Семенченко А. К., Шабаев
О. Е., Семенченко Д. А., Хиценко
Н. В. (Донецкий национальный технический университет)
Каталог-справочник «Горная Техника – 2005»
Эффективность работы горно-добывающей промышленности, являющейся основной сырьевой и энергетической базой для всех отраслей народного хозяйства, определяется техническим уровнем средств механизации и автоматизации технологических процессов добычи. В условиях рыночных экономических отношений, основными требованиями для горно-шахтного оборудования становятся: повышение эффективности и безопасности эксплуатации, снижение металлоемкости машины и энергоемкости разрушения горной массы, уменьшение экологической вредности горных работ.
В настоящее время развитие добычи угля в Украине, характеризуется постоянным ростом нагрузки на добычной забой. По данным [1,2] общее количество лав в Украине за период с 1995 до 2001 года уменьшилось с 865 до 430, а средняя скорость их снижения составила 70 забоев в год. За этот же период также сократилось число комплексно механизированных забоев – с 463 до 252, то есть почти в два раза. При этом объем добычи на них возрос, достигнув в 2000 году 61,3 млн т., что составило более 75% от общего объема добычи (80,3 млн т). В этом же году из 33 очистных забоев, оснащенных комплексами типа МКД90, было добыто более 15,4 млн т. Отечественные механизированные очистные комплексы нового технического уровня обеспечивают возможность роста нагрузки на лаву до двух и более тысяч тонн в сутки [3,4].
По данным института «Донгипроуглемаш» [4], основным фактором, в наибольшей степени сдерживающим рост нагрузки на современные добычные комплексы, является отставание в подготовке нового фронта очистных работ.
Основными способами проведения подготовительных выработок являются буровзрывной и комбайновый. Уровень механизации основных технологических операций по проведению подготовительных выработок (разрушение горного массива и погрузка горной массы) на угольных шахтах Украины составляет 80 – 85%.
Основными технологическими операциями при комбайновом способе прохождения горных выработок являются:
Из четырех вышеперечисленных технологических операций уровень механизации и трудозатраты первых трех в значительной степени определяются конструкцией и структурой проходческого комбайна. Эти же технологические операции также в значительной степени определяют темпы проходки и затраты на прохождение выработок.
Способность комбайна обеспечить совмещение этих операций во времени позволяет значительно сократить длительность рабочего цикла прохождения выработки, а возможность прохождения выработок с высоким качеством боковых поверхностей и почвы – значительно повысить эффективность его работы за счет снижения объема разрушаемой массы и значительного сокращения объема забутовки. Весьма существенное влияние на эффективность работы комбайна в целом оказывает тип исполнительного органа.
Поэтому в настоящей работе основной упор при анализе проходческих комбайнов был сделан на эффективность исполнительного органа (ИО).
Анализируя существующие конструкции комбайнов, следует сказать, что уровень механизации процессов отделения пород от массива и удаления отделенной массы из забоя обеспечивается этими комбайнами на высоком уровне и с достаточно высокой производительностью.
В настоящее время в мировой угольной промышленности и в родственных горных отраслях эксплуатируется значительное количество проходческих комбайнов [5, 6]. Все их многообразие может быть разделено на две большие группы: со стреловидным и буровым исполнительными органами. Проходческие комбайны первой группы предполагают последовательный характер обработки забоя, тогда как при использовании роторного исполнительного органа подготовительный забой обрабатывается одновременно по всей поверхности. Первая группа комбайнов является более многочисленной и содержит комбайны самых различных конструкций с обширным диапазоном габаритов, масс, энерговооруженности и т.д. Так, среди этих машин можно встретить как комбайны с массой 9 т и установленной мощностью 60 кВт (F6Н, Венгрия), так и с массой 110 т и установленной мощностью 300 кВт (Е-200 Германия).
Структурно-компоновочная схема проходческого комбайна с буровым исполнительным органом представлена на рис. 1.
|
Рис. 1. Роторный проходческий комбайн.
|
Буровые исполнительные органы производят одновременную обработку всего сечения проходческого забоя. По кинематике движения режущего инструмента выделяют следующие варианты их конструкции:
Наиболее широкое распространение среди буровых исполнительных органов получили органы роторного типа.
В целом проходческие комбайны буровым ИО нашли весьма ограниченное применение на шахтах Донбасса по причине следующих недостатков:
Применение проходческих комбайнов избирательного действия по горно-геологическим и горно-техническим< условиям возможно в 60–65% проходческих забоев. Вместе с тем до настоящего времени уровень механизации проведения горных выработок комбайновым способом составляет всего 30–35%. Малые фактические объемы проведения выработок проходческими комбайнами вызваны следующими причинами:
При всем разнообразии выпускаемых в мировой практике проходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом в их конструкциях очень много общих элементов. По сути дела, структурно-компоновочная схема рассматриваемого класса машин (см. рис. 2) имеет практически один и тот же состав для большинства моделей (см. рис. 2).
|
Рис. 2.
|
Кроме вышеперечисленных элементов в состав комбайнов могут входить пылеподавляющие устройства, средства автоматизации управления и другие. Анализ показывает, что различия между рассмотренными функциональными элементами различных комбайнов заключаются лишь в их конструктивном исполнении.
В течение ряда лет организации и фирмы, специализирующиеся на проектировании и выпуске проходческих комбайнов избирательного действия, накапливали и систематизировали требования, предъявляемые к данной технике [7, 8]. В целом к проходческим комбайнам избирательного действия выдвигаются следующие требования:
Дополнительно ставятся специальные требования к отдельным конструктивным узлам комбайнов:
К вспомогательным устройствам комбайнов избирательного действия предъявляются следующие требования:
Проходческие комбайны со стреловидным ИО осуществляют последовательную обработку забоя режущей коронкой. В зависимости от типа коронки различают ИО: с продольно-осевой (радиальной) коронкой; с поперечно-осевой (аксиальной) коронкой.
Схема обработки поверхности выработки исполнительным органом с продольно-осевой коронкой показана на рис. 3. Продольно-осевая коронка 1 имеет ось вращения, соосную со стрелой комбайна 2. С помощью этой коронки можно обеспечить довольно ровный (по сравнению с аксиальной коронкой) профиль выработки. Такой исполнительный орган в принципе может с одной позиции создавать приемлемый пространственный рельеф боковых поверхностей выработки, если коронка и центр поворота стрелы соответствуют профилю выработки. Но это условие выполнимо только в идеальном случае – если сечение выработки представляет собой окружность постоянного радиуса, согласованного с конусностью коронки, а центры качания в горизонтальной и вертикальной плоскостях совпадают с центром окружности. В действительности форма сечения выработки далека от круглой, площадь проводимой выработки изменяется в довольно широком диапазоне, а центры качания в горизонтальной и вертикальной плоскостях не удается совместить конструктивно. Поэтому конусность коронки подбирается, как правило, исходя из условия обеспечения ровной поверхности почвы выработки. Естественно, при этом возникают переборы породы при обработке кровли и боковых поверхностей выработки (рис.3), поскольку размеры и форма выработок могут быть самыми различными.
|
Рис. 3. Схема обработки поверхности выработки исполнительным органом с продольно-осевой коронкой |
Схемы обработки забоя стреловидным ИО с продольно-осевой коронкой показаны на рис. 4.
Обработка забоя горизонтальными слоями (рис. 4а) предпочтительнее с точки зрения равномерности поступления горной массы по фронту погрузки, однако при разрушении крепких пород на продольно-осевую коронку действует значительная внешняя нагрузка, при этом основная компонента главного вектора внешней нагрузки направлена противоположно направлению подачи коронки, вследствие чего принимается обработка забоя вертикальными слоями (рис. 4б) как наилучшая с точки зрения устойчивости проходческого комбайна. Действительно, применение аутриггеров и использование носка питателя для удлинения базы по ряду обстоятельств удобнее, чем применение боковых распорных устройств.
|
Рис. 4. Схемы обработки забоя стреловидным ИО с
продольно-осевой коронкой:
|
Работа комбайна по каждой из этих схем обуславливает два режима работы продольно-осевой коронки – режим попутного фрезерования (рис. 5а) и режим встречного фрезерования (рис. 5б). В первом режиме резец входит в контакт с горным массивом с нулевой толщиной стружки. При встречном фрезеровании момент входа резца в контакт с горным массивом характеризуется наличием значительной по величине толщины стружки, что сопровождается дополнительными динамическими нагрузками. Практика показывает, что при очень крепких породах работа коронок в режиме встречного фрезерования практически невозможна из-за высокой динамической нагруженности комбайна.
|
Рис. 5. Режимы работы продольно-осевой коронки:
|
Таким образом, существенными недостатками ИО с продольно-осевой коронкой являются: низкое качество поверхности и профиля выработки, а также возможность высоких динамических нагрузок.
Стреловидные ИО с поперечно-осевой коронкой (рис. 6) имеют коронку 1, ось которой находится в горизонтальной плоскости и перпендикулярна продольной оси стрелы 2.
|
Рис. 6. Схема обработки поверхности выработки исполнительным органом с поперечно-осевой коронкой |
Схема обработки забоя таким ИО (рис. 6) предусматривает следующий порядок действий. Сначала производится вруб в нижней части сечения выработки на глубину Н, кратную вылету коронки относительно корпуса редуктора. Вруб осуществляется двумя-тремя переменными перемещениями коронки вдоль оси стрелы с боковым сдвигом между перемещениями. Затем подачей стрелы в горизонтальной плоскости создается рассечка у основания забоя глубиной Н. Далее следуют попеременные перемещения коронок в направлении снизу вверх на величину 60–150 мм в зависимости от конструкции коронки и в горизонтальной плоскости.
На рис. 7 приведена схема последовательной обработки забоя и технологические режимы работы аксиальной коронки (сферической формы), которыми оснащены проходческие комбайны типа П110, П220. Анализ этой схемы показывает, что полный цикл обработки забоя арочной формы включает значительное количество последовательных операций: фронтальная зарубка; вертикальная зарубка; боковой рез. Возможна также схема обработки забоя вертикальными полосами.
|
Рис. 7. Типовая схема последовательной обработки забоя (а)
|
Анализ процессов зарубки исполнительного органа показывает, что эти процессы могут быть реализованы путем:
Таким образом, основными режимами зарубки являются: фронтальная, вертикальная зарубка вверх и вертикальная зарубка вниз.
Процесс зарубки характеризуется изменением сечения обрабатываемого забоя от нуля до максимальной величины (определяемой возможной глубиной зарубки и профилем коронки), серповидной формой среза на резцах, изменяющейся в соответствии с количеством и радиусом установки резцов, контактирующих с массивом. Эти режимы сопровождаются одновременным фрезерованием поверхности забоя внутренними и внешними поверхностями двух коронок. Поэтому размеры коронок и их форма в значительной мере определяют величину максимально обрабатываемого сечения в этих режимах.
При подъеме и опускании коронки (рез вверх и рез вниз) процесс разрушения массива характеризуется работой двух коронок, серповидной формой среза резцами с изменяющимся углом охвата. Характер изменения угла охвата на резцах определяется величиной зарубки исполнительного органа и формой поверхности забоя, образованной в предыдущем цикле его обработки.
Процесс бокового реза также характеризуется изменением сечения обрабатываемой поверхности при резании. В этом резе можно выделить следующие режимы (рис. 7б):
Особенностью последнего режима бокового реза является то, что минимальный радиус установки резцов, контактирующих с забоем, уменьшается и может достигать малых величин. Это обуславливает существенные кинематические изменения углов резцов и обрабатываемого сечения, как видно из рис. 7б.
Очевидно, что ввиду конструктивных особенностей стреловидного ИО с поперечно-осевой коронкой качество обработки забоя хуже, чем при работе ИО с продольно-осевой коронкой, наблюдается характерная волнистость профиля продольного сечения выработки (рис. 6).
Следует отметить, что ИО с поперечно-осевой коронкой предпочтительнее с точки зрения обеспечения устойчивости проходческого комбайна, чем ИО с продольно-осевой коронкой, так как усилие поворота, которое необходимо приложить к стреле для ее перемещения, в первом случае значительно меньше, чем во втором. Это вызвано тем, что при горизонтальной подаче поперечно-осевой коронки на усилие поворота оказывают влияние только силы подачи на резцах, но не силы резания, которые расположены в плоскостях, перпендикулярных направлению подачи.
Итак, ИО с поперечно-осевой коронкой присуще следующее основное преимущество по сравнению с ИО с продольно-осевой коронкой – более благоприятный с точки зрения обеспечения устойчивости комбайна вектор внешней нагрузки на исполнительный орган вследствие нахождения векторов сил резания в плоскостях, перпендикулярных направлению подачи коронки.
Вместе с тем, следует отметить и недостатки ИО этого типа:
Таким образом, для обоих типов корончатых исполнительных органов основными недостатками являются: низкое качество поверхности и точности контура выработки, что отрицательно сказывается на возможности механизации процесса крепления.
Одним из основных узлов проходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом является механизм подачи (система подвески), обеспечивающий угловые перемещения исполнительного органа как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Как показывает анализ, конструкции механизмов подачи в своем большинстве являются во многом аналогичными и представляют собой опорно-поворотное устройство, установленное на вертикальном валу и снабженное гидроцилиндрами, при помощи которых осуществляются необходимые операции по перемещению стрелы комбайна.
Необходимо отметить, что исполнительный орган представляется в виде консольной балки, к свободному концу которой в месте установки коронки приложена реактивная сила со стороны обрабатываемого забоя. Под действием последней консоль, а также остальные элементы подвески претерпевают деформации, которые приводят в конечном итоге к перемещению точки приложения реактивной силы относительно забоя. Учитывая, что величина упругих перемещений коронки должна быть, по крайней мере, на порядок меньше линейных параметров резания породы резцом (шага резания и толщины среза), при проектировании проходческих комбайнов стремятся к повышению жесткости системы подвески.
Несмотря на предлагаемые решения, в процессе эксплуатации проходческих комбайнов рассматриваемого класса имеют место значительные по амплитуде колебания исполнительного органа, приводящие к нарушению целостности массива, оконтуривающего выработку пород, переборам породы и другим негативным явлениям.
Таким образом, несмотря на ряд несомненных достоинств проходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом, им присущи недостатки, снижающие эффективность их использования в различных горно-геологических условиях.
Достоинствами проходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом являются:
К недостаткам относятся:
Для механизации проведения ниш в Германии был разработан, а в Бельгии испытан комбайн ЕSА-60 [9]. Опыт эксплуатации показал, что его возможности значительно шире, чем предполагалось вначале его создателями. Использование известных в механизированной добыче угля основных узлов и подсистем выемочных комбайнов (высокоскоростной привод исполнительного органа шнекового или барабанного типа, механизм регулировки исполнительного органа по высоте, механизм подачи выемочной машины вдоль забоя, изгибающийся скребковый конвейер, крепь большой несущей способности) впоследствии расширило область применения комбайна ЕSА-60. Структурно-компоновочная схема комбайна ЕSА-60 представлена на рис. 8. Шнековый исполнительный орган 1 закреплен на поворотном редукторе 2, который соединен с корпусом комбайна 3. Комбайн перемещается в выработке вдоль конвейера 4 с помощью встроенного механизма перемещения 5. Параметры исполнительного органа и системы его подвески обеспечивают выемку горной массы только в пределах мощности угольного пласта при выемке ниш. Кроме применяемых на практике структурно-компоновочных схем проходческих комбайнов разработаны и другие схемы. Вот некоторые из них.
|
Рис. 8. Структурно-компоновочная схема комбайна ESA-60. |
На рис. 9 представлена структурно-компоновочная схема комбайна по патенту USA 4514012 (>кл. Е21С 27/24) John L Wallace от 30 апреля 1985 г. [10]. Отличием этой схемы является закрепление на поворотном рычаге 2 двух шнековых исполнительных органов 1 со встроенным в шнеки силовым приводом. Поворотный рычаг 2 крепится к корпусу выемочной машины 4 через специальный узел 3, который относительно корпуса комбайна имеет возможность изменять свое положение в вертикальном направлении. Корпус комбайна 4 устанавливается на специальных направляющих, длина которых соизмерима с шириной выработки. Перемещение корпуса выемочной машины вдоль забоя осуществляется посредством винтовой передачи с приводом 5.
|
Рис. 9. Структурно-компоновочная схема комбайна по патенту USA 4514012. |
В корпусе направляющих размещены устройства в виде скребковых конвейеров для удаления разрушенной горной массы от линии забоя. Наличие поворотного рычага, положение центра которого регулируется по вертикали, обуславливает более широкие возможности по проведению горных выработок различной формы и сечения. В составе описываемой конструкции горной машины автором предусмотрено наличие гидравлической механизированной крепи, верхнее перекрытие которой осуществляет крепление поверхности кровли в непосредственной близости к зоне работы исполнительных органов. Гидравлическая механизированная крепь выполняет также функцию распорно-шагающего механизма подачи выемочной машины на забой. К недостаткам данной конструкции можно отнести:
Исполнительный орган горного комбайна (рис.10) [11] содержит забурник 1, прикрепленный к буровой штанге, расположенной в полой оси 2. Ротор 3 с разрушающими органами 4 установлен на полой оси 2. Исполнительный орган снабжен поворотными рукоятями 5, шарнирно закрепленными на диаметрально противоположных концах ротора 3. Разрушающие органы 4 выполнены в виде режущих головок и установлены на концах рукоятей 5. Оси вращения режущих головок 4 и оси поворота рукоятей 5 параллельны оси вращения буровой штанги. В роторе 3 установлен редуктор, входной вал которого связан с валом приводного электродвигателя.
|
|
Рис. 10. Исполнительный орган проходческого комбайна по А.с. №1712598. |
При работе этого исполнительного органа сначала забурник осуществляет опережающее бурение скважины, обеспечивая тем самым дополнительную плоскость обнажения, затем фронтально забуриваются режущие головки, после чего производится разбуривание забоя в радиальном направлении за счет вращения ротора и изменения угла поворота рукоятей.
Особенностью работы проходческих комбайнов избирательного действия является значительное число циклов знакопеременного нагружения элементов системы подвески и подачи исполнительного органа с частотами ниже частоты вращения коронки, которые обусловлены изменением режима его работы (зарубка, боковой рез вправо, боковой рез влево, рез вверх и рез вниз).
На ресурс основных силовых систем машины существенное влияние оказывает количество блоков нагружения (режимов работы). И это влияние более значимо для металлоконструкций, валов и других элементов, работающих на растяжение (сжатие), изгиб и кручение (m = 9), и менее для подшипников (m = 3,33). Это подтверждается данными о фактическом ресурсе очистных и проходческих комбайнов, приведенными в табл. 1. Для объективности сравнения их ресурсов приведены два показателя – ресурс в киловатт-часах и удельная масса M/P на один кВт установленной мощности.
Таблица 1
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Результаты анализа показали, что, несмотря на бульшую удельную массу (до 3-х раз) проходческих комбайнов, они имеют в 3 и более раз меньший ресурс в сравнении с очистными, работа которых характеризуется значительно меньшим количеством блоков нагружения при разрушении равных объемов горного массива.
Для оценки ресурса комбайна с различными структурами исполнительных органов и схем обработки забоя были получены зависимости для определения числа циклов (блоков нагружения) на один метр проходки (см. табл. 2).
Таблица 2
|
Анализ этих зависимостей позволил установить, что:
Более перспективными являются структуры исполнительного органа 3 и 4, так как они обеспечивают снижение числа циклов не менее чем в 10 раз и высокую точность воспроизведения заданного контура выработки. Однако схема 3 имеет существенные недостатки, ограничивающие ее область применения: позволяет получать только выработки прямоугольного сечения и имеет высокую нагруженность исполнительного органа из-за больших по сравнению со структурами 1, 2 и 4 размеров режущей головки. Кроме того, структурная схема исполнительного органа 4 позволяет обеспечить значительно меньший вылет стрелы, а следовательно – снижение удельной массы комбайна на один кВт установленной мощности и повышение качества проводимой выработки.
Таким образом, проведенный анализ показывает, что перспективным направлением совершенствования проходческих комбайнов является разработка их конструкций, обеспечивающих повышение производительности труда в проходческом забое (повышение коэффициента использования комбайна), высокое качество проводимой горной выработки (калиброванности) и снижения энергоемкости процесса проведения подготовительных выработок. Это может быть обеспечено сочетанием в проходческом комбайне основных преимуществ комбайнов избирательного и роторного типов, а также механизма установки крепи.
С учетом выполненного ранее анализа была разработана структурно-компоновочная схема проходческого комбайна нового технического уровня, представленная на рис. 11.
|
|
Рис. 11. Структурная схема проходческого комбайна нового технического уровня |
За базу проходческого комбайна принята подсистема перемещения, обеспечивающая перемещение машины по выработке, ее маневрирование и создание напорного усилия на забой при зарубке и разрушении. Кроме этого в функцию подсистемы перемещения, как показали исследования, должно входить обеспечение устойчивости проходческого комбайна и жесткое базирование его относительно выработки. В соответствии с этим система перемещения включает в себя гусеничные ходовые тележки 1 и домкратное распорное устройство 2, расположенное впереди корпуса машины в непосредственной близости от исполнительного органа 3 (от груди забоя), что повышает устойчивость комбайна при разрушении горного массива. Гусеничные тележки между собой жестко связывает рама 4, на которой находится выдвижной (при помощи гидроцилиндров) стол 5
Подсистема исполнительного органа состоит из привода 6, опорно-поворотного механизма 7, в котором закреплен исполнительный орган избирательного действия 3. Подсистема исполнительного органа базируется на выдвижном столе 5. При этом надо отметить, что такая структурно-компоновочная схема обеспечивает практически малоконсольное расположение исполнительного органа относительно корпуса комбайна и распорного устройства 2, чем дополнительно обеспечивается устойчивость машины при разрушении забоя.
Для удаления из зоны работы исполнительного органа и погрузки разрушенной горной массы на общешахтное транспортное средство используется подсистема погрузки и транспортировки, которая также закреплена на выдвижном столе 5. Эта подсистема включает в себя шнековый погрузчик 8, зачистной лемех 9 и скребковый конвейер 10. Структурная схема предусматривает регулирование положения по высоте относительно выдвижного стола шнекового погрузчика и лемеха, а также регулировку конвейера как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях.
Механизирует операцию возведения постоянной крепи подсистема «крепеустановщик». Она состоит из магазина верхняков арочной крепи 11, манипулятора 12, предназначенного для подачи и закрепления верхняков на кровле выработки, телескопической стрелы 13 и домкрата ее распора 14. Причем магазин и манипулятор жестко связаны с выдвижным столом 5, а стрела – с рамой 4.
Возможность совмещения во времени отбойки горной массы, ее погрузки и крепления выработки позволит существенно повысить скорость проведения горных выработок.
Таким образом, в предлагаемой структуре проходческого комбайна максимально использованы узлы и элементы существующего очистного и проходческого оборудования, существующие узлы и элементы средств крепления, погрузки и транспорта. Проходческий комбайн может быть реализован в виде набора функционально-законченных модулей, что позволит существенно сократить сроки монтажно-демонтажных и ремонтных работ, а также модифицировать его под конкретные условия проводимых горных выработок.
Аналогичную схему вышеописанной имеет проходческая система AVSA, разработанная фирмой «Фест-Альпине Бергбаутехник ГмбХ» [12].
|
|
| Статистика | Реклама | ||||||||
|
|
