CC BY
83
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2009. Вып. 3. С. 300-309
= Науки о земле =
УДК 622.23.05
Обоснование параметров и выбор резцов планетарно-дискового исполнительного органа комбайна «Урал-20Р» *
В.В. Семенов, И.Г. Шмакин, А.Б. Жабин, И.А. Суров
Аннотация. Представлены результаты теоретических исследований по разрушению калийных руд планетарно-дисковым исполнительным органом комбайна «Урал-20Р». В основу исследований положены усовершенствованные зависимости по определению нагру-женности резцов, учитывающие углы скола и установки инструмента. Установлены наилучшие варианты компоновки исполнительного органа.
Ключевые слова: планетарно-дисковый исполнительный орган, зависимости, угол скола, мощность двигателя, относительное вращение, переносное вращение, диски.
Несмотря на мировой финансовый кризис Копейским машиностроительным заводом продолжается выпуск и совершенствование комбайнов серии «Урал» и, в частности, комбайнов «Урал-20Р» (рис. 1). Эти машины оснащены планетарно-дисковым исполнительным органом, включающим в себя две рукояти; левый и правый редукторы исполнительного органа; раздаточные редукторы; четыре основных (периферийных) резцовых диска; четыре центральных резцовых диска забурников, попарно расположенных на взаимосвязанных рукоятях. Каждая рукоять имеет отдельный привод для обеспечения относительного вращения резцовых дисков и дисков забурника. Обе рукояти в синхронном противоположном переносном вращении относительно своих осей приводятся двумя водилами от одного двигателя переносного вращения. На каждом водиле расположен роторный забурник.
Совершенствование исполнительных органов заключается в обосновании их рациональных параметров и выборе резцов на основе повышения точности расчетов нагрузок на инструменте и более полного использования установленной мощности двигателей исполнительных органов, обеспечивающих увеличение производительности по отбойке и погрузке калийной руды.
Работа выполнена при поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект Ш 2.2.1.1/3942) и ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России» (проект Ш 02.740.11.0319).
Рис. 1. Проходческо-очистной комбайн «Урал-20Р»
В основу разработанной методики расчета и выбора конструктивных и режимных параметров исполнительных органов соледобывающих комбайнов положены следующие зависимости для определения нагруженности инструмента [1] с учетом их усовершенствования:
Pz = 100[АЕЛ2 + (ВЕ + 2Kf3)h + f3N3]K0] (1)
Ру = Ш[АЬк2 + (BL + 2Á'sin y?K)/i + N3\Kp-, (2)
Px = KXPZ, (3)
где Pz — усилие резания, действующее на резец, Н; Ру усилие подачи, действующее на резец, Н; Рх — боковое усилие, действующее на резец, Н; /3 — коэффициент трения соли по задней поверхности резца, /3 = 0,46 [2]; срк — угол между боковой гранью неповоротного резца и его осью в плане или угол половины конуса режущей головки державки поворотного резца, град (определяется по чертежу резца); h — глубина резания, приходящаяся на каждый резец, см; N3 — усилие, действующее на заднюю поверхность резца, Н; Кр — коэффициент, учитывающий влияние угла между плоскостями, проходящими через ось резца и вектор абсолютной скорости движения центральной точки его главной режущей грани (кромки) /3; Кх — коэффициент, учитывающий величину и направление боковой составляющей усилия, действующего на резец; Л, В, Е, К и L — параметры, зависящие от геометрии и ориентации инструмента, а также свойств разрушаемого массива.
Принятый в зависимостях (1) и (2) параметр А определяется по следующей формуле:
л _ 0, 5 sin 2(рктзс + sin (а + О) тзт //П
Т * 2 5 V /
J sin a cos (рк
где тзс и Tsm — напряжения сдвига в главной и боковых плоскостях крупного элемента скола соответственно, МПа; а — угол резания, град; О — угол скола крупного элемента в процессе разрушения калийных руд и каменной соли, град; J — параметр, зависящий от углов резания и скола, а также трения резца о массив.
Угол резания а, град, вычисляется по зависимости
а = «ок + 0 + у - х, (5)
где иок — угол установки оси резца в кулаке, град; 9 — угол смещения плоскости резания из-за вылета кромки резца относительно опорной поверхности кулака, град; <р3 — угол заострения конуса твердосплавного керна поворотного резца или твердосплавной вставки в вертикальной плоскости неповоротного резца, град (задается конструктором); х — угол смещения плоскости резания в абсолютном движении резца при перемещении его на забой со скоростью подачи комбайна Vn в м/мин, град.
Расчетная формула для определения рационального значения угла скола крупного элемента в процессе разрушения калийных руд и каменной соли имеет вид:
П = 97,8 - /„ (24,3 + 0,175а) - 0,61а, (6)
где fn — коэффициент трения соли по передней поверхности резца.
Угол установки осей резцов в кулаках иок различных исполнительных органов определяется из решения трансцендентного уравнения [1]
иок + arcsin C°S^°K^ = Y + arctS 2тггп ) + аз’ ^
где 1р — расстояние по оси установленного в кулаке резца от его режущей кромки до точки пересечения этой оси с радиусом вращения кулака, перпендикулярном его опорной поверхности, см [1]; Vn — скорость подачи комбайна на забой, м/мин; гд — радиус режущего диска по резцам, мм; пд — частота вращения исполнительного органа в относительном движении, об/мин; а3 — задний угол резца, град.
В соответствии с методикой [3] и с учетом зависимостей (1)-(7) проведены теоретические исследования по определению загруженности приводов главного планетарно-дискового исполнительного органа комбайна для заданной его производительности по отбойке. При этом рассматривались различные сочетания его конструктивных и режимных параметров для выработки высотой 3,1 (сечением 15,5 м2). Нагруженность двигателей относительного и пе-
реносного вращения определялась по отдельности, полагая, что правый и левый двигатели относительного движения загружены одинаково. Мощность, затрачиваемая резцовыми дисками на погрузку разрушенного материала, не учитывалась из-за ее относительно небольшой величины.
Исследования выполнялись применительно к условиям Старобинского месторождения. Разрушению подвергался самый прочный сильвинит III горизонта 1 СгРУ с пределами прочности на одноосное сжатие 40,5 МПа (сопротивляемость резанию 450 Н/мм) и на сдвиг 13,4 МПа. Расчет загруженности приводов производился по средней глубине резания и среднему шагу резания. В процессе исследований применялись как уже известные резцы РС-14, так и резцы нового поколения ПС1-8У. [4]
Для расширения возможной области работы комбайна были выполнены аналогичные исследования для солей с пределами прочности на одноосное сжатие 36, 31,5 и 27 МПа, что соответствует сопротивляемости резанию солей 400, 350 и 300 Н/мм.
Основные исходные данные по исполнительным органам для расчета и выбора их конструктивных и режимных параметров следующие: производительность комбайна по отбойке при сечении выработки 15,72 м2 (Н = 3,1 м) равна 5,5; 7,2 и 8,8 т/мин для скорости подачи Уп = 10, 13, 16 м/ч соответственно, установленная мощность двигателя относительного движения исполнительного органа \¥т = 160 кВт, мощность двигателя переносного вращения равна 75 кВт.
При использовании резцов РС-14 на основных резцовых дисках угол разворота резцов [1] на режущем органе А = 16°, количество резцов на диске тр = 12 и 15 шт., частота вращения водила пв = 4,2 и 3,37 1/мин, передаточное отношение и = 9,69 и 12,4. При использовании резцов ПС1-8У на основных резцовых дисках угол разворота резцов на режущем органе А = 20° и 25°, количество резцов на диске тр = 11; 13 и 15 шт., частота вращения водила и„ = 3,37 1/мин, передаточное отношение II = 12,4.
Для центральных дисков с установленными на них резцами РС-14 угол разворота резцов на режущем органе А = 5°, количество резцов на диске тр =
4 шт. Для центральных дисков с установленными на них резцами ПС1-8У угол разворота резцов на режущем органе А = 5° и 20°, количество резцов на диске тр = 4 шт.
На роторном забурнике резцы РС-14 и ПС1-8У устанавливались без разворота в количестве тр = 6 шт.
Анализ расчетных данных, представленных на рис. 2, а, показывает, что при оснащении планетарно-дискового исполнительного органа резцами РС-14 суммарные затраты мощности, расходуемой на относительное вращение всех дисков (основных и дополнительных), при разрушении сильвинита III горизонта 1 СгРУ Старобинского месторождения превышают установленную мощность двигателя 160 кВт для всех четырех вариантов расчета. В то же время при использовании на основных дисках исполнительного органа резцов ПС1-8У затраты мощности резко снижаются на 23-38 %. Угол разворота
резцов ПС1-8У на 25 ° является более эффективным по сравнению с углом их разворота 20 ° (см. рис. 2, а). При этом суммарные затраты мощности на относительное вращение основных и дополнительных дисков уменьшаются на 17-20 %.
Суммарные затраты мощности на переносное вращение этих дисков (основных и дополнительных) и роторного забурника при оснащении их как резцами РС-14, так и ПС1-8У в целом не превышают половину установленной мощности привода 75 кВт. Исключение составляют два случая (рис. 3, а).
Анализ графиков, представленных на рис. 2, показывает, что с увеличением скорости подачи комбайна суммарная мощность, расходуемая на относительное вращение режущих дисков, возрастает прямолинейно независимо от вариантов сборки исполнительного органа. При этом при разрушении более прочной соли затраты мощности также увеличиваются. При разрушении самого прочного сильвинита (асж = 40,5 МПа) (см. рис. 2, а) наилучшими вариантами сборки являются варианты 6, 8 и 10, из которых вариант 6 обеспечивает самую высокую производительность по отбойке. Так, например, при скорости подачи 13 м/ч производительность составляет 7,2 т/мин, а при Уп = 16 м/ч — 8,8 т/мин. При этом суммарные затраты мощности ^ №д.отн не превышают установленную мощность двигателя 160 кВт. Варианты сборки 8 и 10 обеспечивают скорость подачи комбайна до 15 м/ч (вариант 8) и 14 м/ч (вариант 10), а следовательно, и меньшую производительность, чем вариант сборки 6, затрачивая при этом и большую мощность.
С уменьшением прочности калийной соли диапазон приемлемых вариантов сборки расширяется. Например, при разрушении соли с асж = 36 МПа (см. рис. 2, б) возможным вариантом сборки является вариант 5. Этот вариант обеспечивает скорость подачи комбайна, превышающую 13 м/ч, и производительность по отбойке более 7,2 т/мин.
Варианты 7 и 9 не могут считаться приемлемыми в этом случае из-за низкой производительности и высокой мощности. Однако при разрушении более слабых солей с асж = 31,5 МПа (см. рис. 2, в) эти варианты сборки 7 и 9 могут обеспечить скорость подачи комбайна от 15 до 16 м/ч, что соответствует производительности 8,3-8,8 т/мин. Но при такой компоновке опять же будет затрачиваться и большая мощность, чем при компоновке, например, по варианту 6.
При работе по самым слабым солям с асж = 27,0 МПа (см. рис. 2, г) возможными вариантами сборки наряду с указанными выше вариантами являются варианты 4 и 3. Такая компоновка, казалось бы, позволяет работать комбайну со скоростью подачи 14,5-15,5 м/ч и иметь при этом производительность по отбойке 8,0-8,5 т/мин. Однако в этом случае имеется ограничение по максимальной глубине резания, которая не должна превышать для резцов РС-14 2,8 см [4], что соответствует их радиальному вылету. Следовательно, теоретическая скорость подачи при выполнении такого условия может составить только 14 м/ч при частоте вращения водила 4,2 об/мин, а при частоте
ЛГ
' 'отн
кВт
150
1-1(1
130
V 10
$
■■
■6
ч8
10 11 12 13
Г
15 К, Лї/ч
6Д б'б 7*2 7,8 83 2, т/мин
і—і—і—і—і—Г~Г
2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
СМ(пв=4,2 мин1)
I----1----1-----1----1---П— , , ,, п
2,5 2,8 3,0 3,3 3,5 3,8 «,,1Л.У,СМ(пе=3,37ЛШН )
і—і—і—Г"
5,5 6.1 6,6 7.2
“I-------------Г
О т/ми н
1—і—і—і—1—Г"Г , , , -і,
2.0 2,2 2.4 2.6 2.8 3.0 СМ (п,=4,2лШИ )
1—1—1—1—1—Т" / ,,, -л
2,5 2,8 3,0 3.3 3,5 3.8 птах,СМ(пв=3,37ліин )
Рис. 2. Зависимости суммарной мощности одного двигателя планетарнодискового исполнительного органа комбайна «Урал-20Р», расходуемой на относительное вращение режущих дисков, ^ И'д. о™ от скорости подачи УП при высоте выработки Н = 3,1 м и разрушении калийной соли с сгсж = 40,5 МПа (а), сг^ = 36,0 МПа (б), а^ = 31,5 Па (в) и °сж = 27,0 МПа (г) и вариантах сборки: 1 — при гор = 12 шт. РС-14 (А = 16°, иок = 37°) и и = 9,69; 2 — при тр = 15 шт. РС-14 (А = 16°, иок = 37°) и и = 9,69; 3 - при тр = 12 шт. РС-14 (Л = 16°, иок = 37°) и и = 12,4; 4 - при тр = 15 шт. РС-14 (Л = 16°, иок = 37°) и и = 12,4;
5 — при Гор = 11 шт. ПС1-8У (А = 20°, иок = 37°) и V = 12,4;
6 - при тр = 11 шт. ПС1-8У (Л = 25°, иок = 37°) и и = 12,4; 7 - при тр = 13 шт. ПС1-8У (Л = 20°, иок = 37°) и и = 12,4; 8 - при тр = 13 шт. ПС1-8У (А = 25°, «ок = 37°) и V = 12,4; 9 — при тр = 15 шт. ПС1-8У (Л = 20°, иок = 37°) и и = 12,4; 10 - при тр = 15 шт. ПС1-8У (Л = 25°,
иок = 37°) и и = 12,4
I—Г
~Г
6.6
13 !■» 15 Ц, м/ч
1—I—
I-----------1-----------1----------Г
5,5 6.1 6.6
.2 7^8 аз Т/мин
I------------г
~Г
6,6
"I—Г
8,л к:
О. т/мин
Рис. 3. Зависимости суммарной мощности двигателя планетарно-дискового исполнительного органа комбайна «Урал-20Р», расходуемой на переносное вращение режущих дисков и роторного забурника, Мд.отн от скорости подачи Уп при высоте выработки Я = 3,1 м и разрушении калийной соли с сгСж = 40,5 МПа (а), <тсж = 36,0 МПа (б), <тсж = 31,5 Па (в) и ^сж = 27,0 МПа (г) и вариантах сборки: 1 — при тр = 12 шт. РС-14 (А = 16°, и0к = 37°) и и = 9,69; 2 — при тр = 15 шт. РС-14 (А = 16°, иок = 37°) и и = 9,69; 3 - при тр = 12 шт. РС-14 (А = 16°, иок = 37°) и [/ = 12,4; 4 — при тр = 15 шт. РС-14 (А = 16°, иок = 37°) и [/ = 12,4;
5 - при тр = 11 шт. ПС1-8У (А = 20°, иок = 37°) и V = 12,4;
6 - при тр = 11 шт. ПС1-8У (А = 25°, иок = 37°) и[/ = 12,4;
7 - при тр = 13 шт. ПС1-8У (А = 20°, иок = 37°) и[/ = 12,4; 8 - при тр = 13 шт. ПС1-8У (А = 25°, иок = 37°) и и = 12,4; 9 — при тр = 15 шт. ПС1-8У (А = 20°, иок = 37°) и и = 12,4; 10 — при тр = 15 шт. ПС1-8У (А = 25°, иок = 37°) и и = 12,4
3,37 об/мин варианты сборки 3 и 4 становятся не приемлемыми вовсе из-за низкой производительности.
Как видно из рис. 2, варианты сборки исполнительного органа 1 и 2 являются не приемлемыми, поскольку при такой компоновке исполнительного
органа суммарные затраты мощности на относительное вращение или превышают установленную мощность двигателя (см. рис. 2, о—в), или обеспечивают низкую производительность (см. рис. 2, г).
Анализ графиков, представленных на рис. 3, свидетельствует о том, что суммарные затраты мощности на переносное вращение исполнительного органа не превышают установленной мощности двигателя 75 кВт для всех рассмотренных вариантов его сборки. При этом обеспечивается повышение скорости подачи комбайна до 16 м/ч и производительности до 8,8 т/мин при разрушении калийных солей с пределом прочности на одноосное сжатие асж = 27,0 — 40,5 МПа. Исключение составляют варианты 2 и 4, при которых скорость подачи комбайна составляет 14 м/ч, а производительность 7,8 т/мин для солей с асж = 40,5 МПа (см. рис. 3, а).
Таким образом, наилучшим вариантом сборки планетарно-дискового исполнительного органа комбайна при высоте выработки 3,1 м является вариант 6 (при тр = 11 шт. ПС1-8У (Л = 25°, иок = 37°) и U = 12,4), при котором затраты мощности на относительное и переносное вращения являются минимальными, а максимальная глубина стружки не превышает радиальный вылет резцов 4,0 см [4] (см. рис. 2, а). Такая компоновка исполнительного органа обеспечивает скорость подачи комбайна до 16 м/ч и производительность по отбойке руды до 8,8 т/мин при разрушении калийных солей с пределом прочности на одноосное сжатие 40,5 МПа.
При разрушении более слабых солей возможная область вариантов компоновки исполнительного органа расширяется за счет увеличения резцов ПС1-8У на основных дисках, но при этом затраты мощности как на относительное, так и переносное вращения будут возрастать.
Адекватность выполненных исследований подтверждается сходимостью результатов с шахтными испытаниями комбайна «Урал-20Р» [5] при разрушении пласта АБ С КРУ-2, имеющего сопротивляемость 260 Н/мм, когда при скорости подачи 9,7 м/ч загрузка двигателей относительного движения составляла 105 кВт, а загрузка двигателя переносного движения — 28 кВт.
На рис. 2, г и 3, г для варианта компоновки 4 затраты мощности ^ И д. отн при V = 10 м/ч составляют 133 кВт, а затраты мощности ^ Ид. ш.р — 38 кВт, но при разрушении соли с Ар = 300 Н/мм. Вместе с тем, при шахтных испытаниях было обнаружено, что при скорости подачи 9,6 м/ч двигатель переносного движения был загружен на 28 кВт, а при остановке комбайна, то есть при V = 0 V„ = 0 на 26 кВт! Это свидетельствует о работе водила в режиме, близком к генераторному режиму, при котором при t/h > 4 коэффициент Кх, характеризующий затраты мощности на переносное вращение дисков, имеет отрицательные значения. Кроме того, было установлено [5], что характер изменения нагрузки и средние значения потребляемой мощности основных дисков исполнительного органа комбайна «Урал-20Р» такие же как и дисков исполнительного органа комбайна «Урал-20А».
Список литературы
1. Семенов В.В., Шмакин И.Г. Обоснование рациональных параметров режущих органов комбайнов типа «Урал» // Горное оборудование и электромеханика. 2008. № 4. С.49-52.
2. Шмакин И.Г., Романов В.А., Браккер И.И. К исследованию усилий при резании калийных солей // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. Новосибирск, 1980. № 6. С.53-57.
3. Крутилин В.И., Шмакин И.Г. Методика определения рациональных режимов работы машин для добычи калийных солей // 17-й Междунар. симпозиум по применению ЭВМ и математических методов в горных отраслях промышленности. ЦНИЭИуголь, 1980. Т.4. С.332-342.
4. Каталог ОАО «Копейский машиностроительный завод». Копейск (Челябинская обл.), 2008.
5. Отчет о результатах измерений мощности, потребляемой двигателями комбайна «Урал-20Р», зав. № 10. ООО «Региональный канатный центр». Пермь, 2001.
Поступило 10.09.2009
Семенов Виктор Владимирович, горный инженер, генеральный директор, ОАО «Копейский машиностроительный завод».
Шмакин Иван Георгиевич, к.т.н., доцент, кафедра геотехнологии и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет.
Жабин Александр Борисович (zhabin.tula@mail.ru), д.т.н., профессор, кафедра геотехнологии и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет.
Суров Иван Александрович, студент, кафедра геотехнологии и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет.
Basis of Parameters and Selection of the Planetary-Disk Executive Body Cutters of “Ural-20R” Tunneling Machine
V.V. Semenov, I.G. Shmakin, A.B. Zhabin, I.A. Surov
Abstract. Theoretical research results have been presented on the destruction of potassium ore by a planetary disk executive body of the Ural-20R tunneling machine. The research is based on the improved functions defining the cutters loading taking into account the cleavage angle and the tool installation. The best modifications of the executive body arrangement have been defined.
Keywords: planetary-disk executive body, functions, cleavage angle, engine size, relative rotation, portable rotation, disks.
Semenov Viktor, mining engineer, general director, Open Joint-Stock Company “Kopeysk machine-building factory”.
Shmakin Ivan, candidate of technical sciences, associate professor, department of geotechnology and underground structure construction, Tula State University.
Zhabin Aleksandr (zhabin.tula@mail.ru), doctor of technical sciences, professor, department of geotechnology and underground structure construction, Tula State University.
Surov Ivan, student, department of geotechnology and underground structure construction, Tula State University.
