ОСОБЕННОСТИ МЕХАТРОННОГО ОЧИСТНОГО КОМПЛЕКСА

Н.И. Стадник, д-р техн. наук, А.В. Сергеев, инж., Донгипроуглемаш В.П. Кондрахин, д-р техн. наук, ДонНТУ, Донецк, Украина

Источник: http://www.twirpx.com/file/136429/

  За последние 10-15 лет в мировом и отечественном угольном машиностроении произошли коренные изменения, результатом которых стало существенное повышение технико-экономических показателей добычи угля. Так среднесуточная добыча из очистного забоя достигает 15-20 тыс. тонн угля. Важно отметить, что существенное повышение эффективности достигнуто без принципиальных изменений технологии подземной добычи. Как и 40 лет назад, добыча угля осуществляется очистными механизированными комплексами из длинных очистных забоев. Практически не изменились и компоновочные решения отдельных машин. В то же время рабочие скорости возросли в 2 раза, маневровые – в 2,5-3 раза, установленная мощность возросла 1,5-4 раза, регламентируемый ресурс в 3-10 раз. При этом габариты и масса машин увеличились незначительно.

  Выполнение все возрастающих требований к горным машинам невозможно обеспечить без их значительного усложнения, в первую очередь в части оснащения их различ ными системами многодвигательного электропривода, автоматического управления и технической диагностики. Современные горные машины отличаются высоким уровнем «интеллектуальности», перестали быть системой «редуктор-двигатель» и состоят из синергетически интегрированных механических, гидравлических, электронных, электротех нических и информационных компонент. Современный очистной комплекс представляет собой сложную мехатронную систему, составные части которой связаны не только меха нически, но и объединены в общую информационную сеть.

  В связи с этим возникает настоятельная необходимость теоретического осмысления и анализа изменений, происходящих в конструкциях и принципах проектирования и эксплуатации горных машин как мехатронных объектов.

  При создании современных мехатронных горных машин с высокими функциональ но-параметрическими характеристиками необходимо учитывать ряд специфических особенностей и требований, которые, как правило, не характерны для тех отраслей машиностроения, где мехатронный подход к проектированию является уже традиционным (например, робототехника, станкостроение, авиа-космическая отрасль, точная компьютерная механика, приборостроение и т.д.). Возникает необходимость обобщения этих особенностей и требований с целью их комплексного учета при проектировании. Основные особенности горных машин приведены ниже.

1. Высокая удельная энерговооруженность. Потребность в увеличении производительности неизбежно приводит к постоянному росту энерговооруженности при практически неизменных габаритах, что определяется горно-геологическими условиями отрабатываемых угольных пластов. Так вертикальный габарит по корпусу комбайнов для разработки пластов мощностью до 1,5 м (характерной для Украинского Донбасса) типа УКД300 и УКД200-250 составляет 400 мм, а для комбайнов типа КДК500, работающих на пластах, начиная с мощности 1,35 м, – 500 мм. Это ограничивает вертикальный габарит двигателей и электроблоков, а, учитывая толщины стенок корпусов, необходимые зазоры и конструктивные особенности, диаметры зубчатых колес, планетарных передач в этих условиях не превышают 310 и 410 мм соответственно. Ограничен и габарит по глубине, который определяется длинной консоли крепи, ограниченной ее несущей способностью, и регламентируемым отставанием консоли от груди забоя. Сложная гипсометрия залегания пластов приводит и к ограничению длины для обеспечения геометрической проходимости.
2. Случайный характер изменяющихся в широком диапазоне и определяемых физико-механическими свойствами разрушаемых пород нагрузок в основных подсистемах машин. Это требует больших перегрузочных способностей приводов и значительных запасов прочности, что весьма проблематично в стесненных условиях пластов малой и средней мощности. Проблема усугубляется формированием значительных динамических нагрузок на машины (в том числе высокие экстренные нагрузки в переходных режимах), которые наряду со специфическими условиями работы определяются невозможностью применять общепринятые методы при проектировании ряда узлов. Например, при проектировании зубчатых передач из-за ограничений по габаритам применяются зубчатые колеса с большими модулями и, как следствие, низкими коэффициентами перекрытия (около единицы), провоцирующими динамические нагрузки. Отмеченные противоречия могут быть решены за счет применения быстродействующего регулируемого привода и электронных компонент - совместно снижающих динамические нагрузки и осуществляющих защитное отключение в аварийных ситуациях.
3. Значительная роль износа режущего инструмента, исполнительных органов, звездочек, тяговых органов и других элементов в формировании нагрузок и ресурса горных машин. Например, для редукторов очистных комбайнов именно износ является основной причиной отбраковки подшипников, а также значительной части (22-45 %) зубчатых колес [6]. Абразивный износ в основном определяет ресурс рештачного става и цепей забойных скребковых конвейеров.

  Эффективным средством снижения негативного влияния износа основных элементов горных машин на неравномерность нагрузок их подсистем является использование регулируемого привода. С другой стороны, использование регулируемого привода, например, в забойных конвейерах позволяет регулировать скорость цепи с целью минимизации износа.

4. Подвижность, нестационарность положения всех машин очистного механизированного комплекса, пространственная неоднозначность взаимного расположения комбайна, забойного конвейера и секций механизированной крепи, имеющая в значительной степени случайный характер. Это создает большие трудности в части создания комплексов, работающих в автоматическом режиме, т.е. реализующих идею малолюдных технологий добычи угля. Решение проблемы лежит в плоскости оснащения забойных машин интеллектуальными сенсорами, идентифицирующими их взаимное положение и положение относительно вмещающих пород, специальным компьютерными системами и программным обеспечением. В этом смысле очистной механизированный комплекс принципиально отличается от робототехнических комплексов, используемых в машиностроительных технологиях.
5. Тяжелый режим работы машин, характеризующийся высокой относительной продолжительностью включения (ПВ) при большом числе пусков и реверсов и при стохастическом характере нагружения. Так ПВ электродвигателей очистных комбайнов в современных высоконагруженных лавах приближается к 70%, в то время как 10-15 лет назад не превышал 30%. Наряду с высокой концентрацией тепловыделения, обусловленной высокой удельной энерговооруженностью, это приводит к необходимости отвода значительного количества тепла от элементов привода (не только электродвигателей, но и редукторов). Вследствие этого возникает проблема подвода большого количества воды к подвижной машине и существенно усложняется конструкция узлов из-за необходимости устройства специальных охладителей с большим расходом охлаждающей жидкости. Например, для комбайна КДК500 общий расход воды с учетом его производительности составляет 350-700 л/мин., в т.ч. для охлаждения 60-80 л/мин. Кроме того, усложняется система управления, которая должна выполнять функции контроля чистоты, температуры, давления и расхода охлаждающей жидкости. Помимо очевидных трудностей – необходимость прокладки подвижных рукавов большого диаметра, наличие насосной установки и усложнение системы управления - такой большой расход воды приводит к переувлажнению добываемой горной массы. Это негативно сказывается на других машинах, в первую очередь на забойном конвейере, так как имеет место эффект слипания мокрой горной массы, цементирования находящейся в ней породы, что затрудняет пуск конвейера и требует особых алгоритмов его включения [8].
6. Ограниченная мощность шахтных сетей электроснабжения, подвижность и удаленность токоприемников. Это приводит к существенным трудностям при запуске машин и значительным потерям крутящих моментов привода при работе в установившихся режимах, что напрямую связано с производительностью [9]. Достаточно сказать, что мощность трансформаторных подстанций за последние 30 лет увеличилась с 400-630 кВА до 1200-2000 кВА. Дальнейший рост единичной мощности подстанций ограничен их вписываемостью в горные выработки.
7. Распределенный характер системы управления горными машинами. Это приводит к тому, что в условиях растущих объемов информации, циркулирующей между пунктами управления, возникают существенные трудности в обеспечении требуемой скорости передачи информации из-за отсутствия надежного физического канала связи (проводного, оптического и т.п.), работающего в условиях больших механических нагрузок и значительных электрических и электромагнитных помех. Проблема усугубляется необходимостью искробезопасного исполнения систем, при относительно большой мощности, потребляемой информационной компонентой.

НАЗАД К БИБЛИОТЕКЕ