Создание исполнительных органов горных машин для бурошнековой выемки угля
Цель. Необходимость применения новых технологий и техники для эффективной разработки тонких угольных пластов. Методика. Математическое и экспериментальное моделирование процесса контактного взаимодействия многолезвийного породоразрушающего инструмента с горной породой. Результаты. Разработана матема...
Saved in:
| Published in: | Розробка родовищ |
|---|---|
| Date: | 2016 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
2016
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/133534 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Создание исполнительных органов горных машин для бурошнековой выемки угля / В. Красник // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 3. — С. 13-19. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-133534 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Красник, В. 2018-06-01T14:46:14Z 2018-06-01T14:46:14Z 2016 Создание исполнительных органов горных машин для бурошнековой выемки угля / В. Красник // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 3. — С. 13-19. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 2415-3435 DOI: dx.doi.org/10.15407/mining10.03.013 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/133534 622.278 Цель. Необходимость применения новых технологий и техники для эффективной разработки тонких угольных пластов. Методика. Математическое и экспериментальное моделирование процесса контактного взаимодействия многолезвийного породоразрушающего инструмента с горной породой. Результаты. Разработана математическая модель контактного взаимодействия многолезвийного породоразрушающего инструмента с горной породой и кинетики изнашивания его режущих элементов. Основываясь на результатах выполненных аналитических и экспериментальных исследований, был создан ряд оригинальных конструкций бурового инструмента, учитывающих особенности распределения нагрузки на его породоразру шающие элементы в процессе работы, что позволило создать новые конструкции инструмента, в том числе для бурошнековых машин. Научная новизна. Создана математическая модель контактного взаимодействия многолезвийного породоразрушающего инструмента с горной породой и кинетики изнашивания его режущих элементов. Практическая значимость. Для бурошнековой машины БШК-2ДМ производства завода “Буран” разработаны оригинальные исполнительные органы диаметром 650 и 750 мм, которые обеспечивают снижение энергоемкости процесса бурения, снижение нагрузки на главный привод, увеличение скорости бурения, а также повышение сортности добываемого угля. Мета. Необхідність застосування нових технологій та техніки для ефективної розробки тонких вугільних пластів. Методика. Математичне та експериментальне моделювання процесу контактної взаємодії багатолезвійного породоруйнуючого інструменту з гірською породою. Результати. Розроблено математичну модель контактної взаємодії багатолезвійного породоруйнуючого інструменту з гірською породою та кінетики зношування його ріжучих елементів. На підставі виконаних аналітичних і експериментальних досліджень було створено ряд оригінальних конструкцій бурового інструменту,які враховують особливості розподілу навантаження на його породоруйнуючі елементи в процесі роботи, що дозволило створити нові конструкції інструменту, в тому числі для бурошнекових машин. Наукова новизна. Створено математичну модель контактної взаємодії багатолезвійного породоруйнуючого інструменту з гірською породою й кінетики зношування його ріжучих елементів. Практична значимість. Для бурошнекової машини БШК-2ДМ виробництва заводу “Буран” розроблені оригінальні виконавчі органи діаметром 650 і 750 мм, які забезпечують зниження енергоємності процесу буріння, зниження навантаження на головний привід, збільшення швидкості буріння, а також підвищення сортності вугілля, що видобувається. Purpose. The need for new technologies and techniques for the efficient development of thin coal seams. Methods. Mathematical and experimental modeling of the contact interaction of multipoint cutter with the rock. Findings. A mathematical model describing contact interaction of multipoint cutter with the rock and the kinetics of its cutting elements wear has been developed. Departing from the results of the performed analysis and experimental research, we created a number of innovative designs of a drilling tool, taking into account peculiarities of the load distribution on its cutting elements in the process of work, which allowed to develop new tool designs, including those for auger machines. Originality. A mathematical model of contact interaction of multipoint cutter with the rock and the kinetics of its cutting elements wear has been developed. Practical implications. For auger machines “BSHK-2DM” produced by “Buran” plant, we have developed innovative effectors of 650 mm and 750 mm which reduce energy consumption of the drilling process, lessen the load on the main drive, increase the speed of drilling, and also improve the grade of coal mined. Автор выражает благодарность сотрудникам Института сверхтвердых материалов Национальной академии наук Украины И.А. Свешникову, Л.Н. Вировцу, А.Н. Степанцу, принимавших участие в разработке созданного инструмента. Результаты статьи были получены без финансовой поддержки какого-либо фонда или проекта. ru УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України Розробка родовищ Создание исполнительных органов горных машин для бурошнековой выемки угля Створення виконавчих органів гірничих машин для буро шнекового виймання вугілля Designing cutting tools of mining machines for coal auger mining Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Создание исполнительных органов горных машин для бурошнековой выемки угля |
| spellingShingle |
Создание исполнительных органов горных машин для бурошнековой выемки угля Красник, В. |
| title_short |
Создание исполнительных органов горных машин для бурошнековой выемки угля |
| title_full |
Создание исполнительных органов горных машин для бурошнековой выемки угля |
| title_fullStr |
Создание исполнительных органов горных машин для бурошнековой выемки угля |
| title_full_unstemmed |
Создание исполнительных органов горных машин для бурошнековой выемки угля |
| title_sort |
создание исполнительных органов горных машин для бурошнековой выемки угля |
| author |
Красник, В. |
| author_facet |
Красник, В. |
| publishDate |
2016 |
| language |
Russian |
| container_title |
Розробка родовищ |
| publisher |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Створення виконавчих органів гірничих машин для буро шнекового виймання вугілля Designing cutting tools of mining machines for coal auger mining |
| description |
Цель. Необходимость применения новых технологий и техники для эффективной разработки тонких угольных пластов. Методика. Математическое и экспериментальное моделирование процесса контактного взаимодействия многолезвийного породоразрушающего инструмента с горной породой. Результаты. Разработана математическая модель контактного взаимодействия многолезвийного породоразрушающего инструмента с горной породой и кинетики изнашивания его режущих элементов. Основываясь на результатах выполненных аналитических и экспериментальных исследований, был создан ряд оригинальных конструкций бурового инструмента, учитывающих особенности распределения нагрузки на его породоразру шающие элементы в процессе работы, что позволило создать новые конструкции инструмента, в том числе для бурошнековых машин. Научная новизна. Создана математическая модель контактного взаимодействия многолезвийного породоразрушающего инструмента с горной породой и кинетики изнашивания его режущих элементов. Практическая значимость. Для бурошнековой машины БШК-2ДМ производства завода “Буран” разработаны оригинальные исполнительные органы диаметром 650 и 750 мм, которые обеспечивают снижение энергоемкости процесса бурения, снижение нагрузки на главный привод, увеличение скорости бурения, а также повышение сортности добываемого угля.
Мета. Необхідність застосування нових технологій та техніки для ефективної розробки тонких вугільних пластів. Методика. Математичне та експериментальне моделювання процесу контактної взаємодії багатолезвійного породоруйнуючого інструменту з гірською породою. Результати. Розроблено математичну модель контактної взаємодії багатолезвійного породоруйнуючого інструменту з гірською породою та кінетики зношування його ріжучих елементів. На підставі виконаних аналітичних і експериментальних досліджень було створено ряд оригінальних конструкцій бурового інструменту,які враховують особливості розподілу навантаження на його породоруйнуючі елементи в процесі роботи, що дозволило створити нові конструкції інструменту, в тому числі для бурошнекових машин. Наукова новизна. Створено математичну модель контактної взаємодії багатолезвійного породоруйнуючого інструменту з гірською породою й кінетики зношування його ріжучих елементів. Практична значимість. Для бурошнекової машини БШК-2ДМ виробництва заводу “Буран” розроблені оригінальні виконавчі органи діаметром 650 і 750 мм, які забезпечують зниження енергоємності процесу буріння, зниження навантаження на головний привід, збільшення швидкості буріння, а також підвищення сортності вугілля, що видобувається.
Purpose. The need for new technologies and techniques for the efficient development of thin coal seams. Methods. Mathematical and experimental modeling of the contact interaction of multipoint cutter with the rock. Findings. A mathematical model describing contact interaction of multipoint cutter with the rock and the kinetics of its cutting elements wear has been developed. Departing from the results of the performed analysis and experimental research, we created a number of innovative designs of a drilling tool, taking into account peculiarities of the load distribution on its cutting elements in the process of work, which allowed to develop new tool designs, including those for auger machines. Originality. A mathematical model of contact interaction of multipoint cutter with the rock and the kinetics of its cutting elements wear has been developed. Practical implications. For auger machines “BSHK-2DM” produced by “Buran” plant, we have developed innovative effectors of 650 mm and 750 mm which reduce energy consumption of the drilling process, lessen the load on the main drive, increase the speed of drilling, and also improve the grade of coal mined.
|
| issn |
2415-3435 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/133534 |
| citation_txt |
Создание исполнительных органов горных машин для бурошнековой выемки угля / В. Красник // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 3. — С. 13-19. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT krasnikv sozdanieispolnitelʹnyhorganovgornyhmašindlâburošnekovoivyemkiuglâ AT krasnikv stvorennâvikonavčihorganívgírničihmašindlâburošnekovogoviimannâvugíllâ AT krasnikv designingcuttingtoolsofminingmachinesforcoalaugermining |
| first_indexed |
2025-11-25T12:38:13Z |
| last_indexed |
2025-11-25T12:38:13Z |
| _version_ |
1850514745752289280 |
| fulltext |
Founded in
1900
National Mining
University
Mining of Mineral Deposits
ISSN 2415-3443 (Online) | ISSN 2415-3435 (Print)
Journal homepage http://mining.in.ua
Volume 10 (2016), Issue 3, pp. 13-19
13
UDC 622.278 http://dx.doi.org/10.15407/mining10.03.013
СОЗДАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ГОРНЫХ МАШИН
ДЛЯ БУРОШНЕКОВОЙ ВЫЕМКИ УГЛЯ
В. Красник1*
1ГП “Научно-технический центр “Углеинновация”, Киев, Украина
*Ответственный автор: e-mail vgkrasnik@ukr.net, тел. +380442371824
DESIGNING CUTTING TOOLS OF MINING MACHINES FOR COAL AUGER MINING
V. Krasnyk1*
1SE “Science and Technical Center “Coalinnovation”, Kyiv, Ukraine
*Corresponding author: e-mail vgkrasnik@ukr.net, tel. +380442371824
ABSTRACT
Purpose. The need for new technologies and techniques for the efficient development of thin coal seams.
Methods. Mathematical and experimental modeling of the contact interaction of multipoint cutter with the rock.
Findings. A mathematical model describing contact interaction of multipoint cutter with the rock and the kinetics of
its cutting elements wear has been developed. Departing from the results of the performed analysis and experimental
research, we created a number of innovative designs of a drilling tool, taking into account peculiarities of the load
distribution on its cutting elements in the process of work, which allowed to develop new tool designs, including
those for auger machines.
Originality. A mathematical model of contact interaction of multipoint cutter with the rock and the kinetics of its
cutting elements wear has been developed.
Practical implications. For auger machines “BSHK-2DM” produced by “Buran” plant, we have developed innova-
tive effectors of 650 mm and 750 mm which reduce energy consumption of the drilling process, lessen the load on
the main drive, increase the speed of drilling, and also improve the grade of coal mined.
Keywords: contact interaction, rock, coal auger mining, mathematical modelling
1. ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день более 70% запасов угля в
Украине сосредоточено в пластах мощностью до 1.0 м,
что обуславливает необходимость применения новых
технологий и техники для эффективной разработки
тонких пластов (Dychkovskiy & Bondarenko, 2006).
Одним из направлений добычи угля из тонких уголь-
ных пластов является использование бурошнековых
технологий (Griadushchiy, Korz, Koval, Bondarenko, &
Dychkovskiy, 2007; Pavlenko, Salli, Bondarenko,
Dychkovskiy, & Piwniak, 2007). К их преимуществам
относятся возможность полной автоматизации про-
цесса добычи и реализация безлюдной выемки угля,
низкая зольность добываемых углей, высокий уро-
вень безопасности и промышленной санитарии (Ko-
valevska, 2006). В тоже время недостатки бурошне-
ковой выемки (низкий уровень производительности,
увод исполнительных органов бурошнековых
машин, высокая энергоемкость разрушения и др.)
существенно ограничивают ее применение в уголь-
ной промышленности.
Данные недостатки могут быть устранены путем
создания новых конструкций исполнительных орга-
нов бурошнековых комплексов, которые учитывают
особенности контактного взаимодействия многолез-
вийного породоразрушающего инструмента с гор-
ной породой и его влияние на силовые и энергети-
ческие характеристики процесса бурения (Mao,
Zhai, & Ding, 2012).
2. КОНТАКТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
ИНСТРУМЕНТА С ГОРНОЙ ПОРОДОЙ
Для установления влияния взаимного расположе-
ния режущих элементов на поверхности инструмента
на характер разрушения породы в процессе бурения
и износа резцов на перераспределение осевого уси-
лия между ними выполнено математическое модели-
рование контактного взаимодействия системы режу-
щих элементов бурового инструмента с горной поро-
дой. В силу изнашиваемости режущих элементов
задача носит нестационарный характер.
V. Krasnyk. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(3), 13-19
14
Контактное взаимодействие инструмента 1 с гор-
ной породой 2 (Рис. 1) можно охарактеризовать
рядом геометрических, механических и триботехни-
ческих параметров.
1
2
1
х
hi ji k
z
xij
j
х
y
2a
2б
Рисунок 1. Схема расчета контактного взаимодействия
резцового инструмента с горной породой
К числу геометрических параметров относятся:
r2 – диаметр скважины;
N – количество режущих элементов на рабочей
поверхности инструмента;
( )ηξ ,if – форма контактирующей поверхности
i-го резца в локальной системе координат;
ih – высота резца;
α2 и δ2 – его длина и ширина; ( )δα >> соот-
ветственно;
ix , iy – координаты i-го резца в системе коорди-
нат ( )yx, , связанной с вращающимся инструментом;
iα – угол поворота системы координат ( )ηξ , по
отношению к системе ( )yx, .
Будем считать известными следующие механиче-
ские параметры:
W – постоянная скорость вращения инструмента;
( )t – осевое усилие на инструмент, прикладываемое
к буровому инструменту и действующее вдоль оси Z .
Осевое усилие состоит из суммы вертикальных
сил вiP , действующих на соответствующие резцы
бурового инструмента и являющихся проекцией
нормальных усилий iP на ось бурового инструмента:
( ) ( )=
N
=i
ii costPtP
1
ϕ , (1)
где:
iϕ – угол наклона i-го резца к оси долота.
Механические характеристики породного массива
в приведенной выше модели характеризуются моду-
лем упругости E и коэффициентом Пуассона ν . При
взаимодействии с породой резцы рассматриваются
как жесткие тела, которые изнашиваются. Закон из-
нашивания резцов определяется на основе экспери-
ментов или может быть принят в виде степенной зави-
симости скорости изнашивания
dt
d i
*η
от давления на
резце ( )tpi и его линейной скорости скольжения iV :
βαη
ii
*
i VKp
dt
d = , (2)
где:
K и α – триботехнические характеристики па-
ры, определяемые экспериментально.
При рассмотрении условия контакта резца с
породой износ резца определяется в его центре
( ) ( )ttyx iii
** ,, ηη = . В этой же точке ( )ii yx , может
быть определено перемещение ( ) ( )ttyx Iii ==ηη ,,
границы полупространства за счет его деформации и
разрушения в виде соотношения:
( )( )iijjjii tfxvEpA ϕαη ,,,,,,,= ;
( )Nji ,...2,1, = , (3)
где:
iA – известный в конкретной задаче оператор.
Способ построения соотношения (3) приведен ниже.
Внедрение резца за оборот за счет разрушения
породы
iпорη определяется соотношением:
ii
i
i
порпор N
P
K
i
δ
αδ
η
β
2
4
= , (4)
где:
порK – коэффициент пропорциональности;
iδ2 – ширина площадки контакта резца с породой.
При 1=β :
a
NРK iіпор
пор
і
і 2
=η .
Присоединяя к соотношениям (3) и (4) условие
контакта резца с породой:
( ) ( ) ( ) ( ) iіпорii tCttt ϕηηη cos=++∗ , (5)
получим полную систему N4 уравнений для опреде-
ления неизвестных функций ( ) ( ) ( )ttt
іпорii ηηη ,+∗ ,
( )tpi при заданной подаче инструмента ( )tC . В слу-
чае заданного осевого усилия ( )tP для определения
подачи ( )tC к системе уравнений (3) – (5) следует
добавить условие равновесия:
( ) ( )=
N
i=
ii tPtP
1
cosϕ . (6)
Для построения соотношения (6) рассмотрим кон-
тактную задачу о взаимодействии системы буровых
резцов с горной породой.
V. Krasnyk. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(3), 13-19
15
Применяя обычный для теории множественного
контакта подход, будем считать, что упругие переме-
щения породы под резцом складываются из перемеще-
ний iW1 , обусловленных действием давления ip , и
дополнительных перемещений iW2 от действия сосре-
доточенных сил jP , действующих на остальные резцы
системы в точках с координатами ( )ii yx , ( )ji ≠ .
При допущении, что порода забоя может быть
представлена в виде изотропного упругого полупро-
странства, механические свойства которого описы-
ваются модулем упругости E и коэффициентом
Пуассона ν , выражение для перемещений ( )ξiW1
при выполнении условия αδ << , имеет вид:
( ) ( ) ( )ξp
b
a
gl
πE
ν
ξW ii
∗⋅−=
2
1
12
, (7)
где:
∗
ip – давление на единицу длины.
Дополнительные перемещения ( )ξiW2 границы
полупространства определяются на основании форму-
лы Буссинеска:
( ) ( )
( )
+−
−
=−=
N
j=
ijij
ijj
i
yεx
δP
πE
ν
ξW
1 22
2
2
11
, (8)
где:
ijδ – символ Кронекера,
=
≠
=
jiдля
jiдля
ij 1
0
δ ;
( ) ( )
( ) ( )
−−−=
−+−=
.cossin|
,sincos|
jiijiiij
jiijiiij
yyxxy
yyxxx
αα
αα
(9)
Из полученных соотношений и условий контакта
i-го резца с забоем:
( ) ( ) 121 ηξξ =+ ii WW , (10)
где:
1η – внедрение в упругое полупространство i-го
резца, следует выражение для давления ( )ξ∗
ip :
( ) ( ) −
⋅
−
=∗
δ
ηπξ
aν
E
p i
i
lg
12
( )
( )
⋅
+−
−
−
δ
ayεx
δPN
j=
ijij
ijj
lg
11
2
1
1 22
. (11)
После интегрирования (11) и последующих пре-
образований получим соотношение между внедрени-
ем 1η и действующими на резцы нагрузками iP ,
которое является аналогом соотношения (3):
( ) ×−
+=
N
j=
iijii qδ
δ
a
qη
1
1
lg2
1
( )
( ) 22
22
ln
ijijij
ijijij
yaxax
yaxax
+−+−
++++
× . (12)
Здесь
P
P
q ii
i
cos= ,
o
i
i η
ηη = ,
( )
=
δϕπ
η a
Ea
-νP
i
o lg
cos
1 2
,
где:
oη – внедрение в упругое полупространство рез-
ца, имеющего затупление по задней поверхности в
виде узкого прямоугольника со сторонами a2 и δ2
под действием силы P .
Как следует из соотношения (12) внедрение про-
извольного i-го резца зависит от распределения осе-
вого усилия P между всеми резцами. При заданной
общей нагрузке i
N
i
iPP ϕcos
1
=
=
соотношение (12)
служит для определения нагрузок iP , действующих
на каждый резец бурового инструмента.
Полученные выше уравнения были использова-
ны для исследования процесса изнашивания систе-
мы режущих элементов бурового инструмента.
Предполагалось, что область контакта отдельного
режущего элемента представляет собой узкий пря-
моугольник, имеющего в начальный момент време-
ни длину a2 и ширину δ2 . Примем во внимание
имеющее место при изнашивании резца соотноше-
ние, определяющее изменение ширины площадки
контакта ( )tiδ :
( ) ( )
+=
0
1
h
tH
t i
oi δδ , (13)
где:
( )tHi – линейный износ i-го резца.
Соотношение (13) непосредственно следует из
геометрических соображений, если моделировать
резец как прямую призму, в основании которой лежит
трапеция со сторонами 02δ , ( )tiδ2 и высотой ( )tHi
( 0h – расстояние от меньшего основания трапеции до
точки пересечения ее боковых сторон ( ))2Puc., .
2а
2б0
2б(t)
h
0
H
i
Рисунок 2. Схема для расчета износа режущего элемента
V. Krasnyk. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(3), 13-19
16
Скорость линейного износа i-го резца ( )tHi ,
согласно соотношению (2), определяется следующим
образом:
( ) ( )
( )
ββ
α
ω
δ i
i
i
i r
ta
tP
KtH
= . (14)
Здесь ( )tPi – нагрузка, действующая на i-й режу-
щий элемент в направлении, перпендикулярном по-
верхности трения (для упрощения расчетов предпо-
лагается, что нагрузка равномерно распределена по
площадке контакта), ( ) 21
iii yxr += – расстояние от
оси вращения до центра i-го резца.
Для расчета распределения нагрузок ( )tPi между
режущими элементами воспользуемся уравнениями
(12), которые в данном случае с учетом (5) примет вид:
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) × −⋅+=
⋅−
−
N
j=
iij
i
i
i
i
i qδ
tδ
a
q
tδ
a
ν
tH
tC
πEa
12
1
lg2
1
lg1
cosϕ
( )
( ) 22
22
ln
ijijij
ijijij
yax+ax
yax+ax
+−−
+++
× . (15)
Соотношения (12) – (15) совместно с условием
равновесия (5) представляют собой полную систему
уравнений для исследования контактного взаимодей-
ствия многолезвийного породоразрушающего ин-
струмента с горной породой и кинетики изнашивания
его режущих элементов.
В качестве примера рассмотрим процесс контакт-
ного взаимодействия с горной породой бурового ин-
струмента, состоящего из 4-х резцов ( ,90,60,30=ix
,мм120 2.0,0,0 0 === δα Iiy мм, 8=а мм, 5.0=iH ,
5,10 5 == − PK кН ). при линейном законе изнашива-
ния. На графиках (Рис. 3) показано изменение нагруз-
ки на резцы и их линейного износа как функции ради-
уса r в различные фиксированные моменты времени.
На графиках представлен начальный этап процес-
са износа, из которых видно, что за время порядка
нескольких секунд ( 1=t )c при данных значениях
параметров исходное распределение нагрузок, харак-
терное для статического внедрения системы резцов,
резко изменяется. В результате зависимость нагрузки
от радиуса принимает форму экспоненты, а износ
периферийных резцов резко возрастает.
Рассмотрение процесса износа при больших про-
межутках времени показывает, что перераспределе-
ние нагрузок между резцами на этом этапе процесса
практически не происходит, величина давления из-
меняется по мере роста площадок контакта, скорость
линейного износа несколько уменьшается.
Таким образом, хотя при заданной форме резца
стационарный в строгом смысле режим процесса
износа невозможен, наблюдается достаточно быст-
рый переход к установившемуся распределению
нагрузок между резцами.
(а)
20 40 60 80 100 120
10l
40l
20l
1.0
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
r
(б)
0 20 40 60 80 100 120
20l
10l
30l
40l
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
r
Рисунок 3. Изменение нагрузки на резцы и их линейного
износа как функции радиуса r в различные фик-
сированные моменты времени: (а) нагрузка на
резцы; (б) износ резцов
Влияние на ход процесса полной нагрузки и ско-
рости вращения в случае линейного закона изнаши-
вания резцов, а также изменение коэффициента изно-
са резца эквивалентно изменению масштаба времени.
Основной практический вывод, который следует
исходя из разработанной модели контактного взаи-
модействия многолезвийного породоразрушающего
инструмента с горной породой и кинетики изнаши-
вания его режущих элементов, заключается в практи-
ческих рекомендациях по созданию новых конструк-
ций породоразрушающего инструмента, в том числе,
для бурошнековых машин. Из полученных соотно-
шений и графиков следует, что максимальное давле-
ние maxP на породу оказывают центральные резцы
при 0=r . Поскольку в этом случае скорость резания
равна нулю, разрушение породы происходит не реза-
нием, а ее раздавливанием при достижении условия
сжP σ>max породы, что является причиной, вызы-
V. Krasnyk. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(3), 13-19
17
вающей резкое увеличение давления и напорного
усилия при разрушении породы у оси вращения.
Поэтому для снижения напорного усилия буровой
машины и, соответственно энергоемкости процесса
бурения центральные резцы должны быть макси-
мально удалены от оси вращения, образуя при этом
керн в центральной части забоя, который в дальней-
шем разрушается керноломателем. Оставшаяся часть
забоя должна поражаться периферийными резцами,
удаленными друг от друга на расчетное расстояние,
при котором происходит скалывание целиков
(Рис. 4). Это позволяет существенно (в 2 – 3 раза)
снизить энергоемкость процесса разрушения пород-
ного массива, что одновременно позволяет резко
уменьшить износ буровых резцов.
о 118
15 0
24
16 5.
80 2.
7 5.
59 5.
21 5.
200
162 5.
127 5.
104 5.
69 5.
2,0
15 5.16
5
8 5.
1516
118
15 5.15 5.
10
20
10
5
10
0
Рисунок 4. Схема разрушения забоя с образованием керна
При разработке данных конструкций бурового ин-
струмента важное значение приобретает правильный
выбор конструктивных параметров керноломающих
устройств, влияющих на величину усилия скалывания
керна и, следовательно, на величину его максимально
допустимого диаметра. Максимальный диаметр керна
кd с учетом возможности его выхода через керно-
приемник и последующей транспортировки лопастя-
ми бурового инструмента может быть определен как
половина разности между его наружным диаметром
D и внутренним диаметром центрального отверстия
внd за вычетом толщины S стенки корпуса долота
(Рис. 5): S
dD
d вн
к −
−
2
. Для исключения затирания
керна его диаметр должен быть меньше диаметра
внутреннего отверстия на 10 – 15 мм:
( )15...10+= квн dd . (16)
Отсюда находим:
3
)15...10(2 −− SD
dк .
Поскольку параметр S обычно составляет
10 –15 мм, то окончательно получим следующее выра-
жение для определения максимального размера керна:
S
D
dк −=
3
. (17)
В большинстве случаев диаметр разрушаемого
керна принимается значительно меньше максимально-
го в зависимости от физико-механических свойств
разрушаемой породы, высоты вылета керна L , угла
наклона керноломателя α , величины напорного уси-
лия P и крутящего момента крМ , обеспечиваемых
технологическими возможностями буровой машины.
Экспериментально установлено, что оптимальный угол
наклона керноломателя должен составлять 55 – 60º.
V. Krasnyk. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(3), 13-19
18
D
S
dв
dк
dк
Рисунок 5. Схема для расчета максимального диаметра
керна
В результате выполненных исследований были
созданы новые исполнительные органы диаметром
650 мм и 750 мм (Рис. 6) для бурошнековой машины
БШК-2ДМ производства завода “Буран”, которые
включают три бура различной длины, два из которых
вращаются по часовой стрелке, а третий – в противо-
положном направлении.
Рисунок 6. Конструкция исполнительного органа буро-
шнековой машины БШК-2ДМ
Буры оснащаются породоразрушающими резца-
ми, линии резания которых формируют в угольном
пласте целики шириной 40 – 45 мм, а в центральной
части образуется керн диаметром 120 мм. Это сни-
жает энергоемкость разрушения угля и позволяет за
счет формирования керна в центральной части забоя
исключить увод шнеков при бурении скважин
длиной до 100 м.
Производственные испытания бурошнековой ма-
шины БШК-2Д с созданными исполнительными ор-
ганами проведенные на шахте “Моспинская” и шах-
тах КНР показали, что применение нового инстру-
мента позволяет исключить увод шнеков, уменьшить
энергоемкость процесса бурения, увеличить скорость
бурения, снизить нагрузки на главный привод и по-
высить сортность добываемого угля.
3. ВЫВОДЫ
Одним из перспективных направлений добычи
угля из тонких угольных пластов является использо-
вание бурошнековых технологий, широкое примене-
ние которых ограничивается, прежде всего, низким
уровнем производительности, уводом исполнитель-
ных органов бурошнековых машин, высокой энерго-
емкостью разрушения и др. Данные недостатки мо-
гут быть устранены путем создания новых кон-
струкций исполнительных органов бурошнековых
комплексов, которые учитывают особенности кон-
тактного взаимодействия многолезвийного породо-
разрушающего инструмента с горной породой и его
влияние на силовые и энергетические характеристи-
ки процесса бурения.
Основываясь на результатах выполненных анали-
тических и экспериментальных исследований, был
разработан ряд оригинальных конструкций бурового
инструмента, в которых для снижения напорного
усилия буровой машины и, соответственно, энерго-
емкости процесса бурения центральные резцы мак-
симально удалены от оси вращения, образуя при
этом керн в центральной части забоя, который
в дальнейшем разрушается керноломателем. Остав-
шаяся часть забоя поражается периферийными рез-
цами, удаленными друг от друга на расчетное рас-
стояние, при котором происходит скалывание цели-
ков. Это позволяет существенно (в 2 – 3 раза) сни-
зить энергоемкость процесса разрушения породного
массива и одновременно резко уменьшить износ
буровых резцов.
Производственные испытания бурошнековой
машины БШК-2Д с созданными исполнительными
органами показали высокую эффективность создан-
ного инструмента и перспективность применения
бурошнековой выемки угля при отработке тонких
пластов.
БЛАГОДАРНОСТЬ
Автор выражает благодарность сотрудникам
Института сверхтвердых материалов Национальной
академии наук Украины И.А. Свешникову, Л.Н. Ви-
ровцу, А.Н. Степанцу, принимавших участие в раз-
работке созданного инструмента. Результаты статьи
были получены без финансовой поддержки какого-
либо фонда или проекта.
REFERENCES
Dychkovskiy, R., & Bondarenko, V. (2006). Methods of
Extraction of Thin and Rather Thin Coal Seams in the
Works of the Scientists of the Underground Mining Faculty
(National Mining University). In International Mining
Forum 2006: New Technological Solutions in Underground
Mining, (pp. 21-25). Cracow: Taylor & Francis.
http://dx.doi.org/10.1201/noe0415401173.ch3
Griadushchiy, Y., Korz, P., Koval, O., Bondarenko, V., &
Dychkovskiy, R. (2007). Advanced Experience and Direc-
tion of Mining of Thin Coal Seams in Ukraine. In Interna-
tional Mining Forum 2007: Technical, Technological and
Economical Aspects of Thin-Seams Coal Mining, (pp. 2-7).
Cracow: Taylor & Francis.
http://dx.doi.org/10.1201/noe0415436700.ch1
V. Krasnyk. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(3), 13-19
19
Kovalevska, I. (2006). Minimizing Coal Losses When Extract-
ing Thin Coal Seams with the Use of Auger Mining Tech-
nologies. In International Mining Forum 2006: New Tech-
nological Solutions in Underground Mining, (pp. 27-34).
Cracow: Taylor & Francis
http://dx.doi.org/10.1201/noe0415401173.ch4
Mao, P.H., Zhai, B., & Ding, L. (2012). Coal Mine Under-
ground Horizontal Extension Transfer Machine. Advanced
Materials Research, (591-593), 464-467.
http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.591-593.464
Pavlenko, I., Salli, V., Bondarenko, V., Dychkovskiy, R., &
Piwniak, G. (2007). Limits to Economic Viability of
Extraction of Thin Coal Seams in Ukraine. In International
Mining Forum 2007: Technical, Technological and Eco-
nomical Aspects of Thin-Seams Coal Mining, (pp. 129-132).
Cracow: Taylor & Francis.
http://dx.doi.org/10.1201/noe0415436700.ch16
ABSTRACT (IN RUSSIAN)
Цель. Необходимость применения новых технологий и техники для эффективной разработки тонких уголь-
ных пластов.
Методика. Математическое и экспериментальное моделирование процесса контактного взаимодействия
многолезвийного породоразрушающего инструмента с горной породой.
Результаты. Разработана математическая модель контактного взаимодействия многолезвийного породораз-
рушающего инструмента с горной породой и кинетики изнашивания его режущих элементов. Основываясь на
результатах выполненных аналитических и экспериментальных исследований, был создан ряд оригинальных
конструкций бурового инструмента, учитывающих особенности распределения нагрузки на его породоразру-
шающие элементы в процессе работы, что позволило создать новые конструкции инструмента, в том числе для
бурошнековых машин.
Научная новизна. Создана математическая модель контактного взаимодействия многолезвийного породо-
разрушающего инструмента с горной породой и кинетики изнашивания его режущих элементов.
Практическая значимость. Для бурошнековой машины БШК-2ДМ производства завода “Буран” разрабо-
таны оригинальные исполнительные органы диаметром 650 и 750 мм, которые обеспечивают снижение энерго-
емкости процесса бурения, снижение нагрузки на главный привод, увеличение скорости бурения, а также
повышение сортности добываемого угля.
Ключевые слова: контактное взаимодействие, горная порода, бурошнековая выемка угля, математическое
моделирование
ABSTRACT (IN UKRAINIAN)
Мета. Необхідність застосування нових технологій та техніки для ефективної розробки тонких вугільних
пластів.
Методика. Математичне та експериментальне моделювання процесу контактної взаємодії багатолезвійного
породоруйнуючого інструменту з гірською породою.
Результати. Розроблено математичну модель контактної взаємодії багатолезвійного породоруйнуючого
інструменту з гірською породою та кінетики зношування його ріжучих елементів. На підставі виконаних аналі-
тичних і експериментальних досліджень було створено ряд оригінальних конструкцій бурового інструменту,
які враховують особливості розподілу навантаження на його породоруйнуючі елементи в процесі роботи, що
дозволило створити нові конструкції інструменту, в тому числі для бурошнекових машин.
Наукова новизна. Створено математичну модель контактної взаємодії багатолезвійного породоруйнуючого
інструменту з гірською породою й кінетики зношування його ріжучих елементів.
Практична значимість. Для бурошнекової машини БШК-2ДМ виробництва заводу “Буран” розроблені
оригінальні виконавчі органи діаметром 650 і 750 мм, які забезпечують зниження енергоємності процесу бурін-
ня, зниження навантаження на головний привід, збільшення швидкості буріння, а також підвищення сортності
вугілля, що видобувається.
Ключові слова: контактна взаємодія, гірська порода, бурошнекове виймання вугілля, математичне моде-
лювання
ARTICLE INFO
Received: 28 April 2016
Accepted: 30 June 2016
Available online: 30 September 2016
ABOUT AUTHOR
Viacheslav Krasnyk, Doctor of Technical Sciences, Professor, General Director of SE “Science and Technical Center
“Coalinnovation”, 46 Paladina Ave., 2, 03164, Kyiv, Ukraine, E-mail: vgkrasnik@ukr.net
|