Природа динамических процессов при работе очистных и проходческих комбайнов
В соответствии с общепринятой классификацией колебательных систем и процессов очистной или проходческий комбайн при выполнении рабочего процесса представляет собой автономную систему с конечным числом степеней свободы, определяющих динамическое состояние системы комбайн-забой в любой фиксированный момент времени. Особенность таких систем — возможность самовозбуждения и поддержания в них колебаний за счет внутреннего источника энергии неколебательной природы, например двигателя, причем поступление энергии регулируется движением самого комбайна, осуществляющего рабочий процесс отделения и выгрузки полезного ископаемого (породы). Параметры установившихся автоколебаний в значительной степени определяются нелинейными свойствами системы. Наиболее существенные из них в системе комбайн-забой — это нелинейная кинетическая характеристика трения опор комбайна по направляющим конвейера и нелинейность резко переменных сил сопротивления, формирующихся на рабочих инструментах исполнительных органов, взаимодействующих с горным массивом со случайными характеристиками разрушаемости.
Нелинейная зависимость силы трения в опорах комбайна от скорости обусловливает, как правило, возникновение автоколебаний в системе его подачи. Поэтому комбайн перемещается неравномерно (с остановками), что является одной из причин периодического изменения суммарной толщины среза резцами исполнительного органа. Непостоянство сил сопротивления на исполнительном и тяговом органах и наличие упругих связей в составе силовых систем комбайна служат причинами формирования в системе сложных динамических процессов. Особенность этих процессов — взаимосвязь между параметрами стружкообразования и соответствующими им силами, которые условно можно назвать внешними, и параметрами колебательных процессов в автономной системе комбайн-забой. Колебания силовых систем комбайна и обусловленные ими динамические нагрузки, в свою очередь, зависят от спектра сил сопротивления на исполнительных органах, динамических параметров силовых систем и их взаимодействия между собой и с внешней средой — органа с разрушаемым горным массивом, а двигателя — с сетью электроснабжения.
Как показывают результаты исследований, в спектре сил сопротивления на исполнительных органах горных комбайнов кроме низкочастотных (1—3 Гц) составляющих, обусловленных автоколебательным характером перемещения комбайнов, содержатся практически детерминированные компоненты, отражающие силовую неуравновешенность исполнительного органа (степень его конструктивного несовершенства), проявляющуюся с частотой его вращения, а также колебательные составляющие, частота которых практически совпадает с частотой собственных крутильных колебаний механической части системы привода исполнительного органа. Это свидетельствует о том, что крутильные колебания на собственных частотах редукторных групп и обусловленные ими динамические нагрузки в приводах исполнительных органов очистных и проходческих комбайнов являются также результатом автоколебательных явлений.
Кроме автоколебаний и детерминированных колебаний, которые можно рассматривать как вынужденные, в силовых системах комбайнов возможны колебания, возбуждаемые внутренними источниками энергии (например, приводными двигателями), а также параметрические колебания вследствие периодических изменений тех или иных параметров динамических систем. К их числу можно отнести периодические изменения жесткости зубчатых передач при смене однопарного зацепления двухпарным, периодические удары в зацеплениях из-за неточностей их изготовления и монтажа и др. Если частоты внутренних возмущений совпадут или окажутся близкими собственным частотам, то в системе возможны и резонансные явления.
Таким образом, в общем случае динамические процессы и сопутствующие им динамические нагрузки в силовых системах комбайнов являются результатом взаимодействия рабочего процесса в системе комбайн — забой с колебаниями в самом комбайне и в значительной степени определяются его динамическими свойствами. Зная закономерности формирования динамических нагрузок и управления динамическими свойствами комбайна, можно на стадии проектирования обосновать его рациональные динамические параметры и структуру, обеспечивающие минимальную динамическую нагруженность наиболее ответственных и тяжело нагруженных элементов силовых систем.
Повышение надежности горных комбайнов может быть обеспечено оптимизацией их динамических свойств и снижением динамических нагрузок, так как повышенная динамическая нагруженность, характерная для эксплуатирующихся в тяжелых условиях высокоэнерговооруженных комбайнов, является одной из основных причин недостаточной их надежности. Так, например, крутильные и сопутствующие им изгибные колебания тяжело нагруженных редукторов привода исполнительных органов обусловливают формирование динамических нагрузок, ведущих к снижению надежности валов, зубчатых колес, подшипников и корпусных деталей.
Высокие коэффициенты вариации крутящего момента (0,35— 0,65) и циклические свойства динамических нагрузок обусловливают ускорение накопления усталостных повреждений, интенсификацию износа и повышение вероятности отказов. Особенно заметно возрастают число и частота отказов элементов силовых систем очистных комбайнов, осуществляющих выемку пластов угля с крепкими включениями, породными прослойками, с присечкой боковых пород. Это обусловлено ростом амплитуд колебаний и максимальных значений экстренных нагрузок, которые могут превысить уровень несущей способности отдельных элементов комбайнов.
Автоколебательные явления на собственных частотах силовых систем и сопутствующие им динамические нагрузки формируются также в системе подвески исполнительного органа и в системе корпусной группы очистных комбайнов. Динамические нагрузки, формирующиеся в СПРО, снижают надежность гидродомкрата подъема исполнительного органа, узлов шарнирного соединения корпусов поворотного и основного редукторов между собой и с гидродомкратом. Динамическая нагруженность СКГ отрицательно сказывается на надежности фланцевых соединений сборочных единиц, гидродомкратов регулируемых опор и других элементов опорно-направляющих устройств очистных комбайнов. Автоколебания в системе подачи очистного комбайна и присущая автономным системам замкнутость через забой обусловливают пульсацию нагрузок с частотой колебаний скорости перемещения комбайна не только в СМП, но и в других силовых системах. Циклические нагрузки тягового органа, редуктора механизма подачи и гидросистемы насос-гидромотор снижают усталостную прочность указанных элементов. При лимитированных габаритах очистных комбайнов возможности повышения несущей способности и усталостной прочности тяжело нагруженных элементов силовых систем за счет увеличения размеров деталей и применения более прочных материалов в значительной степени ограничены. Поэтому важным резервом повышения надежности очистных комбайнов является оптимизация их динамических свойств с целью минимизации динамической нагруженности, что требует проведения на стадии проектирования анализа и синтеза силовых систем с рациональными параметрами и структурой при заданных показателях разрушаемости угольных пластов. Как показали исследования ДПИ, применительно к очистным комбайнам с цепным тяговым органом автономную систему комбайн-забой, низкочастотные процессы в которой определяются в основном детерминированными составляющими и синхронизированными ими автоколебаниями в системе подачи, можно заменить незамкнутой динамической системой. Математической моделью комбайна в этом случае может служить система дифференциальных уравнений, описывающих динамическое состояние комбайна, к исполнительным органам которого приложена внешняя нагрузка в виде результирующих векторов, модули которых изменяются во времени и содержат случайную составляющую с корреляционной функцией экспоненциального типа и детерминированную компоненту, изменяющуюся с частотой синхронизированных автоколебаний в системе подачи. Такая модель очистного комбайна позволяет на стадии проектирования устанавливать связи между уровнем динамической нагруженности силовых систем, их структурой и параметрами с учетом спектрального состава внешней нагрузки и взаимодействия силовых систем, что дает возможность на основе проведенных анализа и синтеза обосновать рациональные структуры и параметры, т. е. решить задачу комплексной оптимизации динамических свойств комбайнов.
Решению задачи комплексной оптимизации динамических свойств очистных комбайнов должно предшествовать исследование динамических свойств отдельных силовых систем и определение их динамических параметров, поскольку такие исследования позволяют прогнозировать эффективность применения средств снижения динамической нагруженности, встраиваемых в рассматриваемую силовую систему.