I----r¿
U) • (in
tg\
tg\ |£i|
(7)
Полученные выражения (6, 7) являются сложными для определения значений характерных точек ножевого исполнительного органа геохода. Для преобразования выражений (6,7) предложено использование тригонометрических тождеств:
cos а =
sin а =
Jtg2a+1 tga
Jtg2a+1
(8) (9)
При определении составляющих сил резания Ро св и Дио.св Угол а принимается равным [14-16]: а = агад ^ (10)
Тогда после подстановки выражения (8,9) примут вид
cos
(10)
(arctg = . 1 = *
v 2пх) М^у ш
К
sin (arctq АЛ = tg(arct^) =_
v 2nxJ M«^1 Ш« ; di)
В выражениях (1,2) можно выделить 2 вида интегралов
f sin (arctg ¿W; (12)
¡со5(агад^)йх: (13)
Подставим выражения (10,11) в интегралы (12,13) и проинтегрируем
j sin (arctg ^)dx = j
■I
2пх h
м
,dx
+1
dx =
+ 1
= — Г
2л J
*^dx=±ln(x+lx2 + ( МЛ
(14)
Г cos (arctg —) dx = f 1 = dx =
v ¿w
Л \2nxJ
f--JL—dx= +x
(15)
Результаты. С учетом пределов интегрирования [0,х] из условий (3-5) выражения (14) и (15) примут вид
I sin(arct9^)dx
х +
х2 +
(t)
2л
(16)
% cos (arctg £)dx = ](£)\x'<
ш
+ х2 —— (17)
2л
С учетом пределов интегрирования [х,Щ из условий (3-5) выражения (14) и (15) примут вид
[*г ( he\
I sin ( arctg -—) dx
2пх)
К
-Г1 2л
( , (he\\
X + x2+ т1)
I J \2тт/ 1
К,
h6. = —ln 2л
(18)
Re2 + fh£ \2л, П
'*2 + ( ЧЛ <2л/
S? cos (arctg = + *
M^-M
+ x2
(19)
Окончательно выражение для определения составляющей силы сопротивления грунта резанию Ро св с учетом определенного выше отрезка интегрирования [О,*] будет иметь вид
•'О
фтсХ + пРиз
-(.Рт.Ь
ctgiS-L+фтр)
ctgjS+фтр) cosy
cosy
4Ш
2л
(20)
Окончательно выражение для определения Яио.св с учетом определенного выше отрезка интегрирования [0,х] будет иметь вид
[Х _ фГПсвК + ПРШН I J0 ио св~ п cos у UhJ
+
cosy
ctgiS+фтр)
cosy
ctgiS-L+фтр) cosy
Pm)±tn I
—5-
271
(21)
Окончательно выражение для определения составляющей силы сопротивления грунта резанию Ро св учетом определенного выше отрезка интегрирования будет иметь вид
Г
J X
фтпсвИв + пРи
-(фтсв£
ctgjS-L+фтр) ^ cosy
he ctgiS+фтр)
cosy
(22)
Окончательно выражение для определения составляющей силы сопротивления грунта резанию Яио.св с учетом определенного выше отрезка интегрирования [х,Лг] будет иметь вид
фтсX + nPU3h
Выводы. Получены выражения для определения составляющих силы сопротивления грунта резанию: Pq.cb ~ проекции силы резания, зависящей от ширины резания грунта, на ось вращения геохода и ^ио.св - проекции силы резания на плоскость, расположенную перпендикулярно оси вращения геохода.
На основе выделенных пределов интегрирования (граничных условий), получены выражения для определения радиального положения характерной точки ножа исполнительного органа: для задачи 1 уравнения 20, 21, для задачи 2 уравнения 20, 22, для задачи 3 - уравнения 21, 23.
Для проведения дальнейших исследовательских работ необходимо:
- получить значения характерных точек ножевого исполнительного органа геохода;
- определить влияние свойств геосреды на расположение характерных точек;
- определить влияние параметров геохода на расположение характерных точек.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Nishi S., Seiki Т. Planning and design of underground space use. // Mem. Sch. Eng. Nagoya Univ. -1997.-№1.
2. Maidl, B. Hardrock Tunnel Boring Machines / B. Maidl, L. Schmid, W. Ritz, M. Herrenknecht. Berlin: Ernst&Sohn, - 2008. - 343 p.
3. Вальтер A.B. Факторы, обуславливающие погрешности поверхностей вращения крупногабаритных корпусов геохода // Горное оборудование и электромеханика. -2016. -№ 8 (126). - С. 19-25.
4. Аксенов В. В. Синтез технических решений ножевого исполнительного модуля геохода / Аксенов В. В., Садовец В. Ю. // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2006. -№6-2 (58).-С. 33-37
5. Aksenov V. Impact of the number of blades of the geokhod cutting body on cutting forces / Aksenov V., Sadovets V., Rezanova E., Pashkov D. // E3S Web of Conferences. - 2017. - T. 15. - C. 03015.
6. Бегляков В. Ю. Обоснование параметров поверхности взаимодействия исполнительного органа геохода с породой забоя : дис. канд. техн. наук. -Юрга,-2012.- 139 с.
7. Аксенов В. В. Синтез технических решений нового класса горнопроходческой техники /
Аксенов В В., Садовец В. Ю.. Резанова Е. В. // Известия вузов. Горный журнал - Екатеринбург, -2009,-№8.-С. 56-63.
8. Ефременков А. Б. Разработка научных основ создания систем геохода : дис. док. техн. наук -КузГТУ, Кемерово, 2016
9. Бегляков В. Ю., Ефременков А. Б.. Блащук М. Ю., Сапожкова А. В. Выбор рациональных геометрических параметров исполнительного органа геохода / Бегляков В. Ю., Ефременков А. Б., Блащук М. Ю., Сапожкова А. В. //В сборнике: Современные техника и технологии Труды 14 Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. В 3 томах. - 2008. -С. 234-236.
10. Ермаков А. А. Определение усилий на головной секции геохода от работы барабанного исполнительного органа //В сборнике: Сборник материалов VIII Всероссийской, научно-практической конференции молодых ученых с международным участием "РОССИЯ МОЛОДАЯ". Ответственный редактор О.В. Тайлаков. - КузГТУ, Кемерово. - 2016. - С. 34.
11. Aksenov V. The influence of parameters on the generatrix of the helicoid form guide of geokhod bar working body / Aksenov V., Sadovets V., Pashkov D. // E3S Web of Conferences The Second International Innovative Mining Symposium. - 2017.
12. Blashchuk M. Yu. Capacity Calculation of Hydraulic Motors in Geokhod Systems for Justification of Energy-Power Block Parameters / Blashchuk M. Yu.. Kasantsev A. A.. Chernukhin R. V. //Applied Mechanics and Materials. - 2014. - № 682. - C. 418-425.
13. Ананьев К. А. Создание исполнительного органа геохода для разрушения пород средней крепости : дис. канд. техн. наук. - Кемерово, 2016. - 145 с.
14. Wighman Т. Think deeps - go underground // ENR: News - Rec. - 1998. - №4.
15. Зеленин A. M. Машины для земляных работ / Зеленин А. М., Баловнев В. И., Керов И. П. // Учебное пособие для вузов - М.: «Машиностроение», 1975.-424 с.
16. Машины для земляных работ / под общ. ред. Волкова Д. П. - М.: Машиностроение, 1992. -187 с.
17. Ветров Ю. А., Баладинский В. Л. Машины для специальных земляных работ. - Киев: Изд-во Киев, ун-та, 1980. - 308 с.
18. Пашков Д. А. Анализ существующих баро-вых исполнительных органов // В сборнике: IX Всероссийской, 62 научно-практической конференции молодых ученых с международным участием «Россия молодая». С.Г. Костюк (отв. редактор). 2017. -С. 35011.
19. Зеленин А. Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. - М.: Машиностроение. 1968. - 375 с.
20. Ветров Ю. А. Расчет сил резания и копания грунтов. - Киев: Изд-во Киев, ун-та, 1985. -251 с.
Vladimir V. Aksenov1, Dr. Sc. (Engineering), Vladimir Yu. Sadovets3, C.Sc. (Engineering), Elena V. Preis3, C.Sc. (Engineering), Dmitry A. Pashkov1, post-graduate student.
Scientific and research centre LLC " Siberian Research and Production Association", 650002, 1 Sosnoviy bul., Kemerovo, Russian Federation
2Federal Research Center of Coal and Coal chemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 10, Leningradsky Ave., Kemerovo, 650065, Russian Federation
3T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 650000,28 Vesennyaya St., Kemerovo, Russian Federation
IMPROVEMENT OF THE MATHEMATICAL MODEL FOR DETERMINING THE CUTTING LOAD PARAMETERS OF GEOKHOD BLADE EFFECTOR
Abstract: In the presented article, the improvement of the mathematical model for determining the cutting load parameters of the geokhod blade effector is considered. The relevance of the work lies in the need to obtain expressions to determine the ground resistance to cutting on the blade portion of the geokhod effector. For this, the boundary conditions for determining the characteristic points on the radial blade of the geokhod cutting effector are determined. In the study, the expressions were obtainedfor determining: Po.cb " projection of the ground cutting resistance force depending on the cutting width on the main axis of rotation of the geokhod, R^ 0 CB - the projection of the ground cutting resistance force to the plane which is perpendicular to the main axis of geokhod rotation. On the basis of the work carried out, tasks for further research are defined.
Keywords: mining machinery, geokhod, geokhod technology, effector, blade.
Article info: received November 19, 2018 DOI: 10.26730/1816-4528-2018-5-16-21
REFERENCES
1. Nishi S., Seiki T. Planning and design of underground space use. //Mem. Sch. Eng. Nagoya Univ. -1997. -№1.
2. Maidl, B. Hardrock Tunnel Boring Machines / B. Maidl, L. Schmid, W. Ritz, M. Herrenknecht. Berlin: Ernst&Sohn, - 2008. - 343 p.
3. Val'ter A.V. Faktory, obuslavlivayushchie pogreshnosti poverhnostej vrashche-niya krupnogabar-itnyh korpusov geohoda // Gomoe oborudovanie i eh-lektromekhanika. -2016. - № 8 (126). - S. 19-25.
4. Aksenov V. V. Sintez tekhnicheskih reshenij nozhevogo ispolnitel'nogo mo-dulya geohoda / Aksenov V. V., Sadovec V. YU. // Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo uni-versiteta. - 2006. - № 6-2 (58). - S. 33-37
5. Aksenov V. Impact of the number of blades of the geokhod cutting body on cutting forces / Aksenov V., Sadovets V., Rezanova E„ Pashkov D. // E3S Web of Conferences. -2017. -T. 15. -S. 03015.
6. Beglyakov V. YU. Obosnovanie parametrov poverhnosti vzaimodejstviya is-polnitel'nogo organa geohoda s porodoj zaboya : dis. kand. tekhn. nauk. -YUrga,-2012.- 139 s.
7. Aksenov V. V. Sintez tekhnicheskih reshenij no-vogo klassa gornoprohodche-skoj tekhniki / Aksenov V. V., Sadovec V. YU., Rezanova E. V. // Izvestiya vuzov. Gomyj zhurnal - Ekaterinburg, -2009, - № 8. -S. 56-63.
8. Efremenkov A. B. Razrabotka nauchnyh osnov sozdaniya sistem geohoda : dis. dok. tekhn. nauk -KuzGTU, Kemerovo, 2016
9. Beglyakov V. YU., Efremenkov A. B.. Blash-chuk M. YU., Sapozhkova A. V. Vybor racional'nyh geometricheskih parametrov ispolnitel'nogo organa geohoda / Beglyakov V. YU., Efremenkov A. B., Blashchuk M. YU., Sapozhkova A. V. // V sbornike: Sovremennye tekhnika i tekhnologii Trudy 14 Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii studentov, aspirantov i molodyh uchenyh. V 3 tomah. -2008. -S. 234-236.
10. Ennakov A. A. Opredelenie usilij na golovnoj sekcii geohoda ot rabotv barabannogo ispolnitel'nogo organa // V sbornike: Sbornik materialov VIII Vseros-sijskoj, nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh s mezhdunarodnym ucha-stiem "ROSSIYA MOLODAYA". Otvetstvennyj redaktorO.V. Tajlakov. - KuzGTU, Ke-merovo. - 2016. - S. 34.
11. Aksenov V. The influence of parameters on the generatrix of the helicoid form guide of geokhod bar working body / Aksenov V., Sadovets V., Pashkov D. // E3S Web of Conferences The Second International Innovative Mining Symposium. - 2017.
12. Blashchuk M. Yu. Capacity Calculation of Hydraulic Motors in Geokhod Systems for Justification of Energy-Power Block Parameters / Blashchuk M. Yu., Kasantsev A. A., Chernukhin R. V. //Applied Mechanics and Materials. - 2014. - № 682. - S. 418-425.
13. Anan'ev K. A. Sozdanie ispolnitel'nogo organa geohoda dlya razrusheniya porod srednej kreposti: dis. kand. tekhn. nauk. - Kemerovo, 2016. - 145 s.
14. Wighman T. Think deeps - go underground // ENR: News - Rec. - 1998. - №4.
15. Zelenin A. M. Mashiny dlya zemlyanyh rabot / Zelenin A. M.. Balovnev V. I., Kerov I. P. // Uchebnoe
posobie dlya vuzov - M.: «Mashinostroenie», 1975. -424 s.
16. Mashiny dlya zemlyanyh rabot / pod obshch. red. Volkova D. P. -M.: Mashino-stroenie, 1992. -187 s.
17. Vetrov YU. A., Baladinskij V. L. Mashiny dlya special'nyh zemlyanyh rabot. - Kiev: Izd-vo Kiev, un-ta, 1980. - 308 s.
18. Pashkov D. A. Analiz sushchestvuyushchih ba-rovyh ispolnitel'nyh organov // V sbornike: IX
Библиографическое описание статьи
Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Прейс Е.В., Пашков Д.А., Совершенствование математической модели определения силовых параметров ножевого исполнительного органа геохода // Горное оборудование и электромеханика — 2018,— №5(139). — С. 16-21.
Vserossijskoj, 62 nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh s mezhdunarodnym uchastiem «Ros-siya molodaya». S.G. Kostyuk (otv. redaktor). 2017. -S. 35011.
19. Zelenin A. N. Osnovy razrusheniya gruntov mekhanicheskimi sposobami. -M.: Mashinostroenie. 1968. -375 s.
20. Vetrov YU. A. Raschet sil rezaniya i kopaniya gruntov. - Kiev: Izd-vo Kiev, un-ta, 1985. -251 s.
Reference to article
Aksenov V.V., Sadovets V.Yu., Preis E.V., Pashkov D.A. Improvement of the mathematical model for determining the cutting load parameters of geokhod blade effector. Mining Equipment and Elec-tromechanics, 2018, no. 5 (139). pp. 16-21.
