К определению параметров системы подачи исполнительного органа проходческого комбайна Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© Н.В. Хииенко, 2003

YAK 622.232.7

Н.В. Хииенко,

K ОПРЕАЕЛЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ПОААЧИ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ПРОХОАЧЕСКОГО КОМБАЙНА

Особенностью работы проходческих комбайнов является возможность их использования в широком диапазоне изменения прочностных свойств разрушаемого горного массива (контактная прочность изменяется в пределах 100-800 МПа и выше). Предварительный анализ [1] показал существенные потери производительности при работе комбайна с постоянной скоростью подачи (более 25%, см. табл.). В связи с этим возникает необходимость регулирования нагруженности привода исполнительного органа (ИО) комбайна с целью максимального использования установленной мощности. Наиболее очевидный вариант регулирования - путем изменения скорости подачи на забой уп.

Возможны системы подачи как с плавным, так и со ступенчатым регулированием скорости подачи ИО. Для обоснования рационального способа необходим сравнительный анализ соответствующих систем подачи с рациональными параметрами, для чего необходимо решение задач:

- выбор количества т и значения скоростей подачи упк (к=1..т) при ступенчатом регулировании (задача параметрической оптимизации);

- выбор пределов изменения скорости подачи упт^ и уптах при плавном регулировании (эти же значения могут быть использованы как параметрические ограничения при решении предыдущей задачи);

- оценка влияния изменений уп и Б при обработке забоя, обусловленных кинематикой системы подвески стрелы на оптимизируемые параметры, ограничения и критерии оптимизации.

Выбор рациональных значений упк представляет собой задачу оптимизации. Критерий оптимизации -максимум средней теоретической производительности комбайна во всем диапазоне проектных условий его эксплуатации. Производительность ограничена тепловой и устойчивой мощностями двигателя привода исполнительного органа.

При разработке методики выбора рациональных значений упк были приняты следующие допущения:

в структуре забоя можно выделить пласты, характеризуемые средними показателями разрушаемо-сти и их долями в общем объеме разрушаемой породы;

пренебрегаем дополнительной слоистостью, трещиноватостью и напластованием пластов, считаем их структуру однородной;

считаем, что возможна раздельная обработка пластов;

ввиду небольшой длительности цикла обработки забоя считаем возможным определения перегрева двигателя по эквивалентной мощности.

Проектные условия эксплуатации комбайна задаются как набор из Пр забоев различных типов, характеризующихся различными Ра спределениями показателя разрушаемости породы и вероятностями их появления при эксплуатации у1 (1 = 1..пр). Распределение показателя разрушаемости породы в забое 1-го типа характеризуется средними показателями прочности ]-х пластов Ргу и долями этих пластов в забое ^ ( = 1..пп1).

Теоретическая производительность комбайна при работе в забое с 1-м распределением прочности пород:

v ..d..

mj j

а

3 1

где Б - площадь забоя, обрабатываемая исполнительным органом; уп^ - скорость подачи коронки, которая для ]-го пласта может принимать любое значение из ряда упк. Следует принимать к расчету такую комбинацию Упц, при которой 01 максимальна и соблюдаются все функциональные ограничения (см. ниже).

Средняя теоретическая производительность по всем расчетным распределениям прочности разрушаемых пород:

пр

е ,,

г 1

Неоднородность структуры разрушаемого горного массива приводит к неравномерности нагрузки на коронке в пределах цикла обработки забоя. Эквивалентная тепловая мощность, развиваемая приводом за время цикла, может быть определена из выражения [2]:

N 2

tu

j

(А

t

(і)

j і где N,

j і

эквивалентная мощность, развиваемая

приводом при обработки забоя с і-м распределением прочности породы; Иу, ^ - средняя развиваемая приводом мощность и время работы исполнительного органа по породе ]-го пласта і-го распределения прочности; кэ - коэффициент эквивалентности случайных составляющих нагрузки [3].

tj

К

S v„„

N,, Svm

W„

(2)

A sin J l A sin ,t 2 dt гДе S4 - сечение

выработки вчерне; Ь - продвижение забоя за цикл его обработки; W1j - удельные энергозатраты процесса разрушения породы j-го пласта 1-го распределения прочности; п - к. п. д. привода; Тн - период низкочастотной составляющей нагрузки в трансмиссии; Ан, Юн, Ав, юв - коэффициенты неравномерности и частоты низкочастотной и высокочастотной составляющих момента в трансмиссии (частота по-

следней равна собственной частоте трансмиссии);

д - коэффициент усиления двигателем высокочастотной составляющей момента.

Подставив (2) в (1), получим:

,S

I---------

W -ri-W (v ),

yrij n rr0(Vrnj)'

Ns 60- ^

| j 1 / j 1 vnij

Здесь Wjj задается как функция скорости подачи и прочности разрушаемой породы:

Pry Pro

где W0(vn) - таблично заданная зависимость удельных энергозатрат от скорости подачи при показателе прочности разрушаемой породы Pr0, рассчитанная по [4].

Для исключения перегрева двигателя привода исполнительного органа необходимо выполнение условия:

N . N ,

si тепл ’

где N тепл - тепловая мощность двигателя привода

исполнительного органа.

С другой стороны, устойчивая работа привода обеспечивается при:

N.. N ,

j уст ’

где Nycm - устойчивая мощность двигателя привода

исполнительного органа.

Устойчивая мощность соответствует устойчивому моменту, который может быть определен по формуле [3]:

купрМ m

M

Ґ

max

у 1 А 1 А где купр - коэффициент, учитывающий возможный режим управления (для автоматического режима купр=1, для ручного зависит от квалификации машиниста); М^ах - фактический максимальный момент, который может развить двигатель.

Математическая модель оптимизации параметров ступенчатого регулирования скорости подачи с учетом вышесказанного:

Найти множество

QXtt,C maxX,C ,

k 1 -Ntl;

X Rn;

(3)

Vn min '

vnk v„

Я" X

^,(Х) Мтел, г 1.."р;

N¡1 (X) МуСт, ] !.."„,

где Ropt - пространство оптимальных значений переменных проектирования; X^ - к1-й оптимальный вариант переменных проектирования; С - вектор постоянных проектирования; Ик1 - число оптимальных

Рис. 2. Зависимость W от толщины среза по данным различных исследователей

вариантов решения задачи оптимизации; Я" - пространство проектирования (возможные значения переменных проектирования).

Для эффективной работы комбайна необходимо не только полное использование установленной мощности, но и работа с рациональными удельными энергозатратами. Минимум удельных энергозатрат W обеспечивается при работе исполнительного органа с рациональными параметрами стружки на резцах. На рис. 2 приведены зависимости удельных энергозатрат процесса разрушения породы поворотным тангенциальным резцом по данным различных исследователей. Анализ приведенных зависимостей позволяет сделать вывод, что рациональный режим работы исполнительного органа (работа с минимальными W) обеспечивается при разрушении массива со стружками Ьт1п...Ьтах. При этом рациональная толщина стружки ограничена сверху конструктивным вылетом резца. Так как толщина стружки на резце пропорциональна скорости подачи, последняя должна быть ограничена:

V V

v п min v п

Значение vn

V

п max

(1)

«птах определяется по условию равенства максимальной толщины стружки на коронке и радиального вылета резца; упт1п - из условия обеспечения минимальной Ь, при которой достигаются рациональные удельные энергозатраты. Рациональная глубина регулирования упт1п/уптах при постоянной частоте вращения коронок по различным сведениям составляет 2,5-5,0.

В процессе обработки забоя изменяются плечи гидроцилиндров и расстояние от конца стрелы до оси поворота в горизонтальной плоскости, что приводит к изменению скорости подачи коронок при неизменной подаче рабочей жидкости в гидроцилиндры.

Анализ проводился для проходческого комбайна 1П110. При анализе выявлялись закономерности изменения следующих величин от углов подъема фпод и поворота фпов:

скоростей подачи коронок (точка С): влево и вправо (улев и

управ

), вверх и вниз (упод и уоп); глубины зарубки коронок В; теоретической производительности комбайна и мощности, развиваемой приводом исполнительного органа.

Для удобства анализа все перечисленные величины приводились к безразмерному виду (коэффициенты изменения), базами приведения принима-

лись их значения при фпод = фп

0.

На рис. 3а представлена зависимость коэффициента изменения скорости подачи коронок вправо куправ от фпод и фпов для проходческого комбайна

Ropt vn1ki"vnmki

ПОТЕРИ ПРОИЗВОЛИТЕЛЬНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ ПОЛАЧИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СОСТАВАХ ЗАБОЯ (КОМБАЙН ТИПА П110)_______

Распределение показателя прочности Производительность при плавно регулируемой уш м3/мин Производительность при постоянной Уп, м3/мин Потеря производительности, %

№ п/п Рк, МПа Доля

1 200 1 0.46 0.16 65

2 200 0.25 0.23 30

600 0.75

3 200 0.25 0.22 27

600 0.60

800 0.15

1П110. На рисунке показаны контуры областей значений фпод и фпов при обработке забоев максимального (25 м2) и минимального (7 м2) сечений выработок арочной формы. При увеличении модуля угла поворота скорость подачи растет ввиду уменьшения плеч гидроцилиндров. Увеличение модуля угла подъема, напротив, приводит к уменьшению скорости подачи за счет уменьшения расстояния от оси поворота до оси коронок. Среднее значение коэффициента изменения скорости подачи вправо во всем диапазоне обрабатываемых комбайном сечений равно 1,00. Наибольший разброс значений имеет место при обработке забоя выработки максимального сечения. Зависимость коэффициента изменения скорости подачи коронок влево практически не отличается от показанной на рис. 3а (зеркальное отражение относительно вертикальной оси симметрии сечения выработки).

На рис. 3б показана зависимость коэффициента изменения скорости вертикальной подачи коронок куверт от угла подъема стрелы. С увеличением модуля угла подъема стрелы скорость подачи растет вследствие уменьшения плеч гидроцилиндров.

Вследствие кинематических изменений скоростей подачи коронок изменится и рациональная глубина регулирования:

Рис. 3. Зависимость коэффициента изменения скорости подачи коронок вправо к¥прав от фпод и фпов (а) и коэффициента изменения скорости вертикальной подачи коронок

куверт от фпод (б)

Рис. 4. Зависимость коэффициентов кот и км от углов фпов и фпод при резе вправо (а) и от фпод при резе вверх (б)

v v v v —,

п ma^/ п min п max / п min 7 ’

k

v m ax

где kvmln, kvmax - пределы изменения коэффициента изменения скорости подачи при обработке выработки максимального сечения.

Для режима бокового реза комбайна П110 kvmln/kvmax= 0,74, то есть рациональная глубина регулирования скорости подачи за счет особенностей кинематики системы подвески стрелы уменьшается на 26 %.

При повороте стрелы глубина зарубки коронок В также будет изменяться (в случае, если перед каждым циклом обработки забоя производится перемещение корпуса комбайна). С ростом модуля угла поворота стрелы коэффициент изменения глубины зарубки коронок kB уменьшается. При обработке забоя выработки максимального сечения наименьшее значение kB составляет 0,85.

Так как теоретическая производительность пропорциональна скорости подачи и глубине зарубки коронок, коэффициент ее изменения kQx равен произведению коэффициентов изменения скорости подачи и глубины зарубки в массив (в случае постоянного шага фрезерования по дуге). Если принять, что удельные энергозатраты процесса разрушения породы коронками постоянны в рассматриваемом диапазоне изменения их режимных параметров, то коэффициент kN изменения мощности, развиваемой приводным двигателем, равен k^- (рис. 4). В режиме бокового реза с постоянным по дуге шагом фрезерования теоретическая производительность и развиваемая приводом коронок мощность с увеличением модуля угла поворота стрелы в вертикальной плоскости уменьшаются (рис. 4а). Избежать этого можно за счет увеличения шага фрезерования.

Таким образом, можно сделать вывод, что изменения нагрузки на двигатель привода коронок и теоретической производительности проходческого комбайна типа П110, вызванные кинематикой системы подвески стрелы, незначительны (до 5%) и математическая модель оптимизации (3) обоснованно не учитывает этот фактор. Вместе с тем, при выборе параметрических ограничений v^^ и ^max должны

учитываться кинематические изменения скорости подачи.

Выводы:

1. Предложенная математическая модель оптимизации параметров системы подачи ИО проходческого комбайна избирательного действия позволяет осуществить выбор их рациональных значений по критерию максимальной средней теоретической производительности с учетом условий эксплуатации комбайна.

2. При выравнивании нагрузки на привод ИО изменением скорости подачи существует рациональный диапазон ее изменения, характеризуемый минимальной скоростью подачи и глубиной регулирования, обусловленный такими факторами как вы-

1. Семенченко А.К, Хиценко Н.В. Актуальность применения регулируемой системы подачи исполнительного органа проходческого комбайна/ Сб. научн. трудов, посвященный 45-летию ДГМИ, "Перспективы развития угольной промышленности в XXI веке". - Алчевск: ДГМИ, 2002. -С. 180-185.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------

Хиценко Н.В. - аспирант, ДонНТУ, Донецк, Украина.

Исследованиями [1] на основе экспериментов по испытанию угольных образцов на прессе был установлен факт разрушения материала пластическими (неупругими) волнами и предложен экспериментальный метод определения скорости распространения продольных пластических волн в момент разрушения образцов. В работе [2] предложена аналитическая зависимость по определению скорости распространения продольных пластиче-

лет резца, удельные энергозатраты и кинематика системы подвески стрелы. Так, для комбайна типа П110 рациональная глубина регулирования скорости подачи по первым двум факторам составляет 2,5-5,0 (для принятых при исследованиях зависимостях усилия резания от толщины среза), при чем для режима бокового реза ее величина уменьшается на 26 % за счет особенностей кинематики системы подвески стрелы. Таким образом, итоговая глубина регулирования может оказаться недостаточной для выравнивания нагрузки на привод исполнительного органа, что потребует внедрения дополнительно регулирования частоты вращения коронки или (и) глубины ее зарубки.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

го комбайна. - Дис...канд. техн. наук. - Д., 1976. - 156 с.

4. Семенченко А.К, Шабаев О.Е., Витковский В.Л. и др. Математическая модель резцового исполнительного органа/ Сб. научн. трудов НГА Украины. №3, Том 6. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998 г. - С. 53-57.

ских волн в образцах горных пород при их сжатии на прессе и показано, что продольные пластические волны распространяются в любом твердом теле при воздействии на него внешней силы. Представлено графическое изображение упругопластической волны и высказана гипотеза о том, что продольная упругопластическая волна обладает пульсацией, при этом процесс пульсации сопровождается рождением пластической волны. Определено, что любая механическая волна является упругопластической волной и слагается из двух составляющих - упругой и неупругой. Изложенные положения подтверждены результатами экспериментальных и аналитических исследований.

В представляемой работе на основе проведенных разработок показано, что в жидкости так же, как и в

2. Основы автоматизированного электропривода/Чиликин М. Г., Соколов М. М., Терехов В. М. и др. - М.: Энергия, 1974 г. - 568 с.

3. Петрушкин Г.В. Исследование и выбор параметров привода стреловидного исполнительного органа высокопроизводительного проходческо-

© Е.С. Ткаченко, И.Л. Постоев, А.Е. Ткаченко, 2003

YAK 532/544

Е.С. Ткаченко, И.Л. Постоев, А.Е. Ткаченко

К АВИЖЕНИЮ НЕ"ПР"ГИХ ПРОАОЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЛН В ВОАЕ