CC BY
61
УДК 622.232.72.054:622.647.1 © В.В. Габов, К.Л. Нгуен, В.С. Нгуен, Т.Б. Ле, Д.А. Задков, 2018
Обоснование геометрических и режимных параметров шнековых исполнительных органов, обеспечивающих эффективность погрузки угля
на забойный конвейер
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-2-32-35
ГАБОВ Виктор Васильевич
Доктор техн. наук,
профессор кафедры Машиностроения
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет»,
199106, г. Санкт-Петербург, Россия
НГУЕН Кхак Линь
Аспирант кафедры Машиностроения
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет»,
199106, г. Санкт-Петербург, Россия,
e-mail: [email protected]
НГУЕН Ван Суан
Аспирант кафедры Машиностроения,
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет»,
199106, г. Санкт-Петербург, Россия
ЛЕ Тхань Бинь
Аспирант кафедры Машиностроения
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет»,
199106, г. Санкт-Петербург, Россия
ЗАДКОВ Денис Александрович,
Канд. техн. наук,
доцент кафедры Машиностроения
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет»,
199106, г. Санкт-Петербург, Россия
Анализируются процессы выгрузки угля из зоны разрушения и погрузки его на забойный конвейер шнековы-ми исполнительными органами очистных комбайнов в комплексно-механизированных очистных забоях угольных шахт Рассмотрены возможности повышения эффективности погрузки угля на забойный конвейер по критериям снижения дополнительного измельчения угля и удельного расхода энергии, что достигается увеличением площади сечения погрузочного окна и объема зоны погрузки на конвейере.
Ключевые слова: подземная добыча угля, комплексно-механизированный очистной забой, комбайн, шнековый исполнительный орган, забойный конвейер, уголь, погрузка, измельчение, эффективность.
ВВЕДЕНИЕ
Шнековый исполнительный орган очистного комбайна в очистных механизированных комплектах (ОМК) выполняет основную функцию - отделение угля от массива и погрузку его на забойный конвейер. Шнековые исполнительные органы отличаются технологичностью работы, компактностью, простотой конструкции, надежностью и долговечностью [1, 2, 3]. Однако отстающим по ходу движения комбайна шнековым исполнительным органам свойственна неудовлетворительная зачистка почвы, которая приводит к снижению производительности комбайна, повышению удельного расхода энергии и к дополнительному измельчению угля при погрузке его на конвейер. Основными причинами такого положения являются ограниченные размеры погрузочного окна и большое расстояние между шнеком и конвейером [1, 4, 5]. Проблема заключается в том, что нет технических решений и апробированных методик определения структуры и параметров шнековых исполнительных органов очистных комбайнов, их вписываемости совместно с конвейером и погрузочными щитами в пространство забоя с требуемыми значениями показателей эффективности процесса погрузки отбитого угля на забойный конвейер.
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШНЕКОВЫХ
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ
ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ
Исследование процесса погрузки и обоснование параметров шнековых исполнительных органов очистных комбайнов, обеспечивающих повышение эффективности погрузочно-транспортирующего процесса, являются актуальной научной задачей.
Перемещение сыпучего материала в горизонтальных и слабонаклонных шнековых погрузочных и транспортирующих механизмах с относительно небольшим коэффициентом заполнения рабочего пространства (до 0,3-0,4) сопровождается формированием перед каждой лопастью тела волочения. Внутри тела волочения происходят циркуляционные процессы, вызванные разнонаправленными силами тяжести, инерции и трения [6, 7]. Этим обусловлен основной недостаток шнековых транспортеров - повышенные энергозатраты на перемещение материала и его дополнительное, вторичное (часто нежелательное) измельчение. Интенсивность циркуляции транспортируемого материала в объеме тела волочения резко возрас-
Рис. 1. Массы перемещения в шнеке Fig. 1. Screw conveyor mass haul
тает при достижении некоторого критического угла отклонения тела волочения (рис. 1) в направлении вращения шнека, при котором создаются условия для осыпания материала по линии наименьшего сопротивления на его свободной поверхности.
Угол отклонения материала может быть определен по выражению [6]:
г \
tgß +
/г R™2 g cos ß
2nR S
1 - /J ctg2 у +
2nR
+ 1 + Actg Y
+ /2
+arctg-
2nR
, (1)
1 - /м ctg2 Y +
2nR
+ 1 + Ute Y
где: у - угол наклона оси шнека к горизонтальной плоскости; р - угол наклона оси шнека к горизонтальной плоскости; Я - радиус направляющей поверхности, м; - шаг винтовой линии шнека, м; /1 - коэффициент трения материала по ограничивающей поток поверхности (поверхности забоя, подпорного щитка, направляющей трубы, скважины); /2 - коэффициент трения движения материала по лопасти; ю - частота вращения шнека, 1/с; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Q,
Q,
Q
1,0
Рис. 2. Зависимость производительности шнекового исполнительного органа по отбитому Qmp и циркулирующему углю Qц в функции коэффициента заполнения сечения шнека [1 ]
Fig. 2. Screw operating device broken-down coal Q and
■J Г _/ 2L.mp
circulating coal Q4 ratio in the screw conveyor section filling index function [1]
Степень и характер влияния геометрических и режимных параметров шнека и свойств транспортируемого материала на величину представ/у I ут\л лены в исследованиях М.С. Сафохина, г{ю I \fcricbfl И.М. Питбаума, В.Н. Вернера и др. [5, 6, 8]. Учитывая приведенные зависимости, можно судить об эквивалентности влияния различных факторов на угол отклонения движения материала в шнеке по линиям идентичных режимов. Чем больше угол отклонения материала 8^, тем выше интенсивность
циркуляции к .
ц
Заполнение сечения шнека зависит от разности диаметров шнека и его ступицы. Как указано в работах [1, 6], увеличение заполнения шнека приводит к росту коэффициента циркуляции. Значения коэффициента заполнения у и интенсивности циркуляции кц существенно зависят от скорости подачи комбайна и диаметра шнека. Кроме того, интенсивность циркуляции зависит от метательной способности шнека, которая возрастает с ростом угла подъема винтовой линии, так как составляющие усилий рг и р8 (см. рис. 1), перебрасывающих материал, возрастают с ростом угла подъема винтовой линии а. . Кривая имеет минимум при значениях а. = 18-23° [1].
Интенсивность циркуляции материала в процессе погрузки можно оценить коэффициентом циркуляции к для
ц
любого значения коэффициента заполнения у :
<2Ч "
К =■
4 Q - Q
(2)
где: Qтp - производительность шнекового исполнительного органа по отбойке; Qц - производительность шнека по циркулирующему материалу (рис. 2).
Линия 1 (см. рис. 2) характеризует зависимость производительности шнека по отбитому углю, а линия 2 - объем угля по циркулирующему материалу. Значение увшах определяет величину коэффициента заполнения, превышение которым критического значения приводит к возрастанию объема циркулирующего материала.
В зависимости от направления вращения отстающего шнекового исполнительного органа очистных комбайнов отбитый материал располагается внутри шнекового пространства определенным образом (рис. 3).
При попутном вращении шнека (от почвы к кровле) по отношению к скорости подачи комбайна (см. рис. 3, а) основная масса отбитого угля падает вниз и подается шнеком на забойный конвейер, оставаясь в призабойном рабочем пространстве. В этом случае измельчение угля снижается.
Угол ф (см.рис. 3.) зависит от коэффициента трения угля о поверхность лопастей шнека и ступицы и пропорционален отклонению угла в положении материала вК. С ростом производительности шнека уровень его наполнения на выходе увеличивается (см. рис. 3, положения I, II).
При встречном вращении шнека (от кровли к почве), по отношению к скорости подачи (см. рис. 2, б), основная масса погружаемого угля располагается со стороны погрузочного щита, образуя угол ф с почвой пласта. По мере увеличения скорости подачи комбайна поток угля в шнеке уве-
6, = arcsin
+
S
г
S
Рис. 3. Схемы расположения отбитого угля в рабочем пространстве отстающего шнека
Fig. 3. Diagrams of broken-down coal layout in the second advance screw conveyor work space
Рис. 4. Коэффициент заполнения сечения шнека по ширине захвата В, Fig. 4. Coefficient of screw conveyor cross-section filling by Вз web width.
личивается. Скорость потока при постоянных значениях частоты вращения, числа заходов и хода шнека будет неизменной. Возможен момент, когда материал будет скатываться на обечайку шнека и перекидываться в зону зачист-ного щитка. Здесь он или остается на почве пласта при отсутствии зачистного щитка (рис. 3, в), увеличивая высоту непогруженного слоя Н о [1], либо будет собираться движущимся щитком и подаваться шнеком на конвейер и частично увлекаться в зону рабочего пространства шнека, образуя поток циркулирующего материала.
На рис. 3 показано, что поток угля не выгружается по всей площади сечения шнека. Зона его выгрузки зависит от геометрических и режимных параметров шнека. В реальных конструкциях площадь погрузочного окна ограничена в зоне выгрузки диаметром ступицы шнека, высотой борта забойного конвейера и размерами корпуса редуктора шнека. Ограниченные размеры окна увеличи-ва ют сопроти вление перемещен и ю угольного потока, что приводит к повышению коэффициента заполнения шнека.
При встречном вращении (см. рис. 3, а, в) и увеличении скорости подачи увеличивается площадь потока угля, расположенного в рабочем пространстве шнека [10, 11, 12]. Увеличение высоты потока приводит к росту циркуляции угля в рабочем пространстве шнекового исполнитель-
ного органа. При детальном рассмотрении процесс погрузки в целом по физической его сущности может быть представлен тремя разными процессами, проходящими в смежных зонах I, II, III (рис. 4).
Значения коэффициента заполнения и интенсивность циркуляции материала в шнеке изменяются по ширине захвата Вз (см. рис. 4). В кутковой зоне I, поток отделенного от массива угля мал, не сформировано тело волочения, повышены метание, циркуляция и измельчение угля. В зоне II (зона разрушения массива забойными резцами) коэффициент заполнения шнека возрастает, формируется тело волочения. В зоне III (выгрузки угля на конвейер) коэффициент заполнения шнека увеличивается из-за подпора потока, что вызывается ограниченной пропускной способностью погрузочного окна.
При попутном вращении шнека поток расположен между почвой и щитком (см.рис. 3, б). При равной производительности шнеков по отбойке угля высота потока в этом случае ниже, чем при встречном движении, при этом снижается интенсивность циркуляции. Вместе с тем увеличение площади потока снижает его скорость.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы:
- процесс погрузки угля на конвейер недостаточно исследован, существенно значимые затраты энергии, попутное измельчение угля и пылеобразование оказывают негативное влияние на эффективность процесса добычи;
- исследуемый процесс перемещения угля на конвейер шнековым исполнительным органом следует рассматривать состоящим из трех сопряженных процессов: выгрузки угля из кутковой зоны; транспонирования угля лопастями вдоль шнека по ширине захвата и продавливания сыпучего груза на конвейер через окно погрузки;
- необходимы исследования влияния коэффициента заполнения шнека и размера площади погрузочного окна на интенсивность циркуляции угля и эффективность процесса погрузки;
- необходимы поиск и разработка технических решений, обеспечивающих уменьшение интенсивности циркуляции и измельчения угля, уменьшение сопротивления его перемещению увеличением окна погрузки.
Список литературы
1. Солод В.И., Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов. М.: Недра, 1982. 350 с.
2. Wang F., Tu S., Bai Q. Practice and prospects of fully mechanized mining technology for thin coal seams in
п
п
п
China // Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy. 2012. Vol. 112(2). P. 161-170.
3. Peng S.S. Longwall Mining. U.S.: 2nd édition, October 2006. 621 p.
4. Беликов К.Н. Экспериментальные исследования погрузочной способности шнекового исполнительного органа выемочной машины // Сборник научных трудов ПНИ-УИ. 1973. Вып. 16. С.135-146.
5. Шпитбаум И.М. Определение режимов работы слабонаклонного винтового конвейера // Вестник машиностроения. 1970. №4. С. 8-14.
6. Вернер В.Н. Исследование и обоснование рациональных параметров шнековых погрузочно-транспортирующих органов выемочных машин: дис. ...доктора. техн. наук. Кемерово, 1999. 319 с.
7. Банников А.А. Снижение усилий отделения угля от массива совершенствованием привода резца выемочного модуля: дис____канд. техн. наук. СПб: Горный университет, 2012. 157 с.
8. Машины и инструмент для бурения скважин в угольных шахтах / М.С. Сафохин, Б.А. Катанов, В.Е. Тарасенко, А.А. Алейников. М.: Недра, 1972. 216 с.
9. Ayhan M. и Eyyuboglu E.M. Comparison of globoid and cylindrical shearer drums' loading performance // The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy. 2006. Vol. 106. P. 51-56.
10. Kuidong Gao, Changlong Du, Jianghui Dong и Qingliang Zeng. Influence of the Drum Position Parameters and the Ranging Arm Thickness on the Coal Loading Performance // Minerals. 2015. Vol. 5. P. 723-736. doi: 10.3390/min5040520
11. Skryabin R.M., Timofeev N.G. Development of an innovative shneko-heat-sink boring shell for drilling of shurfo-wells in the conditions of a kriolitozona // Eurasian mining. 2016. N 1. P. 33-36.
12. Zvonarev I.E., Shishlyannikov D.I. Efficiency improvement of loading of potassium ore by means of «Ural-20R» heading-and-winning machine // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017. Vol. 87. 022025.
COAL MINING EQUIPMENT
UDC 622.232.72.054:622.647.1 © V.V. Gabov, K.L. Nguyen, V.X. Nguyen, T.B. Le, D.A. Zadkov, 2018 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 2, pp. 32-35
Title
the rationale of geometric and modal parameters of cutter drums ensuring
THE EFFICIENCY OF COAL LOADING ONTO A DOwNHOLE CONVEYOR
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-2-32-35
Authors
Gabov V.V.', Nguyen K.L.', Nguyen V.X.', Le T.B.', Zadkov D.A.'
1 "Saint-Petersburg Mining University" (Mining University), the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education (FSBEI HE), Saint-Petersburg, 199106, Russian Federation
Authors' Information
Gabov V.V., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Department of mechanical engineering,
Nguyen K.L., Postgraduate student of the mechanical engineering, e-mail: [email protected]
nguyen V.X., Postgraduate student of the mechanical engineering, Le T.B., Postgraduate student of the mechanical engineering Zadkov D.A., PhD (Engineering), Associate professor, Department of mechanical engineering,
Abstract
Processes of coal unloading from destruction zone and its loading onto the downhole conveyor by cutter drum of shearer in complex-mechanized clearing faces of coal mines are analyzed. Possibilities of increasing efficiency of coal loading on the downhole conveyor by reduction criteria of additional grinding and specific energy consumption by increasing of the sectional area of loading window and volume of the loading zone on the conveyor are considered. Figures:
Fig. 1. Screw conveyor mass haul
Fig. 2. Screw operating device broken-down coal Q and circulating coal Q
■J r mp -J ¿--¡j
ratio in the screw conveyor section filling index function [1] Fig. 3. Diagrams of broken-down coal layout in the second advance screw conveyor work space
Fig. 4. Coefficient of screw conveyor cross-section filling by B3 web width. Keywords
Coal, Underground mining, Clearing face, Shearer, Cutter drum, Conveyor, Loading, Efficiency.
References
1. Solod V.I., Getopanov V.N. & Rachek V.M. Proektirovanie i konstruirovanie gornyh mashin i kompleksov [Mining machines and complexes design and construction]. Moscow, Nedra Publ., 1982, 350 p.
2. Wang F., Tu S. & Bai Q. Practice and prospects of fully mechanized mining technology for thin coal seams in China. Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy, 2012, Vol. 112(2). pp. 161-170.
3. Peng S.S. Longwall Mining. U.S.: 2nd edition, October 2006. 621 p.
4. Belikov K.N. Eksperimentalnye issledovaniya pogruzochnoy sposobnosti shnekovogo ispolnitelnogo organa vyemochnoy mashiny [Experimental studies of mining machine screw operating device loading capacity]. PNIUI collection of scientific papers, 1973, issue 16, pp.135-146.
5. Shpitbaum I.M. Opredelenie rezhimov raboty slabonaklonnogo vintovogo konveyera [Low inclined screw conveyor operation modes determination]. Vestnik mashinostroeniya - Machine Building Newsletter, 1970, No. 4, pp. 8-14.
6. Verner V.N. Issledovanie i obosnovanie ratsionalnyh parametrov shnekovyh pogru-zochno-transportiruyushchih organov vyemochnyh mashin. Diss. dokt. techn. nauk [Mining machines screw loading and conveying devices rational parameters investigation and substantiation. Dr. eng. sci. diss.]. Kemerovo, 1999, 319 p.
7. Bannikov A.A. Snizhenie usiliy otdeleniya uglya ot massiva sovershen-stvovaniem privoda reztsa vyemochnogo modulya. Diss. kand. techn. nauk. [Coal breaking off force reduction through mining block cutter actuator improvement. PhD (Eng.) diss.]. St-Petersburg, Mining University Publ., 2012, 157 p.
8. Safokhin M.S., Katanov B.A., Tarasenko V.E. & Aleinikov A.A. Mashiny i instrument dlyabureniyaskvazhin vugolnyhshahtah [Coal mines borehole drilling machines and tools]. Moscow, Nedra Publ., 1972, 216 p.
9. Ayhan M. & Eyyuboglu E.M. Comparison of globoid and cylindrical shearer drums' loading performance. The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy, 2006, Vol. 106, pp. 51-56.
10. Kuidong Gao, Changlong Du, Jianghui Dong & Qingliang Zeng. Influence of the Drum Position Parameters and the Ranging Arm Thickness on the Coal Loading Performance. Minerals, 2015, Vol. 5, pp. 723-736. doi: 10.3390/ min5040520
11. Skryabin R.M. & Timofeev N.G. Development of an innovative shneko-heat-sink boring shell for drilling of shurfo-wells in the conditions of a kriolitozona. Eurasian mining, 2016, No. 1, pp. 33-36.
12. Zvonarev I.E. & Shishlyannikov D.I. Efficiency improvement of loading of potassium ore by means of "Ural-20R" heading-and-winning machine. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2017, Vol. 87.
