Технологические аспекты создания высокопроизводительных шнековых исполнительных органов очистных комбайнов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лаврик В.Г. Взаимодействие геомеханических и газодинамических процессов при интенсивной отработке пологих газоносных пластов / В.Г. Лаврик, С.Р. Ногих, М.И. Радиковский. - Новокузнецк: АОУК “Кузнецк-уголь”, препринт № 57, 1988. - 13 с.

2. Черняк И.Л. Управление состоянием массива горных пород / И.Л. Черняк, С.А. Ярунин. - М.: Недра, 1995. - 395 с.

3. Павлова Л. Д. Алгоритм прогноза напряженно-деформированного состояния и разрушения горных пород в окрестности подготовительной выработки / Л.Д. Павлова // Известия вузов. Горный журнал. - 2003. - №

1. - С. 59 - 63.

Коротко об авторах _________________________________________

Павлова Л.Д. - кандидат технических наук, доцент, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк.

---------------------------------- © В.Г. Нечепаев, А.К. Семенченко,

2004

УДК 622.232.72

В.Г. Нечепаев, А.К. Семенченко

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ШНЕКОВЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ

Семинар № 16

Эффективная и рентабельная отработка тонких и весьма тонких угольных пластов определяет насущную потребность повышения технического уровня очистных комбайнов, предназначенных для работы в этих условиях, при минимальных затратах на модернизацию машин. Однако, созданию высокопроизводительных комбайнов со шнековыми исполнительными органами, получившими преимущественное распространение, препятствует недостаточная их погрузочная способность. В то время как потребный уровень погрузочной способности постоянно возрастает в связи с ростом энерговооруженности и скорости пере-

мещения комбайнов, известные пути и методы ее повышения практически исчерпали себя.

Для решения этой актуальной проблемы разработана концепция активной выгрузки, предусматривающая активацию рабочего процесса путем оказания дополнительного силового воздействия на перемещаемый шнеком уголь [1]. Созданы способы и средства реализации концепции, разработаны технические решения применительно к существующим и проектируемым отечественным и зарубежным очистным комбайнам. Установлено, что наиболее эффективными в современных условиях являются механо-гидродинамические системы активной выгрузки, в которых силовое активи-

Рис. 1. К анализу функционирования систем активной выгрузки при различных значениях угла пойьема лопастей шнека (в диапазоне изменения угла по-

ворота шнека

ф є [щ 2п]):

1,2,3

рующее воздействие на поток перемещаемого шнеком угля осуществляется напорными струями жидкости, генерируемыми специальными струеформирующими устройствами [2, 3].

Созданная теория функционирования ме-хано-гидродинамических систем активной выгрузки [4, 5], достоверность основных положений которой подтверждена результатами экспериментальных исследований, позволила выполнить анализ влияния основных параметров систем на их производительность.

Используя разработанное математическое и программное обеспечение, проведены модельные эксперименты в диапазоне практически возможного изменения значений угла подъема лопастей шнека а, коэффициента трения угля по рабочим поверхностям шнека /, а также в диапазоне практически возможного изменения и сочетания других конструктивных, режимных и прочих параметров системы выгрузки (наружного диаметра шнека, диаметра ступицы шнека, частоты вращения шнека, физикомеханических характеристик выгружаемой горной массы и др.).

Установлено, что при всех значениях и сочетаниях параметров и прочих равных условиях увеличение угла подъема лопастей шнека создает потенциальную возможность существенного увеличения объема рабочей камеры шнека Урк (а следовательно и производительности выгрузки). Однако, реализация этой потен-

- давление в выгружаемом потоке

(ргд=сот^0,005 МПа); 4 - давление со-11 -*^1

противления окна выгрузки; 1 ,2 ,3 -

объем рабочей камеры.

циальнои возможности возможна при условии значительного увеличения давления дополнительного активирующего воздействия. То есть, в общем случае системы активной выгрузки, в отличие от систем пассивной выгрузки, характеризуются отсутствием экстремальных зон оптимума для производительности как функции угла подъема лопастей а.

Для достижения же максимального значения производительности при заданном постоянном уровне активирующего воздействия ргд = const, существует оптимальное по критерию максимальной производительности значение а (рис. 1). Так, при значении угла подъема лопастей по диаметру ступицы а = 400 и значении давления дополнительного активирующего воздействия в зоне вращательного переноса ргд = 0,005МПа, объем рабочей камеры составляет

V

= 0,0075

м

рк2(1=0,5Б3)

Уменьшение угла подъема лопастей до а = 300 при прочих равных условиях обусловливает уменьшение объема рабочей камеры в 1,25 раза до значения м3; а увели-

рк1(1=0,5Б3 )

= 0,006

чение до а = 50 - уменьшение объема рабочей камеры примерно в два раза (до значения

V

= 0,004

м3).

рк3(1=0,5Б3)

Коэффициент трения угля по рабочим поверхностям шнека, также как и угол подъема лопастей, в существенной мере определяет многие аспекты функционирования систем выгрузки угля очистных комбайнов, в том числе, и производительность процесса выгрузки.

Так, анализ результатов модельного эксперимента по осуществлению функционирования систем пассивной выгрузки показывает, что при значении / = 0,5 объем рабочей камеры состав-

Яа, мкм 100

50

йя, мкм 100

°'01 0,015

Р/, МПа

7 у

0,451 ' / 0,415 /

__0,379^" У

_ 0,343" 1X271-

Рис. 2. Графическая интерпретация трехмерных моделей множественной регрессии изменения коэффициента трения для значения влажности

Ж = 0 при порядке полинома т = 4 (а - графики поверхностей; б - карты линий уровней)

а)

0,005 0,01 0,015 /зу, МПа

___________________б)_

V

= 0,003

м3. Уменьшение ко-

рк 2(/=0.05)

эффициента трения до / = 0,4 при прочих равных условиях обусловливает увеличение объема рабочей камеры в 1,7 раза (до значения

V _ 0 005 М3), а увеличение до/ = 0,6 К рк1(/=0,4) _ 0,005

- уменьшение объема рабочей камеры в 1,4

раза (до значения V = 0,0022 м'-

рк3(/=0,6)

Анализ результатов модельного эксперимента по осуществлению функционирования систем активной выгрузки (при постоянном значении давления ргд= 0,005 МПа активирующего воздействия) показывает, что снижение значения коэффициента трения от/ = 0,6 до/= 0,5 при прочих равных условиях обусловливает увеличение объема рабочей камеры в 1,7 раза

(ОТ V ... 05В ) = 0,0045м3 до

рк3(1=0,5Б3) 5

V - 0 0075м3); Дэльнвйшее умень-

рк2(,=0,5Б3) _ 5

шение до / = 0,4 обусловливает увеличение объема рабочей камеры в 1,2 раза (от

=0,5Е3) = ».«"5 до

VP,v.oSв,) = ».»09

Выполненный анализ и обобщение имеющихся резервов повышения технического уровня шнековых исполнительных органов как транспортирующих устройств позволяет свести их к трем основным группам:

- применению механо-гидродинами-ческих систем активной выгрузки;

- изменению угла подъема и закона изменения угла подъема погрузочных лопастей шнека;

- снижению значения коэффициента трения.

Изменение угла подъема и закона его изменения определяет необходимость разработки конструкции и технологии изготовления шнеков, допускающих “гибкое” (применительно к

конкретным условиям эксплуатации) изменение угла подъема и закона изменения угла подъема погрузочных лопастей шнеков на стадии их изготовления.

Снижение значений коэффициента трения определяет необходимость расширения диапазона применяемых методов технологического воздействия и разработки модели, устанавливающей функциональную связь между кинематическим коэффициентом трения выгружаемого угля по рабочим поверхностям шнеков и параметрами систем активной выгрузки угля очистных комбайнов:

- параметрами состояния поверхностного слоя рабочих зон (лопастей, обечаек) шнеков;

- параметрами напряженного состояния угля;

- влажностью выгружаемого угля.

Наиболее удобной для практического использования формой представления такой функциональной связи является зависимость вида

/ = ^ (Ка, рг, Ж), (1)

где / - кинематический коэффициент трения выгружаемого угля по рабочим поверхностям шнеков; Кa - параметр шероховатости рабочих поверхностей (лопастей и обечайки) шнеков; p/ - давление выгружаемого потока угля на рабочие поверхности шнеков; Ж -влажность выгружаемого угля.

Используя указанный подход, на основе экспериментальных данных, полученных на специальном полноразмерном стенде [6], создано семейство четырехмерных моделей множественной регрессии 1-4 порядков в виде

* / / О , (2)

/ = ^ (Ка,р/,Ж) = £Ь] ■ Ка 1 ■ р ,] ■ ЖО]

1=0

где b , - коэффициенты уравнения множественной регрессии (j _ 01 k); и I J G - показатели степени при независимых переменных уравнения регрессии; k - число членов уравнения регрессии.

Рассматриваемые четырехмерные модели, отвечая требованиям оптимального проектирования и синтеза механо-гидродина-мических систем активной выгрузки очистных комбайнов, а также требованиям адекватности и точности, в тоже время не позволяют выполнить графическую интерпретацию и визуализацию полученных результатов. Кроме того, для решения ряда проектных задач более удобными являются трехмерные модели. Поэтому создано также семейство трехмерных полиномиальных моделей множественной регрессии (рис. 2) для фиксированных дискретных значений W = const = 0; 3,5%; 7% 1-4 -го порядков в виде, аналогичном зависимости (2)

k г J (3)

f =F'(Ra,pf) =X bj ■ Ra 1 ■ pJ ' ()

1=o

Анализ этих моделей показывает, что изменение шероховатости рабочих поверхностей шнеков в диапазоне экономической точности наиболее распространенных видов механической обработки (контурное фрезерование и точение) обуславливает полутора-двукратное уменьшение значения кинематического коэффициента трения и является эффективной предпосылкой совершенствования систем выгрузки угля.

Из изложенного выше очевидно, что наибольший эффект в повышении производительности выгрузки обеспечивается при одновременном “гибком” изменении угла подъема лопастей на стадии изготовления и снижении кинематического коэффициента трения угля по рабочим поверхностям шнека. Поиск технического решения, обеспечивающего одновременно как необходимую “гибкость” изменения угла подъема, так и расширение диапазона методов технологического воздействия, выполнен на основе методов морфологического анализа и АРИЗ.

В основе предлагаемого технического решения (рис. 3) лежит построение объекта из конструктивно оптимизированных блоков, допускающих применение широкого спектра методов технологического воздействия с целью обеспечения заданных конструктивных пара-

метров и управления состоянием поверхностного слоя рабочих зон.

Предлагаемое техническое решение обладает следующими преимуществами:

• возможностью применения для обечайки и лопастей шнека материалов с повышенными механическими свойствами, обладающими способностью подвергаться эффективной термообработке и хорошей свариваемостью;

• возможностью “гибкого” изменения в необходимом диапазоне угла подъема лопастей и закона его изменения по длине шнека за счет соответствующего профилирования поверхностей блоков, образующих транспортирующую поверхность лопасти, при их механической обработке и соответствующего расположения блоков;

• возможностью изменения в необходимом диапазоне параметров состояния поверхностного слоя погрузочных лопастей шнека посредством механической обработки блоков (контурное фрезерование);

• возможностью изменения параметров состояния поверхностного слоя обечайки шнека в результате ее механической обработки (токарная обработка);

• возможностью повышения износостойкости рабочих поверхностей блоков путем их термической обработки или нанесения износостойких покрытий, легко реализуемых для отдельных блоков. При этом может быть обеспечена практическая равномерность износа лопастей по длине шнека за счет придания рабочим поверхностям каждого из блоков соответствующей износостойкости;

Рис. 3. Фрагменты разверток шнеков: а) традиционное конструктивное решение; б,в,г) предлагаемые решения - патент Украины № 37854 А

• возможностью существенного расширения применяемого арсенала средств технологического воздействия. Появляется возможность применения прогрессивных методов организации производства - групповой и модульно-групповой обработки;

• универсальностью, обусловливающей одновременно как необходимую гибкость, так

~ Рис. 4. Объемные блоки - формообра-

/ зующие конструктивные элементы I / шнеков: а) в соответствии с фраг-

I ментом развертки 36; б) в соответст-

л—вии с фрагментами развертки Зв,г

____________ и расширение диапазона методов

технологического воздействия;

• экологической чистотой технологических процессов, поскольку в них преобладает механическая обработка и отсутствуют экологически небезопасные виды литья и абразивной обработки.

Применительно к объемным блокам различной конфигурации (рис. 4) разработаны также прогрессивные технологические процессы их изготовления и сборки шнеков на этой основе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нечепаев В.Г. Разработка исполнительного органа повышенной погрузочной способности для очистных комбайнов, работающих в условиях тонких пла-стов//Изв. вузов. Горный журнал. - 1996. - № 1. - С. 110 -114.

2. Исполнительный орган очистного комбайна: A.c.

1300148 СССР, МКИ E 21 C 25/04 / Н.Г. Бойко, В.Г. Нечепаев, В.Г. Шевцов, A.B. Болтян, И.А. Горобец и И.Г. Вассерман. (СССР).- № 3713574/22-03; Заявлено

21.03.84; Опубл. 30.03.87, Бюл. № 12. - 4 с.

3. Пат. 37855 А Украши, 21 C 25/04. Виконавчий орган очисного комбайна: В.Г. Нечепаев, А.К. Семенченко (Украша).- № 2000042353/03; Заявл. 25.04.2000; Опубл. 15.05.2001, Бюл. №4. - 2 с.

4. Нечепаев В.Г. Математическая модель выгрузки угля шнековым механо-гидродинамическим исполнительным органом// Известия вузов. Горный журнал. -

2000.- №1.- С. 68-72.

5. Нечепаев В.Г. Основы теории функционирования механо-гидродинамических систем активной выгрузки угля очистных комбайнов// Известия Донецкого горного института. Донецк. - 2002. - №1. - С. 10-15.

6. Нечепаев В.Г. Математические модели для определения силы гидродинамического воздействия незатоп-ленных струй // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Сб. научн. трудов.- Донецк: ДонГТУ.

2001.- Вып.15.- С. 209-217.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------

Семенченко Анатолий Кириллович - доктор технических наук, профессор, ДонНТУ. Нечепаев Валерий Георгиевич - кандидат технических наук, доцент, профессор, ДонНТУ.