ГОРНАЯ МЕХАНИКА И МАШИНОСТРОЕНИЕ № 4, 2011, 35-43 МАШИНОСТРОЕНИЕ УДК 622.016.25(622.271.323.013(045)) АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА Часть 1. Структура комплекса и формирование расчетных зависимостей Казаченко Г.В., Цыбуленко П.В.(УО «Белорусский национальный технический университет», г. Минск, Беларусь), Желтов И.Г., Елизаров Д.П. (СУ-173 треста № 15 «Спецстрой», г. Минск, Беларусь) Приводятся технические параметры тоннелепроходческого комплекса компа­ нии «Herrenknecht», который использован для прокладки коллектора «Центр» в г. Минске. Анализ работы комплекса базируется на оценках энергоемкости рабо­ чего процесса, которые основаны на принятых в настоящее время методах рас­ чета затрат энергии на разрушение породы и ее транспортирование, а также на продвижение комплекса по трассе. С другой стороны, оценки производятся на основе данных о работе комплекса, регистрируемых в бортовом компьютере. Введение Проходка подземных горных выработок большой протяженности (метро, тоннели, штреісй и т.д.) - один из наиболее сложных технологических процессов подземного строи­ тельства. Этот процесс может осуществляться различными способами. Одна из самых производительных и надежных технологий реализуется оборудованием фирмы «Herrenknecht», которая производит тоннелепроходческие комплексы, работающие в са­ мых различных горно-геологических условиях. Для прокладки коллектора «Центр» в г. Минске используется тоннелепроходческий комплекс на базе проходческой машины М-1166М. Горно-геологические и гидрологиче­ ские условия, свойства грунтов по трассе коллектора оказывают влияние на величину на­ грузок, действующих на элементы комплекса, кинематику его передвижения и, в конечном счете, на производительность. Специфические условия разработки горных пород рабочими элементами комплекса с гидродинамическим креплением забоя и гидротранспортом разрабо­ танной породы требуют учитывать не только сопрогивляемость пород механическому разру­ шению режущими элементами тоннелепроходческой машины, но также энергетику дробле­ ния крупных кусков породы, транспортирования гидросмеси и вьщелегшя частиц породы из гидросмеси. Не менее важное значение имеет задача определения сопротивления подаче тон­ нелепроходческой машины и продвижения комплекта железобетонных колец. Предлагаемое исследование направлено на решение отмеченных задач и обосно­ вание методики расчетов по определению силовых и кинематических параметров работы тоннелепроходческих комплексов на базе тоннелепроходческой машины М-1166М. Структура и основные технические данные комплекса Проходческое оборудование компании «Herrenknecht» составляет оенову всего тоннелепроходчеекого комплекса. В состав комплекса входят: тоннелепроходческая машина; основная и промежуточные домкратные етанции; линии гидротранспорта вы­ нимаемых пород и подачи жидкости в призабойное пространетво; сепарирующая уста­ новка; комплект железобетонных колец; крановое оборудование; стартовая и приемная шахты; энергетическая станция; система управления; комплект контейнеров техниче­ ского и социального обеспечения (рисунок 1). А о■о X >. m X > X S >. 5 ГЧ> о ГОРНАЯ М ЕХ А Н И К А и м аш иностроение N2 4, 2011 UJo^ >U) >лm д о со I - тоннелепроходческая машина; 2 - железобетонные кольца; 3 - основная домкратная станция; 4 - промежуточная домкратная станция; 5 - бентонитовая станция; 6 - сепарирующая установка; 7 - операционный контейнер; 8 - стартовая шахта; 9 - приемная шахта Рисунок 1 - Принципиальная схема комплекса АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОГО ... 37 Тоннелепроходческий комплекс собирается на стартовой шахте, из которой обычно прокладываются два участка тоннеля до приемных шахт, расположенных на трассе коллектора впереди и сзади стартовой шахты. Прокладка каждого участка тон­ неля начинается с установки в стартовой шахте основной домкратной станции и тонне­ лепроходческой машины. После включения комплекса машина подается на забой цилиндрами основной домкратной станции и производится проходка участка равного по длине ходу цилиндров станции, которые после этого выводятся в исходное положение. На раму домкратной станции устанавливается железобетонное кольцо, наращиваются системы гидротранс­ порта, комплекс опять включается и осуществляется проходка отрезка тоннеля равного длине кольца. Таким образом, циклы проходки отрезков тоннеля повторяются. Набор железобетонных колец и составляет участок коллектора между двумя смежными по трассе шахтами. При проходке длинных участков и недостаточности усилия основной домкратной станции для продвижения тоннеля можно использовать промежуточные домкратные станции и проталкивать комплект железобетонных колец по частям. Обес­ печение требуемого направления проходки коллектора осуществляется специальной сис­ темой навигации. Удаление разрабатываемой породы выполняется гидротраиспортной системой, содержащей линии транспорта породы, подачи воды в призабойное проегранст- во и сепарирующую установку. В призабойном пространстве порода смещивается с пото­ ком жидкости. Образовавшаяся гидросмесь по транспортной линии подается в сепари­ рующую установку, где происходит отделение частиц породы от воды. Очищенная от частиц породы вода по линии питания поступает обратно в призабойное пространство. Порода, вьщеленная из смеси, складируется и наземным транспортом вьтозится для ути­ лизации или вторичного использования. Для снижения трения между стенками тоннеля и окружающими породами в зазор между наружной поверхностью железобетонных колец и внутренней поверхностью русла тоннеля закачивается раствор бентонита, который го­ товится на бентонитовой станции и используется также для повьппения плотности пото­ ка жидкости. Управление работой тоннелепроходческой машины и всеми системами и устройствами, обеспечивающими ее продвижение по трассе тоннеля, осуществляется с пульта управления, расположенного в операционном контейнере. Основные характеристики оборудования тоннелепроходческого комплекса при­ ведены в таблице 1. Таблица 1 - Основные технические данные комплекса 0-V X > гп X > 1 з: > № п/п Наименования показателя Значение Единица измерения 1 Тоннелепроходческая машина 1.1 Диаметр машины 3025 мм 1.2 Мощность привода режущего ротора 315 кВт 1.3 Частота вращения 0-2,5; 0-6,9 об/мин 2 Главная домкратная станция 2.1 Ход цилиндров станции 4000 мм 2.2 Максимальное общее усилие 21000 кН 3 Промежуточная домкратная станция 3.1 Максимальное усилие станции 1020 кН 3.2 Ход цилиндров 350 мм Система транспортирования гидросмеси 4.1 Количество насосов 2 ш 4 4.2 Мощность привода основного насоса 160 кВт 4.3 Номинальная производительность 300 м^/ч 4.4 Напор 60 м S>. Е I О н-D0 гп1 m Z ю го О I 38 КАЗАЧЕНКО Г.В. и др. При разработке математической модели рабочего процесса тоннелепроходческо­ го комплекса целесообразно пользоваться балансовыми соотношениями с применением имеющегося статистического материала и результатов наблюдений за его работой. В качестве исходных балансовых соотношений рационально выбрать соотношения энер­ гетические и материальные. Для составления балансовых соотношений энергетическо­ го характера определим затраты мощности на работу основных механизмов комплекса. Мощность для привода режущей головки в стационарном режиме состоит из двух составляющих: мощности для разрушения забоя и мощности на дробление отби­ той породы. Первую составляющую будем определять наиболее распространенной за­ висимостью (рисунок 2) [1]: N ,= \e^ dQ = e,\\dS Э,, ( 1 ) где Ср - средние удельные затраты мощности; Q - объемная производительность; S - площадь поперечного сечения выработки; i9„ - скорость подачи режущей головки на забой. Так как режущая головка представляет собой комбинированный инструмент с различными типами режущих элементов, которые к тому же работают в породах с раз­ личным сопротивлением резанию, то интеграл (1) можно представить суммой: оCVI 0|z I Vj01 S34 $ п т (2) J О где - удельные затраты мощности (удельное сопротивление резанию) при разруше­ нии режущими элементами ;-го типа части забоя со свойствами 7-го типа; / = 1, п - индекс режущего элемента; 7 = 1, т - индекс части забоя, отличающийся прочностью; dQ ^ = dSj ■ i9„ - дифференциал производительности по породе 7-типа. Формула (2) указывает, что является случайной величиной в силу малой ве­ роятности проходки участка с постоянными по сечению свойствами разрабатываемой породы. Совмещение в тоннелепроходческой машине режущей головки с дробилкой, а также наличие в забойной камере гидросмеси породы с жидкостью требует учета за­ трат энергии на дробление породы и ее перемешивание. Мощность на выполнение этих операций обозначим через и представим также в виде зависимости от производительности: (3) где Сд, - удельные затраты энергии на перемешивание материала в забойной камере и дробление крупных включений. АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОГО ... 39 А 1 - резец ковшовый; 2 - резец наружный; 3 - резец торцевой; 4 - шарошка Рисунок 2 - Режущая головка Зная значение и , можно определить максимальную скорость подачи режущей головки на забой из уравнения баланса мощности ротора, т.е. возможную по мощности привода режущей головки скорость подачи. Запишем уравнение баланса мощности привода режущей головки: где т] - КПД привода ротора; - общие затраты мощности на привод ротора; Л^д - мощность двигателя привода ротора. Тогда: — ■ V V (4) (5) 0 1 > 5гп X > X XX > S>Ез: XоCiн■D О гп XX m Zio rv>о Анализ теоретических и экспериментальных данных показывает, что удельные затраты и е мощности зависят от скорости подачи. Для определения зависимо- у 40 КАЗАЧЕНКО Г.В. и др. сти бр от і9р воспользуемся формулой вычисления сопротивления резанию [1, 2], при­ меняемой для оценки энергозатрат проходческих комбайнов: бр = , (6) где h - толщина стружки, снимаемая режущими элементами ротора; параметры, определяемые экспериментально. Для режущих элементов ротора толщина стружки: с, и Cj (7) где Z, - число резцов в линии резания соответствующего режущего элемента ротора; i - индекс режущего элемента; Юр - угловая скорость ротора. Для оценки энергозатрат на вращение ротора в призабойном пространстве, как затрат на его движение в вязко-пластичной среде применим методику [4], согласно ко­ торой эта составляющая мощности вычисляется по формуле: Л' ,=г-Юр-5р, ( 8) оtM где г - напряжение трения между гидросмесью и элементами режущей части; - статический момент площади соприкосновения гидросмеси с ротором относи­ тельно оси вращения: шS Xшоо.ł-ио XX 3< X < Xш $ «X Iа. О Ł г V 3 sin от (9) где а - половина угла конусности ротора; (р - коэффициент, учитывающий степень заполнения рабочего пространства гид­ росмесью; г,, 2^ - меньщий и больший радиусы корпуса дробильной камеры. Мощность на дробление крзоіных и прочных кусков породы будем определять по зависимости: ( 10) где бдр -удельные затраты мощности на дробление; Одр -^jvp’Q - производительность мащины по кускам породы, требующим дробле­ ния; Лдр- коэффициент, учитывающий наличие крупных, прочных включений в разра­ батываемой породе. АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОГО... 41 Удельные затраты энергии на дробление зависят от прочностных характеристик крупных включений, их размеров и формы, а также конструктивных параметров дро­ билки, определяющих степень дробления. Их величина определяется чаще всего экспе­ риментально или по эмпирическим зависимостям. Например, по формуле [3]: др (П ) где Е - параметр прочности; - масштабный фактор; i - степень измельчения; - начальный эквивалентный диаметр кусков. Мощность на перемещение подвижных частей комплекса реализуется на цилинд­ рах основной или промежуточной домкратных станциях. Сила сопротивления продви­ жению подвижной части комплекса является суммой сил сопротивления подаче режу­ щей головки, трения между движущейся частью и стенками тоннеля, силы инерции при трогании, а также силы давления гидропригруза забоя, если таковой осуществляется. Силу сопротивления подаче примем в первом приближении пропорциональной силе резания. Так как эти силы распределены по всей поверхности забоя, то их равно­ действующая [4]: \ e - d S - 3 - y l l ( 12) А где - коэффициент пропорциональности между силами сопротивления резанию и сопротивления подаче. Если в первом приближении принять и к ^ постоянными, то: (13) Силу трения между грунтовыми стенками тоннеля и тоннелепроходческой ма­ шиной с комплектом колец, учитывая наличие бентонитовой смазки, определим по­ средством выражения: Р - f Р‘ ф J ip ^ ^ (14) Отз X >. m X > X X > > ЕX XоГі Огп X где - коэффициент трения между грунтом и подвижными частями комплекса; Р, - вертикальная нагрузка на подошву тоннеля. Сила давления гидросмеси в призабойной камере: z10 гч О (1?) где - давление в призабойном пространстве; I 42 КАЗАЧЕНКО Г.В. и др. - нормальная к оси тоннеля площадь, на которую передается давление гидро­ массы в призабойном пространстве. При установке каждого кольца и трогании подвижной части тоннеля с места к этим силам добавляется сила сопротивления инерции: л а (16) где - масса машины; - общая масса колец; - масса оборудования и материала в системах комплекса, находящихся в тон­ неле. Считая, что вертикальная нагрузка подвижных частей на русло тоннеля опре­ деляется выражением Р^—(т^ +"^ко и, просуммировав все составляющие силы сопротивления, получаем формулу для вычисления усилия продавливания в общем случае: Р = к ■ прд п A Syfl (Р П CO-R + - Л Л'' п dl К + " г к о + " * п ) + Рд-'^з- (17) Формула (17) является основой для вычисления затрат мощности на продвиже­ ние подвижной части тоннеля Ą . Затраты энергии на транспортирование породы, ее сепарацию и подачу воды в рабочее гіространство машины вычислим по известным зависимостям для транспорти­ рования гидросмесей: Pn>-Qr,-тр 1000-77Л. (18) Л^ , =■ p .Qn 1000-?7J7, (19) где - мощность для работы транспортной и питающей линий соответственно; Ртр’ Ра ~ потери давления в транспортной и питающей линиях соответственно; бтр» Qn ~ расход гидросмеси транспортного и питающего потока; я Tj^ - соответственно механический и гидравлический КПД. Потери давления в подающей и транспортной линиях зависят от их протяженно­ сти, количества и характера местных сопротивлений, концентрации и плотности гидро­ смеси, режима ее движения. При их вычислении целесообразно пользоваться теорети­ ческим и экспериментальным материалом, приведенным в работе [6]. Характер зависи­ мостей (17, 18) позволяет не только определять затраты мощности на транспортирова­ ние, но и обоснованно выбирать рациональные и оптимальные режимы работы транс­ портирующей и питающей линий. АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОГО... 43 Заключение Таким образом, сформированы все зависимости, необходимые для расчета на­ грузочных режимов комплекса. Исходные данные для расчетов по этим зависимостям выбираются по справочной литературе, а также на основании анализа данных о работе комплекса при проходке нескольких участков коллектора. Результаты расчетов и ана­ лиза работы комплекса приводятся в следующей части исследования. Список использованных источников 1. Солод, В.И. Горные машины и автоматизированные комплексы / В.И. Солод, В.И. Зайцев, К.М. Нервов. - М.: Недра, 1981. - 503 с. 2. Казаченко, Г.В. Использование балансовых соотношений для выбора пара­ метров мобильных технологических машин / Г.В. Казаченко, Н.В. ІСйслов, Г.А. Басалай //Горная механика. - 2008. - № 4. - С. 59-68. 3. Оборудование для переработки сыпучих материалов / В.Я. Борщев [и др.]. - М.: Машиностроение, 2006. - 208 с. 4. Опейко, Ф.А. Торфяные машины / Ф.А. Опейко. - Минск: Высш. школа, 1968.-408 с. 5. Казаченко, Г.В. Особенности мощностного расчета горных машин с комби­ нированными исполнительными органами / Г.В. Казаченко, Н.В. Кислов, Г.А. Басалай //Горная механика. - 2009. - № 2. - С. 77-88. 6. Смолдырев, А.Е. Трубопроводный транспорт концентрированных гидросме­ сей / А.Е. Смолдырев, Ю.К. Сафонов. - М.: Машиностроение, 1989. - 255 с. Kazachenko G.V., Tsybulenko P.V., Zheltov I.G., Elizarov D.P. The analysis of an operating process of driving complex Part 1. A structure of a complex and forming of calculating dependences Technical parameters o f «Herrenknecht» company’s driving complex that is used for drive o f «Center» collector in the city o f Minsk are given. An analysis o f the complex’s operation is based on estimation o f energy use o f the operating process. The estimation is based on methods o f calculation o f an energy use on a rock breaking, on a rock transport­ ing and on the complex’s driving on the road. On the other hand estimations are made on the base o f data o f complex’s operation that are registered in on-board computer. Поступила в редакцию 31.10.2011 г. О-о X X > X X:х > SЖ ЕXIог>н“О Оm Zio ГЧ) О f