Мой путь в науке: от разрушения к созиданию Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Б.Л. Герике, 2013

УЛК 622.23.054.52 + 681.518.54 Б.Л. Герике

МОЙ ПУТЬ В НАУКЕ: ОТ РАЗРУШЕНИЯ К СОЗИДАНИЮ

Рассмотрены вопросы создания новою рабочего инструмента добычных машин для выемки прочных полезных ископаемых. Показано, что применение скалывающих дисков на рабочих органах различных добычньх машин позволяет достаточно эффективно использовать серийную технику для разрушения прочньх и вязких полезных ископаемых. Рассмотрен новый подход к техническому обслуживанию горно-шахтного оборудования на основе распознавания его технического состояния методом функциональной диагностики. Показано, что возможности современных диагностических методов дают практически полную картину физического состояния оборудования, позволяющую получить оценку ресурса остаточной работоспособности.

Ключевые слова: горные комбайны, рабочие органы, дисковый инструмент, прочные полезные ископаемые, производительность, энергоемкость, горно-шахтное оборудование, техническое состояние, диагностика, ресурс остаточной работоспособности.

Фамилия Герике берет свое начало от Отто фон Герике (Otto von Guericke, 20.11.1602, Магдебург - 11.05.1686, Гамбург), немецкого физика, инженера и философа.

Рис. 1. Отто фон Герике (слева) и памятник ему (справа) в Магдебурге

По окончании института я был оставлен в научно-исследовательском секторе кафедры горных машин и комплексов КузПИ, на которой занимался изучением процессов механического разрушения твердых прослойков и включений в угольных пластах. Полученные результаты легли в основу кандидатской диссертации «Исследование режимов работы исполнительных органов очистных комбайнов с дисковым скалывающим инструментом», которая была защищена в 1977 г. по специальности 05.05.06 - горные машины.

Важнейшими функциональными узлами этого класса горной техники являются исполнительные органы, производящие разрушение полезного ископаемого, и средства эвакуации отбитой горной массы. В качестве рабочего инструмента на исполнительных органах добычных машин используются, как правило, тангенциальные вращающиеся резцы, способные разрушать с приемлемыми энергозатратами породные массивы

прочностью до 30 МПа при показателе хрупкости X = 0,2, а

при X = 0,07 - до асж = 60 МПа. При прочности пород стсж > 60 МПа для эффективной работы вращающихся резцов требуется проведение специальных мероприятий по разупрочнению горного массива.

Результаты производственных испытаний дискового инструмента на очистных комбайнах при добыче угля из сложно структурированных пластов показывают, что их применение вполне целесообразно для разрушения различного рода породных прослойков и включений в угольных пластах [1]. Так испытания экспериментального образца шнекового исполнительного органа Ш-16 комбайна КШ-1кг при выемке пласта Бреевский (сопротивляемость угля резанию Ау = 131 кН/м, сопротивляемость пласта резанию АП = 175 кН/м) на шахте им. Кирова (Ленинск-Кузнецкий, Кемеровская обл.) показали хорошие результаты по расходу рабочего инструмента: за все время испытаний (добыча 14,7 тыс. т) не было заменено ни одного скалывающего диска, в то время как расход резцов в этих условиях составлял 120...150 штук на 1000 тонн добытого угля.

Из анализа гранулометрический состав продуктов разрушения следует, что при выемке угля экспериментальным образцом исполнительного органа Ш-16 выход штыба уменьшился в

1,54 раза, а крупных классов - увеличился в 2,77 раза. Увеличение крупности продуктов разрушения свидетельствует о снижении метановыделения в лаве, что особенно актуально для условий шахты им. Кирова.

Улучшается и экологическая обстановка на рабочем месте машиниста комбайна. Отбор проб воздуха, проведенный в трех метрах от комбайна по исходящей струе при работающей системе орошения, показал, что запыленность воздуха снизилась с 815 мг/м3 до 420 мг/м3.

Затем исследования по созданию рабочего инструмента нового технического уровня для разрушения крепких горных пород продолжились в Институте угля СО АН СССР, где проводились работы в рамках программ Академии наук, Государственного комитета по науке и технике СССР и ряда отраслевых министерств, в результате которых выяснилось, что исключительно хорошую перспективу при разрушении крепких пород с сопротивлением одноосному сжатию асж = 80.120 МПа имеют скалывающие диски, работающие в режиме силового малоциклового разрушения [2, 3].

Поскольку зарубная часть экспериментального образца рабочего органа Ш-16 была оборудована серийным режущим инструментом, расход которого даже в условиях разрушения угольного пласта, засоренного породным прослойком и твердыми включениями, составил 24.30 штук на 1000 тонн, то была предпринята попытка оснащения зарубной части шнека дисковым инструментом с теми же геометрическими параметрами [4], что и в забойной части, но разрушающими забой в лобовом и тангенциальном режимах (рис. 4).

Испытания разработанной конструкции исполнительного органа Ш-14 проводились на Тасеевском опытном карьере рудника «Балей» ПО «Забайкалзолото» (Беличан, Читинская обл.) при отработке специально подготовленного блока, представленного метаморфизованным кварцем, нарушенного системой естественных трещин с пределом сопротивления одноосному сжатию стсж = 104,3±39,0 МПа.

Работа экспериментального образца рабочего органа Ш-14 характеризовалась высокой динамичностью, вызываемой геометрией разрушения зарубной части забоя и подрезным режимом работы дискового инструмента. По мере затупления дисков (от г = 0,2 мм до г = 2,5 мм) дисперсия нагрузки электро-

двигателя увеличилась практически в 5 раз, что приводило к его «опрокидыванию» при незначительном возрастании средней нагрузки. Однако в остальном экспериментальный исполнительный орган Ш-14 показал свою работоспособность и доказал возможность использования угольных очистных механизированных комплексов для добычи руд.

Следующим этапом создания рабочих органов для добычи крепких полезных ископаемых стал опытный образец исполнительного органа ШДИ-1250М, разработанный в содружестве с институтом «Гипроцветмет» и изготовленный на Усть-Каменогорском машиностроительном заводе для комбайна 1ГШ-68 [5]. Угледобывающий комбайн был предназначен для выемки полиметаллической руды из жилы Становая на руднике «Приморский» ПО «Дальполиметалл» (Дальнегорск, Приморский край). В контурах опытного блока Ср27 мощность рудного тела колебалась от 0,1 до 1,5 м (вынимаемая мощность составляла 1,9 м), угол падения изменялся от 20 до 40о, гипсометрия невыдержанная. Длина лавы составляла 70 м, длина блока - 450 м.

Для выемки руды был использован серийный очистной механизированный комплекс 2КМ-87УМН. Рудное тело представлено монолитной сульфидной жилой, сопровождающейся зонами прожилкового оруднения. Прочностные свойства руды и вмещающих пород приведены в табл. 2.

Опытный образец рабочего органа был модернизирован с учетом ранее полученных результатов (рис. 2). Модернизация заключалась в замене дисков, реализующих подрезной режим разрушения, на лобовые диски с различными углами их

Таблица 2.

Физико-механические свойства руды и вмещающих пород Смирновского месторождения ПО «Дальполиметалл»

Предел прочности при Предел прочности при

Литотип одноосном сжатии Стсж, МПа одноосном растяжении ор, МПа

тах тт те1 тах тш тев

Сульфидная 83,7 26,1 46,4 9,4 3,3 6,6

руда

Пирротин - - 136,0 - - 7,5

Песчаник 128,3 37,8 72,0 31,8 6,5 16,2

Алевролит 83,9 14,7 48,3 40,0 7,6 19,1

Рис. 2. Производственные испытания очистного механизированного комплекса для добычи руды и общий вид опьпного образца рабочего органа ШДИ-1250М

установки на забойной части рабочего органа. Это позволило, как показали результаты производственных испытаний, существенно снизить динамичность нагрузок, формирующихся в режущей и подающей частях очистного комбайна.

Величина удельных энергозатрат при выемке рудного тела опытным образцом рабочего органа ШДИ-1250М составляет Ню = 2,9 ± 0,79 кВтч/м3. Оценка величины удельных энергозатрат при разрушении этого же массива серийными рабочими органами с резцами ЗР-4.80 дает величину = 10,28 ± 2,41 кВтч/м3, что почти в 4 раза выше по сравнению с результатами, полученными при эксплуатации опытных образцов рабочего органа.

Удельный расход скалывающих дисков во время производственных испытаний не превышал 8 штук на 1000 м3 разрушенной горной массы, а наработка на отказ опорного узла составляла 800...1000 м3 разрушенной горной массы.

По результатам выполненных работ в 1991г. защитил докторскую диссертацию «Разрушение крепких горных пород дисковым скалывающим инструментом очистных комбайнов»

Рис. 3. Рабочий органа машины TM-D25

Рис. 4. Рабочий органа проходческо-очистного комбайна ABM-20 для добычи кимберлита

по специальностям 05.15.11 - физические процессы горного производства и 05.05.06 - горные машины.

В дальнейшем результаты этих исследований были распространены на рабочие органы принципиально нового класса горных машин - добывающих поверхностных фрез для открытой добычи угля и других полезных ископаемых (рис. 3), и про-ходческо-добычных комбайнов для подземной разработки ким-берлитовых руд (рис. 4).

Во время проведения исследований по разрушению прочных горных массивов естественным образом возник вопрос о формировании динамических нагрузок как на рабочем инстру-

менте, так и в приводах исследуемых горных машин, что и привело ко второму направлению исследований: разработки и создания систем диагностики технического состояния основного горно-шахтного оборудования по параметрам механических колебаний, что позволяет перейти от системы планово-предупредительных ремонтов горно-шахтного оборудования к системе обслуживания по фактическому состоянию.

Идея обслуживания оборудования по фактическому техническому состоянию заключается в обеспечении максимально возможного межремонтного периода эксплуатации оборудования за счет применения современных технологий обнаружения и подавления источников отказов [6, 7].

Основой этой системы являются:

- идентификация и устранение источников повторяющихся проблем, приводящих к сокращению межремонтного интервала обслуживания оборудования;

- устранение или значительное снижение факторов, отрицательно влияющих на межремонтный интервал или срок эксплуатации оборудования;

- распознавание состояния нового или восстановленного оборудования с целью проверки отсутствия признаков дефектов, уменьшающих межремонтный интервал;

- увеличение межремонтного интервала и срока эксплуатации оборудования за счет проведения монтажных, наладочных и ремонтных работ в точном соответствии с техническими условиями и регламентом.

Результаты, достигнутые в этой области, не только вошли в ряд отраслевых документов по экспертному обследованию шахтных подъемных машин и вентиляторов главного проветривания, карьерных экскаваторов и автосамосвалов, но и включены в курсы читаемых лекций. Полученные результаты все в большей мере становятся востребованными в других отраслях промышленности (химическая, энергетическая, металлургическая, пищевая, жилищно-коммунальная и др.) Кузбасса. На них имеется спрос в соседних регионах Сибирского соглашения (Иркутская, Новосибирская, Томская, Тюменская области, Красноярский край и Республика Саха-Якутия) и странах ближнего зарубежья (Украина, Казахстан).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Герике Б.Л.; Силкин A.A. Некоторые результаты производственных исследований дисковых шарошек на шахтах Кузбасса / Совершенствование технологии, средств комплексной механизации, автоматизации и техники безопасности при подземной разработке угля: Сб. научн.тр.// Караганд. науч.- ис. угольный ин-т. - Караганда, 1978, С. 36-38.

2. Механическое разрушение крепких горных пород./ А.Б. Логов, Б.Л. Герике, А.Б. Раскин - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1989. -141 с.

3. Испытания комбайнового способа выемки руд./ В.М. Лизункин, Е.С. Волков, В.М. Кравцов, Н.И. Семенов, В.Ф. Горбунов, Б.Л. Герике, А.Б. Раскин./ Горный журнал.- 1989 - № 2, С. 3-9.

4. Исполнительный орган горного комбайна./Б.Л. Герике, А.Б. Раскин, И.М. Фридман, В.М. Лизункин, Е.С Волков.// А.с.№ 1294987. Опубл. 07.03.87, бюл. № 9.

5. Механизированная подземная разработка крепких руд маломощных месторождений./ В.М. Лизункин, Б.Л. Герике, Ю.Б. Уцын. - Чита: ЧитГТУ, 1999. - 238 с.

6. Диагностирование технических устройств опасных производственных объектов./ А.Н. Смирнов, Б.Л. Герике, В.В. Муравьев// Новосибирск - Наука - 2003. - 320 с.

7. Диагностика горных машин и оборудования: Учеб. пособие./ Б. Л. Герике, П. Б. Герике, В.С. Квагинидзе, Г.И. Козовой, А. А. Хоре-шок.// М.: ИПО «У Никитских ворот», 2012. - 400 с Учебное пособие.

[ГШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Герике Борис Людвигович - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории угольного машиноведения Института угля СО РАН, дЬ1 42@mail.ru

А