Одной из реальных предпосылок к повышению производительности труда является совершенствование горных машин, в том числе очистных комбайнов, для достижения более высоких технико-экономических показателей их работы.
Стесненные условия угольных забоев требуют изыскания возможностей повышения минутной производительности комбайнов без увеличения габаритов машин. К настоящему времени определились два главных направления в разрешении данного противоречия:
- повышение энерговооруженности комбайнов путем увеличения установленной мощности электродвигателей с сохранением их размеров;
- увеличение устойчивого момента и реализуемой мощности привода за счет улучшения режимов работы органов разрушения и систем подачи машин.
Тенденция к повышению нагрузочной способности электродвигателей существует давно. Нынешний уровень развития данного направления достиг такого положения, когда при решении задачи увеличения энерговооруженности комбайнов разработчики двигателей все острее сталкиваются с техническими трудностями, связанными с поиском решений по дальнейшему повышению силовых параметров электрических машин при ограниченной пропускной способности протяженных шахтных кабельных сетей.
В связи с этим весьма важное значение имеет активизация работ второго направления, предусматривающего повышение нагрузочной способности привода комбайнов за счет улучшения режимов их работы.
Находясь в начале технологической цепи угледобычи и являясь наиболее нагруженным ее звеном, подвергающимся воздействию интенсивных силовых возмущений, они не достигают технически возможной производительности вследствие неблагоприятных режимов работы. Одним из основных качественных показателей режимов работы комбайнов является уровень динамических усилий в их узлах, снижающих устойчивый момент (мощность) электродвигателей, а следовательно, минутную производительность комбайнов, а также надежность и долговечность оборудования. Наиболее низкими динамическими показателями характеризуется работа комбайнов с гибким (цепным) тяговым органом, эксплуатируемых на большинстве шахтопластов отрасли, динамическая нагруженность которых в значительной степени определяется неравномерным (колебательным) характером скорости их перемещения вдоль линии забоя. Высокий уровень колебаний в системе подачи таких машин (с частотой до 3 – 3,5 Гц) создает режим нагружения, часто приводящий к поломке их узлов, опрокидыванию электродвигателя или периодическим перегрузкам, что вынуждает эксплуатировать комбайны на пониженной скорости перемещения.
Некоторые опубликованные материалы, предлагающие различные способы выравнивания мгновенной скорости перемещения комбайнов с цепным тяговым органом, подтверждают возможность существенного увеличения нагрузочной способности машин, но объем имеющихся разработок не позволяет создать пригодные для применения в промышленности средства выравнивания.
Последнее обстоятельство можно объяснить наличием определенных трудностей методического характера:
- не учтен критерий рационального режима подачи очистных комбайнов для поиска наиболее приемлемого способа выравнивания скорости перемещения;
- в существующих методиках отсутствует элемент, устанавливающий, до какого предела целесообразно снижать неравномерность скорости перемещения, чтобы при относительно невысоких требованиях к средствам выравнивания обеспечивалась работа с максимально возможной производительностью и допустимыми динамическими нагрузками;
- в достаточной степени не разработан подход, позволяющий с единой позиции обосновать наиболее рациональный принцип построения средств выравнивания, удовлетворяющих условиям эксплуатации комбайнов со встроенными и вынесенными системами подачи.
Этим определяется актуальность работы, цель которой сформулирована в ее названии и направлена на повышение производительности комбайнов обоих исполнений.
Основная идея работы состоит в том, что можно найти наиболее целесообразную степень выравнивания мгновенной скорости перемещения очистных комбайнов с гибким тяговым органом и наиболее рациональную структуру средств выравнивания. Они позволят, руководствуясь минимальными требованиями к эффективности выравнивания и не затрагивая конструкции комбайнов, обеспечить по всей линии забоя минутную производительность машин, близкую к технически возможной.
Добыча угля в шахте [1] состоит из нескольких взаимосвязанных главных и вспомогательных процессов, последовательность которых представляет собой технологическую схему производственных процессов шахты. К главным относятся процессы очистных работ, транспортировки грузов в пределах добыточного участка и через магистральные выработки, а также их подъем.
Первым уровнем процессов является добыточный участок, в пределах которого выполняются очистные работы, охватывающие выемку полезных ископаемых, транспортировка, крепления и управления кровлей, и процессы обеспечения очистных работ: проведение подготовительной выработки, транспортировки в пределах добыточного участка, поддержания выработки, проветривание, дегазация, осушение.
На втором уровне - в магистральных выработках, в стволовых дворах и стволах - осуществляются процессы транспортировки, проветривания, ремонта, подъем.
Третьим уровнем процессов является поверхность шахты. Главными процессами на поверхности шахты является транспортировка угля и породы, погрузки угля в вагоны и процессы на складах.
Технология горного производства начинается с производственных процессов на первом уровне - в пределах добыточного участка.
Разрушение угля в процессе выемки осуществляется механическим способом через исполнительные органы угольных комбайнов. Процесс выемки охватывает разрушение пласта и погрузки отбитого угля на скребковый забойный конвейер, с помощью которого осуществляется транспортировка угля вдоль лавы. Состояние конвейера является базой для перемещения комбайна и подтягивание секции механизированной крепи. Скребковые конвейеры имеют большую производительность (до 1800 т/ч) и могут довозить уголь или вниз за падением пласта (под углом до 25 ?) или вверх по восхождением (до 12 ?).
Совокупность транспортных средств и устройств, расположенных в горизонтальных и наклонных выработках, расположенных в пределах добыточной панели или добыточного звена этажа (кроме средств транспортировки угля вдоль лавы), называют звеньевым транспортом. Такими средствами на шахте «Россия», где разрабатываются наклонные пласты, есть скребковые конвейеры и вагонетки.
При выполнении очистных работ нарушается природное равновесие сил в массиве. Породы, которые потеряли опору на угольный пласт, деформируются и разрушаются. Чтобы избежать значительных деформаций и обвалов пород в рабочем пространстве применяют крепления рабочего пространства очистного забоя и управления давлением пород кровли за его пределами. Технические требования к креплениям - обеспечение необходимой прочности, устойчивости и жесткости, выполнение в забойном пространстве всех производственных процессов и пропускания через себя расчетного количества воздуха.
По принципиальной схеме конструкции крепления делятся на индивидуальные и механизированные. В перекрестках рядов со штрека применяются индивидуальные и механизированные крепления.
Для подъема и опускания грузов, материалов и людей шахта оборудована двумя подъемными установками, приема, технологической обработки и отправки угля, приема и разгрузки угля, опускания и подъема материалов, оборудования и людей, проветривания подземных выработок, обеспечение горных работ энергией, для производственно-бытового обслуживание тружеников.
Технологическая схема очистных работ при выемке угля следующая (рис. 1). Комплекты крепления в лаве устанавливаются в шахматном порядке. Половина секции - опережающий, последняя половина - отстающая. Опережающие секции с рессорными консолями находятся на расстоянии 0,25...0,3м от забоя, а отстающие, с управляемыми консолями, отодвинуты от конвейера на величину перемещения или захвата комбайна (0,8м); расстояние от управляемой консоли до забоя 0,7...0,75м. Во время выемки угля комбайном по лодочной схеме за ним передвигаются отстающие секции, которые подхватывают обнаженную кровлю, а опережающие секции перемещаются после перемещения забойного конвейера на участке длиной 12...15м за комбайном.
Комбайн 6 (см. рис 1) с шнековыми исполнительными органами перемещается по раме забойного конвейера 8, который приводится приводной головкой 10 с асинхронными электродвигателями. Смещенный резцами исполнительных органов уголь посредством шнеков загружается на конвейер 8, транспортирующий уголь на конвейер 11, установленный в откатном штреке 14. Перемещение комбайна по конвейеру осуществляется посредством колибрововочной корабельной цепи, растянутой вдоль лавы. Концы цепи закрепляются с помощью болтов к головкам конвейера 8.
Через откатные штреки уголь транспортируется к наклонной выработке (бремсбергу), где расположены протяжные ленточные конвейеры, которые перемещают уголь в направлении шахтного ствола. Через вентиляционный штрек осуществляется перемещение людей, транспортировка материалов и оборудования. На этом или этажном штреке располагается энергетическое оборудование лавы: масло станция для подпитки крепления, трансформаторная подстанция для питания электроэнергией комбайна, забойного конвейера, освещения лавы, магнитных пускателей.
Лава оборудована механизированным комплексом 1КМ97Д, в состав которого входят:
- очистной комбайн 2К52 с шнековыми исполнительными органами;
- гидравлическое металлическое крепление М97Д;
- забойный скребковый конвейер СПМ-87;
- осветительная арматура с люминесцентными лампами РБ-15;
- два электрических сверла для бурения в забое.
Лава переплетается с вентиляционным и этажным штреками. В последнем размещаются: скребковый конвейер - перегружатель (вдоль провеса); помповая масло станция ВНУ-5; маневровая лебедка МЕЛД-11,4; коммутационная аппаратура - взрывобезопасные магнитные пускатели типа ПМВ (7шт.), фидерный автомат АФВ (1шт.), пусковой агрегат АП (1шт.); участковая трансформаторная подстанция ТКШВ.
Кинематическая схема комбайна [2,3] приведена на рис.2. Комбайн состоит из трех состыкованных блоков: 1 - режущая часть 2 - главный электродвигатель; 3 - подающая часть. Выходной вал двигателя связан через зубчатую муфты 4 с зубчатой цилиндрической парой 5, которая передает вращение зубчатой конической передаче 6. Последняя связана с цилиндрической шестерней 7, которая передает вращение зубчатому колесу 11 через паразитирующие шестерни 8...10. Зубчатое колесо 11 связано с шестерней 12, которая передает вращение нижнему шнековому исполнительному органу 16 через паразитирующие шестерни 13, 14 и зубчатое колесо 15. От зубчатого колеса 11 вращение также передается верхнему исполнительному органу 17 через шестерни 18...22.
Противоположный выходной вал двигателя через зубчатую муфту 23 связан с валом плунжерно-эксцентричной помпы 24 привода подачи. Помпа через шланги высокого давления (рабочее давление, которое образуется помпой, равно 100 кг с/см2) связана с гидро двигателем подачи 25, выходной вал которого через зубчатые передачи 26...29 связан с ведущими звездами 29, 30 цепной передачи.
Перемещение комбайна вдоль линии забоя осуществляется с помощью растянутой через лаву корабельной сварной цепи 34, которая огибает ведущие звезды и пропущенный через направляющие цепи 32, 33. Цепь закрепляется своими концами на конечных головках убойного конвейера. Комбайн перемещается с помощью укрепленных под режущего и подавая частями четырех лыж по рештака убойного конвейера.
Положение исполнительных органов 16 и 17 регулируется по высоте с помощью гидродомкратов, которые питаются от вспомогательной шестирневой помпы в механизме подачи (на рисунке не показана), чем обеспечивается приспосабливаемость комбайна к конкретной мощности пласта. Этому способствует исполнение передач 12...15 и 19...22 в виде возвратных редукторов.
Средняя скорость подачи комбайна регулируется в пределах 0...6 м / мин. изменением ексцентриситета помпы 24 гидравлическим способом от шестирневой помпы.
Управление комбайна осуществляется рычагами гидравлической системы, пуск электродвигателя - кнопкой, действующей на Контактор магнитного пускатели ПМВ.
Особенностью всех типов машин с гибким тяговым органом является колебательный характер мгновенной скорости их подачи, к тому же часто в течение каждого периода колебаний движение чередуется с остановками. Чрезвычайно неравномерное перемещение свойственно высокопроизводительным комбайнам с шнековыми исполнительными органами.
Колебания скорости подачи приводят к увеличению неравномерности сформированного на исполнительных органах комбайнов момента сил сопротивления и снижения устойчивого момента электродвигателя, а также - скачкообразной производительности машин. Зачастую этот фактор доминирует над другими причинами, которые обусловливают динамические нагрузки в приводе резки.
Для комбайнов со шнековыми исполнительными органами является характерным изменение скорости подачи как с частотой собственных колебаний упругой системы комбайн-тяговый орган, так и с частотой вынужденных колебаний, обусловленных периодичностью силового воздействия на убой исполнительных органов через их конструктивную неоднородность, причем одна и та же машина может действовать в обоих этих режимах. Удельный вес гармоничной составляющей зависит от кинематической неравномерности исполнительных органов, массы комбайна и увеличивается с ростом средней скорости подачи, сопротивляемости угля резке, извлекаемой мощности пласта и длины тягового органа. Из этого в частотном спектре функции скорости подачи высокопроизводительных комбайнов вообще доминирует частота, которая кратна скорости вращения наиболее нагруженного (опережающего) исполнительного органа, в частности, для комбайна 1К101У она равна 1,3 и 1,7 Гц, для комбайна 2К52 - 0, 7 и 1,3 Гц.
Возникновению и развитию колебаний скорости и нагрузки способствуют:
- негативная зависимость силы трения в опорах комбайна от скорости подачи;
- нелинейность нагрузки исполнительных органов, связанная с временным опозданием при формировании мгновенной толщины среза режущего инструмента;
- резонансные и случайные явления, которые обусловлены неравномерностью угольной резки.
Минутная производительность комбайнов определяется удельными затратами энергии на отделение и выгрузку угля (условиями по вырубке), с одной стороны, и устойчивым моментом (реализованной мощности), с другой [5,6]. Устойчивый момент в значительной степени зависит от низкочастотных составляющих нагрузки исполнительных органов: с ее уменьшением он повышается. Это позволяет при одних и тех же условиях по вырубке увеличить рабочие скорости подачи комбайна и, тем самым, повысить его минутную производительность.
Неравномерность скорости подачи комбайна вызывает изменение параметров разрушения и рабочей геометрии режущего инструмента, в частности - изменение толщины среза, что снимается каждым резцом исполнительного органа [7], по данным [8], в силу введения в исполнительные органы конструктивно неравномерным схем набора режущего инструмента, количество резцов, которые одновременно находятся в контакте с забоем, изменяется в зависимости от угла возвращения штека, что приводит к изменению суммарной толщины среза и возникновению силового отторжения. Это определяет в основном вынужденный характер колебаний скорости подачи с частотой, кратной частоте вращения опережающего штека и обусловливает практически неизменную толщину среза на одиноковом срезе, по данным [9], относительное отклонение (от среднего значения) толщины среза (комбайн 1К101У) составляет 0,01 . Итак, дисперсия низкочастотных составляющих момента сил сопротивления от изменения толщины среза в функции скорости подачи незначительна. В то же время величина усилия на заданной грани резца при прочих равных условиях определяется размером площадки контакта его с углем, обусловленным значением действительного угла, который зависит от скорости подачи комбайна [7].
Действующий привод подачи – гидравлический по системе гидродвигатель – насос.
Усовершенствование привода – добавление автоматической системы регулирования скорости гидродвигателя от датчика ускорения для подавления колебаний скорости подачи. Принципиальная схема гидропривода с датчиком ускорения приведена на рис.3
1. Установлено, что одним из важных направлений повышения производительности горных машин, дающим значительный народнохозяйственный эффект, является разработка рациональных способов и средств комбайнов с гибким тяговым органом, относящихся к массовому очистному оборудованию отрасли.
2. Выявлен асимптотический характер зависимости минутной производительности комбайнов от эффективности выравнивания скорости перемещения, в с илу которого наиболее существенное возрастание производительности (до 80% возможного) лежит в области относительно небольших значений (до 3-5) коэффициента выравнивания. Новая закономерность позволяет ограничиться невысокими требованиями при разработке и создании средств выравнивания и одновременно реализовать полезное свойство упругого демпфирования тяговым органом остаточных (детерминированных) нагрузок в приводе резания. С ее помощью определен критерий рационального режима подачи, устанавливающий наиболее целесообразную по достигаемому эффекту степень снижения неравномерности скорости перемещения и регламентирующий уровень динамичности режима со значениями коэффициента вариации скорости перемещения 0,3- 0,5 и частоты колебаний не более 3- 3,5 Гц.
3. Доказано, что из всех возможных способов выравнивания скорости перемещения горных машин установленному критерию в максимальной степени удовлетворяет способ вязкого демпфирования колебаний, приемлемым средством реализации которого является управляемый малоинерционный гидропривод, взаимодействующий с гибким тяговым органом комбайна по ускорению его движения.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена!!! Окончательное завершение - декабрь 2009г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты!!!