Моральное старение и высокий износ добычного оборудования, общий финансовый кризис угледобывающей отрасли, постоянно ус- ложняющиеся условия отработки угольных пластов Донецкого бас- сейна привели к значительному снижению с 1991 года объемов добы- чи угля и важнейших технико-экономических показателей работы уг- ледобывающих предприятий. Лишь в 1997 году наметились предпо- сылки стабилизации объемов добычи, однако работа многих шахт все еще не рентабельна. Положение можно улучшить перестройкой ин- фраструктуры перспективных шахт под технологию интенсивной до- бычи угля из небольшого количества лав при оснащении их высоко- производительной и надежной техникой. В связи с вышеизложенным, перед отечественным горным ма- шиностроением стоит проблема создания очистных комбайнов (ОК) нового технического уровня с показателями производительности и надежности, обеспечивающими рентабельную работу угледобываю- щего предприятия. Как показывает опыт ведущих угледобывающих стран, современный ОК должен обеспечить нагрузку на комплексно- механизированный очистной забой от 1000 до 4000 т/сутки и выше (в зависимости от мощности пласта) при средней скорости подачи 10 – 15 м/мин и высокой энерговооруженности (около 600 кВт для типо- размера ПУ13) и увеличении напряжения электропитания до 1140 В и более. Эту проблему необходимо решать в комплексе с обеспечени- ем запаса производительности и надежности параллельно работающе- го и последующего технологического оборудования. Наряду с этим существует необходимость создания большого количества модифика- ций очистных комбайнов при ограниченной их номенклатуре для дос- тижения оптимальных показателей работы в конкретных горно- геологических условиях. В настоящее время перспективными струк- турами ОК можно считать компоновочную схему двухшнековых ОК с автономным приводом рабочих органов и реечным (жестким) тяговым органом (ЖТО) (ОК типа ГШ500), а также компоновочную схему с групповым приводом, обеспечивающим наиболее эффективное ис- пользование установленной мощности электродвигателей двухшнеко- вых комбайнов как с ЖТО (ОК типа 2ГШ68Б), так и с цепным (гиб- ким) тяговым органом, применяемым при сложной гипсометрии вы- нимаемого пласта (ОК типа 1ГШ68Е). При увеличении установлен- ной мощности ОК и жестких требованиях к габаритным размерам машины необходимо применять в редукторах многопоточные переда- чи и дополнительные упруго-демпфирующие связи в силовых подсис- темах для снижения их динамической нагруженности. Актуальной задачей является прогнозирование характеристик рабочего процесса, в том числе динамической нагруженности сило- вых подсистем на стадии проектирования ОК. На основе научных трудов работников кафедры «Горные машины» ДонНТУ, ИГД им. Скочинского и др. разработаны методологические подходы выбора рациональной структуры и оптимальных параметров ОК для кон- кретных горно-геологических условий с использованием математиче- ского имитационного моделирования. Разработана математическая модель замкнутой управляемой электрогидромеханической системы «забой – ОК – конвейер - сеть электроснабжения - система управления - оператор» [1]. При разработке модели вектора внешнего возмущения на исполнительных органах в замкнутой системе учитывались внеш- ние связи по перемещениям и скоростям. Для ОК с цепным тяговым органом (ЦТО) предложена кинетическая характеристика трения как функция скорости и ускорения ОК в направлении подачи, которая наиболее полно учитывает релаксационный характер движения ОК с ЦТО [2]. Имитационное моделирование рабочего процесса ОК нового технического уровня с групповым приводом рабочих органов выпол- нено с использованием плана дробного факторного эксперимента применительно к классу машин ПУ13 при следующих исходных дан- ных: - сопротивляемость пласта резанию: 180 и 300 Н/мм; - показатель степени хрупкости угля: 1,65 и 2,8; - строение пласта: простое и сложное (с породным прослойком и твердыми включениями). Управляющие параметры: - мощность электродвигателей привода рабочих органов:2?160 и 2?320 кВт; - мощность гидропривода механизма подачи: 25 и 75 кВт; - жесткость тягового органа соответствует реечному тяговому орга- ну и ЦТО при длинах рабочих ветвей цепи 30, 80 и 200 м; - число резцов в линии резания: 2 (двухзаходный шнек) и 3 (трехза- ходный шнек). - средняя скорость подачи ОК: 5,10 и 15 м/мин. В качестве выходных параметров (отклики системы) определялись: - энергетические характеристики (нагрузка приводных электродви- гателей, производительность и удельные энергозатраты); - статистические характеристики динамических процессов в систе- ме, в том числе математические ожидания (средний уровень), ко- эффициенты вариации и спектральные плотности следующих слу- чайных величин: 1) составляющих векторов внешнего возмущения на исполнительных органах и суммарных мгновенных толщин среза на опережающем и отстающем шнеках; 2) скорости перемещения ОК, усилия подачи, угловой скорости гид- родвигателя и давления в напорной магистрали гидровариатора; 3) крутящих моментов в трансмиссиях привода шнеков и их угловых скоростей; 4) электромагнитных вращающих моментов и скольжений приводных электродвигателей. Проведенные имитационные исследования позволили сделать вывод о нивелировании преимуществ ОК с жестким тяговым органом при увеличении средней скорости подачи до 15 м/мин. При увеличе- нии средней скорости подачи ОК с ЦТО отношение продолжительно- сти движения ОК к периоду автоколебаний растет, при этом уменьша- ется зависимость между колебаниями скорости подачи и неравномер- ностью стружкообразования на исполнительных органах. Таким обра- зом, для повышения надежности машины на стадии проектирования необходимо решать вопросы силового уравновешивания исполни- тельных органов, а также недопущения работы парциальных систем в режиме, близком к резонансному и эффективному демпфированию колебаний на характерных частотах. Одним из результатов математи- ческого моделирования явилось установление зависимостей удельных энергозатрат от средней скорости подачи и характеристик угольного пласта, а также ряда других эксплуатационных характеристик, необ- ходимых для обоснования уровня энерговооруженности, конструк- тивных и режимных параметров ОК для рассмотренных условий экс- плуатации при заданной производительности [3]. Анализ статистических характеристик динамических процессов во взаимодействующих силовых подсистемах ОК с ЖТО и ЦТО (с групповым приводом) позволил установить новые особенности и за- кономерности формирования динамической нагруженности трансмис- сий привода шнековых органов, обусловленные динамическими свой- ствами ОК и процессом стружкообразования. При увеличении сред- ней скорости подачи ОК от 5 до 15 м/мин существенно возрастает се- чение среза. Процесс резания угля резцами становится более дина- мичным. Это обусловливает повышение доли дисперсии случайной составляющей вектора внешнего возмущения на исполнительных ор- ганах, что приводит к увеличению доли дисперсии высокочастотных составляющих крутящих моментов в слабодемпфированных транс- миссиях привода исполнительных органов на собственных частотах. Увеличение скорости подачи в указанном диапазоне для ОК с ЖТО приводит к увеличению веса высокочастотных составляющих и общей дисперсии крутящих моментов в трансмиссиях исполнитель- ных органов. В частотном спектре крутящих моментов в трансмисси- ях ОК с ЦТО происходит перераспределение общей дисперсии про- цесса – уменьшается доля низкочастотных составляющих, обуслов- ленных неравномерностью перемещения ОК в направлении подачи, и увеличивается доля высокочастотных составляющих. Отмеченные выше и другие закономерности формирования динамических процес- сов установлены на основе анализа результатов имитационного моде- лирования для прогнозирования эксплуатационных характеристик и обоснования параметров ОК нового технического уровня [4]. Составленная математическая модель может быть также ис- пользована для решения задачи многокритериальной оптимизации па- раметров ОК для конкретных условий эксплуатации.
Литература
1. Гуляев В.Г., Жуков К.В. Математическая модель для имитационного модели- рования функционирования системы «очистной комбайн – забой» - Горный ин- формационно-аналитический бюллетень – Москва: МГГУ, 2000, №4, с 129-132. 2. Гуляев В.Г., Жуков К.В. Определение кинетической характеристики трения очистного комбайна с цепным тяговым органом - Науковий вісник НГА України - Днепропетровск: НГАУ, 1999, №2, т.6, с. 54-57. 3. Гуляев В.Г., Жуков К.В. Прогнозирование эксплуатационных характеристик очистного комбайна с высоким уровнем энерговооруженности - Горные машины и автоматика, №6, 2001. – М., Машиностроение, с. 14-17.