"Гірничі машини й обладнання": Навч. посіб. для вузів - у 2-х т., Т.1 - Донецьк: РВА ДонНТУ, 2003. - 295 с.: іл., стр. 215-229

Классификация очистных комбайнов

П.А. Горбатов, Г.В. Петрушкін, М.М. Лисенко

К очистным комбайнам предъявляются ряд общих требований, основные из которых представляются следующим образом.

1. Высокие значения основных макроуровневых показателей, интегрально характеризующих их уровень качества и степень конкурентоспособности при представительных горно-технических условиях эксплуатации:
   • максимально возможных теоретической и технической производительностей;
   • 80%-го ресурса до капитального ремонта.
2. Достаточно полный охват вероятных областей использования по характеристикам разрушаемости угольных пластов и механическим характеристикам породных прослойков и включений.
3. Достаточно низкие удельные энергозатраты при выемке и погрузке и требуемая сортность угля.
4. Использование рациональных технологических схем работы с максимальной механизацией и минимальным объемом концевых и вспомогательных операций.
5. Хорошая вписываемость в гипсометрию пластов, высокое качество отработки границ "уголь - боковые породы".
6. Эргономическое удобство управления, высокая безопасность и требуемые санитарно-гигиенические условия при работе обслуживающего персонала.

1. По области применения:
   • по углу падения пластов - для пологонаклонных (0-35°) или крутонаклонных и крутых (35-90°) пластов;
   • по вынимаемой мощности - для весьма тонких (до 0,7 м.), тонких (0,7 - 1,2 м.), средней мощности (1,2 - 2,5 м.) или мощных (свыше 2,5 м., в Украине практически отсутствуют) пластов.
   Узкозахватные (ширина захвата меньше 1 м.) комбайны для пологонаклонных пластов органически приспособлены к работе по челноковой схеме, когда отделение угля производится при обоих направлениях перемещения машины, и по односторонней схеме, когда при движении в одном направлении осуществляется выемка, а в другом - перегон комбайна, обычно совмещаемый с зачисткой почвы.
2. По типу исполнительных органов, обрабатывающих весь вынимаемый объем угольного пласта или его основную часть - со шнековыми, барабанными с вертикальной осью вращения, роторными, цепными кольцевыми и барабанными с горизонтальной осью вращения ИО.
   При этом первые четыре типа применяются на пластах с углами падения 0-35°, а последний - с углами 35-90° вследствие отсутствия необходимости погрузки отбитой горной массы.
   Узкозахватные ОК формируются на основе всех перечисленных выше органов, кроме цепных кольцевых. При этом на пластах с углами падения 0-35° наиболее распространенными являются комбайны с двумя шнековыми и, в меньшей степени, с двумя барабанными с вертикальной осью ИО, а на пластах с с углами 35-90° - с двумя барабанами с горизонтальной осью.
   Традиционные роторные ИО для придания забою прямоугольной формы и обеспечения регулирования по мощности пласта требуют применения дополнительных исполнительных органов. Новые роторные ИО гипоциклоидального типа, формирующие прямоугольный забой за счет соответствующей кинематики, могут работать без дополнительных органов.
   В дальнейшем внимание будет уделено узкозахватным комбайнам.
3. По расположению основных жестко соединенных (ОЖС) узлов корпусных подсистем.
   Применительно к ОК для выемки пологонаклонных пластов ОЖС узлы могут располагаться относительно подсистемы рештачного става забойного конвейера следующим образом:
   • над конвейером (1К101У, РКУ10, РКУ13, 1ГШ68, 2ГШ68Б, ГШ200Б, ГШ200В, ГШ500 и др.);
   • с забойной стороны конвейера (, УКДЗОО, ЕDW170LN, ЕDW300LN, КSЕ360);
   • с завальной стороны конвейера (например, КА80, рис. 1).

   

   Рисунок 1 - Очистной комбайн КА80
   

   Основная область применения ОК группы "над конвейером" - пласты средней мощности и мощные, т.к. в пластах мощностью до 1,2 м. главным ограничивающим фактором является клиренс комбайна, величина которого должна быть достаточной (как правило, не менее 200 мм.) для пропуска отбитой горной массы.
   Смещение ОЖС узлов в забойную или завальную сторону конвейера позволяет уменьшить минимальное значение вынимаемой мощности пласта при обеспечении необходимого клиренса за счет использования невысокой портальной части корпусной подсистемы, располагаемой над рештачным ставом. Поэтому машины группы "с забойной стороны конвейера" и "с завальной стороны конвейера " целесообразно применять для пластов мощностью менее 1,2 м.
   Основными недостатками структурных решений корпусных подсистем со смещением в завальную сторону является увеличенная ширина пространства, занимаемого комбайном и конвейером, что может приводить к необходимости удлинения консолей секций механизированной крепи, а в забойную сторону - пониженная устойчивость машины в пространстве очистного забоя и невозможность фронтальной самозарубки.
   Применительно к ОК для выемки пластов с углами 35-90° ОЖС узлы могут располагаться между исполнительными органами ("Поиск 2Р") или с завальной стороны забоя ("Темп 1").

4. По способу опирания корпусных подсистем. Применительно к комбайнам для пластов с углами 0-35° известны следующие способы опирания ОЖС узлов:
   • с опиранием на забойный конвейер (на полки рештачного става, на навесное оборудование конвейера) с помощью 4-х опорных механизмов - 2-х забойных и 2-х завальных (большинство ОК, например, 1К101У, РКУ13, ГШ500 т.д.);
   • с основным опиранием на забойный конвейер, рис. 2, с помощью 2-х забойных 5 и 2-х завальных 3 (через портальную часть 2 корпусной подсистемы) опорных механизмов и дополнительным опиранием на почву пласта с забойной стороны конвейера посредством одного расположенного под ОЖС узлами напочвенного стабилизирующего опорного механизма с удлиненной лыжей 4 с опорными поверхностями на концах. Примерно по такой схеме сформированы корпусные подсистемы для немецких машин ЕDW300LN, ЕDW170LN (фирма ЕIСКНОFF), польских комбайнов КSЕ360 (фирма "Фамур"), машин типа УКД ("Донгипроуглемаш");

     

     Рисунок 2 - Очистной комбайн с напочвенным стабилизирующим опорным механизмом

   • с опиранием на конвейер с помощью 2-х забойных или 2-х завальных (через портальную часть корпусной подсистемы) опорных механизмов и с опиранием на почву с забойной стороны конвейера с помощью 2-х напочвенных опорных механизмов, расположенных под ОЖС узлами.
   Реализация групп "с основным опиранием на забойный конвейер" и "с опиранием на конвейер с помощью 2-х забойных или 2-х завальных опорных механизмов" возможна для ОК, у которых ОЖС узлы располагаются с забойной стороны конвейера.
   На стабилизирующем опорном механизме комбайнов группы "с основным опиранием на забойный конвейер", как правило оснащенном двумя гидропатронами с рабочими поршневыми полостями, соединенными по схеме сообщающихся сосудов, формируется неизменный средний уровень опорной реакции за счет гидравлической связи указанных полостей с подпорным клапаном, настроенным на заданное давление. Наличие стабилизирующего опорного механизма повышает устойчивость ОК со смещенными в забойную сторону конвейера ОЖС узлами.
   В качестве примера реализации варианта "с опиранием на конвейер с помощью 2-х забойных или 2-х завальных опорных механизмов" можно указать разработку ОАО "Горловский машиностроительный завод" комбайна типа "Луч" (1УК), рис. 3, с двумя барабанами с вертикальной осью с бесступенчатым регулированием высоты в пределах 0,48-0,8 м. Здесь 3 и 4 - регулируемые забойные, 1 и 2 - регулируемые напочвенные опорные механизмы. Для повышения устойчивости корпусной подсистемы и улучшения направленности ее движения предусмотрены направляющие 5 и 6 разнесенные по концам комбайна и взаимодействующие с забойным бортом конвейера 7.

   

   Рисунок 3 - Очистной комбайн типа "Луч"

   В настоящее время в отечественной практике технические решения относящиеся к группам "с основным опиранием на забойный конвейер" и "с опиранием на конвейер с помощью 2-х забойных или 2-х завальных опорных механизмов", изучены пока недостаточно. Следует отметить, что эффективная работа напочвенных опорных механизмов возможна прежде всего при наличии достаточно прочных почв.
   Очистные комбайны для пластов с 35-90° ("Темп 1", "Поиск 2Р") работают без конвейера в диагонально (как правило, под углом порядка 10-15°) расположенных забоях, и опираются не только на почву, но и на пласт. Указанное расположение забоев обеспечивает повышение устойчивости машин в пространстве очистной выработки и улучшение направленности их движения.

5. По расположению исполнительных органов - с разнесенными по концам машины (РКУ13, 1ГШ68, 2ГШ68Б, ГШ500, КДК500, КДК700, КА80, рис. 1, и др.) или со сближенными на одном конце (например, 1К101У) ИО.
   Рассмотрим наиболее широко распространенные узкозахватные комбайны, оснащенные двумя шнековыми или барабанными с вертикальной осью исполнительными органами.
   Для пологонаклонных пластов более перспективными являются ОК с разнесенными органами, что потенциально обеспечивает безнишевую выемку угля при условии выноса станций конвейера на подготовительные выработки. Кроме того, для этих машин, как правило, не требуется перемонтаж ОК на другой забой (с правого на левый и наоборот).
   Комбайны со сближенными ИО для пластов с углами падения 0-35 градусов целесообразно применять в случае неустойчивых пород кровли, не допускающих их длительного обнажения. Следует подчеркнуть, что комбайны, выполненные с такой компоновкой, могут обеспечивать выемку пластов мощностью от 0,85 - 0,9 м. даже при расположении ОЖС узлов над конвейером, если ИО размещаются на конце машины со стороны конвейерного (нижнего) штрека. В этом случае отделенный исполнительными органами уголь не проходит под всем корпусом комбайна и поэтому требования к величине клиренса существенно смягчаются. Как известно, немеханизированная подготовка ниш является весьма трудоемкой операцией, характеризующейся повышенной опасностью работ, выполняемых с помощью отбойных молотков и буровзрывным способом.
   Рассмотрим технологические схемы самозарубки очистными комбайнами. Применяют два способа самозарубки - фронтальную (торцевую лобовую), рис. 4б, и косыми заездами, рис. 4а. Особенности самозарубки указанными способами ясны из рис. 4.

   

   Рисунок 4 - Способы самозарубки очистных комбайнов

   Фронтальная самозарубка в отличие от способа косых заездов осуществляется на достаточно коротком участке лавы и поэтому обнажается сравнительно небольшая площадь кровли, что весьма важно при неустойчивых породах кровли. Однако при ее выполнении необходимо, чтоб напорные усилия гидродомкратов передвижки, входящих в состав механизированной крепи очистных комплексов, были достаточными для этой операции. Наиболее приемлемый способ самозарубки следует выбирать исходя из анализа всей совокупности горно-геологических и горно-технических условий очистного участка.

6. По числу и месту установки подсистем перемещения рассматриваемых выемочных машин - с одной или двумя встроенными или вынесенными подсистемами.
   В настоящее время наибольшее распространение получили для выемки пологонаклонных пластов ОК с двумя встроенными (ГШ500, КДК500, КДК700, 1КШЭ, РКУЮ, РКУ13, ГШ200Б и др.) или вынесенными (ГШ200В, КА80 и т.д.) подсистемами перемещения, а для пластов с углами 35-90 градусов машины с одной вынесенной подсистемой перемещения в виде тягово-предохранительной лебедки ("Поиск 2Р", "Темп 1").
7. По типу тягового органа подсистем перемещения - с жесткими или гибкими тяговыми органами.
8. По построению электропривода (пневмопривода) для подсистем приводов исполнительных органов (ПИО) и перемещения выемочной машины (ПВМ).
   При наличии встроенных и вынесенных подсистем ПВМ классификация выглядит следующим образом:
   • с индивидуальными двигателями для каждой из подсистем ПИО и ПВМ (комбайны ГШ500КДК500, КДК700, 1КШЭ);
   • с двумя кинематически (зубчатыми передачами) связанными двигателями для обеих подсистем ПИО и индивидуальными двигателями для каждой из имеющихся подсистем ПВМ ("Поиск 2Р");
   • с одним двигателем для обеих подсистем ПИО и индивидуальными двигателями для каждой из имеющихся подсистем ПВМ (ГШ200Б, ГШ200В, КА80, рис.1).
     При наличии встроенных подсистем ПВМ к вышеуказанным группам добавляются еще три:
   • с индивидуальным двигателем для одной гюдсистемы ПИО и вторым двигателем для другой подсистемы ПИО и имеющихся подсистем ПВМ (например, двухдвигательный вариант РКУ13);
   • с двумя кинематически связанными двигателями для всех подсистем ПИО и ПВМ (1ГШ68, 2ГШ68Б, рис.5);

     

     Рисунок 5 - Кинематическая схема комбайна 2ГШ68Б

   • с одним двигателем для всех подсистем 1ТИО и ПВМ (РКУ10, 1К101У).
   Если у двигателя или двух кинематически связанных имеется несколько потребителей - исполнительных органов элементов движителей, то подсистемы ПИО и ПВМ, включающие рассматриваемые потребители, обладают внутренними связями. При этом в редукторных группах возможно формирование общих участков ческой цепи, через которые передается энергия к указанным потребителям.
9. По типу регулятора скорости в составе подсистем ПВМ - с электрическими и гидравлическими регуляторами.
10. По общему построению подсистем ПИО и подвески и перемещения исполнительного органа (ППО):
    • на базе основного редуктора, входящего одновременно в состав подсистемы ПИО и ОЖС узлов корпусной подсистемы, и подвижно со единенного с основным поворотного редуктора, одновременно входящего в состав подсистем ПИО и ППО (комбайны 1К101У, рис.1 РКУ10, рис. 6, РКУ13, 1ГШ68, 2ГШ68Б, рис. 5, и т.д.);

      

      Рисунок 6 - Очистной комбайн РКУ10
      

    • в виде поворотного блока резания (ПБР), включающего двигатель и редуктор с жестко связанными корпусами, и одновременно являющегося основой подсистем ПИО и ППО (ГШ500, КДК500, КДК700, российские машины К500 и др.).
      
    Данный варианты с ПБР, формирующиеся в соответствии со структурной формулой "индивидуальный двигатель - цилиндрические зубчатые передачи - планетарная передача", обладают короткой кинематической цепью и обеспечивают по сравнению с традиционными решениями "на базе основного редуктора, входящего одновременно в состав подсистемы ПИО и ОЖС узлов корпусной подсистемы" потенциальное повышение надежности и сокращение длины ОК за счет:
    • использования компактной многопоточной планетарной передачи со значительным передаточным числом;
    • уменьшения количества и силовой разгрузки тяжелонагруженных элементов (зубчатые колеса, валы, оси, подшипниковые опоры) на основ-ном участке кинематической цепи (до планетарной передачи);
    • устранения недостаточно надежной конической передачи.
    Вместе с тем следует обратить внимание на нижеприведенные факторы при реализации вариантов "в виде поворотного блока резания (ПБР)": должны быть габаритные возможности, необходимо обеспечение равномерного распределения нагрузок между силовыми потоками планетарной передачи; повышение энерговооруженности за счет применения индивидуальных двигателей для каждой подсистемы ПИО не должно входить в противоречие с прочностными свойствами элементов этой подсистемы.
11. По построению ОЖС узлов корпусной подсистемы:
    • на основе нескольких корпусов (двигателей, редукторов, регуляторов скорости и др.), жестко соединенных между собой шпильками, стяжками, общей рамой (1К101У, 1ГШ68, РКУЮ, рис.6, РКУ10 и т.д.);
    • в виде моноблока - общего корпуса сварной конструкции коробчатой формы/имеющего отсеки для установки в них автономных съемных блоков различного функционального назначения (ГШ500, КДК500, КДК700, К500, ОК фирм ЕIСКНОFF и "Фамур" и т.д.).
    Варианты "в виде моноблока" построения ОЖС узлов по сравнению с вариантами а) имеют следующие преимущества:
    • разгружаются корпуса автономных съемных блоков от внешних для них технологических нагрузок, что обеспечивает, прежде всего, улучшение качества зубчатых зацеплений за счет уменьшения деформаций опорных узлов валов;
    • упрощаются монтажно-демонтажные работы, техническое обслуживание и ремонт применительно к рассматриваемым блокам как автономным агрегатам, т.к. к ним имеется хороший доступ со стороны выработанного пространства;
    • облегчается решение конструкторской задачи обеспечения достаточной жесткости и прочности ОЖС узлов корпусной подсистемы, выполняющей функцию объединения всех узлов машины в целостный технический объект и воспринимающей высокие технологические нагрузки от внешней для этой подсистемы среды;
    • отпадает необходимость в диагностике и поддержании требуемого состояния многочисленных стыковочных соединений между отдельными корпусами ОЖС узлов;
    • создаются предпосылки для унификации и мобильного приспосабливания машины к индивидуальным заказам путем установки блоков с рациональными для конкретных горно-технических условий параметрами.

Вышеуказанные обстоятельства обеспечивают кардинальное повышение надежности силовых подсистем и ОК в целом.