CC BY
26
2. Stradanchenko S.G., Prokopov A.Ju., Pleshko M.S. Innovaci-onnye podhody k proektirovaniju krepi i armirovki glubokih shaht-nyh stvolov // Nauka ta progres transportu. 2008. № 21. S. 187-192.
3. Pleshko M.S., Prokopov A.Ju., Basakevich S.V. Issledovanie raboty uchastka kre-plenija bezrasstrel'noj armirovki vertikal'nogo stvola pri kompleksnom dejstvii nagruzok // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Severo-Kavkazskij region. Serija: Tehnicheskie nauki. 2007. № 4. S. 84-86.
4. Prokopov A.Ju., Stradanchenko S.G., Pleshko M.S. Novye re-shenija v proektiro-vanii zhestkoj armirovki vertikal'nyh stvolov // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Severo-Kavkazskij region. Serija: Tehnicheskie nauki. 2005. T. 216. S. 216.
5. Jagodkin F.I., Vestfal' G.O., Kramarenko A.P. Issledovanie rabotosposobnosti kreplenija jelementov armirovki ankerami // Gornyj zhurnal. 1990. №12. S. 24-25.
6.Bezrasstrel'naja armirovka vertikal'nogo shahtnogo stvola: pat. 2232274 Rossi-jskaja Federacija: MPK7 E21 D7/02. / A.Ju. Proko-pov, M.S. Pleshko - zajavl. 15.12.2002; opubl. 10.07.2004, Bjul. №19.
7. Vcherashnjaja Ju.V. Ocenka nesushhej sposobnosti uzlov kreple-nija bez#jarusnoj armirovki glubokih ventiljacionnyh stvolov // Gor-nyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2016. №1. S. 379-388.
8. Vcherashnjaja Ju.V. Analiz naprjazhenno-deformirovannogo so-stojanija bez#jarusnoj armirovki ventiljacionnyh stvolov pri razlich-nyh parametrah uzlov kreplenija // Vestnik Rostovskogo gosudarstven-nogo universiteta putej soobshhenija. 2015. № 4. S. 15 -19.
9. Baklashov I.V. Raschet armirovki vertikal'nyh stvolov shaht po predel'nym sosto-janijam. M.: Nedra, 1968. 135 s.
10. Metodika rascheta zhestkih armirovok vertikal'nyh stvolov shaht. VNIIGM im. M M. Fedorova. Doneck, 1985. 160 s.
УДК 622.285.5
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРСИСТЕМЫ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ
А.А. Подколзин
Разработаны предложения по совершенствованию гидросистемы крепи на основе оптимизации структуры, параметров и режимов работы по технологическому и энергетическому направлениям, снижающих энергопотребление и повышающих надёжность работы оборудования.
Ключевые слова: крепь, гидросистема, совершенствование, модель, оптимизация, структура, параметры, эффективность.
Повышение эффективности подземной добычи угля связано с повышением технического уровня, надежности и эффективности применяемых техники и технологий. Основным производственным процессом является очистная выемка, которая в настоящее время еще не полностью
механизирована, в связи с чем затраты ручного труда при ведении работ достигают 29... 42 %. На участках с неустойчивыми кровлями эффективность комплексов также снижается из-за непроизводительных затрат на затяжку кровли и зачистку секций от просыпавшейся породы, значительными являются потери угля при оставлении его в защитной пачке в кровле. На участках с труднообрушаемой кровлей возможно возникновение горных ударов, поломка оборудования крепи, снижается безопасность труда рабочих.
Очистной выемочный комплекс является многомашинным, многофункциональным и многосвязным объектом, который пока не имеет точного математического описания, обеспечивающего моделирование работы в разнообразных горногеологических и горно-технических условиях, изменяющихся во времени и пространстве.
Обеспечение требуемой надежности поддержания и управления кровлей, эффективности работы комплекса, а также сокращение затрат на его создание и эксплуатацию, базируется на применении крепей, структура и рациональные параметры которых установлены с применением методов оптимизации. Процесс оптимизации целесообразно проводить в двух направлениях: технологическом, имеющим своим результатом утверждение технологической схемы работы комплекса, и энергетическом, решающем задачу минимизации энергозатрат [1]. При технологическом направлении оптимизации необходимо обеспечить условия нормального контактирования крепи с кровлей, а также стабильное взаимодействие между собой отдельных машин и механизмов, входящих в комплекс. При энергетическом направлении оптимизации гидросистемы обеспечивается работа оборудования в энергоэффективном режиме.
Для энергетической оптимизации гидропривода крепи применено уравнение Эйлера-Лагранжа второго рода, которое для консервативной системы имеет следующий вид:
Л.
й 1
'дЬ_ л
уд<&к у
дЬ дГ п
-+-= Р
д<к д<
где Ь - функция Лагранжа, определяемая как разность кинетической Ек и потенциальной Еп энергий, Дж; <к, &к - система обобщенных к-координат и
их скоростей; Рк - силы, возникающие за счет источников, Н; д г/д <&2 -силы, возникающие за счет потерь, Н; Г - функция Релея для подсчета сил рассеяния энергии в системе, зависящих от скорости движения в среде. Функция Лагранжа имеет вид: ь = Ек - Еп .
Функция Релея: Г = £ (<&2 )/2,
где г - коэффициент пропорциональности изменения скорости обобщенной координаты.
Кинетическая энергия включает в себя: 1) энергию движущейся
жидкости, зависящую от операции технологического цикла и конструкции гидромагистралей; 2) суммарную энергию перемещающейся секции крепи и движущихся других элементов, зависящую от способа подключения гидроцилиндра к магистралям и совмещения операций в забое.
Потенциальная энергия включает в себя: 1) величину геодезического напора жидкости при наклонном расположении забоя; 2) энергию сжатых жидкостной и газовоздушной фаз; 3) энергию деформации материалов гидромагистралей и разводки; 4) упругую характеристику оборудования насосной установки; 5) упругую характеристику гидроаккумуляторов; 6) потенциальную энергию исполнительного органа гидропривода.
Параметры гидропривода и их сочетания обладают различными эффектами по выполнению операций. В общем функциональном виде это совокупность параметров: ? = ^ [р н Qн, М, dтр, ^пр, Лд-> рт, В, а, 5, рс, V, р, Лк, и др.], здесь - рн и Qн - давление (Па) и расход жидкости (м3/с); М
- масса, кг; йтр, - диаметр трубопровода, магистрали, м; Ь^щ - приведенная длина гидроцепи, м; Лд, - внешняя нагрузка, Н; Лр, - сила трения, Н; рт -тяговое усилие, Н; В -диаметр активной площади гидроцилиндра, м; а -коэффициент мультипликации гидроцилиндра; 5 - шаг передвижения секции на забой, м; Ьл, - длина лавы; ап - угол падения пласта, град.; рс - давление на сливе, Па; V, р - соответственно кинематическая вязкость (см /с) и плотность (кг/м ) рабочей жидкости; Лк - коэффициент сопротивления гидроцепи.
В задаче потокораспределения рабочей жидкости по исполнительным органам крепи при совмещенном или не совмещенном режимах соотношения между расходами qk, потерями давления Дрк, и сопротивлениями ск могут быть описаны аналогами закона Кирхгофа: для каждого узла =0, для каждого контура ИДрк =0. Эти соотношения замыкает нелинейная связь Дрк= Як qk т, где т - показатель степени, зависящий от режима течения жидкости [2, 3]. Тогда, гидродинамические процессы системы можно описать уравнениями
Ргйп +К^)Г О - 1 +7 н -- - Н+Г к 1-к 2) О = 0
?
Р12 йо2+(К+К2)) Г - )й 1 - Н2+я 2д2 = о
где у - удельный вес (Н/м ) жидкости, К1 и К2 -коэффициенты, зависящие от конструктивного исполнения и параметров привода, Нгеод - геодезиче -ский перепад высот лавы, м, Н1 и Н2 - напор, м; Я1 и Я2 - сопротивление трубопровода, зависящее от режима течения жидкости.
При рассмотрении затрат работы, мощности и энергии было учтено, что работа не является функцией состояния системы [3]. Взаимосвязь переменных р, 0 и рт можно выразить соотношением:
| рдах = {[{ Ядп (х )с(х+рТ (х )ёх+С1
По математической модели разработан алгоритм расчета оптимальных структуры и параметров гидропривода крепи. При этом определяются: способ организации подпора (активный подпор или без подпора), величина подпорного давления, тип и структура гидростойки, тип гидроцилиндра передвижения (обычный или с блоком автоматического регулирования), способ распора гидростойки (совмещенный или раздельный кинематический и силовой распор). Кроме того, учтен способ управления крепью (ручной, дистанционный, автоматизированный), влияющий на время выполнения вспомогательных операций (время работы с рукоятками гидроаппаратуры, переход оператора на соседнюю секцию и т.п.). Итогом моделирования является определение расчетной скорости крепления очистного забоя, которая должна превышать максимальную скорость обнажения кровли, обеспечивать требуемую нагрузку на забой и безопасность работ в лаве.
В основу выбора гидропривода из альтернатив положено разделение множества требований по признакам, характеризующим: назначение (Тн), условия эксплуатации (Тэ) и разработки (Тр), производственно - экономические условия (Тп) и опыт разработки (То): Т= Тн и Тэ и Тр и Тп и То.
Обобщающими критериями качества могут быть экономические критерии: минимум приведенных затрат на организацию производства и эксплуатацию, минимум удельных затрат на единицу продукции, максимальная рентабельность и т.п. Локальные критерии могут служить вспомогательным средством решения общей задачи оптимизации - построения начального приближения, выработки вариантов сравнения и т.п.
Вышеперечисленные требования представлены в виде формулы [4]:
п
IЦ А >
г=1
пп
Яз, + р ) + I П,- + Жф
г=1 ,=1
где Ц, - цена 1 т угля, руб./т; Аг - добыча товарного угля на шахте, т/год; Зг- - условно-переменные затраты на добычу 1 т товарного угля, руб./т; Рг- - прибыль, руб./т; Пг- - условно-постоянные затраты на шахте, руб./год; Жф - общефирменные затраты, включающие затраты на содержание управленческих структур, содержание функционально необходимых вспомогательных структур (ремонтных, снабженческих и т.п.), руб./год.
Наибольшее влияние на эффективность добычи оказывает производительность Q очистного комплекса, определяемая зависимостью:
0 = с (Т(см ~тпз -Тн 1Ьт ^,
^м Мосн + ^всп + ^тп Т Тм где с - коэффициент извлечения угля; Тсм - длительность добычной смены, мин; Тпз - длительность подготовительно-заключительных операций, мин;
LM - машинная длина лавы, м; b - ширина захвата, м; m - вынимаемая мощность пласта, м; у - удельный вес угля, т/м ; ¿осн, tBcn, tm - длительность основных и вспомогательных операций и технологических перерывов, мин.
Длительность основной операции по креплению и управлению кровлей определяется соотношением:
1 Т t + + td +t + +1 +1
. _ ± _ ц _ р+о de кр+ср рр пер (1)
осн _ ~ ~ ~В ~ В '
кр
где икр - скор ость кр епления, м/мин; Тц - длительность цикла, мин; В - шаг расстановки секций, м; tp+о - длительность разгрузки от горного давления и осадки крепи, с; tm - длительность движения секции на новую машинную дорогу, с; ^ср - длительность кинематического и силового распора крепи, с; tw - длительность работы с рукоятками управления гидроаппаратурой, с; ^ер - длительность перехода оператора на соседнюю крепь, с.
Длительность любой рабочей операции по (1) в крепи выражается зависимостью [2]:
К J
ti m _ ti у + tпер + X zk (к + tR ) + X ((oi ci m ),
К_1 j _1
где i m - индекс операции и секции; t^ - время на подготовку к управлению, с; К - число управляющих гидроэлементов; z - число переключений
управляющих элементов; 5к - быстродействие гидроэлемента или магистрали; ^ - время переключения гидрораспределителя, с; J - число исполнительных гидродвигателей; toi - расчетное время работы гидродвигателей
при выполнении операции, с; с m - коэффициент, учитывающий изменение расчетной скорости движения рабочего звена гидродвигателя в различных секциях при различных операциях.
При создании гидросистем с оптимальными параметрами используются функциональные зависимости, которые позволяют, например, определить длительность цикла, как функцию производительности добычного участка, параметров и режимов работы насосной установки. Выбор этих решений должен осуществляться по критерию минимума эффективной мощности двигателей:
Рэф [ф(*1,*2, •••,*n)] = min, где xi - локальные критерии, влияющие на эффективную мощность.
Интенсификация работы гидросистемы проводится по критерию длительности цикла Тц работы гидропривода:
Тц = f (t1, t2, ... и ..., tn)] = Тс + Тк + Ток ^ min , (2)
где ti - составляющие длительности цикла: Тс - суммарная продолжительность передвижек всех секций, с; Тк - несовмещенное с передвижкой секций крепи время передвижения конвейера, с; Ток - суммарное время остановок, связанное с уменьшением скорости или простоями при
передвижении конвейера, с.
Исследование обобщенной математической модели было направлено на выявление факторов, обеспечивающих надежность взаимодействия крепи с кровлей и минимизирующих длительность выполнения технологического цикла крепления кровли. Оптимизация параметров гидропривода была проведена для основных операций цикла: осадка, передвижение и распор крепи с учетом выполнения вспомогательных операций. Было установлено, что экономия времени достигается на каждом этапе цикла по всем составляющим формул (1) и (2). Потребление электроэнергии уменьшилось за счет: исключения потерь давления и диссипативных потерь энергии в сливной гидролинии при работе гидроцилиндра по дифференциальной схеме; более полноценного использования установленной мощности электродвигателей насосной станции в течение цикла за счет работы в режиме более высокого давления, а также уменьшения времени работы электродвигателей в режиме холостого хода. Сравнение альтернатив показало, что при применении новых решений скорость крепления очистного забоя возрастает на 26,4 %, объем ручного труда сокращается на 36,3 %, а потребление и потери энергии сокращаются на 27,5 % при нерегулируемом электроприводе и сравнима с затратами энергии при регулируемом электроприводе. При этом было доказано, что каждое решение может быть применено независимо от других и в этом случае также будет достигнуто повышение эффективности работы крепи.
Основные результаты исследований были использованы при разработке технических заданий также при создании гидросистем крепей очистных комплексов, которые работали на шахтах Подмосковного и Кузнецкого бассейнов с положительным экономическим эффектом.
Список литературы
1. Подколзин А. А., Гражданкина Т. В., Зуева Н. И. Энергетическая оптимизация гидропривода механизированной крепи //Электроснабжение, электросбережение и электроремонт: тез. докл. / под общ. ред. Б. И. Кудрина, Б. В. Жилина. Новомосковск: РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковский институт, 2000. С. 47-48.
2. Расчет и конструирование гидроприводов механизированных крепей / Ю. Ф. Пономаренко [и др.]; под общ. ред. Ю. Ф. Пономаренко. М.: Машиностроение, 1981. 327 с.
3. Тесленко А. И. Основы гидравлических расчетов механизированных крепей. М.: Недра. 1974. 216 с.
4. Колесниченко Е. А. Колесниченко, И. Е. , Погребной Д. А. Методика экономической оценки инвестиционного состояния и перспективности угледобывающих шахт и компаний // Горная промышленность. №4. 2003.
Подколзин Анатолий Алексеевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, apodkolzin@dialog.nirhtu.ru, Россия, Новомосковск, Новомосковский институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева»
IMPROVING THE QUALITY OF HYDRAULIC POWERED ROOF SUPPORT
A.A. Podkolzin
Developed proposals for the improvement of hydraulic roof supports based on the optimization of the structure parameters and operation modes for technological and energy direction, reducing energy consumption and increasing the reliability of the equipment.
Key words: roof support, hydraulic, improvement, model, optimization, structure, parameters, efficiency.
Podkolzin Anatoly Alekseevich, doctor of engineering sciences, professor, head the Department, apodkolzin@dialog.nirhtu.ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute (branch) Federal state budget educational institution higher education "Russian chemical-technological University named after D. I. Mendeleev"
Reference
1. Podkolzin A. A., Grazhdankina T. V., Zueva N. I. Jenergetiche-skaja optimizacija gidroprivoda mehanizirovannoj krepi. //Jelektrosnabzhenie, jelektrosberezhenie i jelektrore-mont: Tez. dokl. /Pod obshh. red. B. I. Kudrina, B. V. Zhilina; RHTU im. D.I. Mendelee-va, Novomoskovskij institut, Novomoskovsk, 2000. S. 47-48.
2. Raschet i konstruirovanie gidroprivodov mehanizirovannyh krepej / Ju. F. Po-nomarenko [i dr.]// Pod obshh. red. Ju. F. Ponomarenko. M.: Mashinostroenie, 1981. 327 s.
3. Teslenko A. I. Osnovy gidravlicheskih raschetov mehaniziro-vannyh krepej. M.: Nedra. 1974. 216 s.
4. Kolesnichenko E. A. Kolesnichenko, I. E. , Pogrebnoj D. A. Metodika jeko-nomicheskoj ocenki investicionnogo sostojanija i perspek-tivnosti ugledobyvajushhih shaht i kompanij // Gornaja promyshlennost'. №4. 2003.
