CC BY
70
А____________
-------------------------------- © Л.И. Кантович, И.Л. Пастоев,
2010
УДК 622.232
Л.И. Кантович, И.Л. Пастоев
ПРОБЛЕМА УПРАВЛЯЕМОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ АГРЕГАТОВ И КОМПЛЕКСОВ ПРИ РАБОТЕ НА ПОЛОГИХ ПЛАСТАХ БЕЗ ПРИСУТСТВИЯ ЛЮДЕЙ В ЗАБОЕ
При полной автоматизации очистных комплексов остро встанет проблема их управляемости. В статье излагаются результаты исследований управляемости автоматизированных агрегатов при работе без присутствия людей в забое на пологих пластах. Даются рекомендации по способам и средствам вождения агрегатов и комплексов в плоскости пласта, по его гипсометрии и мощности.
Ключевые слова: Очистной комплекс, агрегат, управляемость, база агрегата, базовая секция, взаимодействие с боковыми породами, плоскость пласта, прямолинейность базы, гипсометрия пласта, мощность пласта, способ управления.
Семинар № 22
Совершенствование очистных комплексов идет по пути автоматизации основных технологических операций в забое. Конечным итогом этого процесса является обеспечение работы комплекса без присутствия человека в очистном забое.
Специалисты отмечают [1], что автоматизация и, в частности, дистанционное управление машинами комплекса позволяет повысить показатели его работы в 1,3-1,5 раза, сократить объем тяжелого физического труда, сделать его безопасным и повысить надежность оборудования.
Вместе с тем традиционно сложившаяся структура комплекса и схема его работы затрудняют задачу автоматизации. Последовательная передвижка секций крепи вслед за комбайном, волновая передвижка забойного конвейера и наличие в схеме работы комплекса концевых операций значительно усложняют автоматизацию процесса его передвижения.
Совершенствование очистных комплексов в конечном итоге нацелено на повышение технической производительности. В этом направлении совершенствование комплексов приближается к сво-
ему пределу. Дальнейшее их совершенствование должно привести к качественному скачку.
Анализ направлений развития механизированных комплексов, сложившихся на сегодняшний день, показывает, что идут поиски рациональной структуры комплекса, которая бы совершенствовала схему его работы и облегчала задачу автоматизации. Предполагается [2] перейти к прямолинейной фронтальной схеме передвижения забойного конвейера, применению двух очистных комбайнов с односторонним расположением рабочего органа и выводом его на штрек при зарубке на новую дорожку. Схема работы такого комплекса близка к агрегатной и значительно упрощает вопросы автоматизации передвижения последнего.
Известно, что агрегатная схема выемки угля, по сравнению с комплексной, имеет существенные преимущества [3]. Она позволяет совместить во времени и увязать в автоматический цикл все операции по выемки угля в забое, что делает технологический процесс добычи угля непрерывным, а производительность труда максимальной.
Агрегатная выемка угля все время привлекала конструкторов горных машин. Все ведущие проектные и научноисследовательские институты работали над созданием выемочных агрегатов. Было создано и испытано значительное количество экспериментальных и опытных образцов агрегатов для различных горно-геологических условий. Наибольшую апробацию в шахтных условиях прошли струговые агрегаты типа А-2, СА и фронтальные агрегаты типа А-3, АК-3, Ф-1. При испытании этих агрегатов была достигнута производительность труда свыше 100 т/вых. по забою. Эксплуатация опытных образцов агрегатов показала, что они позволяют производить добычу угля без постоянного присутствия человека в очистном забое и решают крупную социальную проблему: делают труд шахтера высококвалифицированным и безопасным.
Вместе с тем все агрегаты на пологих пластах имели чрезвычайно низкую надежность, вследствие чего они не обеспечивали расчетную нагрузку на забой и не были рекомендованы к серийному производству. Низкая надежность агрегатов обусловливалась в основном их неуправляемостью как в плоскости пласта, так и по его гипсометрии, и, как следствие, высокой аварийностью машин и механизмов.
При работе автоматизированных комплексов и агрегатов с дистанционным или автоматическом управлении их передвижением по угольному пласту остро встает проблема управляемости. Требования минимальности потерь угля и минимальности присеч-ки боковых пород обусловливает необходимость их передвижения в границах пласта и в соответствии с условиями залегания последнего.
Очистной агрегат или комплекс, как объект передвижения, кинематически сложен. Он представляет собой совокупность элементов (секций, модулей) расставленных по лаве во фронт и увязанных между собой кинематически и конструктивно. Движение комплекса или агрегата осуществляется фронтально с определенным требованием расположения элементов относительно друг друга. Процесс передвижения многофункционален, программа движения сложная, многооперационная и задана условиями залегания угольного пласта.
Путем систематизации процессов передвижения комплексов и агрегатов по функциональному признаку установлено [4], что управляемый процесс передвижения по угольному пласту должен включать в себя три типовых процесса: передвижение в плоскости пласта, перемещение по гипсометрии пласта и перемещение по мощности пласта. Несмотря на разницу в назначении процессов передвижений в плоскости и профиле пласта, структура их в функциональном отношении одинакова, поскольку они призваны обеспечить движение агрегата в заданном направлении.
Для осуществления процесса направленного передвижения агрегата необходимы соответствующие средства. Анализ результатов систематизации этих средств позволил установить, что все системы управляемого передвижения агрегата, как в плоскости пласта, так и в его профиле имеют средство задания направленности движения. Этим средством во всех трех подсистемах является база агрегата. Она является ведущим элементом, задающим направление движения агрегата по угольному пласту. Все остальные элементы агрегата, в том числе и механизированная крепь, являются ведомыми и двигаются в координатах базы.
В связи с этим под базой следует понимать совокупность конструктивно увязанных и одновременно передвигаемых на забой элементов, осуществляющих кинематическую увязку функциональных машин агрегата или комплекса и обеспечивающих на-
правленное передвижение последних по пласту полезного ископаемого. Поскольку агрегат движется по пласту как одно целое в одном направлении, база в нем может быть только одна.
Для обеспечения направленности движения агрегата в плоскости пласта в структуре базы должна быть балка, проложенная по длине лавы. Такой балкой обычно служит став забойного конвейера. Для обеспечения направленности движения агрегата в профиле пласта в структуре базы должны быть опорные элементы, расставленные по лаве и шарнирно связанные со ставом конвейера. Этими элементами являются базовые секции крепи, передвигаемые на забой вместе с конвейером.
На рис. 1, в качестве примера, показаны схемы баз: а) стругового агрегата СА, б) фронтального агрегата Ф-1
В обоих агрегатах балкой базы служит став конвейера 1, а опорными элементами 2 в агрегате СА служили обычные секции механизированной крепи, а в агрегате Ф-1 базовые секции специальной конструкции. Они выполнялись узкими (250 мм) и располагались под перекрытиями лавных секций 3. От характера взаимодействия базы с боковыми породами зависит направленность движения агрегата по гипсометрии пласта.
В агрегате СА базовые секции участвовали в управлении кровлей. В связи с этим перекрытия этих секций нагружались обрушенной породой и равнодействующая вертикальных сил, действующих на базу, была расположена ближе к ее завальной стороне (рис. 1, а). Это приводило к тому, что завальная сторона базы вдавливалась в почву больше, чем забойная, и агрегат имел постоянную тенденцию движения вверх в кровлю. Этим объясняется плохая управляемость струговых агрегатов А-2, СА и А-3 при работе на пологих пластах.
На рис. 1, б показана схема взаимодействия с боковыми породами базовой секции агрегата Ф-1. В этом агрегате базовые секции контактировали с кровлей только через козырек, вследствие чего равнодействующая вертикальных сил, действующих на базу, располагалась ближе к забойной стороне. Это обусловливало то, что забойная сторона базы вдавливалась в почву больше, чем завальная, и агрегат приобретал направление движения вниз в почву. Для задания направления движения агрегату вверх на земник в этом случае достаточно оставить в почве ступеньку, на которую агрегат вынужден будет наезжать.
I OftJ (V
Рис. 2: (ИО) - исполнительный орган агрегата, обрабатывающий грудь забоя; (ИОв) - кутковые резцы исполнительного органа, обрабатывающие верхнюю пачку угля у кровли; (ИОн) - почвенные резцы; (Г) - система управления агрегатом по гипсометрии пласта; (М) - система управления по мощности пласта; (Б) - база агрегата; (П) - система подачи на забой (система поддержания прямолинейности); (ОМ) - опорные механизмы (лавные секции крепи)
На рис. 2 показана обобщенная схема средств передвижения агрегата и взаимодействия его с угольным пластом и боковыми породами в очистном забое.
Из схемы видно, что исполнительный орган агрегата подается на забой вместе с базой системой поддержания прямолинейности. Опорой при этом служат распертые лавные секции крепи. База взаимодействует как с почвой, так и с кровлей. Управление по гипсометрии пласта и по его мощности осуществляется путем перемещений элементов исполнительного органа относительно базы.
Передвижение агрегата или комплекса в плоскости пласта в технологическом процессе является обязательным и главным. Перемещение агрегата вдоль выемочного столба измеряется сотнями и тысячами метров, в то время как перемещение агрегата по гипсометрии пласта ограничивается допустимой величиной земника или присечки пород почвы, а перемещение по мощности пласта ограничено раздвижностью гидростоек крепи.
Для осуществления управляемого движения агрегата в плоскости пласта рекомендуется гидравлическая следящая система под-
держания прямолинейности, разработанная в МГГУ, работоспособность которой проверена в шахтных условиях на опытных образцах фронтальных агрегатов Ф-1.
Принципиальная схема этой системы показана на рис. 3.
Она представляет собой оригинальную следящую систему, состоящую из п-го количества следящих гидроприводов 2, объединенных в единую систему общим задающим устройством, проложенным по всей длине лавы. Таким задающим устройством является управляющая линейка 1, представляющая собой рессорную полосу, разбитую на пролеты длиной L, связанные между собой шарнирно. Длина пролета линейки равняется длине модуля агрегата.
Каждый модуль агрегата подается на забой следящим гидроприводом 2. В данном гидроприводе исполнительным механизмом является гидроцилиндр передвижения секции крепи (или два спаренных). В качестве гидроусилителя применен регулятор потока жидкости, работающий на водомасляной эмульсии и имеющий выходное звено с поступательным видом движения. Применение регуляторов потока в качестве гидроусилителей исключает из режимов следящего гидропривода переходные процессы, вызванные изменением нагрузки на гидроцилиндры, что повышает точность работы всей системы. Золотник регулятора потока, установленного на управляющей линейке, связан рычажной обратной связью с соседним пролетом последней (Кос - коэффициент обратной связи).
Угол а в шарнире управляющей линейки для следящего гидропривода 2 является управляющим сигналом. Появление или изменение его вызывает соответствующее изменение расхода в регуляторе. При искривлении базы угол а увеличивается, соответственно увеличивается расход жидкости через регулятор и скорость вы-движки гидроцилиндров, что приводит к уменьшению угла и восстановлению прямолинейности базы.
Все следящие гидроприводы, расположенные по длине лавы, объединены управляющей линейкой в единую систему, в которой задающими элементами являются гидроприводы фланговых секций 3 и 4. Изменение скорости подачи флангов базы является управляющим сигналом для всей системы поддержания прямолинейности.
Рис. 3. Принципиальная схема гидравлической следящей системы поддержания прямолинейности
Рис. 4: 1 - управляющая линейка; 2 - регулятор потока жидкости; 3 - рычажная обратная связь; 4 - датчик угла в шарнире управляющей линейки; 5 - шарнир в линейке
Управляет системой оператор путем изменения расхода жидкости в задающих регуляторах потока. При увеличении скорости движения обеих флангов базы увеличивается скорость подачи агрегата на забой. При увеличении скорости движения одного фланга базы агрегат разворачивается относительно другого фланга. При этом прямолинейность базы поддерживается автоматически с плавным прогибом в пределе расчетной величины.
На рис. 4 показано устройство системы поддержания прямолинейности агрегата Ф-1.
Датчик угла 4 в шарнире 5 управляющей линейки 1 служит для передачи информации о прямолинейности агрегата на пульт управления. Испытания агрегата Ф-1 на шахте «Юбилейная» в Кузбассе подтвердили работоспособность этой системы поддержания прямолинейности [5].
Применение данной системы в автоматизированных агрегатах и комплексах позволяет решить проблему их управляемости в плоскости пласта.
Она позволяет отрабатывать выемочный столб с непараллельными штреками за счет изменения стрелы прогиба базы, компенсировать сползание комплекса или агрегата на наклонном
Рис. 5: 1 - став конвейера; 2 - исполнительный орган; 3 - гидроцилиндр управления
пласте за счет опережающего движения нижнего фланга, разворачивать комплекс или агрегат вплоть до перевода их в другой забой без перемонтажа.
Обобщение результатов исследования средств направленного передвижения агрегатов по гипсометрии пласта позволило установить, что управляемость их зависит от взаимодействия базы с боковыми породами. Формируя эпюру давления базы на почву пласта можно эффективно управлять агрегатом по гипсометрии пласта.
Результаты исследований позволили рекомендовать эффективный способ управления агрегатом по гипсометрии пласта путем принудительного наклона става конвейера вместе с исполнительным органом относительно базовых секций крепи.
Такой способ был применен и испытан в агрегате Ф-1 и показал положительные результаты: агрегат Ф-1 имел хорошую управляемость по гипсометрии пласта [5]. Устройство механизма управления агрегатом Ф-1 по гипсометрии пласта показано на рис. 5. Управляемость агрегата по мощности пласта обеспечивается при соблюдении единства координат движения агрегата по угольному
пласту. Для этого величину управляющего воздействия необходимо отсчитывать от почвы пласта.
Результаты структурных исследований средств направленного передвижения автоматизированных агрегатов показывают, что для обеспечения управляемости агрегата при работе без присутствия людей в забое требуются как минимум следующие средства:
- автоматическая система поддержания прямолинейности агрегата непрерывного действия;
- дистанционная (или с ручным управлением) система управления по гипсометрии пласта периодического действия;
- механизмы ручного управления по мощности пласта эпизодического действия.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Виленкин Е. С. Система электрогидравлического управления для механизированных крепей. РФ Уголь. № 10. 1999.
2. Мышляев Б. К. О направлениях развития техники и технологии очистных работ на шахтах РФ. Уголь. № 4. 1999.
3. Хорин В.Н. Перспективы развития технологии и средств выемки угля в длинных очистных забоях. Уголь. № 1. 1988. 4..
4. Пастоев И. Л. Структура и функции системы передвижения очистного агрегата по пласту полезного ископаемого. Изв. Вузов. Горный журнал. № 11. 1985.
5. Протокол приемочных испытаний опытного образца автоматизированного стругового агрегата Ф-1.Новокузнецк. 1983. шгЛ
L.I. Kantovich Professor, I.L. Pastoev professor
PROBLEM OF CONTROLLABILITY OF THE AUTOMATED COMPLEXES AT MOVEMENT ON A COAL LAYER WITHOUT PRESENCE OF PEOPLE
At full automation of complexes there will be a problem of their controllability. In results of the message of researches of controllability of the automated complexes are declared on work without presence of people on flat layers. Recommendations about ways and means of driving of complexes on a coal layer are given.
Key words: The automated complex, controllability, interaction with lateral breeds, frankness, гипсометрия a layer, layer height, management mechanisms.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------
Кантович Л.И. - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой
«Г орные машины и оборудование»,
Пастоев И.Л. - профессор,
Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
