ОСНОВНЫЕ ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ КАК ДИНАМИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ

Горбатов П.А., проф., д.т.н.; Лысенко М.Н., магистрант; Перинский М. В., студент
Донецкий национальный технический университет

      Основные отличительные особенности очистных комбайнов (ОК) нового поколения (отечественные машины КДК 400, КДК 500, КДК 700, УКД 300, разработанные ГП «Донгипроуглемаш») целесообразно изложить, условно разбив их на нижеуказанные группы:

      I. Оригинальные принципы структурных решений и конструктивного построения.

      II. Особенности динамических параметров и свойств.

      III. Особенности мехатронизации.

      Отличительные особенности по группе I следующие.

      1. Основные корпусные узлы выполняют в виде общего корпуса - моноблока сварной конструкции коробчатой формы, имеющего отсеки для установки в них автономных съемных блоков различного функционального назначения, в т.ч. мехатронизированных или мехатронных. При этом реализуются следующие преимущества: упрощаются монтажно-демонтажные работы, техническое обслуживание и ремонт применительно к автономным блокам, к которым имеется хороший доступ; обеспечивается требуемая жесткость и прочность корпусных подсистем; разгружаются корпуса съемных блоков от внешних технологических нагрузок и обеспечивается улучшение качества зубчатых зацеплений; не требуется диагностика и поддержание требуемого состояния многочисленных стыковочных соединений между отдельными корпусами; создаются предпосылки для унификации и мобильного приспосабливания ОК к конкретным условиям эксплуатации.

      2. Подсистемы привода исполнительных органов (ИО) и подсистемы подвески и перемещения ИО выполняются на основе поворотных блоков резания (ПБР). Достоинствами такого структурно-компоновочного решения, характеризующегося поперечным расположением электродвигателей, является: исключение недостаточно надежной конической передачи; реализация более короткой кинематической цепи, в т.ч. во многих случаях с использованием компактной планетарной передачи.

      3. Для обеих подсистем привода ИО применены индивидуальные электродвигатели нового технического уровня с доминирующей формой на основе цилиндров и с одним выходным концом. При этом между каждым электродвигателем и входным валом редуктора имеется торсионный вал, обеспечивающий определенное снижение коэффициента крутильной жесткости подсистемы и выполняющий (с помощью эвольвентных шлицев) функцию компенсатора погрешностей изготовления при соединении валов в разных корпусах. Данные двигатели встраиваются в расточки корпусов ПБР. Поэтому корпуса электродвигателей практически разгружены от внешних сил, действующих на корпусную подсистему, что позволяет обеспечить компактность конструкции и высокие параметры этих электрических машин.

      4. Две встроенные подсистемы подачи на основе цилиндрических и планетарных передач и жесткого тягового органа имеют индивидуальный частотно- регулируемый асинхронный электропривод, который выполняет одновременно две функции – приводного двигателя и (совместно с аппаратурой автоматизации) электрического регулятора скорости. Указанный электропривод по сравнению с традиционными гидравлическими регуляторами скорости обеспечивает для каждой подсистемы подачи повышение КПД (оценочно на 25-30%), надежности и значений удельной мощности, упрощение обслуживания.

      Рассмотрим особенности, характерные для II группы отличий. В качестве примеров существенного отличия динамических параметров применительно к силовым подсистемам комбайнов НП по отношению к ранее созданным машинам можно привести следующие особенности.

      1. Для кинематических цепей на основе поворотных блоков резания существенно ниже (оценочно в 1,5 – 1,7 раза) приведенные к валу электродвигателя коэффициенты крутильной податливости e12 механических участков подсистем привода исполнительных органов. Например, для очистных комбайнов прежнего поколения (1ГШ68, РКУ13) и КДК500 (I типоразмер) со сравнимой областью применения оценки значений e12 соответственно составляют 600*10-6 1/Нм , 526*10-6 1/Нм и 353*10-6 1/Нм [1].

      2. Инерционные и упругие динамические характеристики подсистем подвески и перемещения исполнительных органов очистных комбайнов НП (на базе поворотных блоков резания и современных шнеков) также значительно отличаются от соответствующих характеристик для машин прежних поколений. Например, массы и моменты инерции относительно осей сопряжения с основными жестко соединенными узлами корпусных подсистем составляют соответственно: для ПБР с трехлопастным шнеком с Dи = 1,25 м и В3 = 0,63 м конструкции Донгипроуглемаша в составе комбайна КДК500 – 4932 кг и 12937 кг?м2 ; для поворотного редуктора с двухлопастным шнеком ШН126Р с теми же значениями Dи и В3 в составе машины 1ГШ68 – 3267 кг и 4355 кг*м2 [1].

      3. Отсутствуют динамические взаимосвязи между подсистемами привода на основе поворотных блоков резания и подсистемами подвески и перемещения исполнительных органов, которые имели место при реализации механических участков подсистем привода в виде основных и поворотных редукторов.

      4. Весьма существенно (в большую сторону) отличаются коэффициенты продольной жесткости нового жесткого тягового органа ЭЙКОТРЭК по сравнению с ранее широко используемым для машин прежнего поколения тяговым органом типа 3БСП. Это обусловлено принципиально разным характером взаимодействий звеньев рассматриваемых органов при работе [1]. Значительные структурно-параметрические отличия очистных комбайнов НП как динамических объектов от их предшественников (некоторые примеры приведены выше) существенно влияют на динамические свойства этих машин.

      Основные особенности отличий применительно к III группе следующие. Как показано в работах [2,1], наиболее высоким уровнем мехатронизации обладают сложные горные машины, в т.ч. очистные комбайны НП, степень сложности управления которыми не позволяет обеспечить нормальное функционирование этих объектов без информационно-электронных компонент, синергетически связанных с традиционными (механическими, электротехническими и гидравлическими) структурными элементами. В работе [3] отмечается, что доля электронных и информационных компонент в структуре управления у очистных комбайнов типа РКУ прежнего поколения и у машин типа КДК500 НП оценивается соответственно в 11% и в 41%. Здесь также отмечается, что комбайн КДК500 мехатронного класса содержит около 30 информационно-электронных элементов, объединенных в единую информационную сеть друг с другом и с другими механизмами. Для таких машин НП важнейшими структурными элементами подсистем автоматизации являются преобразователи частоты и комплексы технических средств управления. Преобразователи частоты управляют формированием рациональных искусственных механических характеристик подсистем подачи и могут устанавливаться на штреке (УКД300) или в энергоблоке на самом комбайне (КДК400, КДК500, КДК700). Комплексы технических средств управления комбайнами, располагаемые частично на штреке и частично на самих машинах, применительно к рассматриваемым вопросам (в целом их функциональное назначение шире) выполняют функции регуляторов режимов работы и обеспечения необходимых защит. Современные мехатронные комбайны оснащены средствами контроля технического состояния и диагностики ответственных узлов, снабжены рядом сенсорных устройств в виде датчиков тока, температуры обмоток электродвигателей и масла в редукторах и гидросистеме, расхода и температуры воды для пылеподавления и охлаждения и др.

Литература

  1. Разработка теории функционирования и методов оптимального проектирования для выемочных комбайнов нового поколения: Отчет / Донецк. национальный технический университет; Руководитель П.А. Горбатов; №ГР0106U002278. –Донецк, 2008. -435с.
  2. Горбатов П.А., Косарев В.В., Стадник Н.И. Концептуальная характеристика сложных горных машин как мехатронных систем // Научные труды ДонНТУ. Выпуск 104, серия горно-электромеханическая. –Донецк: ДонНТУ, 2006. –с. 53-61.
  3. Принципы мехатроники при проектировании горных машин / Н.И. Стадник, А.В. Сергеев, А.В. Мезников, В.П. Кондрахин // Материалы международной конференции «Форум горняков – 2007». –Днепропетровск: НГУ, 2007. –с. 7-17.