Молодой ученый Новгородского государственного университета имения Ярослава Мудрого предложил более эффективную конструкцию рабочего органа геохода — машины для прокладки подземных коммуникаций в мягких породах. Нож особой, выпуклой формы существенно повышает маневренность и управляемость аппарата, а применение аддитивных производственных технологий позволит снизить массу ножей почти вдвое.
Автор проекта — старший преподаватель кафедры промышленных технологий Политехнического института НовГУ Шодмон Нозирзода, сообщает пресс-служба вуза. Исследование легло в основу успешно защищенной кандидатской диссертации. Научным руководителем выступил доктор технических наук Андрей Ефременков.
«Создание сложных деталей для горнопроходческой техники во многом опирается на опыт и интуицию инженеров. Несмотря на существующие разработки и исследования в этой области, до сих пор отсутствует единое понимание рациональных параметров, которые обеспечивали бы максимальную производительность и надежность таких инструментов. Работа в этом направлении ведется в рамках большого инновационного проекта по созданию геоходов. Над этим проектом работают известные ученые в области горного дела из таких ведущих вузов, как Институт угля Федерального исследовательского центра угля и углехимии СО РАН, Кузбасский государственный технический университет и Новгородский государственный университет», — рассказал Шодмон Нозирзода.
На первом этапе была разработана электронная модель исполнительных органов машины. В цифровой модели рассчитаны координаты каждой точки сложной винтовой (геликоидной) режущей кромки. Особая геометрия выбрана неслучайно: она гарантирует, что вращение режущего инструмента и поступательное движение всей машины в породе работают как единый слаженный механизм. Это позволяет машине копать максимально эффективно, с высокой подземной маневренностью.
Используя разработанную математическую модель, ученые провели серию численных экспериментов, имитирующих работу рабочего органа геохода. Это позволило с высокой точностью оценить, как различные конструктивные особенности и форма режущей части влияют на ключевые технологические и силовые параметры взаимодействия машины с породой.
Например, было установлено, что даже незначительное затупление режущей кромки — всего на несколько миллиметров — может увеличить усилие сопротивления породы на 50-55%, а определенная кривизна ножа напрямую влияет на нагрузку в приводе машины. Эти данные помогли определить оптимальную геометрию ножей.
Следующим этапом стала оптимизация формы ножей рабочего органа. С помощью алгоритмов топологической оптимизации из конструкции удалили весь лишний материал, не участвующий в восприятии рабочих нагрузок. В результате масса прямого ножа уменьшилась вдвое, а выпуклого — на 15-45%, в зависимости от формы.
«По результатом исследования выявлено, что и изготавливать такие облегченные и прочные конструкции эффективнее всего методом аддитивных технологий из специальных инструментальных сталей. В своем исследовании я также подобрал такие сплавы», — пояснил Шодмон Нозирзода.
На основании полученных данных разработаны схемные решения исполнительных органов из отдельных сегментов, которые можно быстро заменить, если один из них затупится или сломается под землей. Для этого не придется демонтировать весь узел: достаточно открутить несколько винтов, что сэкономит часы простоя дорогостоящей машины.
Итогом работы стала готовая технология изготовления инструментов — от расчетов и моделирования до выбора материалов и способа сборки. Ее внедрение позволит создавать более маневренные и энергоэффективные машины для подземных работ. Методика уже готова к интеграции на предприятиях, занимающихся созданием горнопроходческой техники, и может быть использована при проектировании геоходов для строительства подземных сооружений.
Разработка повысит надежность строительства тоннелей метро и коммуникаций под существующими зданиями. Увеличение маневренности позволит точнее выдерживать и оперативно корректировать проектные траектории, что критически важно для безопасного строительства в условиях плотной городской застройки.
«Следующим шагом станет адаптация нашей методологии для разработки инструментов исполнительных органов, способных работать с более крепкими породами. Ключевой вызов здесь — оптимизация формы и материала рабочих органов для сопротивления экстремальным ударным нагрузкам и интенсивному абразивному износу. Решение этой задачи потребует создания новых расчетных моделей, позволяющих точно прогнозировать прочность и долговечность конструкций», — рассказал Шодмон Нозирзода.
А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.