XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Введение

Программы семейства Adams используются для разработки и совершенствования конструкций.

Характерной особенностью пакета является простота обращения. И возможности быстро построения изделия строя на базе геометрических примитивовAdams, или импортируемых из CAD-систем. Это позволяет добиться близости её свойств к характеристикам реальной машины.

Поэтому, используя Adams, можно получить представление о работе разрабатываемого машины, улучшая ее функционирование. Adams позволяет исследовать многие варианты конструкции, выбирая лучший.

В данном случае рассматривается секция механизированной крепи для лав или короткозабойной выемки

1 Механизмы крепи

Крепь — машина для предотвращения возможности обрушения окружающих горных пород в горных выработках (очистных забоях). Конструкция крепи зависит от мощности вынимаемого пласта и характера горного давления.

По роду выработок подразделяются на крепи длинных лав и для коротких забоев в т.ч. и камер.

2 Методы расчета крепей

При расчётах каких-либо конструкций на прочность можно выделить несколько этапов:

· Первым этапом всегда являются определения возможных нагрузок.

· Второй этап - вычисления напряжений в отдельных элементах конструкций.

· Третий этап - сравнение величин возможных напряжений с предельными деформационно-прочностными параметрами материала конструкций.

· Четвёртый этап – подбор размеров элементов конструкций таким образом, чтобы был обеспечен определённый запас в соотношениях действующих напряжений и прочностных характеристик материала конструкций.

В конкретных методах расчёта часто эти этапы совмещаются или представляются в неявном виде, но, так или иначе, они всегда присутствуют и могут быть выделены.

3 Программные средства для их проектирования, моделирования и расчета

САПР (англ. CAD, Computer-Aided Design) – программный пакет, предназначенный для разработки (проектирования) технических объектов и оформления технологической и/или конструкторской документации

В составе многофункциональных систем САПР, как правило, выделяют три составляющие: CAD, САМ, САЕ. Модули блока CAD (Computer Aided Designed) в основном используются для выполнения графических работ, модули САМ (Computer Aided Manufacturing) – для решения задач по технологической подготовке производства, модули САЕ (Computer Aided Engineering) – для инженерных расчетов, анализа и проверки проектных решений.

В наши дни все крупные научно-исследовательские и проектные институты, производственные предприятия и инжиниринговые фирмы в своей работе применяют компьютерные системы технологического моделирования (CAM/CAE-системы), сменившие программы расчета технологических процессов. CAM/CAE-системы представляют собой «программные конструкторы», позволяющие достаточно быстро «собирать» практически любые процессы и технологические схемы, выполнять многовариантные расчеты технологических режимов функционирования, материальных и тепловых балансов, основных показателей качества сырья и продукции. Наиболее «продвинутые» системы технологического моделирования могут создавать системы и отдельные контуры автоматического регулирования и управления технологическими параметрами, выполнять расчеты технологических параметров и их влияние на выбранные показатели качества процесса и решать оптимизационные задачи. Более того, ряд систем позволяют работать не только со схемами установок, но и цехов, заводов и даже предприятий. Область применения CAM/CAE-систем – подробный анализ состояния технологии и выявление недостающей информации, необходимой для действующих производств, выработка технических решений по оптимальному проектированию новых и модернизации действующих производств, обоснование перспективных и текущих планов переработки сырья и т.д. Таким образом, системы технологического моделирования остро необходимы в научно-исследовательских и проектных институтах и на предприятиях.

Применение технологического моделирования также очень эффективно при поиске решений по реконструкции производства и модернизации технологии. Как правило, в ходе эксплуатации предприятий время от времени возникает необходимость реконструкции некоторых технологических установок, их обвязки с предварительной проработкой альтернатив технических решений. С помощью технологических моделей объектов, действующих на предприятии, эта задача может решаться достаточно квалифицированно и с минимумом ошибок. Это объясняется тем, что расчетный анализ моделей в итоге позволяет отбросить все нерациональные варианты, уточнить концепции реконструкции, определить все приемлемые решения с минимумом затрат времени и сил. И, наконец, очень полезны технологические модели для анализа состояния технологии, а также обоснования перспективных и текущих планов.

Для профессионального использования моделирования необходима разработка технологических моделей, адекватных реальным объектам и явлениям. Для этого модели предварительно настраивают с использованием результатов исследований потоков и параметров внутреннего состояния моделируемого объекта так, чтобы в процессе вычислительного эксперимента воспроизвести с высокой степенью точности количественные и качественные характеристики продукции, режимные параметры процесса. Основными параметрами для настройки моделей выбирают составы потоков, так как они более чувствительны к отклонениям моделей от реальных характеристик процессов. Качество проектирования и расчета новых технологических объектов зависит во многом от точности имеющейся информации о составе сырья. При этом модели разрабатываемых объектов необходимо настраивать на основании данных об эксплуатации аналогичных действующих объектов.

В настоящее время лидерами на рынке моделирующих систем являются продукты трех компаний – Hyprotech, Aspen Technologies и Simulation Sciences (SimSci).

4 Моделирование, расчет и результат

Горное давление – это силы (напряжения), возникающие в массиве пород, окружающих горную выработку. Проявляется: в виде прогиба кровли, вспучивания почвы, растрескивания, сдвижения, деформации и разрушения пород вокруг выработки, раздавливание и отжиме целиков угля, увеличения нагрузки на крепь, внезапных выбросах угля и газа, горных ударов и пр.
Горное давление зависит от глубины расположения выработки, физико – механических свойств горных пород (трещиноватости, крепости, управляемости, обрушаемости и тд.), мощности и угла залегания пластов, размера поперечного сечения выработки, способов выемки угля, механической характеристики крепи и многих других параметров.
Эффективность и безопасность горных работ в значительной степени зависят от характера проявления горного давления и от умения управлять им.
Управление горным давлением (кровлей) – совокупность мероприятий по регулированию проявлений горного давления в призабойном пространстве очистной выработки и прилегающих к ней подготовительных выработок с целью обеспечения безопасности работ и необходимых производственных условий.

Для камерных систем считаем соответсвующей методику расчет а давления пород на основе свода д естественного равновесия. Свод своими пятами опирается на массив по бокам выработки. При недостаточной прочности боковых пород происходит сползание призм породы шириной т, которые оказывают на крепь боковое давление. При этом полупролет свода естественного равновесия будет больше полупролета выработки на ширину сползающих призм.

 

Наибольшее распространение получила гипотеза свода, развитая в работах проф. М. М. Протодьяконова. По этой гипотезе при проведении горизонтальной выработки существовавшие до того в породах напряжения перераспределяются, взаимно уравновешиваясь по некоторой сводчатой линии. М. М. Протодьяконов указал, что кривая свода естественного равновесия близка к параболе (рис.1), высота которой или высота свода (м)

b = а/f (1)

где а -- полупролет выработки, м;

f -- коэффициент крепости пород.

Порода внутри этого свода оказывается неуравновешенной и давит на крепь. Величина давления на крепь определяется весом породы.

Свод естественного равновесия своими пятами опирается на массив по бокам выработки. При недостаточной прочности боковых пород происходит сползание призм породы шириной, которые оказывают на крепь боковое давление. При этом полупролет свода естественного равновесия будет больше полупролета выработки на ширину сползающих призм.

При наличии в почве выработки глин и некоторых глинистых сланцев происходит их выдавливание внутрь выработки. Это явление носит название пучения пород, которое усиливается при набухании пород в присутствии влаги. Для предотвращения деформации выработки, пройденной в таких породах, крепь необходимо устанавливать по всему периметру выработки.

Достаточно точный теоретически обоснованный метод определения величины горного давления на крепь вертикальных стволов до настоящего времени еще не разработан. Проф. М. М. Протодьяконов предлагал определять величину давления на стенки ствола от веса сползающих пород вокруг него под углом естественного откоса с образованием воронки (перевернутого конуса). Механические напряжения в породах вокруг выработок возрастают с глубиной их расположения, т.е. увеличивается напряженное состояние породного массива. В результате на глубине 300--600 м иногда наблюдаются так называемые динамические проявления горного давления в виде стреляния пород, толчков и горных ударов. Стреляние проявляется в отскакивании от напряженного массива отдельных кусков породы, сопровождающемся резким звуком. Толчок или горный удар внутреннего действия -- это разрушение пород в глубине массива без выброса их в выработку. Внешние его проявления -- резкий звук, сотрясение массива, осыпание породы с поверхности выработки, а при сильных толчках воздушная волна. Горный удар представляет собой быстро протекающее разрушение горных пород, проявляющееся в виде их выброса в выработки с нарушением крепи, смещением оборудования и сопровождающееся резким звуком, образованием пыли, воздушной волной и сотрясением массива горных пород.

Самопроизвольные массовые сдвижения пород представляют опасность при ведении подземных работ. За движением, оседанием и обрушением горных пород под влиянием пройденных в них выработок ведут постоянные маркшейдерские наблюдения.

Секции крепи обычно с механизмом четырехзвенника для паралелльного смешения козырька относительно забоя поддерживает эту породу и возможна ситуация, когда распор крепи с учетом расширения пород от хаотического обрушения позволяет сжимать эти породы и поддерживать свод обрушения уменьшая его внезапные смещения. Для расчета этого процесса смоделируем в Adams секцию крепи и рассмотрим её смешение от горного давления. При этом максимальные нагрузки будут определяться несущей способностью гидростоек.

Решение задачи:

1.Создаем новую модель

Рисунок 4.1

Рисунок 4.2

2. Создаем пластину перекрытия через команду Bodies – Solids – Link

Рисунок 4.3

Рисунок 4.4

3. Справа от пластины перекрытия продолжаем строить верхнюю часть перекрытия через ту же команду

Рисунок 4.5

Рисунок 4.6

4. Дальше строим завальный щит левее от перекрытия под небольшим углом

Рисунок 4.7

Рисунок 4.8

5. Затем строим Лемнискатный механизм (Четырехзвенник Чебышева)

Рисунок 4.9

Рисунок 4.10

6. Потом строим заземленную напольную балку (onground)

Рисунок 4.11

Рисунок 4.12

7. Теперь везде в концах соединения двух прилежащих деталей закрепляем данные детали шарнирами через команду Connectors – Joints–CreateaRevoluteJoint

Рисунок 4.13

8. Производим симуляцию движения крепи через команду Simulation – Simulate–Simulationcontrol. И удостоверимся, что крепь работает исправно

Рисунок 4.14

Рисунок 4.15

9. Теперь строим телескопически раздвигающийся гидравлический цилиндр, состоящую из цилиндра и штока. Используя команду Bodies – Solids–Cylinder. СоединяемихспомощьюцилиндрическогоузлаConnectors – Joints – CreateaCylindricalJoint

Рисунок 4.16

Рисунок 4.17

Рисунок 4.18

10. Производим симуляцию движения цилиндра и крепи через команду Simulation – Simulate–Simulationcontrol. И удостоверимся, что цилиндр работает исправно

Рисунок 4.19

11. ДобавляемсилукомандойForces – Applied Forces – Create a Force (single component) – Run time direction: two bodies. И производим симуляцию, чтобы удостовериться, что свойство two bodies установлено

Рисунок 4.20

Рисунок 4.21

Рисунок 4.22

Получив модели можно задать нагрузку на гидростойки, равную сопротивлению, а по перекрытию нагрузку от горного давления, выбирая ее таковой , что бы скорость смешения см рис. 4.23 и далее была равной естественной. Тогда нагрузки в шарнирах крепи позволят произвести её прочностной расчет

12. Строим графики нагрузки по осям x, y, z для шарниров 19 и 20, которые соединяют детали Лемнискатного механизма. Simulation – Run Interactive Simulation – Plotting – Constraint – Joint 19/20 - FX, FY, FZ – Add Curves

Рисунок 4.23

Рисунок 4.24

13. Строим графики нагрузки по осям x, y, z для шарнира 18, который соединяет детали гидростойки. Simulation – Run Interactive Simulation – Plotting – Constraint – Joint 18 - FX, FY, FZ – Add Curves

Рисунок 4.25

Заключение

В рамках данной задачи мы выявили, что можно получить исправную, работоспособную крепь. Наши методические приемы моделирования металлоконструкции и силовых гидроцилиндров, а также приемы нагружения перекрытия и козырька крепи оказались работоспособными, Длительные исследования при различных нагрузках на цилиндры и задание их упругих свойст позволяют выявить особенности нагружения крепей и перейти к проектированию новыв конструкций. Эта рассмотренная секция крепи стандартная для условий Карагандинского бассейна, но владея методами автопроектирования и расчета таких секций можно наладить выпуск металоконструкции её отдельных элементов на местных заводах, например, на заводе ТОО ArcelorMittalКурылыс Мет. Для чего это необходимо? Например, традиционное основание секции крепи тонет в слабой почве и следует реализовать методы для увеличения его площади, т.е. заново спроектировать основание секции. Выявлена и необходимость крепи с выемочными функциями. Анализ и моделирование, проведенные на СНФ 2019 показал, что в секцию можно встроить, через отверстие в перекрытие, мобильный струговый орган с приводом от силовых гидроцилиндров при выдвижении, которого разрушается и выпускается верхняя пачка угля, зависающая над крепью. Поэтому на основе такой конструкции станет возможным вынимать 5-метровые пласты. Модели на ADAMS, созданные для такой конструкции показали, что ее вес будет легче на 30% чем вес обычных увеличенных секции с комбайном, спроектированным для 5метровых пластов, рис. 3.16, 3.17. При этом секция крепи получит и новые функции, которые обеспечат поддержание кровли на двух уровнях: на линии 3.5 метра и линии 5 – 5.5 метров, такая схема поддержания более эффективная. Поэтому разработка мощных пластов улучшится. Ранее такое моделирование было не возможно, но теперь получены многие силовые и геометрические параметры, которые подтверждают, что новое оборудование совместимо с имеющимся и гидро струг встраивается в схему крепи, причем его гидравлика будет использована и для улучшения управления кровлей. Заметим, что студенты КарГТУ встречались с разработчиками крепей из КНР и те проекты которые предлагались в Китае выполнялись и ранее В КарГТУ при меньших затратах металла.

Список литературы

Бейсембаев К.М.: Методическое указание по выполнению курсовогопроекта

Бейсембаев К.М., Дёмин В.Ф., Жетесов С.С., Малыбаев Н.С., ШмановМ.Н.: Практические и исследовательские аспекты разработки горных машин в 3d монография. Караганда, 2012, изд-во КарГТУ, 135с.

Кудинов В.А., Карташов Э.М. Гидравлика/Москва, «Высшая школа»,2007, 199с.

Храмов А.С.: Разработка элементов крепи для мощных угольныхпластов, 2018, научная студенческая работа РАЕ.

Поляков К.А. Создание виртуальных моделей в пакете прикладныхпрограмм ADAMS, учебное пособие, Самара 2003, электронный вариант 6. Хорин В.Н., Мамонтов С.В., Каштанова В.Я. Гидравлические системы механизированных крепей. – М.: Недра, 1971. – 288с.

Жетесова Г.С. Анализ разрушений и деформаций элементовконструкций механизированных крепей // Труды университета. Выпуск 1. – Караганда: Изд-во КарГТУ, 2012, - С. 9 – 11.

Бейсембаев К.М., Жетесов С.С. Практические аспекты разработки про-мышленных информационных систем. Караганда, 2010, изд-во КарГТУ, 207с.

Поляков К.А. Создание виртуальных моделей в пакете прикладных программ ADAMS , учебное пособие, Самара 2003, электронный вариант

Basic ADAMS/Full Simulation (ADM 701)/ -М: Московское представительство MSC.Software GmbH, 2005 – 754. с.

Мелентьев В.С., Гвоздев А.С. ADAMSView, краткий справочник пользователя: Учебное пособие. – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. унта, 2006. – 105 с.

Код для цитирования: Скопировать