Осуществляемая в последние годы реструктуризация угольной отрасли России ставит цель: создать систему высокоэффективных конкурентоспособных угольных шахт, на которых будет обеспечена бездотационная добыча угля для покрытия внутренней потребности страны и сохранения или наращивания уровня экспортных поставок топлива. Достижение поставленной цели возможно осуществить путем концентрации горных работ и увеличением нагрузки на очистной забой, что, в конечном счете, должно привести к существенному росту производительности труда на перспективных угольных шахтах. Решающее значение в выполнении этой программы принадлежит горноподготовительным работам (ГПР), обеспечивающим воспроизводство фронта очистных работ. В последние годы показатели ГПР существенно ухудшились: средняя скорость проходки в 1995 г. составила 55,2 м. в месяц, производительность труда — 1,02 м³ на человека в смену, что соответственно на 20 и 25% ниже, чем в 1990 г. Основной причиной сложившегося положения является игнорирование принципов системного подхода при создании проходческих машин, существенно уступающих показателям эффективности зарубежным аналогам. К кризисному состоянию экономики и неплатежеспособности шахт России добавилась высокая степень изношенности горной техники из-за сокращения объемов поставок горно-проходческих машин. В этой связи следует признать актуальными научные исследования и разработки, направленные на повышение эффективности технологии и средств механизации горнопроходческих работ. Несмотря на снижение объемов финансирования научных исследований в последние годы, в основных научных центрах и угледобывающих регионах России продолжается изучение рабочих процессов и создание новых горнопроходческих машин. Проблемами механизации погрузки горной массы занимаются ученые и производственники из институтов и предприятий стран СНГ: институт горного дела им. А. А. Скочинского,.
ЦНИИподземмаш, институт «КузНИИШахтострой», Кузбасский и Новочеркасский технические университеты, ОАО «Ростовуголь», Южно-Российское отделение Академии горных наук РФ, АО «Ростовшахтострой», а также машиностроительные предприятия — Ясногорский и Копёйский машиностроительные заводы и АО «Буран» (г. Донецк, Украина).
Суммарный объем проведения подготовительных выработок на шахтах Российского Донбасса составил в 1995 г. — 133,7 км из них 84% - пройдено буровзрывным способом с применением погрузочных машин и только 2% -комбайновым способом. Таким образом, регион является своеобразным полигоном для испытания и оценки эффективности проходческой техники при буровзрывном способе проходки. Кафедрой «Горные машины и оборудование» Шахтинского института Новочеркасского государственного технического университета (1ПИНГТУ) многие годы совместно с Копейским машзаво-дом систематически ведутся исследования работоспособности погрузочных машин УПЗ, 1ПНБ2, 2ПНБ2Б, ППМ4, 1ППН5, МПКЗ, МПНБ и др. Накоплен значительный объем информации, обобщение которой позволяет сделать новый шаг по обоснованию технических решений в области совершенствования подземных погрузчиков для угольной промышленности на базе гидрофика-ции основных рабочих операций при погрузке горной массы. В этом смысле представленные в настоящей работе результаты исследования, разработки и обоснования рациональных технических решений по повышению эффективности гидрофицированных погрузчиков актуальны и представляют научный и практический интерес для создателей проходческой техники.
Соответствие диссертации плану работ НГТУ и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках комплексной целевой программы «Создание и совершенствование существующих технологий, механизации, автоматизации и робототизации разработки пологих пластов угля Восточного Донбасса некондиционной мощности с целью повышения полноты выемки запасов, производительности труда и безопасности работ» (программа «Уголь»), утвержденной приказом Минвуза РСФСР № 73 от 28.01.86 г., научного направления НГТУ «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей й охрана труда», утвержденного ученым Советом в 1994 году .
Цель работы. Повышение эффективности функционирования подземных погрузчиков путем создания и внедрения гидропривода ходовых частей и погрузочных органов непрерывного действия в конструкции погрузочных машин производства ОАО «Копейский машиностроительный завод».
Идея работы. Использование индивидуального гидропривода на ходовой части погрузчика с повышенными показателями надежности и ремонтопригодности.
Научные положения, разработанные лично соискателем и их новизна:
— способы определения фактических показателей надежности и их структура при оценке работоспособности машины требуют уточнения в отличии от общепринятых методик в отраслях общего машиностроения;
— динамика привода ходовых частей машины рассматривается в совокупности с режимом погрузки горной массы, что позволяет установить не только влияние характеристик трансмиссии на режим нагружения в гидроприводе, но и получать на выходе важный показатель исследуемой системыпроизводительность машины;
— закономерности взаимодействия гидрофицированных рабочих органов с погружаемым материалом и адекватные им математические модели учитывают форму клиновых нагребающих элементов, траекторию его движения по приемной плите питателя, а также влияние угла наклона питателя к почве выработки с помощью коэффициентов, полученных на основе результатов графоаналитических и экспериментальных исследований;
— в отличии от общепринятой методики назначения расчетных нагрузок предложен способ определения ожидаемых усилий, в ходовой трансмиссии с учетом особенностей переходных процессов в основных, режимах работы ходовой части, оборудованной гидромотором.
В работе защищаются:
— основные положения методики определения количественных показателей надежности и полученные результаты при оценке работоспособности погрузочных машин УПЗ, 1ПНБ2, 2ПНБ2, 2ПНБ2Б, МПКЗ, МПНБ;
— разработанные на основе анализа и обобщения тенденций изменения парка погрузочных машин и результатов производственных наблюдений за период 1985;1996 гг. пути повышения эффективности применения шахтных погрузочных машин за счет внедрения гидрофицированных погрузчиков;
— расчетные схемы и методика выбора конструктивных параметров гидрофицированных ходовых частей машины МПНБ и МПКЗ;
— математические модели и вычислительный алгоритм определения нагрузок в гидрофицированном приводе погрузочного органа с клиновыми нагребающими рычагами-лапами машины МПНК;
— основные положения методики назначения расчетных нагрузок в ходовой трансмиссии погрузчика, оборудованного гидроприводом.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных методов исследований: анализ научно-исследовательских работ, посвященных исследуемому вопросуприменение апробированных методов графоаналитического исследования предельно напряженного состояния сыпучей средыприменение статистических методов планирования и обработки результатов экспериментов, проведенных на экспериментальном образце погрузочной машинывыполнение расчетов на современных ЭВМадекватность теоретических моделей реальному процессу (расхождение расчетных и опытных данных в большинстве случаев не превышает 10%) — достаточность объема экспериментальных данных при доверительной вероятности 0,9 и коэффициенте вариации не превышающем 0,18.
Значение работы. Научное значение работы состоит в установлении тенденций развития средств механизации погрузки в отечественной и зарубежной практике и обобщении уже имеющегося и разработке оригинального математического аппарата применительно к реализации идеи исполнительных механизмов с целью создания надежных с высокой степенью ремонтопригодности шахтных погрузчиков.
Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты использованы при проектировании гидрофицированных частей серийных машин типа МПЫБ, МПКЗ, МПК1000Т. Разработана инженерная методика назначения исходных нагрузок в трансмиссии ходовой части, спроектирован и изготовлен опытный образец машины МПНК с оригинальной конструкцией рабочего органа.
Внедрение результатов диссертационных исследований. Результаты исследований настоящей работы использованы:
— при проектировании и изготовлении гидрофицированных ходовых частей погрузочных машин МПКЗ и МПНБ (машины выпускаются в настоящее время серийно) — при проектировании и изготовлении опытного образца машины МПК1000Т;
— при проектировании и изготовлении экспериментального образца гидрофицированного органа МПНК с клиновыми лапами.
Рекомендуется использовать результаты исследований:
— ИГД им. А. А. Скочинского, КузНИИШахтострой, ЦНИИПодземмаш при разработке перспективных проходческих машин и комплексов;
— машиностроительными заводами России и СНГ при модернизации и разработке погрузочных органов оригинальной конструкции на базе гидропривода поступательного действия.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на заседаниях секции советов НТО Копейского машиностроительного завода (г.Копейск, 1986;1997гг.), на научно-практических конференциях Новочеркасского государственного технического университета (1989;1997 гг.), Института горного дела им. А. А. Скочинского (1991 г.), про-ектно-конструкторского института ЦНИИПодземмаш (1986;1992 гг.), на семинаре и научно-практической конференции по горнопроходческим работам (г.Гуково, ноябрь 1997 г.), на технических совещаниях по проблемам ГПР в системе компании «Росуголь» (1993;1997 гг.), на научных конференциях и семинарах кафедр «Горные машины и оборудование» (ШИ НГТУ и НГТУ).
Публикация. По теме диссертации опубликовано 5 статей, получено 4 авторских свидетельства и 1 патент.
Работа выполнена на кафедре «Горные машины и оборудование» Шах-тинского института НГТУ, коллективу которой автор выражает глубокую признательность за оказанную помощь при постановке и решении задач исследований.
Выводы по главе.
1. Результаты, полученные в главе 3 настоящей работы, позволили спроектировать и изготовить рабочий орган с клиновыми лапами и приводом от гидроцилиндров поступательного действия: к заводским испытаниям был подготовлен опытный образец машины МПНК, созданный на базе серийной погрузочной машины МПНБ.
2. Разработанная и реализованная на опытном образце машины МПНК гидросистема обеспечила надежное перемещение лап. Управляющее воздействие на главный гидроцилиндр, осуществляемое с помощью двух вспомогательных гидрораспределителей механическим путем при достижении нагребающими лапами крайнего положения, выполнялось безотказно за весь период испытания. Видеозапись работы машины на экспериментальном заводском стенде свидетельствует о том, что принятые конструктивные решения оказались удачными: гидроцилиндры привода лап работали устойчиво без сбоев при перегрузке запланированного объема — 120 м .
3. Представленные в настоящей главе видеограммы выгрузки штабеля сыпучего материала высотой 0,3- 0,6 и 0,9 м свидетельствует об устойчивом отборе материала: смещение сыпучего в сторону от питателя машины практически отсутствует.
4. Оценка адекватности результатов моделирования динамики переходных процессов в гидроприводе ходовой части, осуществленная в результате специальных замеров усилия в гидросистеме при проведении производственных испытаний погрузчика МПКЮООТ на шахте «Гуковская» ОАО «Гуковуголь», что позволила заключить: сходимость по амплитуде хорошая, отклонения не превышали общепризнанной в практике ошибки у< 10%, а частота колебательных процессов при моделировании почти в два раза выше реального процесса. Последнее обстоятельство следует учитывать при составлении расчетного цикла нагружения элементов ходовой трансмиссии.
5. Представленная методика назначения исходных нагрузок в ходовой трансмиссии, оборудованной гидромоторами, учитывает крутильные колебания, обусловленные как упругостью кинематической цепи, так и упругостью гидросистемы. При использовании настоящей методики достигается конечная цель: определение расчетной долговечности деталей кинематической цепи от гидромотора до приводной звезды гусеничной цепи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Выполненные исследования тенденций развития конструкций шахтных погрузчиков отечественного и зарубежного производства, изучение патентов и предложений по совершенствованию рабочих органов погрузочных машин, сравнительный анализ количественных показателей надежности отдельных частей серийно выпускаемых машин позволили определить и осуществить основное направление настоящей работы — разработать и проверить технические решения по повышению эффективности механизированной погрузки горной массы путем создания гидрофицированного погрузчика нового поколения МПНК. Таким образом, в работе получено новое решение научно-технической задачи и поставленная цель достигнута.
Основные научные и практические результаты работы сводятся к следующему:
1 .Анализ тенденций развития шахтных погрузочных машин и рабочих органов при механизированной погрузке при изучении литературных источников с глубиной поиска более 10 лет свидетельствует об устойчивой тенденции внедрения в производство гидрофицированных погрузчиков. Применительно к ковшовым погрузчикам эта техническая задача практически решена путем применения машин с боковой разгрузкой ковша. Для погрузчиков непрерывного действия, отличающихся повышенной конструктивной сложностью, нейтрализация негативных свойств погрузочного органа с парными нагребающими лапами (высокий уровень отказов из-за наличия редукгорных групп в зоне контакта с погружаемой горной массой) возможна путем внедрения гидропривода поступательного действия.
2. В результате обработки и анализа как уже имеющейся информации в литературе, так и вновь полученной при настоящих исследованиях, позволившей выполнить сравнение количественных показателей надежности и тяжести отказов отдельных узлов серийных машин с целью определения принципиально новых подходов к устранению причин существующих и возможных отказов деталей погрузчика, установлено, что первоочередной задачей при повышении эффективности погрузчиков является задача повышения надежности рабочего органа и ходовой части. Методика сбора и обработки информации учитывала вероятностный характер функционирования погрузочной машины, как составной части буровзрывной проходческой системы.
3. Произведенное обоснование математической модели для анализа динамики в ходовой трансмиссии погрузчика, оборудованного гидромоторами, с учетом упругости элементов гидросистемы и кинематической цепи от привода до гусениц, позволило проанализировать ожидаемые нагрузки и динамику процесса при разгоне, установившемся движении, внедрении и зачерпывании ковшом горной массы с достаточно большой степенью приближения к реальному процессу.
4. Исследования переходных процессов в гидроприводе погрузочного рабочего органа типа ПНБ с клиновыми нагребающими лапами и анализ полученных результатов применительно к наиболее тяжелым условиям работы этого класса погрузчиков свидетельствует о возможности устойчивой работы гидропривода с двумя гидроцилиндрами поступательного действия.
5. На базе проведенных исследований динамики гидрофицированной ходовой части выполнена конструктивная проработка, разработаны рабочие чертежи и изготовлены гидрофицированные гусеничные ходовые движетели к погрузочным машинам МПКЗ, МПНБ и МПК1000Т. Ходовые части МПКЗ и МПНБ доведены до серийного производства. Выполнен цикл наблюдений машинами МПКЗ и сравнительные испытания машин МПНБ и 2ПНБ2 в условиях Российского Донбасса. Анализ полученных результатов показал, что технические решения в этой части оказались эффективными: гидропривод работал устойчиво, количество отказов по гидрофицированным ходовым частям существенно уменьшился в сравнении с электромеханическим приводом.
6. Специальные замеры давления в гидросистеме ходовой части при промышленных испытаниях экспериментального образца машины МПКЮООТ показали практически полное соответствие реальных нагрузок прогнозируемым — как по амплитуде, так и по частоте — при выполнении основных рабочих операций.
7. На базе проведенных ранее в лаборатории погрузочных машин ШФ НПИ исследованиях, а также уточнений по результатам настоящих исследований, выполнена конструктивная проработка погрузочного органа с клиновыми нагребающими лапами и создан опытный образец машины МПНК. Выполненные заводские испытания этой машины доказали эффективность принятых решений по рабочему органу: гидросистема работала устойчиво без сбоев, выгрузка штабеля малой высоты 0,3. 0,9 м осуществлялась также надежно, как и на стандартном штабеле высотой более 1,5 м.
8. Проведенный цикл теоретических и экспериментальных исследований позволил разработать инженерную методику определения расчетных нагрузок в ходовой трансмиссии с учетом крутильных колебаний, обусловленных как упругостью кинематической цепи, так и упругостью гидросистемы. Достигнута конечная цель этой методики: определение расчетной долговечности деталей кинематической цепи от гидромотора до приводной звезды гусеничной цепи.
9. Результаты промышленной эксплуатации машин МПКЗ и МПНБ подтвердили эффективность разработанных технических решений по гидрофицированным ходовым частям. На уровне опытных образцов подтверждена также целесообразность принятых решений по оборудованию погрузочного органа приводом с двумя гидроцилиндрами поступательного действия. Таким образом, результатами настоящей работы доказана возможность и целесообразность создания специальных гидрофицированных погрузчиков непрерывного действия с повышенными показателями надежности и долговечности.
