Interacting of a fissure hydrodetaching working tool with a rock cranch.pdf Необходимость снижения удельных энергозатрат на разрушение, улучшения сортности добываемых полезных ископаемых и уменьшения запыленности при-забойного пространства привели исследователей и конструкторов к разработке комбинированных способов разрушения, где наряду с традиционным резанием используется малоэнергоемкое разрушение горных пород, в частности разрушение отрывом. Исследования работы насосного привода гидроотрывника показали, что он является простым и надежным в эксплуатации, однако имеет один существенный недостаток, а именно, для него характерна потеря продольной устойчивости комбайна при отрыве больших целиков породы [1]. Это происходит вследствие того, что усилия отрыва, необходимые для отделения целика от массива, оказываются больше силы трения ходовой части комбайна о почву выработки. В результате подтягивания комбайна на забой в процессе отрыва породного целика происходит прижатие режущего диска к забою и, как следствие, резкое увеличение потребляемой мощности вплоть до «опрокидывания» электродвигателя [2]. В качестве альтернативы предложен насосно-аккумуляторный (импульсный) привод гидроотрывника, который впервые был реализован в комбайне «Алмаз-1И», созданном на базе проходческого комбайна ПК-9р [3]. Основным элементом такого привода является пульсатор давления, или генератор импульсов, который представляет собой цилиндр, разделенный поршнем на жидкостную и газовую камеры и снабженный импульсным клапаном. После формирования надщелевого породного целика рабочая жидкость, находящаяся в жидкостной камере пульсатора под давлением сжатого газа, открывает импульсный клапан и устремляется в рабочую полость гидроотрывника. Происходит рабочий ход последнего. Поскольку объем жидкостной камеры пульсатора давления в 1,5 раза превышает объем рабочей полости гидроцилиндра отрывника, практически пульсатор давления является источником давления с бесконечно большим расходом [4]. Это обстоятельство предопределяет более высокие скорости движения гидроотрывного рабочего органа с импульсным приводом нежели с насосным. Таким образом, импульсный привод гидроотрывника позволяет формировать рабочее давление в гидроцилиндре до начала движения отрывника и поддерживать его на протяжении всего рабочего хода. Для обеспечения эффективной работы импульсного привода отрывника необходимо проведение дальнейших исследований по выбору и обоснованию его параметров, а также по взаимодействию рабочего элемента отрывника с породным целиком при различных скоростях приложения нагрузки. При этом наиболее сложной и трудоемкой задачей является определение напряженно-деформированного состояния породного целика серповидной формы и усилия, необходимого на отделение последнего от массива [5]. Предметом настоящего исследования является процесс взаимодействия щелевого гидроотрывного рабочего органа горного комбайна с породным целиком при его отделении от массива. Исследование проводилось с помощью численного моделирования. При этом рабочий ход гидроотрывника в соответствии с условиями работы реального рабочего органа разделен на три характерных этапа: первый -этап приближения тарелки отрывника к целику; второй - этап деформации и отрыва целика от массива; третий - этап транспортирования оторванного целика из зоны щели, торможения и остановки шток-поршня гидроотрывника. Для численного решения этих задач используются программы GRAPH--PA [6] и ANSYS [7]. Отметим, что система GRAPH-PA представляет собой средство автоматизации проектирования динамических объектов различной физической природы (механической, гидравлической и др.) и предназначена для анализа динамических процессов в объектах, математические модели которых описываются системами обыкновенных дифференциальных уравнений. Система ANSYS предназначена для численного решения различных задач механики методом конечных элементов и в данной работе использована для определения напряженно-деформированного состояния целика и прилегающего к нему горного массива. На рис. 1 приведена гидрокинематическая схема гидроотрывного рабочего органа горного комбайна. В исходном положении тарелка 2 рабочего органа, встроенная в режущий диск 1, находится в щели на некотором расстоянии от породного целика 3. При подаче рабочей жидкости в напорную полость А гидроцилиндра тарелка отрывника со шток-поршнем перемещается вправо по рисунку, входит в контакт с целиком и деформирует его. Рис. 1. Гидрокинематическая схема щелевого гидроотрывного рабочего органа После отделения целика от массива шток-поршень с тарелкой, продолжая движение вплоть до остановки, выносит оторванный целик из зоны разрушения. Дополнительные обозначения на рисунке следующие: R - радиус диска; b - ширина щели; l и h - толщина и высота породного целика; рн и рсл - напорное и сливное давления рабочей жидкости соответственно. Полная картина напряженно-деформированного состояния целика и прилегающего к нему массива получена при математическом моделировании взаимодействия тарелки отрывника с породным целиком с использованием программы ANSYS, основанной на методе конечных элементов. Данная программа позволила построить точные геометрические модели целиков сложной серповидной формы без их предварительного упрощения. Конечноэлементные модели породного массива с целиком серповидной формы представлены на рис. 2, а и б. Модель представляет собой вырезанную из массива область, причем размеры этой области достаточно велики, что позволяет исключить влияние граничных условий на напряженно-деформированное состояние целика и прилегающей к нему части массива. Рис. 2. Расчетная схема породного массива при щелевом отрыве: а - модель с объемными конечными элементами типа 3D; б - модель с осесимметричными плоскими конечными элементами типа 2D В силу симметрии геометрической формы целика и приложенных к нему нагрузок рассматривается четверть вырезанной области. Моделирование выполнялось как с использованием объемных конечных элементов типа 3D в форме тетраэдров согласно рис. 2, а, так и осесимметричных плоских элементов типа 2D в форме четырехугольников согласно рис. 2, б. В последнем случае элементы располагаются в плоскости меридианного сечения выделенной области. Сетка разбиения областей на конечные элементы неравномерная - у концентратора напряжений, каковым является угол прорезаемой диском щели, она сгущается, а к периферии области разрежается. Из расчетной схемы согласно рис. 2, б видно, что режущий диск диаметром Ra образует параллельно свободной поверхности забоя щель шириной Ьщ. Высота породного целика, или шаг отрыва hот, определяется расстоянием между положениями режущего диска на предыдущем (i) и последующем (i+1) шагах, а толщина целика равна Нц. С внутренней поверхности на целик, имеющий серповидную форму, воздействует тарельчатый отрывник радиусом ROT, создавая равномерно распределенную нагрузку интенсивностью q на длине lq . Сечение S делит выделенный объем массива вместе с породным целиком на две равные части относительно оси Y, т.е. находится в плоскости симметрии. Входные параметры, принятые для расчета в модели, показанной на рис. 2, б, были следующими: Яд = 0,5 м; ROT = 0,4 м; Ьщ = 0,03 м; Нц = 0,3 м; Нот = 0,2 м; q = 107 Н/м; lq = 0,1 м. Разрушаемый массив представлен песчаником с временным сопротивлением растяжению стр = 6-106 Па; модулем упругости Е = 6-107 Па и коэффициентом Пуассона ц = 0,3. Условием разрушения является соотношение между максимальным растягивающим эквивалентным напряжением стэкв и временным сопротивлением растяжению стр, т.е. стэкв > стр. В результате решения задачи получены картины распределения трех главных нормальных cti , стп , стш (рис. 3, а, б, в), касательного axy (рис. 3, г) и эквивалентного стэкв (рис. 3, д) напряжений в рассматриваемом сечении, а также узловых перемещений элементов целика 5x вдоль оси X под действием приложенной нагрузки (рис. 3, е). Как видно из рис. 3, все три главных напряжения у угла щели, примыкающего к целику, являются напряжениями растяжения и имеют максимальную величину. Рис. 3. Распределение напряжений и перемещений в породном массиве при отрыве целика (пояснение в тексте) По мере удаления от угла щели, являющегося концентратором напряжений, растягивающие напряжения уменьшаются по величине и переходят в сжимающие, причем картина распределения первого главного напряжения значительно отличается от двух других. Из распределения эквивалентных напряжений в рассматриваемом сечении (рис. 3, д) видно, что наибольшие по величине напряжения стэкв возникают в зоне сжатия у вершины породного целика, однако образование трещины и разрушение последнего вызывают напряжения в зоне растяжения в окрестности концентратора напряжений. В процессе отрыва целик деформируется, причем наибольшее смещение вдоль оси X получают точки у вершины целика (рис. 3, е). На рис. 4 представлены зависимости напряжений и деформаций в теле целика вдоль линии L1, проходящей параллельно оси Хот вершины щели до свободной поверхности. Lj, м Рис. 4. Изменение напряжений (а, здесь 1, 2, 3, 4 - оэкв, oxy, oy, ox) и перемещений (б, здесь 1,2,3 - 5экв, 8y, 8x) в породном целике вдоль линии Li Как видно из представленных зависимостей, наибольшее значение эквивалентного напряжения стэкв, определяющего условие возникновения трещины разрушения, имеет место у основания целика в углу щели, являющемся концентратором напряжений, и составляет 9,6 МПа (рис. 4, а). Другие составляющие поля напряжений в этой точке равны соответственно: oxy = 3,46 МПа; oy = 6,30 МПа; ox = 7,07 МПа. По мере перемещения вдоль линии L1 с выходом на свободную поверхность массива напряжение стэкв снижается до величины 4,36 МПа, oy переходит из растягивающего напряжения в сжимающее и принимает значение -0,96 МПа, а oxy и ox приближаются к нулевому значению. Аналогично ведут себя перемещения 5y и 5x на этом пути (рис. 4, б), значения которых изменяются соответственно от 0,0105 м до -0,0016 м и от 0,0118 м до 0 м. Результаты моделирования процесса функционирования гидромеханической системы «щелевой гидроотрывник - породный целик», выполненного с использованием программы GRAPH-PA, приведены на рис. 5. Как видно из рисунка, на первом этапе происходит разгон и приближение тарелки отрывника к целику. При этом скорость движения тарелки к моменту встречи с породным целиком достигает величины около 0,5 м/с, усилие возрастает до 0,7 • 105 Н, а ускорение снижается с величины 300 до 100 м/с2. Продолжительность этапа составила 0,08 с. F, Н 6105 4,5105 3105 1,5-105 а 1 (\ v, м/с 0,64 0,48 0,32 0,16 0,24 0,36 0,48 0 w, м/с2 300 200 100 0 -100 б 4 -■- 3 V / I 0,24 0,36 0,48 Рис. 5. Зависимости усилия на шток-поршне гидроотрывника (кр. 2), скорости, ускорения и пройденного им пути (кр. 1, 3 и 4, соответственно) от времени в период рабочего хода 0,12 t, с h, м/с 0,16 0,12 0,08 0,04 0 0,12 t, с На втором этапе движения отрывника происходит деформация и отделение породного целика от массива. При этом время второго этапа зависит от жесткости породного целика и при жесткости, равной 1108 Н/м, составило 0,012 с. С увеличением жесткости целика время второго этапа уменьшается. Скорость движения шток-поршня на втором этапе вначале возрастает, достигает максимума равного 0,64 м/с (продолжается разгон рабочего органа, хотя ускорение снижается), а затем, при достижении усилием некоторого значения резко падает до величины около 0,25 м/с в конце этапа. Ускорение в момент начала снижения скорости движения отрывника достигает наибольшего по абсолютной величине отрицательного значения равного -100 м/с2, а к концу этапа несколько увеличивается. Усилие в момент отрыва породного целика достигает своего максимального значения и равно 2,7105 Н. Следует отметить, что с увеличением жесткости породного целика значение скорости движения тарелки отрывника в конце второго этапа будет уменьшаться вплоть до нуля, при этом усилие на шток-поршне будет иметь наибольшее значение. Однако, если жесткость породного целика окажется слишком большой (высокая прочность породы или большая толщина целика), то максимального значения усилия, возникающего на шток-поршне при остановке последнего, может оказаться недостаточно для отрыва такого целика от массива. Начало третьего этапа аналогично первому. Отличие состоит в том, что в начале третьего этапа скорость движения и усилие на шток-поршне отличны от нуля. Кроме того, в период третьего этапа шток-поршень испытывает дополнительное сопротивление постоянной величины, обусловленное транспортированием оторванного породного целика из зоны разрушения. Таким образом, проведенные исследования взаимодействия режуще-отрывного рабочего органа с породным целиком дали возможность определить напряженно-деформированное состояние разрушаемого массива и установить значение максимального усилия отрыва, развиваемого гидроприводом рабочего органа с учетом динамической его составляющей, появляющейся в результате торможения тарелки отрывника при отделении породного целика.

Скачать электронную версию публикации