CC BY
63
УДК 622.236.732
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ
А.Б. Жабин, Ан. В. Поляков, Ал. В. Поляков
Представлены весьма актуальные для горнодобывающей промышленности результаты научно-практических исследований по повышению производительности и расширению области применения исполнительных органов проходческих комбайнов за счет применения в их конструкции непрерывных и импульсных струй воды высокого и сверхвысокого давления. Предложены варианты технических устройств для получения таких струй. Приведены конструктивно-компоновочная схема системы высоконапорного внутреннего орошения для проходческого комбайна КП-21 и конструкция гидросъемника высокого давления - основного элемента системы.
Ключевые слова: проходческие комбайны избирательного действия; резание горных пород; струи воды высокого и сверхвысокого давления; результаты исследований и расчета; гидроимпульсный инструмент; преобразователь сверхвысокого давления; внутренняя система орошения комбайна; гидросъемник высокого давления; инженерные методики расчета.
Достигнутые в последние годы успехи в области исследований и создания опытных образцов гидромеханических исполнительных органов [1 - 5], реализующих совместное воздействие на породный массив механического инструмента (резцов или шарошек) и высокоскоростной струи воды, убедительно доказывают, что область применения проходческих комбайнов, оснащенных такими исполнительными органами, значительно расширяется. При этом нагруженность механического инструмента снижается в среднем на 27... 70 %, производительность по отбойке породы повышается в 1,8 - 3,8 раза, а скорость проведения выработок увеличивается в 1,5 - 2,0 раза [1, 2]. Вместе с тем, установлено [3], что и для проходческих комбайнов с гидромеханическим исполнительным органом существуют резервы повышения эффективности их работы. Эффективность, прежде всего, связана с увеличением производительности по отбойке породы и расширением области применения комбайнов на более крепкие породы с пределом прочности на одноосное сжатие более 100 МПа, а производительность в свою очередь повышается с увеличением режущей способности высокоскоростной струи воды, заключающейся в нарезании ослабляющей щели определенной глубины.
Следует отдельно подчеркнуть следующий момент. В настоящее время на шахтах РФ при комбайновой проходке выработок в большинстве случаев используются проходческие комбайны с исполнительными органами избирательного действия. В связи с этим настоящие
исследования были направлены на повышение эффективности работы исполнительных органов стреловидного типа, оснащенных режущими коронками с поворотными резцами.
Эффективность процесса резания горных пород непрерывной высокоскоростной струей воды при реализации гидромеханического способа разрушения в значительной мере определяется количеством подводимой гидравлической энергии. Поэтому повышение разрушающего эффекта, создаваемого струей воды, связано также и с повышением ее гидравлической мощности. При этом известно [1], что увеличивать гидравлическую мощность, подводимую к гидромеханическому исполнительному органу, при прочих равных условиях предпочтительнее за счет повышения давления высокоскоростной струи воды, чем за счет увеличения ее расхода, то есть использовать в конструкции исполнительного органа энергию струй воды сверхвысокого давления.
Выполненный комплекс экспериментальных исследований процесса резания горных пород струями воды сверхвысокого давления и анализ их результатов позволили получить расчетную зависимость, определяющую глубину щели в достаточно широком диапазоне основных влияющих факторов:
Л 0,97
к
щ
d 0
0,0041 •
Р0
Vесж у
Г \- 0,44
V 1ц У
Г Л 0,75 V ^ у
п
.0,3
(1)
где кщ - глубина прорезаемой щели; do - диметр отверстия
струеформирующей насадки; Р0 - давление воды перед насадкой; асж -предел прочности горных пород на сжатие; 10 - расстояние между срезом насадки и поверхностью породы; 1ц - длина цилиндрического участка насадки; у0 - скорость истечения струи из насадки; уп - скорость перемещения струи воды относительно горной породы; п - число проходов струи по щели.
На рис. 1 приведен типичный график, характеризующий эффективность разрушения породы с разными значениями давления воды.
£-19,* 45 39 15
1 / 2 /
л 4 Уу
№ 3 лубины пр оюезаемой шели Н
при разрушении известняка с ссж = 68,8 МПа при у„ = 25-10'3 м/с;
10=5-10'3м и п = 1:1 - при й0 = 0,2М-3м; 2 - при й0 = 0,3М-3м; 3 - при (0 = 0,4-10-3 м;4 - при (0 = 0,6-10-3 м; 5 - при (1„ = 0,8-10'3 м
Для получения струй воды сверхвысокого давления использовалась гидравлическая станция сверхвысокого давления, реализующая принцип многоступенчатого сжатия воды. Основными ее элементами являются универсальный источник воды высокого давления [3, 6 - 8] и преобразователь сверхвысокого давления (рис. 2), выполненный на базе двух мультипликаторов одностороннего действия.
Рис. 2. Преобразователь сверхвысокого давления: 1 и 2 - мультипликаторы; 3 - специальная плита; 4, 5 - всасывающий и нагнетательный клапаны блока управления; 6, 7, 8 - трубопроводы подачи подпитывающей воды и запирающей жидкости
Мультипликаторы (рис. 3) имеют составной многослойный корпус и оснащаются бесконтактным щелевым уплотнением (гребешковой гильзой) с подачей вязкой запирающей жидкости. Конструкция мультипликаторов позволяет получать давление воды до 500 МПа. Для обеспечения пульсации давления на входе не более 5 % с учетом сжимаемости воды в цилиндрах высокого давления в разработанном преобразователе реализована возможность начала цикла нагнетания одного из мультипликаторов в момент, когда второй мультипликатор еще не завершил свой цикл нагнетания (мультипликаторы работают «с перехватом»). Это позволило исключить применение ресивера (металлоемкого технологически сложного сосуда высокого давления) в конструкции данного преобразователя.
1 - корпус; 2 - дифференциальный поршень; 3 - гребешковая гильза;
4 - дистанционная втулка; 5 - шпильки; 6 - блок клапанов;
7 - контрольный штуцер; 8 - заглушки; 9 - плавающее кольцо
Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса работы мультипликаторов сверхвысокого давления, его элементов и узлов, а также установленные закономерности резания горных пород струями воды сверхвысокого давления позволили разработать инженерные методы расчета конструктивных и режимных параметров преобразователя сверхвысокого давления, встраиваемого в породоразрушающую коронку исполнительного органа проходческого комбайна. По разработанным методикам спроектирован мультипликатор сверхвысокого давления для проходческого комбайна КП-21, имеющего частоту вращения исполнительного органа 47,4 мин-1 и для штатной (с заданной геометрией) продольно-осевой режущей коронки с двумя струеформирующими насадками, запитанными на один мультипликатор. В качестве разрушаемого объекта принималась горная порода с ссж = 100 МПа, что соответствует верхней границе прочности применения комбайна по техническим условиям. Рассчитанные конструктивные размеры мультипликатора и их общее количество обеспечивают встраиваемость преобразователя в штатную режущую коронку проходческого комбайна КП 21.
Кроме того, для сравнения эффективности струй воды высокого и сверхвысокого давления выполнен расчет производительности гидромеханического исполнительного органа проходческого комбайна КП-21, реализующего схему разрушения, когда резец и струя воды расположены в разных линиях резания [1]. К исследованию приняты струи
давлением 200 и 450 МПа. По выполненной оценке производительность комбайна КП-21 увеличивается на 60 %, а его область применения расширяется на 30 %.
Одним из наиболее эффективных способов увеличения разрушающей способности водяных струй высокого давления является технология применения импульсных струй воды, получаемых различными способами. Одним из наиболее эффективных способом получения гидроимпульсных струй является механическое внутреннее прерывание струи [9, 10]. Общий вид импульсной струи, полученной таким способом, показан на рис. 4.
и » --ав-От **
1 1 4 «ш
-
Рис. 4. Импульсная струя воды: d0 - диаметр отверстия струеформирующей насадки; Iн, Iосн и Iк - начальный, основной и капельный участок струи; dc - диметр струи на некотором удалении от среза насадки; - частота пульсации скорости струи;
Ь=у//и - скорость струи; Ь - длина волны импульсной струи воды
Высокая эффективность технологии гидроимпульсного резания горных пород может быть проиллюстрирована приведенными на рис. 5 результатами резания горных пород импульсной струей, получаемой внутренним прерыванием струи при помощи наконечника. На рис. 5 сплошной линией отмечена импульсная струя, а прерывистой линией - непрерывная.
я» т
^ 1
< я
Л
И Ж 2
Рис. 5. Зависимость глубины прорезаемой щели Н от частоты пульсации скорости струи /и при Р0 = 80 МПа, й0 = 0,4 М-3 м, 10 = 30-10- м, у„ = 1,0-10-3 м/с: 1 - при ссж = 12,75 МПа; 2 - при ссж = 27,3 МПа; 3 - при ссж = 68,8 МПа
В результате выполненных исследований процесса резания горных пород импульсной струей воды, получаемой внутренним механическим прерыванием, а также условий формирования струи в гидроимпульсном инструменте получены расчетные зависимости (2) и (3), позволяющие соответственно определять рациональную частоту пульсации скорости струи и глубину щели в достаточно широком диапазоне основных влияющих факторов. Все это позволило разработать оригинальную конструкцию гидроимпульсного инструмента (рис. 6) и инженерную методику расчета его геометрических, гидравлических и режимных параметров для исполнительных органов проходческих комбайнов:
/г
и. р
1,8 • 10 9асж + 0,2 ч1,6 • 10-12стсж + 0,0006у
к
щ
ж
= 0,188 Кф )
-0,14
П Л0,041
'л
г
V Ь у
Л
0,81
\ сж у
Г \ V.
V Уп у
0,32
(2)
(3)
где Кф - коэффициент, учитывающий конструктивное исполнение наконечника и струеформирующей гильзы; = /и/ V, - безразмерный параметр импульсной струи воды высокого давления.
Рис. 6. Схема гидроимпульсного инструмента: 1 - корпус; 2 - струеформирующая гильза; 3 - наконечник; 4 - уплотнение;
5 - прижимная гайка
По разработанной методике спроектирован гидроимпульсный инструмент для проходческого комбайна КП-21. В качестве исходных были приняты такие же данные, как и для струй воды сверхвысокого давления. Кроме того, для сравнения эффективности непрерывных и импульсных струй воды выполнен расчет производительности гидромеханического исполнительного органа проходческого комбайна КП-21 при давлении воды
60 МПа. Установлено, что при прочих равных условиях применение импульсных струй воды позволяет увеличить производительность комбайна на 40 % или расширить область его применения на 25 %.
Как показывает статистика, одним из основных источников взрывов при подземной добыче угля является воспламенение породной и угольной пыли в результате фрикционного контакта режущего инструмента с абразивными породами.
Особую опасность представляют проходческие комбайны, работающие по крепким (сж>60 МПа) породам в забоях с выделением метана 2,7 % и более. В этих условиях вероятность взрыва приближается к 1 [1]. Избежать этого возможно созданием и применением систем внутреннего высоконапорного орошения. Эффективность таких систем подтверждена результатами выполненных НИОКР и опытом зарубежных стран.
Однако в настоящее время все отечественные комбайны оснащаются внешними системами орошения с давлением воды не более 4 МПа, это во многом обусловлено высокой сложностью и недостаточной надежностью существующих систем внутреннего высоконапорного орошения и их элементов, обоснованию конструкции и параметров которых еще не уделялось должного внимания.
В результате выполнения комплекса НИОКР авторами в сотрудничестве с ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» и ОАО «Копейский машиностроительный завод» разработана система внутреннего высоконапорного орошения для проходческого комбайна КП-21 (рис. 7).
Система предназначена для модернизации комбайна с целью повышения эффективности подавления искрообразования в зоне контакта резца с породой и улучшения пылеподавления и обеспечивает подачу воды на один резец с расходом 2,0 л/мин при давлении воды 35 МПа.
Отметим, что разработанная система орошения позволяет сохранить первоначальное конструктивное исполнение рабочего органа в целом для обеспечения взаимозаменяемости соединений и их технической применимости.
Наиболее важным и ответственным элементом системы орошения, от четкости работы которого во многом зависит эффективность всей системы, является гидросъемник 2 (см. рис. 7).
Он устанавливается в камере редуктора стрелы комбайна и предназначен для передачи воды высокого давления от неподвижного рукава высокого давления 3 к вращающейся породоразрушающей коронке 1 и далее к резцам, расположенным на ней.
В результате исследований разработана оригинальная конструкция гидросъемника (рис. 8), позволяющая установить его в камере редуктора стрелы комбайна без внесения изменений в конструкцию данного редуктора.
Рис. 7. Компоновочная схема и основные элементы системы орошения комбайна КП-21:1 - гидромеханическая породоразрушающая коронка;
2 - гидросъемник; 3 - трубопроводы высокого давления; 4 - реле давления; 5 - фильтр; 6 - источник воды УНС63; 7 - водяной бак; 8 - полый вал стрелы исполнительного органа; 9 - трубопровод подвода воды к «пауку»; 10 - «паук»; 11 - резцедержатель; 12 - резец;
13 - струеформирующее устройство
Конструкция гидросъемника имеет простую и экономичную (небольшие габариты) конструкцию. Гидросъемник включает в себя три основных элемента охватываемый элемент - вал 1, удерживаемый корпусами 2 и 3. Соединение является прочным, устойчивым и может противостоять случайному повреждению, обеспечивая при этом надежное поворотное соединение линий передачи воды высокого давления.
Гидросъемник является самосмазывающимся, так как позволяет жидкости, находящейся внутри отверстий, частично протекать между охватываемым элементом и внутренними поверхностями, улучшая взаимодействие опорных поверхностей. Кроме того, все корпусные элементы гидросъемника соединяются винтами 13 и прижимной гайкой 12. Это обстоятельство позволяет работать гидросъемнику при различных положениях стрелы исполнительного органа комбайна. Наличие подшипникового узла со сдвоенным шарикоподшипником 21 увеличивает несущую способность гидросъемника, а наличие манжетных уплотнений 23 исключает возможность попадания рабочей жидкости в подшипниковый узел, заполненный специальной консистентной смазкой. Между элементами 1, 2 и 3 значительно увеличена доля опорных поверхностей за счет использования внутренних и наружных осевых, а также торцевых поверхностей этих элементов.
16 23 9 И 17 13 Н
Рис. 8. Гидросъемник высокого давления: 1 - вал; 2 - промежуточный корпус; 3 - корпус; 4, 8,11 - втулка; 5 - втулка шестигранная; 6, 7 -уплотнительные кольца; 9 - кольцо упорное; 10 - пружина; 12 - гайка; 13 - винт; 14 - 20, 23 - кольцо уплотнительное; 21 - подшипник; 22 - шайба; 24 - штуцер
Распределение усилий, в частности, между поверхностями вала 1, соединенного винтами 13 с промежуточным корпусом 2, и основного корпуса 3, позволило выполнить гидросъемник достаточно простым и прочным. Во время эксплуатации при низких давлениях воды коэффициент трения между валом 1, соединенным корпусом 2 и основным корпусом 3, низок, что облегчает поворот вала 1 при малых крутящих моментах. При более высоких давлениях воды коэффициент трения между этими элементами повышается, поэтому для поворота требуется больший крутящий момент. Однако установка скользящей втулки 5 и промежуточных (компенсирующих) втулок 4 и 8 содействует повороту при умеренных величинах крутящих моментов и тем самым облегчает работу гидросъемника при высоких давлениях воды.
Торцевые уплотнения 6 и 7 (см. рис. 8), являющиеся основными, изготовлены из специального сплава. Работа таких уплотнений в процессе эксплуатации улучшается - регламентированные утечки снижаются.
На сегодняшний момент изготовлены и прошли различного вида стендовые испытания (исследовательские, контрольные, определительные, доводочные и др.) всех элементов системы высоконапорного орошения комбайна КП-21 (см. рис. 7). Например, на рис. 9 приведены результаты замера температуры подшипникового узла гидросъемника при проведении исследовательских испытаний.
а
б
Рис. 9. Результаты замера температуры подшипникового узла гидросъемника: а - при подаче воды и после 360 мин испытаний; б - без подачи воды («на сухую») и после 420 мин испытаний
Результаты этих испытаний подтвердили работоспособность и достаточно высокую надежность разработанного оборудования. Система орошения полностью смонтирована на комбайне и подготовлена к полигонным испытаниям. Результаты этих испытаний будут представлены авторами в последующих публикациях.
В целом, полученные результаты НИОКР по повышению эффективности работы гидромеханических исполнительных органов для проходческих комбайнов можно использовать при проектировании и создании исполнительных органов нового технического уровня или модернизации существующих.
Список литературы
1. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е. Физико-технические основы гидроструйных технологий в горном производстве. М.: Изд-во ННЦГП-ИГД им. А.А. Скочинского, 2004. 645 с.
2. Мерзляков, В.Г., Бафталовский В.Е., Байдинов В.Н. Опыт применения гидравлических струй высокого давления при создании эффективных средств разрушения горных пород // Маркшейдерский вестник. 2010. № 1, С. 33 - 39.
3. Совершенствование гидроструйных технологий в горном производстве / А.В. Поляков [и др.]. М.: Изд-во «Горная книга»: Изд-во МГГУ, 2010. 337 с.
4. Jasiulek D., Stankiewicz K. An adaptive control system of roadheader with intelligent modelling of mechanical features of mined rock // Journal of KONES Powertrain and Transport. 2011. Vol. 18, No. 2. Р. 197 - 203.
5. Мерзляков, В.Г. Опыт применения гидроструйных технологий в исполнительных органах проходческих комбайнов // Горная промышленность. 2015. №4 (122). С. 81 - 87.
6. Development of optimal diaphragm-based pulsation damper structure for high-pressure GDI pump systems through design of experiments / J. Kim, G.H. Yoon, J. Noh, J. Lee, K. Kim, H. Park, J. Hwang, Y. Lee // Mechatronics. 2013. V. 23. Iss. 3. P. 369 - 380.
7. Shengxiong X., Donghui Z., Zhengwen C. Ultra high pressure waterjet rust removal line design and test // American WJTA Conference and Expo. August 19-21, 2007. Houston, Texas. Р. 108 - 120.
8. Liu H.-T., Schubert E. Micro Abrasive-Waterjet Technology [Электронный ресурс]. режим доступа http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/27087.pdf.
9. Xiong D., Benzhao T., Huikun J. Study on the erosion performance of two-nozzle interrupted waterjet // Pros. International Symposium on new application of water jet technology. Ishinomaki, Japan. 1999. P. 157 - 163
10. Farayibi P.K., Abioye T.E., Murray J.W. Surface improvement of laser clad Ti-6Al-4V using plain waterjet and pulsed electron beam irradiation / Journal of Materials Processing Technology. 2015. Vol. 218. P 1 - 11.
Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., Zhabin.tula@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Поляков Андрей Вячеславович, д-р техн. наук, доц., Polyakoff-an@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Поляков Алексей Вячеславович, канд. техн. наук, ведущий инженер, Polyakoff-aд@mail.ru, Россия, Тула, Компания «ЭПБ» INCREASING PERFORMANCE HYDROMECHANICAL ROCK-DESTROYING BODIES
OF ROADHEADERS
A.B. Zhabin, An. V. Polyakov, Al. V. Polyakov
The results of scientific - practical researches on increase of productivity and expansion area of application the executive bodies of roadheader are submitted rather urgent for a mining industry at the expense of application in their design of continuous and pulse water jets high and super-high pressure. The variants of technical devices for reception of such jets offered. Are given the design-layout circuit of a high-pressure irrigation system of roadheader KP-21 and design rotary coupler of high pressure, basic element of system.
Key words: roadheader of selective action cutting of rocks, high and super-high pressure water jets; results of researches and account; hydro pulse tool; multiplier of superhigh pressure; a high-pressure irrigation system of roadheader; rotary coupler; engineering techniques of account.
Reference
1. Merzljakov V.G., Baftalovskij V.E. Fiziko-tehnicheskie osno-vy gidrostrujnyh tehnologij v gornom proizvodstve. M.: Izd-vo NNCGP-IGD im. A. A. Skochinskogo, 2004. 645 s.
2. Merzljakov, V.G., Baftalovskij V.E., Bajdinov V.N. Opyt primenenija gidravli-cheskih struj vysokogo davlenija pri sozdanii jef-fektivnyh sredstv razrushenija gornyh porod. Markshejderskij vest-nik. № 1, M., 2010. S. 33 - 39.
3. Sovershenstvovanie gidrostrujnyh tehnologij v gornom pro-izvodstve/ A.V. Polja-kov [i dr.]// M.: Izd-vo Gornaja kniga: Izd-vo MGGU, 2010. 337 s.
4. D. Jasiulek, K. Stankiewicz An adaptive control system of road-header with intelligent modelling of mechanical features of mined rock / Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 18, No. 2. 2011. R. 197 -203.
5. Merzljakov, V.G. Opyt primenenija gidrostrujnyh tehnologij v ispolnitel'nyh orga-nah prohodcheskih kombajnov. Gornaja Promysh-lennost'. №4 (122), 2015. S. 81 - 87.
6. Kim J., Yoon G.H., Noh J, Lee J., Kim K., Park H., Hwang J., Lee Y. Development of optimal diaphragm-based pulsation damper structure for high-pressure GDI pump systems through design of experiments // Mecha-tronics. 2013. V. 23, Iss. 3. P. 369-380.
7. Shengxiong X., Donghui Z., Zhengwen C. Ultra high pressure waterjet rust removal line design and test / 2007 American WJTA Confer-ence and Expo, August 19-21, 2007, Houston, Texas. R. 108 - 120
8. H.-T. Liu, E. Schubert Micro Abrasive-Waterjet Technology: Jelektronnyj resurs, rezhim dostupa http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/27087.pdf.
9. Xiong, D. Study on the erosion performance of two-nozzle inter-rupted waterjet [Tekst] : D. Xiong, T. Benzhao, J. Huikun // Pros. Interna-tional Symposium on new application of water jet technology, Ishinomaki, Japan. - 1999. pp. 157 - 163
10. P.K. Farayibi, T.E. Abioye, J.W. Murray Surface improvement of laser clad Ti-6Al-4V using plain waterjet and pulsed electron beam irradia-tion / Journal of Materials Processing Technology, Volume 218, April 2015, pp 1 - 11
Zhabin Aleksandr Borisovich, doctor of technical science, professor, Zha-bin.tula@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Polyakov Andrey Vyacheslavovich, doctor of technical science, docent, Polyakoff-an@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Polyakov Aleksey Vyacheslavovich, candidate of technical science, main engineer, Polyakoff-al@mail.ru, Russia, Tula, Company «EPB»
