CC BY
150
УДК 622.232.8
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОСИСТЕМЫ СЕКЦИИ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ
А. А. Подколзин
На основе анализа факторов, влияющих на эффективность функционирования гидропривода крепи, предложены технико-технологические решения по совершенствованию гидросистемы секции за счет создания следящего гидропривода, обеспечивающего закон движения штока гидроцилиндра передвижения в зависимости от сопротивления перемещению секции.
Ключевые слова: механизированная крепь, гидросистема, функционирование, совершенствование, следящий гидропривод, моделирование, эффективность.
Гидрофицированная крепь очистных выработок является сложной горной машиной, обеспечивающей крепление и управление кровлей в зоне добычи угля и самопередвижение по заданному направлению по мере отработки забоя. На крепь действуют большие разнонаправленные нагрузки, обусловленные взаимодействием с вмещающими породами и вызванные работой выемочной машины, забойного конвейера и других механизмов, для которых крепь является опорой или средством передвижения.
Создание и совершенствование механизированной крепи и ее гидропривода связано с решением ряда задач, требующих оптимизации. Для оценки новых технических решений удобнее использовать экономические показатели по лаве, т. к. в этом случае исключается влияние факторов, не имеющих непосредственного отношения к устройству и функционированию гидропривода крепи.
В качестве критерия сравнения альтернатив был принят коэффициент (X) снижения себестоимости добычи 1 т угля [1]. Наибольшее влияние на коэффициент X оказывает производительность техники. Как известно, производительность очистного комплекса определяется зависимостью:
д = с смпз-Тнп) ььту, (1)
Ьм госн + ^всп + ^тп / + Тм
где с - коэффициент извлечения угля; Тсм - длительность добычной смены; Тпз - длительность подготовительно-заключительных операций; Тн - длительность плановых неперекрываемых простоев; Тп - длительность плановых технологических перерывов; Ьм - машинная длина лавы; ¿осн, ¿всп, tm -длительность основных и вспомогательных операций и технологических перерывов; Ь - общая длина очистного забоя; Ь - ширина захвата очистного комбайна; т - вынимаемая мощность пласта; у - удельный вес угля.
Длительность основных операций технологического цикла связана со скоростью крепления забоя [2], временем цикла и шагом расстановки
секций крепи вдоль забоя следующими зависимостями:
+ _ 1 _ Тц _ ‘р+о + ‘дв + ‘кр+ср + ‘бус + ‘пер (с)
‘осн _ _ ~ТГ _ „ , (С)
икр В В
где икр - скорость крепления; Тц - длительность цикла; В - шаг расстановки секций крепи; ¿р+о - длительность разгрузки от горного давления и осадки крепи; ¿дв - длительность передвижения секции крепи на новую машинную дорогу; ¿кр+ср - длительность кинематического и силового распора гидростоек крепи; ¿рр - длительность работы с рукоятками управления гидроаппаратурой; ¿пер - длительность перехода оператора на соседнюю крепь.
Время выполнения любой операции гидропривода определяется из выражения
'_оГ (3)
где Р - площадь поршня активной полости гидроцилиндра; Я - ход поршня; Qс - подача насосной станции, определяемая рабочей точкой.
Рабочая точка, связывающая характеристику насосной установки крепи с характеристиками гидросистемы и условиями выполнения какой-либо технологической операции, для любого гидроцилиндра может быть определена решением системы уравнений
Q с _ Р —р (Роткл — Рс )’
Р откл — Рвкл ; (4)
Рс _ Р А + Сс Q С _ ^7 (^внешн.сопр + ^внутр.сопр + ^доп.уст )+ Сс Q с
где Qн - производительность насосной станции; Роткл и Рвкл - давления отключения и включения насосного агрегата; Рс - давление в гидросистеме; РА - давление, обеспечивающее преодоление всех сил сопротивления движению секции крепи; Сс - коэффициент гидросети; Рвнешн.сопр - силы внешних сопротивлений движению секции крепи, обусловленные трением о вмещающие породы, соседние секции, направляющие балки и т. п.; РвНутр.сопр. - силы внутренних сопротивлений, связанные с конструкцией элементов гидропривода; Кдоп.уст - дополнительные силы сопротивления, от устройств, обеспечивающих необходимую траекторию движения перемещаемой секции.
В общем случае силы сопротивления переменны и зависят от координат положения и скоростей движения элементов, т. е. Я _ф(хс; Хс).
Здесь Хс и Х с - соответственно координаты положения и скорости движения перемещающихся элементов крепи.
Анализ функционирования гидропривода крепи показал возможности дальнейшего его совершенствования по всем составляющим формул 1 - 3. Для реализации установленных возможностей был разработан следящий гидропривод, обеспечивающий передвижение секции без потери контакта с кровлей, автоматическое изменение режима работы гидроцилиндра в зависимости от сопротивления перемещению и автоматизацию управления.
Автоматическое изменение режима работы гидроцилиндра передвижения перемещению обеспечивает специальное следящее устройство, устанавливаемое непосредственно на гидроцилиндре. При значительном внешнем сопротивлении в начале движения и, следовательно, высоком давлении жидкости гидроцилиндр работает по обыкновенной схеме. Активная площадь гидроцилиндра равна площади поршня. По мере перемещения секции сопротивление движению уменьшается. При достижении заданной величины давления гидроцилиндр переводится в режим работы по дифференциальной схеме. Активная площадь гидроцилиндра равна площади штока. При увеличении сопротивления перемещению происходит обратное переключение режима работы гидроцилиндра.
Функционирование гидропривода в указанных режимах значительно снижает колебания давления в напорной гидролинии, инерционные нагрузки в системе и потребление энергии электронасосными агрегатами, т. к. снижаются или отсутствуют потери давления в сливной гидролинии, уменьшает диссипативные потери энергии на волновых процессах. Также снижаются силовые и динамические воздействия на элементы гидропривода, повышая их срок службы и снижая затраты на техническое обслуживание и ремонт оборудования.
Математическая модель следящей системы учитывает: кинематические, силовые и динамические характеристики механической системы, упругость гидрокинематической цепи, потери давления в гидролиниях, силы инерции и трения, изменение физических свойств жидкости от давления и температуры, аккумулирующую способность трубопроводов. Для упрощения решения задачи были приняты следующие допущения: сила трения пропорциональна скорости движения и коэффициент пропорциональности остается постоянным, гидравлические потери давления внутри устройства и сжимаемость жидкости в сливном трубопроводе во внимание не принимаются из-за их незначительности.
Математическая модель, включающая 7 основных и 3 вспомогательных блока, содержит уравнения связи между силами и ускорениями, давлениями и расходами жидкости; уравнения и условия, описывающие перемещение подвижных механических и гидравлических элементов; уравнения энергетического состояния и баланса системы; описание вспомогательных переменных; условия перехода из одного состояния в другое; ограничения по работоспособности системы, сравнение альтернатив и за-
пись характеристик нескольких лучших вариантов для их последующей конструкторской проработки.
Например, система дифференциальных уравнений движения поршня гидроцилиндра и подвижных элементов следящего устройства при подаче жидкости в поршневую полость гидроцилиндра имеет вид:
Н2 х Й X
т + А Й- - (рп - Рш ^ш) + (Я + Ттр) = 0
йг2 йг р
т1<Й^х_ + А1Й— - (Рп - Рс ) ^т1 + (Рш - Рс ) Рк1 + СПр (х0 + х) + Т тр 1 = ^ (5)
9 1 -‘Ч 1 . \.Рп Усі* ті 1 VУш Усі* кі 1 ^пр'
д г2 д г
т2 + А2 - (Рп - рс ) ^г2 - (Рш - Рп ) ^к2 + Ттр2 = 0
Й г2 й г
где т - масса подвижных частей секции крепи, присоединенная к штоку гидроцилиндра; т1 и т2 - масса подвижных частей клапанов следящего устройства; А - коэффициент силы трения при движении секции крепи, определяемый как тангенс угла наклона касательной к кривой трения; А1 и А2 - коэффициенты силы трения при движении толкателей клапанов, определяемые в конструкцией уплотнительных узлов; рп - давление в поршневой полости гидроцилиндра передвижения; рш - давление в штоковой полости гидроцилиндра передвижения; рс - давление в сливной гидролинии; Рп - площадь поршневой полости гидроцилиндра; Рш - площадь штоковой полости гидроцилиндра; Рк1, ^к2 - эффективная площадь закрытия гидроклапанов; х0 - величина начального сжатия пружины; х1; х2 - текущее значение величины перемещения толкателей клапанов; ^т1 и Рт2 - площади толкателей, прижимающих затворы клапанов; Спр - жесткость пружины; Ттр - сила трения в уплотнениях соответственно гидроцилиндра и гидроклапанов; Я - полное сопротивление передвижению секции крепи.
На каждом шаге моделирования производится проверка условий изменения состояния системы путем сравнения усилий, действующих на подвижные элементы крепи и следящей системы, которые имеют вид:
1) при принимаем: рш = рс;
(рп - рс ) ^т1 > (рш - рс ) ^к1+ ^пр (х0 + х) + Ттр1
(6)
(рп - рс ) ^т2 > (рш - рп ) ^к2 + Ттр2 ,
I рш рп’
2) во всех остальных случаях: < (7)
р = °
Разработанная математическая модель позволяет выполнять опти-
52
мизацию конструктивных и режимных параметров элементов, исследовать переходные процессы в гидроклапане и трубопроводах, рассчитать кинематические параметры движущихся элементов системы.
Моделирование операций технологического цикла позволило получить конструктивные и режимные параметры усовершенствованного гидропривода секции крепи и следящего устройства. Результаты имитационного моделирования представлены на рисунке.
На основе полученных параметров в дальнейшем была разработана рабочая конструкторская документация следящего гидропривода.
Имитационное моделирование технологической операции "Передвижение секции крепи ":
А - экспериментальная секция; Б - серийная секция 1 - перемещение поршня; 2 и 3 - давление и производительность
насосной установки
Как видно из рисунка перемещение штока поршня гидроцилиндра (кривая 1) экспериментальной секции завершается в точке А, в то время как для серийной секции выполнение операции завершается в точке Б. При этом время движения секции крепи уменьшается с 8,1 с до 4,4 с (в 1,84 раза); давление насосной станции (кривая 2) повысилось с 13,9 МПа до 21 МПа (1,52 раза) при тех же подачах жидкости (кривая 3); расчетный коэффициент использования мощности электродвигателя насосного агрегата увеличился на 37,4 %
Применение предложенных разработок в механизированных крепях ОАО "ПНИУИ", подтвердило правильность новых технико-
технологических решений и высокую эффективность их применения. Вне-
дрение предложенных решений было осуществлено на шахтах Подмосковного и Воркутинского угольных бассейнов
Список литературы
1. Расчет и конструирование гидроприводов механизированных кркпей / Ю. Ф. Пономаренко [и др]; под общ. ред. Ю. Ф. Пономаренко. М.: Машиностроение, 1981. 327 с.
2. Тесленко А. И. Основы гидравлических расчетов механизированных крепей. М.: Недра, 1974. 216 с.
Подколзин Анатолий Алексеевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, apodkol-zin@dialog. nirhtu. ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,
IMPROVING ELECTROMECHANICAL SYSTEMS PUMP INSTALLATIONS
COAL MINING COMPLEX
A.A. Podkolzin
Based on the analysis of factors influencing on efficiency of functioning of the hydraulic drive of the lining, the proposed technological solutions to improve the hydraulic system of the section through the creation of witness hydraulic drive, providing a law of motion of the cylinder rod movement depending on the resistance movement of the shields.
Key words: mechanized krep, hydraulic controls, operation, and improvement of, the witness Gidroprivod, modeling, efficiency.
Podkolzin Anatoly Alekseevich, doctor of technical science, professor, manager of department, apodkolzinadialog. nirhtu. ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University
