ВВЕДЕНИЕ

      Одной из основных причин заметного спада добычи угля в Украине является неоправданно широкое применение устаревшей горной техники, и прежде всего очистной, освоенной серийным производством 25-35 лет назад (на целом ряде шахт используется широкозахватная техника полувековой давности разработки).

      За последнее время на шахтах Украины в среднем за год происходит более 250 тысяч аварий и отказов, из-за которых простои очистных и проходческих забоев, составляют более 1 млн. часов и ежегодные потери добычи угля – более 15 млн. т.

      На сегодняшний день поднять угледобычу в Украине на новый уровень можно, лишь осуществив техническое перевооружение отрасли оборудованием, которое в 2-3 раза превышает ресурс, надежность и производительность заменяемого. Новое очистное оборудование должно стабильно работать в сложных горно-геологических условиях украинских шахт. Кроме того, интенсификация производства при концентрации горных работ возможна только при комплексной механизации всех технологических процессов, включая вспомогательные; исключения больших объемов ручных работ при обязательном обеспечении безопасных, соответсвующих санитарным нормам, условий труда обслуживающего персонала. Такой принципиальный подход к созданию горно-шахтного оборудования организован в промышленно развитых странах. Такое оборудование уже создано и в Украине.

      За последние 5 лет украинскими машзаводами освоены в производстве все базовые виды очистного оборудования, отвечающего современным требованиям о производительности, безопасности, эргономике, надежности, расчетный ресурс которого составляет 15-40 тыс. часов, т.е. как минимум в 3 раза выше, чем у заменяемых аналогов. За счет концентрации научного, конструкторского и производственного потенциала удалось в кратчайшие сроки освоить выпуск высокопроизводительных очистных комбайнов УКД200, УКДЗ, УКД300, КДК500 и КДК700 для диапазона пластов от 0,85 м до 4,2 м и производительностью от 10 до 24 т/минуту.

      Конструктивные решения, технические характеристики и параметры нового поколения очистной техники максимально соответствуют ее комплексному применению в условиях украинских шахт.

      Анализ конструктивных особенностей очистных комбайнов, предназначенных для выемки тонких пластов, свидетельствует о том, что подавляющее количество современных отечественных и зарубежных машин оснащается шнековыми исполнительными органами, а их корпус смещен относительно рештачного става забойного конвейера и располагается в уступе забоя. Такая компоновочная схема очистного комбайна, обеспечивая вписываемость его в тонкий пласт, уже изначально является проблемной с позиции сохранения устойчивого положения корпуса машины в поперечной плоскости, так как эффективность функционирования очистного комбайна прямо зависит от способности сохранять заданное положение в пространстве забоя при работе. Даже в статике при неработающем комбайне центр масс машины в поперечной плоскости, как правило, смещен ближе к забою и располагается вне ее опорного контура, вследствие чего в завальных опорах формируются отрицательные реакции (работа на отрыв).

      Внешние нагрузки, формирующиеся на исполнительных органах комбайна при его работе, могут существенно усугубить эту картину и он может потерять устойчивое положение, выражающееся в опрокидывании (повороте) корпуса машины на забой. При определенной (критической) величине такого поворота будет нарушено нормальное функционирование как самого очистного комбайна, так и сопряженного с ним оборудования (прежде всего забойного конвейера и механизированной крепи).

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОЙ МЕТОДИКИ

      Фактор сохранения устойчивого положения корпуса комбайна в поперечной плоскости для машин рассматриваемого типа может выступать в качестве ограничивающего момента при выборе их рационального режима работы, а в отдельных случаях даже может определять их работоспособность вообще. Поэтому целесообразно, что уже на стадии создания нового комбайна конструктор должен иметь возможность хотя бы на уровне инженерной методики оценивать устойчивость проектируемой машины.

Рис.1 Процесс потери устойчивости очистного комбайна со смещенным в забой корпусом

      На рисунке 1 схематично показан процесс потери устойчивости очистного комбайна. В статическом положении корпус комбайна неподвижен. В процессе работы может происходить наклон комбайна в сторону забоя, а затем и отрыв нескольких рештаков конвейера от почвы.

      Указанная методика должна включать в себя следующие основные пункты:
      1. Выбор критерия устойчивого положения комбайна.
      2. Разработка соответствующей расчетной схемы с конкретизацией принимаемых допущений.
      3. Составление алгоритма расчета.
      4. Имитационное моделирование (вычислительный эксперимент) положения корпуса комбайна в поперечной плоскости в процессе его функционирования.

      В ряде работ, посвященных исследованию устойчивости очистных комбайнов рассматриваемого типа, в качестве критерия устойчивости используется угол поворота корпуса комбайна в поперечной плоскости α. При этом устойчивое положение комбайна сохраняется, если выполняется условие α≤α_д, где α_д – допустимый (предельный) угол поворота корпуса комбайна в поперечной плоскости, определяемый возможностью вписываемости комбайна в заданный минимальный пласт при наличии механизированной крепи, приемлемой величиной заглубления его исполнительных органов в почву пласта и т. д. Данный критерий устойчивости вполне может быть использован и в предлагаемой методике.

      Основываясь на результатах ранее выполненных работ по исследованию устойчивости очистных комбайнов [1,2,3], а также учитывая инженерный уровень предлагаемой методики, при разработке расчетной схемы будем исходить из следующих основных допущений:
      - рассматриваемая задача решается в статическом виде. При этом к абсолютно жесткому корпусу комбайна прикладываются в соответствующих точках сосредоточенные силы, обусловленные весом машины и приподнимаемого рештачного става забойного конвейера, а также внешние силы, обусловленные процессом разрушения угольного пласта любого строения и погрузкой разрушенной горной массы;
     - внешние силы задаются в функции углов поворота исполнительных органов комбайна, причем последние изменяются дискретно с заданным шагом. При этом численные значения соответствующих усилий резания определяются на каждом исполнительном органе комбайна согласно [4], а результирующее значение усилия погрузки прикладывается в центре площади окна выгрузки только опережающего шнека (осуществляющего погрузку основной массы угля) и в первом приближении определяются на основании экспериментально установленных соотношений между мощностью на резание и погрузку угля для шнеков малого диаметра [1,5];
      - возможное стабилизирующее воздействие на корпус комбайна со стороны цепного тягового органа вынесенной системы подачи и штыбовой подушки, образующейся под днищем машины, не учитывается и относится в запас устойчивости.

2. ОПИСАНИЕ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ

      Расчетная схема, на основании которой с учетом оговоренных допущений может быть составлен алгоритм расчета угла поворота в поперечной плоскости очистного комбайна типа УКД 200 (для приведенного варианта опережающий шнек располагается у почвы пласта) представлена на рисунке 1. На указанной схеме приняты следующие обозначения: ОXYZ – неподвижная прямоугольная система координат; α – угол поворота корпуса комбайна; α_ор – угол поворота опорных рештаков (располагающихся между завальными опорами комбайна) забойного конвейера; Gк, Gр – сила тяжести соответственно комбайна и одного загруженного углем рештака с его навесным оборудованием; Ra, Rc, R'a, R'c – соответствующие проекции равнодействующих усилий резания, формирующихся на опережающем и отстающем исполнительных органах комбайна; Fo, Ft – осевая и тангенциальная составляющие результирующего усилия погрузки; λ – угол, определяющий точку приложения результирующего усилия погрузки на лопасти опережающего шнека.

Рис.2 Расчетная схема для определения угла поворота в поперечной плоскости очистного комбайна типа УКД 200.

3. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА

        Алгоритм расчета угла поворота корпуса комбайна в поперечной плоскости целесообразно организовать по следующей схеме:
      1. Исходя из области применения комбайна устанавливаются конкретные горно-геологические условия, с учетом которых задается схема расположения исполнительных органов по мощности пласта и среднее значение скорости подачи.
      2. Принудительно реализуется ступенчатый поворот корпуса комбайна в поперечной плоскости с шагом ∆α (начальное положение соответствует α = 0^o ). При этом для каждого дискретного значения α моделируется процесс разрушения угольного массива и погрузки разрушенной горной массы и с учетом полученных значений внешних возмущающих сил в заданной системе координат OXYZ определяются величины опрокидывающего Мо и восстанавливающего Мв моментов.
      3. На основании сравнения величин Мо и Мв (с учетом их знака) делается логический вывод: а) - комбайн находится в устойчивом положении (Мв + Мо ≥ 0); б) - комбайн находится в неустойчивом положении (Мв + Мо < 0).
      4. Вывод б) требует рассмотрения следующего положения корпуса комбайна при α_i+1. Если условие (Мв + Мо ≥ 0) не будет выполнено и при повороте корпуса комбайна на предельно допустимый угол α_д, то при заданных горно-геологических и режимных параметрах положение комбайна считается неустойчивым.

    

Рис.3 Алгоритм расчета угла поворота корпуса комбайна

      Выражения для определения Мо и Мв сравнительно просто могут быть получены на основании расчетной схемы, а алгоритм нахождения осевой и тангенциальной составляющих результирующего усилия погрузки требует более подробной детализации.

       Выше оговоренное допущение относительно нахождения результирующего усилия погрузки математически может быть интерпретировано в следующем виде:

^{; ,}

       где k_п – коэффициент, характеризующий соотношение между затратами мощности приводного электродвигателя на погрузку и резание;
       Мкр – суммарное (на опережающем и отстающем шнеках) значение крутящего момента, обусловленного разрушением угольного массива;
      Rc – средний радиус шнека;
      φ – угол подъема погрузочной лопасти шнека на радиусе Rc.

      Численное значение угла λ, определяющего точку приложения результирующего усилия погрузки на лопасти опережающего шнека, может быть получено из следующего выражения:

^,

       где z_оп, z_рп – координаты соответственно оси вращения опережающего шнека и точки приложения результирующего усилия погрузки в системе координат OXYZ.

       Следует заметить, что величина восстанавливающего момента существенно зависит от количества одновременно приподнимаемых рештаков n_р забойного конвейера. Исходя из наличия достаточно больших зазоров в узлах сочленения рештачного става и связанного с ним навесного оборудования можно предположить, что зависимость n_р=f(α) будет иметь явно выраженный нелинейный или даже скачкообразный характер. Для нахождения хотя бы приближенной количественной оценки этой зависимости необходимо детально рассмотреть картину формирования вероятностных зазоров в указанных соединительных узлах используемого конкретного забойного конвейера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

       На основании выше изложенного можно сделать следующие выводы. При дальнейшем совершенствовании машины целесообразно стремиться к таким конструктивным изменениям, которые позволили бы сместить центр масс комбайна в направлении завальной стороны.

       Для оперативного получения результатов при оценке устойчивости очистных комбайнов рассматриваемого типа при проведения большого количества повторяющихся вычислений в рамках предлагаемой методики целесообразно использовать программу на одном из основных языков программирования.

       Рассмотренные в работе расчетная схема и методика могут быть использованы для оценки устойчивости очистных комбайнов со смещенным в забой корпусом. В тоже время результаты расчетного моделирования позволяют более рационально устанавливать режимы работы комбайна.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

      1. Григорьян Б.Р. Обоснование рациональных параметров системы комбайн – конвейер, обеспечивающих устойчивость выемочных машин со смещенным в забой корпусом: Автореф. дис. … канд. Техн. Наук. – М., 1980. – 32 с.
      2. Исследование устойчивости очистного комбайна УКД в составе комплекса 1МКД-80 /Горбатов П.А., Лысенко Н.М., Марченко И.Н., Сердюк Ю.В. Уголь Украины – 1995.- № 8.- С.49-51.
      3. Бойко Н.Г. Теория устойчивости очистного комбайна со смещенным с конвейера корпусом // Разработка месторождений полезных ископаемых .- К. : Техніка, 1985.- Вып. 70.- С. 3 – 10.
      4. КД12.10.040-99. Изделия угольного машиностроения. Комбайны очистные. Методика выбора параметров и расчета сил резания и подачи на исполнительных органах (взамен ОСТ12.44.258-84). Введен с 01.01.2000.- Донецк: Минуглепром Украины, 1999.- 75с.
      5. Бойко Н.Г. Погрузочная способность удлиненных шнеков очистных комбайнов для тонких пластов // Изв. вузов. Горн. журн.- 1982.- №9.- С. 76-80.

К началу страницы

© 2004 Косарев А.В.
© 2004 ДонНТУ