Общее устройство, характеристика и классификация горных машин

Реферат

Общее устройство, характеристика и классификация горных машин

1. Понятие горных машин

Горные машины и оборудование — один из основных курсов в программе подготовки горного инженера, готовящегося к работе в области технологии вскрытия и разработки месторождений полезных ископаемых. Успешная работа современного горного инженера-технолога немыслима без глубокого знания основ механизации и автоматизации горного производства, эксплуатационных и технических данных горных машин, элементов их конструкции, принципа действия и технических возможностей, а также освоения основ теории, расчета и технической эксплуатации горных машин и комплексов.

Курс Горные машины и оборудование является одним из первых инженерных курсов. Впервые наиболее полно курс «Горные машины» был систематизирован и издан в 1934 г. под названием «Горные машины при выемке пластовых полезных ископаемых» проф. А. М. Терпигоревым, читавшим многие годы в Московском горном институте курс по механизации добычи и доставки горной массы, и доц. М. М. Протодьяконовым. Учебник выдержал несколько переизданий.

Предмет горные машины содержит информацию по всем средствам механизации очистных и подготовительных работ, принципам создания и работы машин, методам расчета основных параметров оборудования. Курс охватывает сведения, начиная с наиболее простых машин (ручные сверла, перфораторы), механизирующих лишь отдельные операции, до комплексов и агрегатов, обеспечивающих решение механизации всего технологического цикла ведения горных работ, включая и автоматизацию работы оборудования. Большое конструктивное разнообразие горных машин диктуется требованиями технологии и различием условий эксплуатации оборудования. Содержание курса непосредственно связано с технологией подземной разработки месторождений полезных ископаемых, курсами транспорта горной массы по выработкам, технологии металлов и конструкционных материалов, физики горных пород, а также такими общетехническими предметами, как теория машин и механизмов, детали машин, стандартизация и взаимозаменяемость и др. Основные закономерности, закладываемые в расчеты и принципы работы горных машин, базируются на фундаментальных общеинженерных дисциплинах: теоретическая механика, физика, математика и др.

Курс горных машин по принципу функционального назначения оборудования делится на:

— машины и оборудование для механизации процессов бурения шпуров и скважин;

— машины для механизации процессов выемки полезных ископаемых, включающие врубовые машины, очистные комбайны и струговые установки;

— машины и оборудование для механизации проведения подготовительных и нарезных выработок;

— выемочные комплексы и автоматизированные агрегаты;

— машины для механизации вспомогательных операций технологического цикла.

Приведенная классификация является укрупненной, облегчающей рассмотрение отдельных разделов предмета, исходя из прямого назначения отдельных групп машин. Внутри каждого раздела курса и его подразделов дается более углубленная и детализированная классификация горных машин, облегчающая изучение каждой машины и предмета в целом.

Общая классификация горных машин утверждена Комитетом технической терминологии АН России.

Требования условий эксплуатации диктуют не только большое разнообразие конструкций горных машин, но и возможность использования того или иного вида энергии. Большинство горных машин работает на электроэнергии, но в ряде случаев требования технологии определяют необходимость использования гидравлической энергии либо дизельных приводов, а жесткие требования техники безопасности — применение только пневмоэнергии. Все это дополнительно усложняет конструкцию горных машин, а в ряде случаев и ограничивает технические возможности их рационального использования. Так, при работе машин в условиях гидрошахт рационально и более безопасно использовать один вид энергии — воду под высоким давлением. Мобильность самоходного бурового оборудования выдвигает требование иметь изолированный источник энергии. В этом случае применяют дизельные приводы с очисткой выхлопных газов до требований санитарных норм. Отработка сверхкатегорных пластов по газу и пыли исключает возможность использования электроэнергии. В этих случаях единственно возможными техническими решениями являются пневматические приводы с крайне низким КПД и ограниченной мощностью.

Знание курса «Горные машины и оборудование» позволяет обоснованно выбрать оборудование для конкретных условий эксплуатации, рассчитать параметры машин и их технические возможности, тем самым обеспечив решение вопроса механизации основных процессов технологического цикла, снижение трудоемкости и получение оптимальных технико-экономических показателей работы оборудования.

При изложении материала особое внимание уделяется следующим вопросам:

назначению, классификации и области применения машин; принципу действия, конструкции и управлению горными машинами; основам теории работы машин с определением их производительности и энергоемкости процесса; выбору рациональных режимов работы горных машин и анализу путей повышения производительности; основным положениям эксплуатации, ремонта и техники безопасности, а также перспективам дальнейшего развития и совершенствования рассматриваемых горных машин.

2. Условия эксплуатации и требования, предъявляемые к горным машинам

горный месторождение оборудование ископаемое

Специфические условия работы в подземных выработках сказываются на конструкции горных машин, предъявляя к основным их узлам ряд особых требований. Так, одной из специфических особенностей работы горных машин является стесненность рабочего места, обусловленная небольшими поперечными размерами горных выработок. В связи с этим возникает необходимость в строгом ограничении габаритов горных машин, придании последним удобной формы с целью повышения маневренности и улучшения транспортабельности их узлов. Уменьшение размеров основных узлов горных машин с одновременным сохранением их высокой работоспособности достигается применением последних достижений науки и техники в области машиностроения.

Значительная влажность рудничной атмосферы и агрессивность шахтных вод приводят к значительному ускорению коррозии, резко уменьшающей срок службы горных машин. В связи с этим детали горных машин должны изготовляться из антикоррозионных материалов или подвергаться специальному покрытию горячим цинкованием, лаками, полимерными материалами и др.

Большая запыленность рудничной атмосферы, проникающей внутрь машин, резко снижает долговечность трущихся пар (шестерен, подшипников и др.) и заставляет, помимо борьбы с пылеобразованием, надежно защищать элементы горных машин от попадания пыли и грязи.

Высокие абразивность и твердость руды и породы приводят к быстрому износу элементов горных машин, что требует выполнения их из особо прочных и износостойких материалов, заставляет изыскивать специальные схемы работы элементов исполнительных органов и предусматривать возможность быстрой замены деталей, подверженных особо быстрому износу.

Тяжелые, резко усложняющиеся условия работы горных машин с внезапными перегрузками, возникающими от обрушения горной массы, попадания крупных кусков, а иногда и заклинивания исполнительного органа твердыми включениями, приводят к необходимости проектировать детали горных машин с достаточными запасами прочности, а приводы их оборудовать специальными предохранительными муфтами.

Рабочее место многих горных машин, особенно предназначенных для очистных и проходческих работ, непрерывно меняется, в связи с чем такие машины должны обладать особенно хорошей маневренностью и оборудоваться специальными устройствами, облегчающими перемещение их при работе и переводе с одного рабочего места на другое.

Перечисленными выше специфическими условиями не исчерпывается все многообразие вопросов, учитываемых при проектировании, выборе и эксплуатации горных машин. Так, при проектировании, выборе или технической эксплуатации горных машин необходимо всегда исходить из требований безопасности и удобства их обслуживания, облегчения управления, простоты монтажа и демонтажа. Особое внимание должно уделяться изоляции токоведущих частей, заземлению корпусов и защите обслуживающего персонала от движущихся элементов. Это диктуется стесненностью рабочего места, необходимостью изменения положения обслуживающего персонала относительно машин, трудностью использования защитной спецодежды и неудобством работы в ней в условиях горных выработок, т. е. в условиях, при которых возрастает опасность травмирования обслуживающего персонала.

Условия эксплуатации машин под землей, где из-за недостаточной освещенности, запыленности и стесненности рабочего места ремонт практически невозможен, а выдача всей машины на поверхность сильно затруднена, требуют чтобы она состояла из отдельных быстро и легко заменяемых узлов.

Все перечисленные требования должны учитываться при выборе горных машин для механизации и автоматизации рассматриваемого процесса применительно к конкретным условиям работы горных машин и физико-механическим свойствам конкретных горных пород.

3. История создания и тенденции развития горных машин

Горная промышленность обеспечивает добычу полезных ископаемых, являющихся основным сырьем для всех остальных отраслей промышленности. Главным сырьевым звеном системы является топливная промышленность, обеспечивающая необходимые условия жизнедеятельности человека и энерговооруженности его труда. Д. И. Менделеев отмечал, что «…первое место между ископаемыми принадлежит каменным углям… они составляют питательное средство всей промышленности». Еще в 1724−25 гг. по заданию Петра I проводилась разведка угля в Донецком, Подмосковском и других бассейнах. Интерес к углям особенно возрос в XVIII веке в связи с интенсивным строительством чугунолитейных заводов.

Добыча и переработка руд были издавна известны в России. Уже в XII—XIII вв. в центральных русских областях достигло высокого развития кустарное производство железа из болотных руд. Начало развития железорудной промышленности Урала относится к 1631 г., когда был основан Ницинский завод. Уже во второй половине XVIII века по выплавке чугуна Россия обогнала западноевропейские страны, а вывоз железа стал крупной статьей русского экспорта. В XIX веке Россия экспортировала около 4 тыс. тонн меди в год. Большое значение в России уделялось добыче благородных и драгоценных металлов.

При сравнительно больших масштабах развития горнорудной промышленности в России уровень механизации работ был крайне низок. Лишь в начале XX века на ряде рудников начали применять перфораторы, которые являлись единственным средством механизации проведения шпуров и скважин.

Ударно-поворотный способ бурения, к которому относятся перфораторы, был известен в Китае свыше 2 тысяч лет назад. Этим способом бурили скважины с помощью бамбуковых штанг для добычи поваренной соли. В России бурение первых скважин отмечалось в IX веке, так же при добыче соли в Старой Руссе. В середине XIX века ударное бурение с помощью ручных приспособлений стало вытесняться портативными механическими станками. В 1859 г. Г. Д. Романовский в качестве привода бурового станка использовал паровую машину. В середине XIX века при бурении на нефть использовалась конная тяга. В 1901 году на Бакинских нефтепромыслах появились первые электрические двигатели, заменившие паровые машины. В 1924 г. инженерами М. А. Канемошниковым, С. М. Волох и Н. А. Кореневым был сконструирован первый турбобур, положивший начало бурению скважин на большие глубины до 1000 и более метров.

Морская скважина впервые была пробурена в Тихом океане (США) в 1897 г. В России шельфовое бурение было начато в 1924 г. в Каспийском море. В настоящее время добыча нефти и газа из-под воды является одним из перспективных направлений разработки месторождений полезных ископаемых.

Машинное бурение шпуров впервые было предложено в 1683 г. немецким механиком Г. Гутманом. Поршневые бурильные машины для ударного бурения скважин были созданы инженером Соммейе и успешно использовались при проведении тоннеля в Альпах, на много сократив его строительство. Вращательный способ бурения стал широко внедряться на горных предприятиях лишь в начале XX века. Шарошечный способ впервые появился в 1937 году на карьерах США. В России он получил широкое распространение с начала 60-х годов. В настоящее время это один из основных способов бурения взрывных скважин на карьерах. С 50-х годов при бурении скважин находят применение погружные перфораторы и пневмоударники.

Алмазное бурение было предложено в 1862 году швейцарским часовщиком Ж. Лешо. Этот, один из возможных и производительных способов бурения в условиях весьма крепких пород, широко используется и при разведочном бурении.

Различные способы бурения лишь частично механизируют процесс ведения буровзрывных работ. Для повышения эффективности этого процесса была необходима подрубка полезного ископаемого, проведение щелевого вруба — дополнительной плоскости обнажения забоя. Первая врубовая машина была изготовлена в 1852 году в Великобритании, она имела исполнительный орган в виде вращающегося диска, армированного резцами. Еще раньше в 1761 году Майклом Мензис была создана врубовая машина, работающая по принципу кайла, приводящаяся в движение кривошипно-шатуным механизмом от усилий рук человека. В 1864 г. была изготовлена первая цепная врубовая машина с баром, которая явилась прототипом современных машин. В 1873−74 гг. на Грушевском руднике работало две паровых врубовых машины. Серийный выпуск машин был освоен Горловским машиностроительным заводом в 1927 г. Уже в 1928 г. на шахтах бывшего СССР работало более 500 врубовых машин, обеспечивающих существенный рост механизации процесса ведения очистных работ.

Врубовые машины явились основой для создания первого в мировой практике очистного комбайна. Комбайн был создан в 1931 году нашим соотечественником инж. А. И. Бахмутским. Угольный комбайн механизировал наиболее трудоемкие операции в очистном забое — выемку и погрузку угля. Серийное производство комбайнов было начато в 40-х годах. Процесс механизации выемки широкозахватными комбайнами был непродолжительным. Уже в 60-е годы наметился переход от широкозахватной к узкозахватной технологии выемки угля с созданием принципиально нового очистного оборудования. включающего в себя узкозахватные комбайны и механизированные крепи.

Впервые идея механизированной передвижной крепи была предложена инженером И. А. Журавлевым в 1932 году. Аналогичная идея была выдвинута и реализована на стенде в 1938 году А. Д. Гридиным, А. А. Пичугиным и Ф. И. Барановским. Отечественная война прервала начатые работы, но уже в 1946 году был изготовлен и испытан в Кузнецком бассейне первый в мировой практике выемочный агрегат «Кузбасс» с передвижной механизированной крепью. Несколько позже были созданы механизированные крепи типа Щ («Щекинская») и агрегаты типа А. В 1958 г. прошла успешные испытания механизированная крепь «Тула» с узкозахватным комбайном КУ-60, которые явились основой для серийного выпуска комплексов типа ОМКТ и ОКП. Основные идеи, заложенные в конструкции этих комплексов, послужили основой для широкого применения механизированных комплексов и щитовых крепей как у нас в стране, так и за рубежом. В настоящее время комплексная механизация является основным средством выемки угля.

Высокие темпы подвигания очистных забоев, оснащенных средствами комплексной механизации, вызывали необходимость механизации процессов проведения подготовительных выработок. Проходческие комбайны появились несколько позже очистного оборудования. Лишь в 50-е годы был начат серийный выпуск проходческих комбайнов типа ПК-2М, ШБМ и ПК-3. Они явились основой для разработки в последующем мощного проходческого оборудования нового поколения.

В настоящее время комплексная механизация является превалирующей как при разработке угольных, так и рудных месторождений полезных ископаемых. Механизация процессов буровзрывных работ базируется на широком использовании мобильного самоходного оборудования, существенно снижающего трудоемкость работ при бурении, погрузке и транспорте полезного ископаемого. Более 90% добычи угля подземным способом производится выемочными комбайнами и комплексами с механизированными крепями. При проведении подготовительных выработок, наряду с высокопроизводительными проходческими комбайнами, также нашли применение проходческие комплексы оборудования. Комплексная механизация и автоматизация основных технологических процессов в ряде случаев исключает необходимость присутствия людей в очистных и подготовительных забоях.

1. Подураев, В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов [Текст] / В. Н. Подураев. — М.: Высшая школа, 1974. — 587 с.

2. Черепанов, Г. П. Механика хрупкого разрушения [Текст] / Г. П. Черепанов. — М.: Наука, 1974. — 640 с.

3. Бренер В. А. Результаты исследований процесса разрушения горных пород струями воды сверхвысокого давления [Текст] / В. А. Бренер, А. Б. Жабин, А. В. Поляков // Горное оборудование и электромеханика. — 2006. — № 6. — С. 29−32.