ОСНОВНЫЕ ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ КАК ДИНАМИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ

Горбатов П.А., проф., д.т.н.; Лысенко М.Н., магистрант; Перинский М. В.

Источник: Матеріали IХ науково-технічної конференції асперантов и студентов. — Донецьк, ДонНТУ — 2009, с. 36-39.

Основные отличительные особенности очистных комбайнов (ОК) нового поколения (отечественные машины КДК 400, КДК 500, КДК 700, УКД 300, разработанные ГП «Донгипроуглемаш») целесообразно изложить, условно разбив их на нижеуказанные группы:

1. Оригинальные принципы структурных решений и конструктивного построения.
2. Особенности динамических параметров и свойств.
3. Особенности мехатронизации.

Отличительные особенности по первой группе следующие.

1. Основные корпусные узлы выполняют в виде общего корпуса - моноблока сварной конструкции коробчатой формы, имеющего отсеки для установки в них автономных съемных блоков различного функционального назначения, в т.ч. мехатронизированных или мехатронных. При этом реализуются следующие преимущества: упрощаются монтажно-демонтажные работы, техническое обслуживание и ремонт применительно к автономным блокам, к которым имеется хороший доступ; обеспечивается требуемая жесткость и прочность корпусных подсистем; разгружаются корпуса съемных блоков от внешних технологических нагрузок и обеспечивается улучшение качества зубчатых зацеплений; не требуется диагностика и поддержание требуемого состояния многочисленных стыковочных соединений между отдельными корпусами; создаются предпосылки для унификации и мобильного приспосабливания ОК к конкретным условиям эксплуатации.
2. Подсистемы привода исполнительных органов (ИО) и подсистемы подвески и перемещения ИО выполняются на основе поворотных блоков резания (ПБР). Достоинствами такого структурно-компоновочного решения, характеризующегося поперечным расположением электродвигателей, является: исключение недостаточно надежной конической передачи; реализация более короткой кинематической цепи, в т.ч. во многих случаях с использованием компактной планетарной передачи.
3. Для обеих подсистем привода ИО применены индивидуальные электродвигатели нового технического уровня с доминирующей формой на основе цилиндров и с одним выходным концом. При этом между каждым электродвигателем и входным валом редуктора имеется торсионный вал, обеспечивающий определенное снижение коэффициента крутильной жесткости подсистемы и выполняющий (с помощью эвольвентных шлицев) функцию компенсатора погрешностей изготовления при соединении валов в разных корпусах. Данные двигатели встраиваются в расточки корпусов ПБР. Поэтому корпуса электродвигателей практически разгружены от внешних сил, действующих на корпусную подсистему, что позволяет обеспечить компактность конструкции и высокие параметры этих электрических машин.
4. Две встроенные подсистемы подачи на основе цилиндрических и планетарных передач и жесткого тягового органа имеют индивидуальный частотно- регулируемый асинхронный электропривод, который выполняет одновременно две функции – приводного двигателя и (совместно с аппаратурой автоматизации) электрического регулятора скорости. Указанный электропривод по сравнению с традиционными гидравлическими регуляторами скорости обеспечивает для каждой подсистемы подачи повышение КПД (оценочно на 25-30%), надежности и значений удельной мощности, упрощение обслуживания.

Рассмотрим особенности, характерные для второй группы отличий. В качестве примеров существенного отличия динамических параметров применительно к силовым подсистемам комбайнов НП по отношению к ранее созданным машинам можно привести следующие особенности.

1. Для кинематических цепей на основе поворотных блоков резания существенно ниже (оценочно в 1,5 – 1,7 раза) приведенные к валу электродвигателя коэффициенты крутильной податливости e12 механических участков подсистем привода исполнительных органов. Например, для очистных комбайнов прежнего поколения (1ГШ68, РКУ13) и КДК500 (I типоразмер) со сравнимой областью применения оценки значений e12 соответственно составляют 600*10-6 1/Нм , 526*10-6 1/Нм и 353*10-6 1/Нм [1].
2. Инерционные и упругие динамические характеристики подсистем подвески и перемещения исполнительных органов очистных комбайнов НП (на базе поворотных блоков резания и современных шнеков) также значительно отличаются от соответствующих характеристик для машин прежних поколений. Например, массы и моменты инерции относительно осей сопряжения с основными жестко соединенными узлами корпусных подсистем составляют соответственно: для ПБР с трехлопастным шнеком с Dи = 1,25 м и В3 = 0,63 м конструкции Донгипроуглемаша в составе комбайна КДК500 – 4932 кг и 12937 кг*м2 ; для поворотного редуктора с двухлопастным шнеком ШН126Р с теми же значениями Dи и В3 в составе машины 1ГШ68 – 3267 кг и 4355 кг*м2 [1].
3. Отсутствуют динамические взаимосвязи между подсистемами привода на основе поворотных блоков резания и подсистемами подвески и перемещения исполнительных органов, которые имели место при реализации механических участков подсистем привода в виде основных и поворотных редукторов.
4. Весьма существенно (в большую сторону) отличаются коэффициенты продольной жесткости нового жесткого тягового органа ЭЙКОТРЭК по сравнению с ранее широко используемым для машин прежнего поколения тяговым органом типа 3БСП. Это обусловлено принципиально разным характером взаимодействий звеньев рассматриваемых органов при работе [1]. Значительные структурно-параметрические отличия очистных комбайнов НП как динамических объектов от их предшественников (некоторые примеры приведены выше) существенно влияют на динамические свойства этих машин.

Основные особенности отличий применительно к третьей группе следующие. Как показано в работах [2,1], наиболее высоким уровнем мехатронизации обладают сложные горные машины, в т.ч. очистные комбайны НП, степень сложности управления которыми не позволяет обеспечить нормальное функционирование этих объектов без информационно-электронных компонент, синергетически связанных с традиционными (механическими, электротехническими и гидравлическими) структурными элементами. В работе [3] отмечается, что доля электронных и информационных компонент в структуре управления у очистных комбайнов типа РКУ прежнего поколения и у машин типа КДК500 НП оценивается соответственно в 11% и в 41%. Здесь также отмечается, что комбайн КДК500 мехатронного класса содержит около 30 информационно-электронных элементов, объединенных в единую информационную сеть друг с другом и с другими механизмами. Для таких машин НП важнейшими структурными элементами подсистем автоматизации являются преобразователи частоты и комплексы технических средств управления. Преобразователи частоты управляют формированием рациональных искусственных механических характеристик подсистем подачи и могут устанавливаться на штреке (УКД300) или в энергоблоке на самом комбайне (КДК400, КДК500, КДК700). Комплексы технических средств управления комбайнами, располагаемые частично на штреке и частично на самих машинах, применительно к рассматриваемым вопросам (в целом их функциональное назначение шире) выполняют функции регуляторов режимов работы и обеспечения необходимых защит. Современные мехатронные комбайны оснащены средствами контроля технического состояния и диагностики ответственных узлов, снабжены рядом сенсорных устройств в виде датчиков тока, температуры обмоток электродвигателей и масла в редукторах и гидросистеме, расхода и температуры воды для пылеподавления и охлаждения и др.

Список литературы

1. Разработка теории функционирования и методов оптимального проектирования для выемочных комбайнов нового поколения: Отчет / Донецк. национальный технический университет; Руководитель П.А. Горбатов; №ГР0106U002278. – Донецк, 2008. - 435с.
2. Горбатов П.А., Косарев В.В., Стадник Н.И. Концептуальная характеристика сложных горных машин как мехатронных систем // Научные труды ДонНТУ. Выпуск 104, серия горно-электромеханическая. –Донецк: ДонНТУ, 2006. – с. 53-61.
3. Принципы мехатроники при проектировании горных машин / Н.И. Стадник, А.В. Сергеев, А.В. Мезников, В.П. Кондрахин // Материалы международной конференции «Форум горняков – 2007». –Днепропетровск: НГУ, 2007. – с. 7-17.