Однією з реальних передумов до підвищення продуктивності праці є вдосконалення гірничих машин, у тому числі очисних комбайнів, для досягнення більш високих техніко-економічних показників їх роботи.
Стиснені умови вугільних вибоїв вимагають вишукування можливостей підвищення хвилинної продуктивності комбайнів без збільшення габаритів машин. До теперішнього часу визначилися два головних напрямки у вирішенні цієї суперечності:
- підвищення енергоозброєнності комбайнів шляхом збільшення встановленої потужності електродвигунів із збереженням їх розмірів;
- збільшення сталого моменту і реалізованої потужності приводу за рахунок поліпшення режимів роботи органів руйнування і систем подачі машин.
Тенденція до підвищення навантажувальної спроможності електродвигунів існує давно. Нинішній рівень розвитку даного напрямку досяг такого стану, коли при вирішенні завдання збільшення енерговооруженності комбайнів розробники двигунів все гостріше стикаються з технічними труднощами, пов'язаними з пошуком рішень щодо подальшого підвищення силових параметрів електричних машин при обмеженою пропускної здатності протяжних шахтних кабельних мереж.
У зв'язку з цим дуже важливе значення має активізація робіт другого напрямку, що передбачає підвищення навантажувальної спроможності приводу комбайнів за рахунок поліпшення режимів їх роботи.
Перебуваючи на початку технологічного кола вуглевидобування та перебуваючи найбільш навантаженою його ланкою, що піддаються впливу інтенсивних силових збурень, вони не досягають технічно можливої продуктивності внаслідок несприятливих режимів роботи. Одним з основних якісних показників режимів роботи комбайнів є рівень динамічних зусиль в їх вузлах, що знижують стійкий момент (потужність) електродвигунів, а отже, хвилинну продуктивність комбайнів, а також надійність і довговічність обладнання. Найнижчими динамічними показниками характеризується робота комбайнів з гнучким (ланцюговим) тяговим органом, що експлуатуються на більшості шахтопластів галузі, динамічна навантаженість яких у значній мірі визначається нерівномірним (коливальним) характером швидкості їх переміщення вздовж лінії вибою. Високий рівень коливань в системі подання таких машин (з частотою до 3 - 3,5 Гц) створює режим навантаження, який часто призводить до поломки їх вузлів, перекидання електродвигуна або періодичного перевантаження, що змушує експлуатувати комбайни на зниженій швидкості переміщення.
Деякі опубліковані матеріали, які пропонують різні способи вирівнювання миттєвої швидкості переміщення комбайнів з ланцюговим тяговим органом, що підтверджують можливість істотного збільшення навантажувальної здібності машин, але обсяг наявних розробок не дозволяє створити придатні для застосування в промисловості засоби вирівнювання.
Останню обставину можна пояснити наявністю певних труднощів методичного характеру:
- не врахований критерій раціонального режиму подачі очисних комбайнів для пошуку найбільш прийнятного способу вирівнювання швидкості переміщення;
- в існуючих методиках відсутній елемент, що встановлює, до якої межі доцільно знижувати нерівномірність швидкості переміщення, щоб при відносно невисоких вимогах до засобів вирівнювання забезпечувалась робота з максимально можливою продуктивністю і допустимими динамічними навантаженнями;
- в достатній мірі не розроблений підхід, що дозволяє з єдиної позиції обгрунтувати найбільш раціональний принцип побудови засобів вирівнювання, що задовольняють умовам експлуатації комбайнів з вбудованими та винесеними системами подачі
Цим визначається актуальність роботи, мета якої сформульована в її назві і спрямована на підвищення продуктивності комбайнів обох виконань.
Основна ідея роботи полягає в тому, що можна знайти найбільш доцільну ступінь вирівнювання миттєвої швидкості переміщення очисних комбайнів з гнучким тягових органом і найбільш раціональну структуру засобів вирівнювання. Вони дозволять, керуючись мінімальними вимогами до ефективності вирівнювання і не зачіпаючи конструкції комбайнів, забезпечити по всій лінії забою хвилинну продуктивність машин, близьку до технічно можливої.
Видобуток вугілля в шахті [1] складається з кількох взаємозв’язаних головних і допоміжних процесів, послідовність яких являє собою технологічну схему виробних процесів шахти. До головних відносяться процеси очисних робіт, транспортування вантажів в межах виїмкового лану та через магістральні виробітки, а також їх підіймання.
Першим рівнем процесів є виїмкова ділянка, в межах якої виконуються очисні роботи, що охоплюють виїмку корисної копалини, транспортування, кріплення та управління покрівлею, і процеси забезпечення очисних робіт: проведення підготовчих виробітків,транспортування в межах виїмкової ділянки,підтримування виробітків, провітрювання,дегазація, підсушення.
На другому рівні – в магістральних виробітках, навколо стовбурних дворах і стовбурах – здійснюються процеси транспортування, провітрювання, ремонту виробітків, підіймання.
Третім рівнем процесів з’являється поверх шахти. Головними процесами на поверхні шахти є транспортування вугілля та породи, навантажування вугілля у вагони та процеси на складах.
Технологія гірничого виробництва починається з виробничих процесів на першому рівні – в межах виїмкової ділянки.
Руйнування вугілля у процесі виїмки здійснюється механічним способом через виконавчі органи вугільних комбайнів. Процес виїмки охоплює руйнування пласта та навантажування відбитого вугілля на скребковий забойний конвеєр, за допомогою якого здійснюється транспортування вугілля уздовж лави. Стан конвеєра є базою для переміщення комбайна та підтягування секції механізованого кріплення. Скребкові конвеєри мають велику продуктивність (до 1800 т/год.) та можуть довозити вугілля або вниз за падінням пласта (під кутом до 25?) або вгору за повстанням (до 12?).
Сукупність транспортних засобів і пристроїв, розміщених в горизонтальних та похилих виробках, які розташовані в межах виїмкової панелі або виїмкової ланки поверху (крім засобів транспортування вугілля уздовж лави), називають ланковим транспортом. Такими засобами на шахті «Росія», де розроблюються похилі пласти, є стрибкові конвеєри та вагонетки.
При виконанні очисних робіт порушується природна рівновага сил у масиві. Породи, які утратили опору на вугільний пласт, деформуються та руйнуються. Щоб запобігти значних деформацій та обвалювання порід в робочому просторі застосовують кріплення робочого простору очисного забою та управління тиском порід покрівлі за його межами. Технічні вимоги до кріплення – забезпечення необхідних міцності, стійкості та жорсткості, виконання в при забойному просторі усіх виробничих процесів та пропускання через себе розрахункової кількості повітря.
За принциповою схемою конструкції кріплення розподіляються на індивідуальні та механізовані. В перехрестях лав зі штреками застосовуються індивідуальні і механізовані кріплення.
Для підіймання та опускання вантажів, матеріалів і людей шахта обладнана двома підіймальними установками, прийому, технологічної обробки та відправки вугілля, прийому і відвантажування вугілля, опускання і підіймання матеріалів, обладнання та людей, провітрювання підземних виробіток, забезпечення гірничих робіт енергією, для виробничо-побутового обслуговування трудівників.
Технологічна схема очисних робіт при виїмці вугілля наступна (рис. 1). Комплекти кріплення в лаві установлюються в шахматному порядку. Половина секції – випереджаюча, остання половина – відстаюча. Випереджаючі секції з ресорними косолями знаходяться на відстані 0,25…0,3м від забою, а відстаючі, з керованими консолями, відсунуті від конвеєра на величину пересування або захоплення комбайна (0,8м); відстань від керованої консолі до забою 0,7…0,75м. під час виїмки вугілля комбайном за човновою схемою за ним пересуваються відстаючі секції, котрі підхоплюють оголену покрівлю, а випереджаючі секції пересовуються після переміщення забойного конвеєра на ділянці довжиною 12…15м за комбайном.
Комбайн 6 (див. рис. 1) з шнековими виконавчими органами переміщується по рамі забойного конвеєра 8, який приводиться приводною голівкою 10 з асинхронними електродвигунами. Зрушене різцями виконавчих органів вугілля за допомогою шнеків та лемешів навантажується на конвеєр 8, транспортуючий вугілля на конвеєр 11, установлений в відкотному штреку 14. Переміщення комбайну по конвеєру здійснюється за допомогою колібровного корабельного ланцюга, розтягнутого уздовж лави. Кінці ланцюга закріплюються за допомогою вертлюгів до голівок конвеєра 8.
Через відкатний штрек вугілля транспортується до похилої виробітки (бремсбергу), де розташовані протяжні стрічкові конвеєри, що переміщують вугілля в напрямку до шахтного стовбуру. Через вентиляційний штрек здійснюється переміщення людей, транспортування матеріалів і обладнання. На цьому або поверховому штреку розташовується енергетичне обладнання лави: масло станція для підживлення кріплення, трансформаторна підстанція для живлення електроенергією комбайна, забойного конвеєра, освітлення лави, магнітні пускачі.
Лава обладнана механізованим комплексом 1КМ97Д, в склад якого входять:
- очисний комбайн 2К52МУ з шнековими виконавчими органами;
- гідравлічне металеве кріплення М97Д;
- забойний скребковий конвеєр СПМ-87;
- освітлювальна арматура з люмінесцентними лампами РБ-15;
- два електричних свердла для буріння шпурів в забої.
Лава перехрещується з вентиляційним та поверховим штреками. В останньому розміщуються: скребковий конвеєр – перевантажувач (уздовж просіку); помпова масло станція СНУ-5; маневрова лебідка МЕЛД-11,4; комутаційна апаратура – вибухобезпечні магнітні пускачі типу ПМВ (7шт.), фідерний автомат АФВ (1шт.), пусковий агрегат АП (1шт.); участкова трансформаторна підстанція ТКШВ.
Кінематична схема комбайна [2,3] приведена на рис.2. Комбайн складається з трьох зістикованих блоків: 1 – різальна частина; 2 – головний електродвигун; 3 – подаюча частина. Вихідний вал двигуна зв’язаний через зубчасту муфту 4 із зубчастою циліндричною парою 5, що передає обертання зубчастій конічній передачі 6. Остання зв’язана з циліндричною шестірнею 7, яка передає обертання зубчастому колесу 11 через паразитні шестірні 8…10. Зубчасте колесо 11 зв’язане з шестірнею 12, яка передає обертання нижньому шнековому виконавчому органу 16 через паразитні шестірні 13, 14 та зубчасте колесо 15. Від зубчастого колеса 11 обертання також передається верхньому виконавчому органу 17 через шестірні 18…22.
Протилежний вихідний вал двигуна через зубчасту муфту 23 зв’язаний з валом плунжерно-ексцентрикової помпи 24 привода подачі. Помпа через шланги високого тиску (робочий тиск, що утворюється помпою, дорівнює 100 кг с/см2) зв’язана з гідро двигуном подачі 25, вихідний вал якого через зубчасті передачі 26…29 зв’язаний з ведучими зірками 29, 30 ланцюгової передачі.
Посування комбайна уздовж лінії забою здійснюється з допомогою розтягнутого через лаву корабельного зварного ланцюга 34, який огнучує ведучі зірки і пропущений через направляючі струмки 32, 33. Ланцюг закріплюється своїми кінцями на кінцевих голівках забійного конвеєра. Комбайн переміщується з допомогою укріплених під різальною та подаючою частинами чотирьох лиж по рештакам забійного конвеєра.
Положення виконавчих органів 16 і 17 регулюється за висотою з допомогою гідродомкратів, які живляться від допоміжної шестірневої помпи у механізмі подачі (на рисунку не показана), чим забезпечується пристосовуваність комбайна до конкретної потужності пласта. Цьому сприяє виконання передач 12…15 і 19…22 у виді повертаючих редукторів.
Середня швидкість подачі комбайна регулюється в межах 0…6 м/хв. зміною ексцентриситету помпи 24 гідравлічним способом від шестірневої помпи.
Управління комбайна здійснюється важілями гідравлічної системи, пуск електродвигуна – кнопкою, діючою на контактор магнітного пускача ПМВ.
Особливістю усіх типів машин з гнучким тяговим органом є коливальний характер миттєвої швидкості їх подачі, до того ж часто на протязі кожного періоду коливань рух чергується з зупинками. Надзвичайно нерівномірне переміщення властиве високопродуктивним комбайнам з шнековими виконавчими органами.
Коливання швидкості подачі приводять до збільшення нерівномірності сформованого на виконавчих органах комбайнів моменту сил опору та зниження стійкого моменту електродвигуна, а також – хвильної продуктивності машин. Часто цей фактор домінує над іншими причинами, які зумовлюють динамічні навантаження в приводі різання.
Для комбайнів зі шнековими виконавчими органами є характерним змінення швидкості подачі як з частотою власних коливань пружної системи комбайн-тяговий орган, так і з частотою вимушених коливань, зумовлених періодичністю силового впливу на забій виконавчих органів через їх конструктивну неоднорідність, причому одна й та ж машина може діяти в обох цих режимах. Питома вага гармонійної складової залежить від кінематичної нерівнозваженості виконавчих органів, маси комбайну і збільшується зі зростанням середньої швидкості подачі, опірності вугілля різанню, виїмкової потужності пласта та довжини тягового органа. З цього у частотному спектрі функції швидкості подачі високопродуктивних комбайнів взагалі домінує частота, яка кратна швидкості обертання найбільш навантаженого (випереджаючого) виконавчого органа, зокрема, для комбайна 1К101 вона дорівнює 1,3 і 1,7 Гц, для комбайна 2К52МУ-0,7 і 1,3 Гц.
Виникненню та розвитку коливань швидкості та навантаження сприяють:
- негативна залежність сили тертя в опорах комбайна від швидкості подачі;
- нелінійність навантаження виконавчих органів, що зв’язана з часовим запізненням при формуванні миттєвої товщини зрізу різальним інструментом;
- резонансні та випадкові явища, які обумовлені нерівномірністю вугільного різання.
Хвилинна продуктивність комбайнів визначається питомими витратами енергії на відділення та вивантаження вугілля (умовами за зарублюваністю), з одного боку, і стійким моментом (реалізованою потужністю), з другого [5,6]. Стійкий момент в значному ступені залежить від низькочастотної складової навантаження виконавчих органів: з її зменшенням він підвищується. Це дозволяє при одних й тих же умовах за зарублюваністю збільшити робочі швидкості подачі комбайна і, тим самим, підвищити його хвилинну продуктивність.
Нерівномірність швидкості подачі комбайна викликає змінення параметрів зруйнування та робочої геометрії ріжучого інструменту, зокрема – змінення товщини зрізу, що знімається кожним різцем виконавчого органа [7], за даними [8], в силу запроваджених у виконавчі органи конструктивно нерівномірних схем набору ріжучого інструменту, кількість різців, що одночасно знаходяться у контакті з забоєм, змінюється в залежності від кута повернення штека, що приводить до змінення сумарної товщини зрізу та виникнення силового оббурювання. Це визначає в основному вимушений характер коливань швидкості подачі з частотою, кратною частоті обертання випереджаючого штека та зумовлює практично незмінну товщину зрізу на самітному зрізі; за даними [9], відносне відхилення (від середнього значення) товщини зрізу (комбайн 1К101) складає 0,01. Отже, дисперсія низькочастотної складової моменту сил опору від змінення товщини зрізу в функції швидкості подачі незначна. В той же час величина зусилля на заданій грані різця при інших рівних умовах визначається розміром площинки контакту його з вугіллям, зумовленим значенням дійсного кута, який залежить від швидкості подачі комбайна [7].
Чинний привід подачі - гідравлічний по системі гідродвигун - насос.
Удосконалення приводу - додавання автоматичної системи регулювання швидкості гідродвигуна від давача прискорення для погашення коливань швидкості подачі. Принципова схема гідроприводу з давачем прискорення наведена на рис.3
1. Встановлено, що одним з важливих напрямків підвищення продуктивності гірських машин, що дає значний народногосподарський ефект, є розробка раціональних способів і засобів комбайнів з гнучким тяговим органом, що відносяться до масового очисного обладнання галузі.
2. Виявлено асимптотичний характер залежності хвилинної продуктивності комбайнів від ефективності вирівнювання швидкості переміщення, в силу якого найбільш істотне зростання продуктивності (до 80% можливого) лежить в області відносно невеликих значень (до 3-5) коефіцієнта вирівнювання. Нова закономірність дозволяє обмежитися невисокими вимогами при розробці та створенні засобів вирівнювання і одночасно реалізувати корисну властивість упругого демпфування тяговим органом залишкових (детермінованих) навантажень у приводі різання. З її допомогою визначений критерій раціонального режиму подачі, що встановлює найбільш доцільну по досягненому ефекту ступінь зниження нерівномірності швидкості переміщення і регламентує рівень динамічності режиму зі значеннями коефіцієнта варіації швидкості переміщення 0,3 - 0,5 і частоти коливань не більше 3 - 3,5 Гц.
3. Доведено, що з усіх можливих способів вирівнювання швидкості переміщення гірських машин встановленим критерієм у максимальній мірі задовольняє спосіб в’язкого демпфування коливань, прийнятним засобом реалізації якого є керований малоінерціонний гідропривід, який взаємодіє з гнучким тяговим органом комбайна щодо прискорення його руху.