Установление рациональных параметров подсистемы привода исполнительного органа проходческого комбайна с новыми структурными решениями

      Все более широкое применение на шахтах Украины в последнее время находят проходческие комбайны (ПК) стреловидного типа, разработчиком которых является институт Донгипроуглемаш. Показатели их работы в 1,5 – 2 раза превышают аналогичные показатели таких комбайнов, как 1ГПКС и 4ПП2М, используемых на шахтах к внедрению в горное производство разработок института Донгипроуглемаш. Однако анализ современного мирового уровня техники показывает, что для поддержки конкурентоспособности комбайнов на мировом рынке, необходимое повышение эффективности их работы путем совершенствования узлов и подсистемы управления машиной. Одним из направлений совершенствования является разработка мехатронических подсистем повода исполнительного органа проходческих комбайнов [7].

      Объектом исследования в данной работе является проходческий комбайн КПД. Этот комбайн предназначен для разрушения горного массива, уборки и транспортировки разрушенной горной массы при проходке подготовительных выработок арочной, трапециевидной и прямоугольной формы пересечением от 9 до 25 м2 в проходке с углом наклона +-12° по углю и смешанному забою с максимальной границей прочности пород при одноосном сжатии aсж <= 100 МПа (f <= 7) и абразивной пород до 15 мг, в шахтах, опасных по газу и пыли.

      На пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа, комбайн может применяться в безопасных зонах, установленных прогнозом. Конструктивные особенности

• Стреловидный телескопический Исполнительный орган оснащен двумя резцовыми коронками в виде комбинированных эллипсов с поперечной осью вращения, что обеспечивают эффективное разрушение горного массива с сохранением стойкого положения комбайна и уменьшением переборов породы при проведении выработки.
• Исполнительный орган может оснащаться как двигателем мощностью 110 кВт (п=1500 об/мин), так и двигателем мощностью 75 кВт (п=1000 об/мин), что позволяет получить две скорости резки (для слабых пород и угля и для более крепких абразивных пород).
• Наличие опорного питателя и задних аутригеров повышает стойкость комбайна во время разрушения горной массы.
• Открыта по всей длине грузовая ветвь конвейера армированная листами из износостойкой стали.
• Управление комбайном дистанционное из выносного пульта и местное из блока управление, управление конвейером из отдельного ношеного пульта.
• Аппаратура управления и диагностики осуществляет контроль и визуальное отображение параметров основных узлов и составных частей комбайна.

      Основными управляемыми при изменении свойств разрушаемых массивов параметрами для проходческих комбайнов стреловидного типа могут быть [1]:

• скорость перемещения Vп исполнительного органа в составе подсистемы его подвески и перемещения;
• скорость резки Vр для резцов фрезы в составе подсистемы повода исполнительного органа;
• одновременно скорости Vп и Vр (двухпараметрическая регуляция).

      К сожалению, на данный момент в области управления режимными параметрами при обработке массива исполнительными органами для подавляющего большинства горных машин нет системы управления, которая бы была прогрессивной и отвечала современному уровню развитие техники. Часто выемочная машина имеет только одну скорость подачи, и в качестве режимных параметров выступают величина углубления в массив и толщина разрушаемого слоя, что вызывает колебание (потери) производительности машины и является на сегодняшний день неприемлемым. В лучшем случае есть два значения скорости подачи: рабочая и маневровая, но этот вариант является уже тоже нерациональным. В качестве режимного управляемого параметра должно выступать значение толщины стружки, а следовательно нужная эффективная система автоматизированного управления.

      Автоматизированное управление горными машинами отвечает управлению, при котором запуск структурных единиц данных технических объектов осуществляется оператором, а последующая их работа выполняется автоматически на основе выработки управляющих действий подсистемами автоматизации без участия обслуживающего персонала.

      Автоматизация обеспечивает улучшение технико-экономических показателей и социальной эффективности эксплуатации горных машин по сравнению с дистанционным и, тем более, ручным непосредственным управлением за счет:

• повышение уровня безопасности и снижения энергетических расходов и утомляемости рабочих;
• увеличение производительности труда и улучшения параметров надежности, уменьшения удельных энергозатрат при работе горных машин.

      При использовании эффективных подсистем автоматизации создаются условия для вывода персонала в безопасные зоны, что особенно важно при отработке массивов, опасных по внезапным выбросам газа, угля и породы.

      Кроме того, для ряда горных машин нового поколения автоматизация обязательна, поскольку ручное управление не может обеспечить их работоспособности.

      Анализ описанного выше позволяет утверждать, что одним из оптимальных на сегодняшний день можно учитывать вариант однопараметрического бесступенчатого автоматизированного управления скоростью Vр (рис. 2).

Рис. 2 - График зависимости момента М(Vp;h)

Это достигается построением подсистем повода исполнительного органа на базе современных частотно-регулируемых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, что представляется особенно актуальным для выемки крепких пород. Таким образом мы поставили первую задачу исследования.

Рис. 3 - Кинематическая схема комбайна КПД (рисунок является ссылкой на программу расчета основных характеристик ПСПИО проходческого комбайна)

      Анализ кинематической схемы редуктора исполнительного органа комбайна КПД (рис.3) показывает ее сложность и громоздкость, в том числе наличие конической передачи, которая владеет рядом весьма существенных недостатков, таких как: сниженная несущая способность, необходимость регуляции при сборке положения колес конической пары с целью получения необходимого пятна контакта зубьев, повышенная чувствительность к перекосам валов, наличие осевых усилий и необходимость установки осевых подшипников, которые воспринимают эти усилия, усложненная конструкция валов в сборе, которые в своей совокупности значительно ухудшают показатели надежности редуктора; что порождает задачу расположения электродвигателя в редукторе так, чтобы его вал был параллельный к валу исполнительного органа, тем самым лишение конической передачи.

      Благодаря использованию системы автоматизированного управления, мы в состоянии максимально упростить кинематическую схему (реализовать минимальное передаточное число), тем самым повысить надежность редуктора, что и возьмем в качестве следующей задачи.

      Следует заметить также, что в области динамических нагрузок в подсистеме повода исполнительного органа (ПС ПВО) ПК стреловидного типа сейчас есть достаточно существенный пробел, но эти нагрузки достаточно существенно влияют и на показатели надежности системы, и на эффективность ее работы в целом. Поэтому отдельной задачей работы является совершенствование кинематической цепи ПС ПВО комбайна путем снижения динамических нагрузок на подсистему благодаря встраиванию в кинематическую схему виброзащитного устройства.

      Следовательно, все задачи поставлены. Решением всех этих задач является достижение следующей цели. Разработка мехатронической подсистемы ПВО с ветрозащитным устройством (ВЗП), которая получает название мехатронической подсистемы, поскольку должна создаваться в виде органически целостного электро-механо-электронного технического объекта, что включает в качестве исходный одинаково важных, технически равноправных не только электрические и механические структурные единицы, но и аппаратуру автоматизации. Такое построение данной подсистемы позволит повысить ее технико-экономический уровень за счет упрощения конструкции редуктора, снижение динамических нагрузок на ПС ПВО и улучшение параметров надежности редуктора, что является тяжелонагруженым структурным элементом, что особенно актуально при эксплуатации комбайна в проходческих забоях с крепкими породами.