Создание перегружателя для крепких крупно-кусковых пород с клиновым тягово-транспортирующим органом

Актуальность проблемы. Непрерывный рост потребностей в минеральном сырье и топливе, необходимость строительства тоннелей и других подземных сооружений, плотин, каналов и оросительных систем, возрастающие потребности строительной индустрии и переработки отходов производства, например, породных отвалов, ведут к возникновению больших грузопотоков по перемещению таких материалов как металлические руды, щебень, гравий, скальные породы и др., обладающие высокой твердостью, абразивностью и кусковатостью. Это открывает широкие возможности для внедрения конвейерного транспорта, обеспечивающего высокую эффективность при загрузке материала в составы железнодорожных вагонов, баржи и корабли, при складировании, доставке сырья в химической и металлургической промышленности, на горно-обогатительных комбинатах, проходке подготовительных выработок.

Анализ процесса транспортирования крепких крупнокусковых материалов с помощью существующих транспортных средств (ленточных и скребковых конвейеров) выявил их недостаточную эффективность из-за конструктивных и технологических недостатков.

Проблемы, вытекающие из трудности транспортирования крепких материалов, особенно остро стоят при проведении подготовительных выработок буровзрывным способом (БВС). Актуальность совершенствования техники и технологии БВС проведения горноподготовительных выработок обуславливается тем, что в настоящее время этим способом в Российской Федерации производится около 50% их общего объема.

Важнейшим направлением научных исследований и разработок в 1989;1999 годах, призванных разрешить проблему транспортирования пород крепостью/> 6 по шкале М. М. Протодьяконова, являются работы по созданию комплекса оборудования для проведения подготовительных выработок по крепким породам, выполняемые совместно Национальным научным центром горного производства (ННЦ ГП) ИГД им А.А. Ско-чинского и Шахтинским институтом Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) — ШИ ЮРГТУ (НПИ).

Одним из конструктивных решений, позволяющих решить проблему транспортирования крепких крупнокусковых пород от погрузочной машины к последующим транспортным средствам, является клиновой перегружатель (конвейер). Простота конструкции, отсутствие сложных кинематических и редукторных групп, звездочек, тяговых цепей, отличающие новое транспортное устройство от выпускаемых в настоящее время, позволяет обеспечить непрерывную механизированную за-| i грузку через перегружатель состава породой, образовавшейся за проходческий цикл.

Создание проходческого перегружателя с клиновым тягово-транспортирующим органом (ТТО) связано с необходимостью решения ряда вопросов: недостаточной изученностью рабочего процесса взаимодействия клиновых элементов ТТО с транспортируемым материалом, математического описания взаимодействия, отсутствием методов выбора основных конструктивных параметров клинового перегружателя. Таким образом, создание перегружателя для транспортирования крепких крупнокусковых пород, позволяющее при его применении повысить эффективность проведения подготовительных выработок БВС, является актуальной задачей.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ЮРГТУ (НПИ) «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, Использование углей и охрана труда», утвержденного Ученым советом ЮРГТУ в 1994 г.- программы «Уголь России», проект № 0−6 от 04.01.93 г., утвержденной ГРУК «Росуголь», договором между ГРУК «Росуголь"'и ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочинского по теме «Создать перегружатель ПК-1 и погрузочный модуль с клиновыми рабочими элементами по крепким породам» № 1549−30−95 от 16.08.95, выполненный с участием ШИ ЮРГТУ (НПИ) в рамках указанного проекта.

Цель работы. Повысить эффективность транспортирования крепких крупнокусковых пород при проведении подготовительных выработок БВС путем создания специализированного проходческого перегружателя на основе выбора его компоновочной схемы, рациональных конструктивных параметров по результатам исследований рабочих процессов.

Идея работы. Возможность повышения эффективности транспортировании крепких крупнокусковых пород за счет снижения удельных энергозатрат рассматривается путем применения перегружателя, реализующего захват и проталкивание материала по длине става с помощью клиновых элементов ТТО с приводом от силовых гидроцилиндров.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

— физические процессы при взаимодействии элементов клинового ТТО с грузом при внедрении клина и проталкивании материала, непосредственно влияющие на сопротивления движению, энергоемкость и объем передачи груза в ячейках, определяются деформациями транспортируемого материалапоследние вызваны погруженным состоянием активных плоскостей клиньев и малой относительной высотой стенки неподвижного клина, что приводит к образованию локальных призм выпирания и послойному перемещению частиц с отставанием верхних слоев;

— объемы груза, передаваемые в последующие ячейки, определяются условным (эквивалентным)количеством материала в ячейке и рядом безразмерных соотношений, характеризующих ТТО и транспортируемый материал: высот слоя и клиньевдлины проталкивания и среднего размера кускауглов трения материала по поверхности клиньев и их заострения;

— установлены закономерности последовательной передачи объемов материала по ячейкам в виде рекуррентного соотношения, связывающего объемы материала в рассматриваемой, предыдущей и последующей ячейках, а также поступающего извйе, например, от шахтной погрузочной машины (ШПМ);

— разработанная инженерная методика выбора рациональных параметров клинового перегружателя с гидроприводом возвратно-поступательного действия основана на моделировании рабочих процессов и минимизации удельных энергозатрат при транспортировании крупнокусковых пород, позволяет определять геометрические размеры.

ТТО и перегружателя в целом, скорость перемещений и параметры приводаустановлено существенное влияние на удельные энергозатраты перечисленных факторов.

Новизна научных положений состоит в том, что:

— разработан принцип передачи груза по длине става с помощью последовательно установленных клиновых элементов с гидроприводом, позволяющий на его основе создавать новые транспортные средства без гибкого тягового органа- 1.

— впервые установлены особенности физических процессов поведения сыпучего кускового материала при взаимодействии с подвижным клином, имеющем активные погруженные подпорные стенки и препятствие в виде неподвижного клина;

— на основе особенностей рабочего процесса взаимодействия клиновых элементов с кусковым материалом впервые разработаны математические модели, описывающие передачу порции материала в последующую ячейку за рабочий цикл ТТО в зависимости от его конструктивных параметров и характеристик транспортируемого груза;

— в отличие от общепринятого в теории проектирования конвейеров, выбор рациональных параметров ТТО клинового перегружателя, обеспечивающих эффективность транспортирования крепких крупнокусковых пород, производится по критерию удельных энергозатрат при заданном режиме подачи материала в совокупности с силовыми, горнотехническими, геометрическими, весовыми, конструктивно-компоновочными, кинематическими и пропускными ограничениями.

В работе защищаются:

— конструктивно-компоновочные схемы перегружателей (крнвейе-ров) с клиновым ТТО и гидроприводом возвратно-поступательного действия, защищенные охранными документами (а.с. 1 654 596 от 15.10.91 г. и патент № 2 108 955 от 20.04.98 г.), отличающиеся от скребковых конвейеров отсутствием сложных кинематических и редукторных групп, цепей, звезд, упрощающее ремонт и эксплуатацию и позволяющее с лучшими технико-экономическими показателями транспортировать крепкие породы;

— физическая картина процесса взаимодействия клиновых элементов ТТО с кусковым материалом, находящимся в ячейке перегружателя, протекающего при относительно малых высотах слоя сопоставимых с высотами подвижных и неподвижных клиньев, наличии подпорной стенки малой относительной высоты при внедрении клина и препятствия при проталкивании груза в последующую ячейку;

— закономерности и математические модели формирования объемов материала, образующегося в ячейках и на выходе из ячеек за рабочий цикл ТТО в зависимости от конструктивных параметров перегружателя, уровня материала в желобе, при подаче груза в приемное устройство, например, от ШПМ и сопротивлений при перемещении груза по желобу;

— основные положения методики и алгоритм выбора основных конструктивных параметров клинового перегружателя в зависимости от технологических условий его применения;

— методика оценки рабочих качеств создаваемых образцов перегружателя в сравнении с существующими аналогами с помощью обобщенного показателя — удельных трудозатрат за период жизненного цикла их функционирования.

Значение работы. Научное значение работы состоит в разработке принципиально нового транспортного устройства с бестяговой связью и гидроприводом возвратно-поступательного действия, в котором с помощью клиновых элементов ТТО осуществляется перемещение кускового материала по длине става с более эффективными показателями транспортирования, установлении закономерностей рабочих процессов взаимодействия клиновых элементов с транспортирующим материалом и разработке математического аппарата для выбора рациональных параметров клинового ТТО перегружателя применительно к различным горнотехническим условиям проведения выработок БВС.

Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты — инженерная методика и алгоритм выбора параметров клинового перегружателя использованы Копейским машзаводом (КМЗ) и ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочинского при создании опытных образцов перегружателей различного конструктивного исполнения, испытания которых подтвердили их работоспособность в условиях транспортирования крепких пород и более высокую их эффективность при использовании в аналогичных условиях в сравнении с существующими аналогами.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных методов исследований: анализом научно-исследовательских работ по теме диссертациистатистическими методами планирования и обработки экспериментов, проведенных на модельных установках и опытных образцах клиновых перегружателейиспользованием современных ЭВМ для выполнения расчетов и обработки экспериментальных данныхоценками адекватности результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение расчетных и опытных данных в большинстве точек исследованной области не превышает 20%, что удовлетворяет данному типу исследований) — достаточным объемом экспериментальных данных (при доверительной вероятности 0,9, коэффициент вариации не превышает 0,18).

Внедрение результатов диссертационных исследований.

Результаты исследований настоящей работы использованы:

— в методике расчета производительности проходческих перегружателей с клиновым ТТО;

— при разработке методики выбора параметров клинового перегружателя;

— при создании и испытаниях опытных образцов проходческих клиновых перегружателей с гидроприводом возвратно-поступательного действия, разработанных КМЗ и ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочинского.

Результаты исследований рекомендуется к использованию Шах-тинскому, Каменскому, Копейскому и другим профильным заводам угольного машиностроения при модернизации имеющегося и разработке нового поколения специализированных перегружателей, адаптированных к различным технологическим условиям.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях Шах.

11 тинского института ЮРГТУ, г. Шахты 1989;1998 г.- на научных семинарах кафедры «Горные машины и оборудование» 1989;1998 г.- семинаре по угольному машиностроению Кузбасса г. Кемерово 22−23 октября 1991 г.- семинарах по подведению итогов конкурса молодежных разработок Минтопэнерго 3−5 декабря 1995 г. и 3−5 декабря 1997 г., в г. Москве (работа отмечена дипломом, приказ № 291 П) — семинарах лаборатории технологии проведения выработок буровзрывным способом комплексами и агрегатами ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочинского 1990;1997 г.

Публикации', по теме диссертации опубликовано 9 статей, брошюра, получены авторское свидетельство и патент на изобретения.

Работа выполнена в Шахтинском институте Южно-Российского государственного технического университета в научно-исследовательской лаборатории кафедры «Горные машины и оборудование», коллективу которой автор выражает глубокую признательность за помощь в постановке задач исследований и их решении.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, изложена на 250 страницах, в том числе на 157 страницах представлен текст, 55 страницах рисунки, 24 страницах таблицы, список использованных источников из 130 наименований приведен на 13 страницах. Приложения из 131 страницы представлены отдельной брошюрой.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

1. На основе выбора рациональных параметров клинового ТТО разработана техническая документация и изготовлены опытные образцы клиновых перегружателей ПК-1 — «скользящего» — и ПК-2 — «грузонесу-щего» в укороченных вариантах.

2. Выполненные согласно методики испытания экспериментальных образцов в условиях, близким к производственным, позволили определить производительность перегружателей при поцикловом режиме подачи материала в загрузочную ячейку и составившей — 2,2−2,5 м3/мин, достаточной для использования их в комплекте с погрузочными машинами 2ПНБ2 и МПК-3. Произведено сопоставление экспериментальных данных по производительности перегружателей и прогнозных, произведенного на основе моделирования рабочего процесса транспортирования груза по ячейкам клиновым ТТО согласно разработанной математической модели (3.9). При этом относительная ошибка между экспериментальными и расчетными значениями не превысила при установившемся грузопотоке 5%, что доказывает адекватность математической модели порционного формирования.

3. Проведенные исследования нагрузок при транспортировании груза клиновым ТТО позволили установить фактические удельные энергозатраты, составившие для перегружателя ПК-1- 40,8 кДж/м3-м, ПК-2 -48,1 кДж/м3-м и сопоставить их по этому показателю с базовыми аналогами — скребковыми. Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что в реальных условиях при использовании последних при транспортировании крепких крупнокусковых пород их удельная энергоемкость превысит значения для клиновых перегружателей за счет эффекта заклинивания.

4. Наблюдением за состоянием основных конструктивных элементов ТТО и перегружателей в целом, их функционирования при перемещении принятого объема груза (Vpec = 355 т), позволили установить высокую работоспособность созданных транспортных устройств и прогнозировать повышенную надежность в сравнении со скребковыми аналогами.

5. На основе всего комплекса экспериментальных исследований натурных образцов и анализа полученных результатов для испытания в шахтных условиях принята конструкция перегружателя «грузонесуще-го» типа, исключающая возможность заклинивания ТТО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано решение первой научно-технической задачи, состоящей в создании нового транспортного средства — клинового перегружателя без гибкого тягового органа, обеспечивающего с меньшей удельной энергоемкостью транспортирование крепких крупнокусковых материалов и показавшего высокие эксплуатационные возможности. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволили сформулировать следующие научные и практические результаты.

1. Анализ состояния вопроса в области транспортирования крепких материалов, в том числе и крепких крупнокусковых пород при проведении подготовительных выработок БВС показал, что для данных условий ни в отечественной, ни в зарубежной практике нет достаточно надежных в эксплуатации средств, обеспечивающих приемлемыми показателями их перемещение. Решением проблемы могут стать устройства, конструктивно-кинематические схемы которых основаны на принципиально новых способах перемещения груза, например, с помощью клиновых элементов, опробованных ранее на погрузочных органах и протал-кивателях горной массы.

2. Разработаны и защищены авторскими свидетельствами конструктивно-кинематические схемы клиновых конвейеров (перегружателей) с гидроприводом возвратно-поступательного действия, в которых обеспечивается минимальный зазор между клиновым ТТО и желобом, что исключает заклинивание кусков крепкой породы, и отличающиеся от аналогов (скребковых конвейеров) отсутствием редукторов, гидромуфт, звезд, тяговых цепей, упрощающее конструкцию устройства и повышающее за счет этого надежность.

3. Установлены особенности рабочего процесса взаимодействия клиновых элементов с сыпучим кусковым материалом, на основании которых разработаны математические модели передачи объема груза в последующую ячейку за цикл ТТО, в зависимости от его конструктивных параметров и характеристик транспортируемого груза.

4. Разработана методика и программное обеспечение выбора основных конструктивных параметров клинового перегружателя. Методика основана на минимизации удельных энергозатрат в условиях проведения подготовительных выработок с системой ограничений, позволяющая определять производительность перегружателя, его геометрические размеры, параметры привода.

5. Разработаны, созданы и испытаны межведомственной комиссией с участием автора опытные образцы проходческих перегружателей различного конструктивного исполнения. Испытания доказали возможность использования клинового ТТО в перегружателях, работоспособность предлагаемых конструкций, высокую эффективность за счет снижения удельных энергозатрат при транспортировании крепких крупнокусковых пород. Прогнозируется повышенная надежность в сравнении с существующими аналогами — Скребковыми конвейерами.

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях автора.

1. Ляшенко Ю. М., Остановский А. А. Разработка погрузочно-транспортного комплекса для безлюдной технологии проведения выработок по крепким породам // Второй семинар по угольному машиностроению Кузбасса (22−23 октября 1991 г.), Кемерово, 1991 — С. 67−69.

2. Остановский А. А. Перспективы создания проходческого перегружателя для крепких пород // Вопросы горной электромеханики: Сборник научных трудов/ Новочерк. гос. тех. ун-т, Новочеркасск: НГТУ, 1994. — С. 82−86.

3. Проходческие перегружатели с клиновыми рабочими элементами и гидроприводом поступательного действия // Ляшенко И. В., Хазано-вич Г. Ш., Ляшенко Ю. М., Никитин Е. В., Остановский А. А., Чирков В. Н.: Новочерк. гос. техн. ун-т. — Новочеркасск, 1995. — 87 с. — Деп. в ВИНИТИ 07.06.95, № 1688−395.

4. Хазанович Г. Ш., Ляшенко Ю. М., Остановский А. А. Процессы формирования грузопотока тягово-транспортирующим органом клинового проходческого перегружателя // Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок: Сб. науч. тр. / Новочерк. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1996. — С. 131−136.

5. Хазанович Г. Ш., Ляшенко Ю. М., Никитин Е. В, Остановский А. А. Стендовые испытания клиновых проходческих перегружателей для крепких крупнокусковых пород / Совершенствование машин и технологий в горнодобывающей промышленности и стройиндустрии. Тезисы докладов научно-технической конференции Шахтинского института НГТУ Шахты, Апрель 1996 г. / Под ред. А.В. ЧистяковаНовочерк. гос. тех ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1996. — С. 11−12.

6. Хазанович Г. Ш., Ляшенко Ю. М., Никитин Е. В, Остановский А. А. Исследование рабочих процессов клиновых погрузочных и транспортных машин на экспериментальных стендах // механизация и электрификация горных работ: Материалы XXXXV научно-технической конференции Шахтинского института НГТУ. Апрель 1996 г. / Новочерк. гос. техн. ун-т. i Новочеркасск: НГТУ, 1996. — С. 40−44. '.

7. Остановский А. А. Разработка и выбор параметров клинового перегружателя возвратно-поступательного действия // Механизация и электрификация горных работ: Материалы XXXXV Научно-технической конференции Шахтинского института НГТУ. Апрель 1996 г. / Новочерк. гос. техн. ун-т. — Новочеркасск: НГТУ, 1996. с. 44−48.

8. Хазанович Г. Ш., Ляшенко Ю. М., Никитин Е. В., Остановский.

А.А., Ляшенко И. В., Чирков В. Н. Создание образцов проходческих по-грузочно-транспортных модулей для интеграции многомашинных технологий // Технология и механизация горнопроходческих работ: Сб. науч. тр. / Юж.-Рос. отд. АГН РФНовочерк. гос. техн. ун-т. — Новочеркасск: НГТУ, 1997 — С. 63−70.

9. Хазанович Г. Ш., Носенко С. И., Ляшенко Ю. М., Хазанович В. Г., Остановский А. А., Никитин Е. В. Разработка гидрофицированных погрузочных и транспортных моделей горнопроходческих машин // Научно-технические проблемы строительства вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок: Сб. науч. тр. / АО «Ростовшахтострой», Новочерк. гос. техн. ун-т. — НГТУ, 1998. -С. 159−164.

10. Хазанович Г. Ш., Лукьянова Г. В., Остановский А. А. Математические модели и методика выбора рациональных параметров перегружателя с клиновым тягово-транспортирующим органом / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 1999. — 30 с.

11. А.С. 1 684 198 СССР, МКИ В 65 G 25/00, 25/08. Конвейер для транспортирования сыпучих и кусковых материалов / В. Г. Сильня, Г. Ш. Хазанович, А. А. Остановский (СССР) — № 4 753 039/03. Заявлено 07.09.89- Опубл. 15.10.91. Бюл. № 38.

12. Патент 2 108 955 РФ МКИ В 65 G 25/00, 25/08. Конвейер для транспортирования сыпучих и кусковых материалов / Хазанович Г. Ш., Ляшенко Ю. М., Никитин Е. В., Остановский А. А., Каргин Р. В. (РФ), — № 96 103 745/03. Заявлено 26.02.96- Опубл. 20.04.98, Бюл. № 11.