Обоснование рациональных динамических параметров гидропривода механизма резания выемочного модуля

Современная технология подземной добычи угля длинными очистными забоями базируется в основном на применении механизированных очистных комбайновых и струговых комплексов, а также выемочных агрегатов. Принцип действия всех этих выемочных машин основан на механическом способе разрушения угольного массива резанием. Этот способ и в дальнейшем остаётся приоритетным для подземной добычи угля.

Основными факторами, сдерживающими эффективность подземной добычи угля, органически присущими существующим комбайновым и струговым технологиям, являются: высокая энергоёмкость процесса отбойки угля, низкое качество добываемого угля по гранулометрическому составу и зольности, недостаточная устойчивость технологического процесса в лаве. Проблема снижения удельного расхода энергии по добычи угля возникла с момента создания первых очистных комбайнов, а необходимость улучшения гранулометрического состава угольной массы особенно актуальной стала с начала массового применения узкозахватных очистных комбайнов с роторными исполнительными органами, осуществляющими отделение полезного ископаемого от массива серпообразными срезами.

В настоящее время одной из важнейших задач, стоящих перед угольной промышленностью, остается повышение эффективности очистных работ при подземной добыче угля. При ее решении основная роль отводится повышению эффективности процесса отделения угля от массива горными выемочными машинами.

Здесь необходимо выделить три основных направления: снижение энергоемкости добычи, следовательно, снижение расхода энергии и улучшение качества добываемого угля по гранулометрическому составуснижение неравномерности нагрузок и, как следствие, повышение ресурса горных машин и устойчивой мощности приводаповышение интенсивности процесса отделения угля от массива и, еледовательно, повышение производительности горно-выемочных машин.

Снижение удельного расхода энергии и неравномерности нагрузок — задачи взаимосвязанные. Без их решения невозможно значительно повысить интенсивность процесса отделения угля от массива. Известно, что энергоемкость резания снижается при увеличении толщины среза. Но увеличение толщины среза вызывает быстрый рост неравномерности нагрузок, что снижает надежность механизмов резания: увеличивается частота отказов и уменьшается ресурс.

Известны выемочные гидравлические механизмы резания института ПНИУИ, фронтальные комплексы модульного исполнения для избирательного отделения угля от массива, обеспечивающие большие толщины срезов и лучший гранулометрический состав добываемого полезного ископаемого. Но не разработана теория обоснования и выбора рациональных параметров их механизмов резания, обеспечивающих снижение удельного расхода энергии увеличением толщины среза с одновременным снижением неравномерности нагрузок, что является актуальной научной задачей.

Работа базируется на теории резания углей (М.М.Протодьяконовы (старший и младший), А. И. Берон, В. Г. Гетопанов, Е.З.Позин), на результатах исследований динамики горных машин (А.В.Докукин, Ю. Д. Красников, А. Г. Фролов, Е. З. Позин, З. Я. Хургин, Н. А. Киклевич, Б. С. Маховиков, Ю. Н. Смирнов и др.), а также на отдельных научных и экспериментальных исследованиях нетрадиционных средств добычи угля, в частности, разработках агрегатов: АГК-8 (ПНИУИ, Ю.Н.Наместников), АФГ (ПНИУИ, А.И.КуракинМГИ, В. И. Солод, Е.К.Заикин), КФМ (СПГГИ (ТУ) ВГИ, В. В. Габов, Э.А. Загривный) и некоторых других работах.

Идея работы: снижение неравномерности нагрузок на резце в процессе резания углей достигается увеличением запаса потенциальной энергии привода, продолжительности действия нагрузки при уменьшении инерционной массы механизма резания, что позволяет увеличить толщину среза и снизить удельный расход энергии при добыче угля.

Защищаемые научные положения:

1. Экспериментально установлено, что в момент начала скола значение максимальной статической нагрузки на эталонный резец, с увеличением продолжительности ее действия уменьшается от эталонного значения для данного типа угля на величину, равную произведению натурального логарифма времени действия нагрузки и коэффициента пропорциональности, характеризующего хрупко-пластические свойства и трещиноватость углей.

2. Экспериментально установлено, что увеличение запаса потенциальной энергии в приводе резания и уменьшение его кинетической энергии путем снижения массы движущих частей сопровождается снижением неравномерности силы резания и увеличением неравномерности скорости резания, при этом физическая сущность процесса отделения угля от массива отдельными сколами сохраняется, а эффективность процесса (производительность) повышается.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение теории резания углей, кинетической теории прочности материалов и механики образования и распространения трещин, экспериментальные исследования на физических моделях, математической статистики и спектрального анализа, математическое моделирование.

Научная новизна диссертационной работы заключается в установлении экспоненциальной зависимости максимальной статической силы резания хрупких трещиноватых улей от времени приложения нагрузки, и в установлении эффекта снижения неравномерности сил резания углей одиночным резцом при отделении стружки отдельными сколами с увеличением запаса потенциальной энергии и уменьшением кинетической энергии за счет уменьшения массы движущихся деталей механизма резания.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается достаточным объемом экспериментальных данных, полученных на физической полноразмерной модели при резании угля эталонным резцомустойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значение индексов корреляции находятся в пределах 0,96−0,99) — корректным применением метода спектрального анализа случайных процессов при обработке и анализе экспериментальных данных.

Практическое значение работы: экспериментально доказана возможность снижения неравномерности нагрузок на резцы и привод выемочной машины при использовании гидравлического привода снижением его инерционной составляющей и увеличением емкости пневмогидроаккумулятора;

— разработан пакет прикладных программ для определения рациональных параметров механизма резания, спектрального анализа нагрузок и моделирования процессаразработан, изготовлен и испытан стенд для изучения процесса резания углей выемочными модулями с объемным гидравлическим приводом с широким диапазоном изменения параметров, как механизма резания, так и свойств разрушаемых углейданы рекомендации для выбора рациональных параметров гидропривода унифицированного выемочного модуля добычного комплекса;

— разработано техническое решение унифицированного выемочного модуля фронтального комплекса для условий шахты «Вор кути некая» ОАО «Вор-кутауголь и методика определения его производительности.

Связь темы диссертации с научно-техническими программами.

Работа выполнена по планам госбюджетной НИР филиала СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт», по отраслевым планам компании «Росуголь» Министерства топлива и энергетики России.

Реализация результатов работы:

— созданы стенд для динамических испытаний моделей приводов механизмов резания выемочных модулей и устройство для определения сопротивляемости угольных пластов резанию в шахтных условиях при толщинах среза до 300 ммрезультаты работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) и при дипломном проектировании по специальности 150 402 «Горные машины и оборудование».

Личный вклад автора. Сформулированы задачи исследования, разработаны методы их решения, созданы экспериментальные стендовые установки, получены зависимости средне-пиковых (максимальных) сил резания от времени приложения нагрузки к эталонному резцу, разработана математическая модель процесса резания угля выемочным модулем, разработаны рекомендации для выбора рациональных параметров привода механизма резания выемочных устройств.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались на Республиканской конференции «Человек на Севере в XXI веке: горное дело, ТЭК» (Воркута, апрель 2001 г.) — на ежегодной научной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет), Санкт-Петербург, апрель 2002 г.) — на международном симпозиуме «Неделя горняка» (Московский государственный горный университет, январь 2003 г.) — на 3-й межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, апрель 2005 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 9 статьях.

ВЫВОДЫ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ.

1. Экспериментально установлено, что в момент начала скола значение максимальной статической нагрузки на эталонный резец с увеличением продолжительности ее действия уменьшается от эталонного значения для данного типа угля на величину, равную произведению натурального логарифма времени действия нагрузки на коэффициент пропорциональности, характеризующего хрупко-пластические свойства и трещиноватость углей.

2. Экспериментально установлено, что увеличение запаса потенциальной энергии в приводе резания и уменьшение его кинетической энергии путем снижения массы движущих частей сопровождается снижением неравномерности силы резания и увеличением неравномерности скорости резания, при этом физическая сущность процесса отделения угля от массива отдельными сколами сохраняется, а эффективность процесса повышается.

3. С увеличением запаса потенциальной энергии и уменьшением массы движущихся частей в гидроприводе УВМ при резании хрупких массивов со скоростью 0,1.0,5 м/с приводит:

— к стабилизации сил резания и, следовательно, к уменьшению скорости расходования ресурса;

— к увеличению выхода крупных классов угля, следовательно, к уменьшению удельного расхода энергии и повышению качества добываемого угля по гранулометрическому составу.

4. Полученные зависимости необходимо учитывать при выборе рациональных параметров гидропривода выемочных модулей фронтальных модульных комплексов. При заданной производительности КФМ и гранулометрическом составе (сортности) добываемого угля можно определить время запаздывания t и соответствующую нагрузку на исполнительный орган выемочного модуля. При этом неизбежные «стопорные» режимы не являются аварийными состояниями процесса, что свойственно современным горным машинам.

5. Для других горно-геологических условий и конструктивных параметров возможны другие зависимости, следовательно, необходимо создать математическую модель для исследований и выбора рациональных конструктивных параметров для широкого спектра условий.

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ.

4.1. Цель и задачи математического моделирования.

Физические модели создаются для исследования реальной физической сущности процесса, которая сложна, недостаточно изучена и уникальна, под конкретные параметры механизмов резания выемочного модуля.

При решении практических задач особенно на стадии исследований и проектирования возникает необходимость поиска рациональных конструктивных параметров и их приводов, так и параметров привода в зависимости от крепости углей, наличия твёрдых включений, нагрузки на забой и других факторов. Следовательно, целесообразно разработать математическую модель процесса резания, чтобы на ней можно было менять перечисленные параметры в широких пределах, что позволит при разработке типоразмерного ряда модулей отказаться от изготовления нескольких типов экспериментальных и опытных образцов механизмов резания, ускорить решения задач и снизить затраты.

Проверить адекватность математической модели реальному механизму можно для случая параметров физической полноразмерной модели механизма резания, представленного в главе 3. Поэтому целью разработки математической модели процесса резания угля адекватной физической полноразмерной модели механизма резания выемочного модуля является создание такой модели, которую можно использовать для поиска рациональных параметров механизмов и и привода резания для широкого спектра горно-геологических условий.

Так как физическая модель полноразмерная, то адекватность процесса получена в математической модели будет адекватной процессу разрушения углей для реального унифицированного выемочного модуля.

Задачами математического моделирования являются:

1. Составление математического описания вариантов привода механизма резания выемочного модуля.

2. Моделирование процесса резания угля с включённым и выключенным пневмогидроаккумулятором при стандартных пилообразных характеристиках последовательных сколов.

3. Оценка степени адекватности математической модели реальному процессу резания угля.

4.2. Разработка математической модели процесса резания.

На рис. 4.1 представлена схема гидропривода физической модели механизма резания выемочного модуля. Отличие её от рассматриваемого в главе 3 стенда — наличие регулируемого дросселя в линии гидроцилиндр — пневмогид.

Рис. 4.1. Схема гидравлическая приципиальная гидропривода механизма резания УВМ роаккумулятор. Гидравлическая схема привода включает электродвигатель 1, нерегулируемый насос постоянной производительности 2, предохранительный клапан 3, регулятор давления 4, фильтр 5, распределитель 6, краны 7, 8, 16 и 17, обратный клапан 9, пневмо-гидроаккумулятор 10, регулируемый дроссель 11, силовой гидроцилиндр резания 12 и маслобак 13. Кроме того, на схеме показаны эталонный резец 14 и угольный блок 15.

Основные параметры привода механизма резания УВМ представлены в.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, представляющей собой законченное научное исследование, на базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научная и практическая задача повышения производительности и ресурса выемочных модулей выбором их рациональных динамических параметров, обеспечивающих снижение неравномерности нагрузок на резцах и многократного увеличении толщины среза, что является важным для горной отрасли.

Основные научные выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Экспериментально установлено, что при резании хрупких трещиноватых углей значение максимальной статической нагрузки на эталонный резец уменьшается по экспоненциальному закону с увеличением продолжительности ее действия.

2. Снижение неравномерности сил' резания достигается уменьшением массы движущихся частей механизмов резания и увеличением запаса потенциальной энергии в их приводе, при этом энергоемкость процесса разрушения угля и выход его мелких классов снижаются.

3. Разработана математическая модель процесса отделения угля от массива унифицированными выемочными модулями, которая позволяет, изменяя в широких пределах параметры модуля и свойства разрушаемого массива, определять рациональные значения конструктивных параметров модуля и режима его работы.

4. Полученные зависимости необходимо учитывать при выборе рациональных параметров гидропривода выемочных модулей фронтальных модульных комплексов. При заданной производительности КФМ и гранулометрическом составе (сортности) добываемого угля можно определить время запаздывания t и соответствующую нагрузку на исполнительный орган выемочного модуля. При этом неизбежные «стопорные» режимы не являются аварийными состояниями процесса, что свойственно современным горным машинам.

5. Разработана методика определения производительности фронтального модульного комплекса, укомплектованного унифицированными выемочными модулями, осуществляющими срезы по напластованию.

6. Нагрузка на забой при применении предлагаемого фронтального модульного комплекса в условиях пласта «Тройной» шахты «Воркутинская» ОАО «Воркутауголь» может быть увеличена с 2400 до 7200 т/сут.