Уравновешивание кривошипно-ползунного механизма проходческого комбайна для горных выработок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

-------------------------------------- © П.В. Бурков, Л.А. Скачкова,

2011

УДК 621.837.7

П.В. Бурков, Л.А. Скачкова

УРАВНОВЕШИВАНИЕ КРИВОШИПНО-ПОЛЗУННОГО МЕХАНИЗМА ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА ДЛЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Обоснована актуальность исследований, направленных на создание кривошип-но-ползунного механизма. Установленыг достоинства, а также конструктивные, технические и технологические особенности питателя. Обозначеныг пути создания технических и конструктивным решений кривошипно-ползунныгх механизмов проходческих комбайнов.

Ключевые слова: горныге машиныы кривошипно-ползунныш механизм, питатель.

Правительством страны принята «Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.», где планируется увеличение добычи угля до 410-450 млн т и рост его доли в производстве электроэнергии с 34 до 44%. Рост мощностей в период до 2010 г. происходил за счет технического перевооружения, а в период 20112020 гг. будет происходить за счет коренного изменения технического уровня горного производства. Концентрация горного производства на перспективных шахтах угольной отрасли за счет технического переоснащения очистных комплексов требует значительных изменений в ведении подготовительных работ. И в первую очередь это касается прогрессивного комбайнового способа. Уровень комбайновой проходки по ведущим угольным компаниям Кузбасса колеблется от 72 до 98 % на конец 2003 г. [1]

Парк проходческих комбайнов в угольной отрасли составляет около 360 штук (порядка 240 из них находятся в Кузбассе). Основой этого парка являются комбайны типа ГПКС производства Ко-пейского машиностроительного завода (по Кузбассу, например, 97%). Анализ состояния проходческих комбайнов указывает на неуклонное снижение парка новых машин. Износ комбайнов по основным угольным компаниям является настораживающим фактором в возможностях обеспечения необходимого объема подготовительных работ в угольных компаниях.

В период с 1990 по 2004 г. ни один из импортных комбайнов не окупился в эксплуатации. Темпы их работы не превышают тем-190

пы проходки отечественными комбайнами, стоимость производства которых значительно ниже стоимости комбайнов зарубежных. Для возрождения производства отечественных проходческих комбайнов необходимо практически заново восстановить систему организации научных и конструкторских работ по созданию проходческой техники с учетом огромного отечественного и зарубежного опыта в этом направлении, сосредоточить изготовление новых машин на предприятиях с высокоэффективной технологией, углубить подготовку инженерных и научных кадров с учетом требований рыночной экономики [2]. Основными технологическими операциями при комбайновом способе прохождения горных выработок являются:

1. Отделение от массива разрушаемых пород и полезного ископаемого.

2. Удаление отделенной массы из забоя и её погрузка на транспортные средства выработки (конвейер или в вагонетки).

3. Подготовка поверхности выработки к возведению крепи, её установка, затяжка и забутовка пустот за крепью.

4. Вспомогательные операции по обеспечению функционирования забоя (проведение водосточной канавки; наращивание транспортных средств выработки (конвейеров и рельсового пути); наращивание вентиляционной трубы, водного и воздушного ставов и др.).

Из четырех вышеперечисленных технологических операций уровень механизации и трудозатраты первых трех в значительной степени определяются конструкцией и структурой проходческого комбайна. Эти же технологические операции также в значительной степени определяют темпы проходки и затраты на прохождение выработок. Способность комбайна обеспечить совмещение этих операций во времени позволяет значительно сократить длительность рабочего цикла прохождения выработки, а возможность прохождения выработок с высоким качеством боковых поверхностей и почвы - значительно повысить эффективность его работы за счет снижения объема разрушаемой массы и значительного сокращения объема забутовки. Весьма существенное влияние на эффективность работы комбайна в целом оказывает питатель.

Питатель комбайна КПЮ-50 ООО «Юргинский машзавод» выполнен с возможностью установки сменных устройств: нагребающих лап или звезд; имеет раздельные гидроприводы на каждый

нагребающий элемент. Гидроприводы хода и питателя позволяют комбайну работать в обводненных забоях. Скребковый конвейер комбайна с поворотной хвостовой секцией способен загружать горную массу в любые шахтные транспортные средства. Подъемно-поворотный скребковый конвейер с усиленной шарнирной цепью обеспечит погрузку отбитой горной массы на любой вид шахтного транспорта. [3]

Питатель предназначен для погрузки отбитой горной массы на скребковый конвейер комбайна и представляет собой наклонный стол с двумя загребающими лапами с синхронизированными индивидуальными гидроприводами. Питатель шарнирно крепится к раме и имеет возможность подъема (450 мм) и опускания (250 мм) относительно уровня почвы с помощью двух гидроцилиндров. При опускании на почву питатель становится дополнительно опорой, повышающей устойчивость комбайна при разрушении забоя. Питатель состоит из привода питателя и опорной рамы, соединенных между собой осями. Опорная рама является носком питателя. При необходимости питатель дополняется уширителями и подлапника-ми, которые позволяют увеличить ширину погрузочной части с 2400 мм до 4000 мм. Так как питатель снабжен гидромеханическим приводом, то предохранительных элементов в нем не предусмотрено. Привод питателя состоит из сварного корпуса , обводной головки для скребковой цепи, лап, коромысел, приводных кривошипов , гидромоторов и цилиндрических зубчатых передач. Вращение от гидромоторов передается через шестерню колесам и с помощью шлицевого соединения - кривошипам, на которых установлены загребающие лапы. Подшипниковые узлы лап, коромысел, кривошипов уплотнены торцевыми уплотнениями. В корпусе выполнены расточки для крепления питателя к раме и крепления гидроцилиндров подъема питателя.

Рассматриваемый в анализе узел состоит из следующих сборочных единиц: привод, лапа, коромысло. Дальнейшее построение моделей выполнено для этих узлов

Явление самосинхронизации [4] широко используется в системах автоматической балансировки вращающихся роторов [5, 6].

(42 /Ч-'Ч/

О

Мк 4

0Ц

1 с \ Сз ^С4 5

У®»— \ч> ( У

1 в(Яг /// 1 ^ 1 /У/

6;' "^Л\С2 ХУ1 ч 2 С5

С[/2

'л

// //

Сг|/2

Рис. 7: 1, 2 - маятники подвижно установленные на оси кривошипа, 5 - кривошип, 4 - шатун, 5 - ползун, Мк - корректирующая масса

В рассматриваемой работе авторы показывают, что явление синхронизации можно применить и для уравновешивания шарнирных механизмов и в частности кривошипно-ползунных.

Механическая модель рассматриваемой системы представлена на рис. 1. Шарнирный механизм установлен на горизонтальной платформе, которая может совершать только поступательное движение. Платформа упруго соединена с неподвижным основанием. Шарнирный механизм приводится в движение двигателем, который вращает кривошип с постоянной угловой скоростью ф = О .

За обобщенные координаты механизма принимаем координаты §в, ПВ оси кривошипа в системе неподвижных осей и углы поворота у1, 72 маятников по отношению к неподвижной оси О£,. Тогда кинетическая энергия механизма запишется в виде:

Т = ~тп {£в + 1)в) + Х Тт> {^С + л() + ~

2 г=1 2 2

+ -т3 {¿(2з +Л2СЪ )+ - JCъф2 + -т4 {¿(24 +^<24 ) +

+

Здесь тП и тК - масса платформы и корректирующая масса; т1 (1= 1..5) - массы звеньев; JСl (!= 1..4) - моменты инерции относительно центральных осей; £,С1, пС1 и §К1, Пю - координаты центров масс С1 звеньев и корректирующей массы, которые выражаются через расстояния ВСрЬ (1=1..3), BD=lз, DC1=h1 (1=4,5), DMk=hk и углы у1, ф, 7.

Уравнения движения рассматриваемой механической системы составляем в форме уравнений Лагранжа второго рода.

В соответствии с равенствами (1) и (2) эти уравнения представляем в виде:

(2)

2

(3)

2

і=1

где введены обозначения:

5

і=1

А1 = тА\ + тъ\ - тк^; ЗВі = ЗСі + тіИ2 (і = 1,2).

Считаем, что обобщенные силы вычисляются по формулам:

Ищем стационарное движение системы в виде

у і = Q t + #, в = const = 0, ?7B = const = 0. (5)

Здесь 0j - постоянные, характеризующие положения равновесия маятников относительно кривошипа, вычисляются из условия неподвижности платформы.

При таких значениях обобщенных координат два последних уравнения системы (3) удовлетворяются тождественно. Подставляя (5) в два первых уравнения системы (3), получаем условия, накладываемые на параметры системы

m1=m2=m, h1=h2=a, A1=0. (6)

и уравнения для определения 01 и 02 A

cos# + cos#2 = ;

ma

(7)

sin#! + sin# = 0 .

Из (6) находим корректирующую массу

m4h4 + mh

mK =-------- ------ (8)

hK

При выполнении условия (8) центр масс шатуна с ползуном и массой МК приводится к точке D шарнирного соединения шатуна с кривошипом. Это условие получено в [4]. В области изменения 01 от 0 до п единственным решением системы уравнений (7) является:

A '

в1 = агссо!1

у 2ma) (9)

в 2 =-#!.

Положение маятников, соответствующее (9) показано на рис.

2. Из (9) следует, что должно выполняться

О----^ 1 . (10)

2та

Выражения (6) и (10) являются необходимыми условиями отсутствия движения платформы, что соответствует уравновешиванию механизма.

Полученное решение реализуется на практике в том случае, если оно устойчиво.

Условие устойчивости решения (5) системы уравнений (3) при условиях (6) получаем аналогично [3] в виде

где

Рис. 2

Сі

С2

Для определенности принимаем ю^<юл, тогда легко показать, что ю^<ю<юл Весь диапазон изменения частоты вращения кривошипа делим на четыре области ^<щ, ю^<^<ю, ю<^<юл, юл<а

В первой и третьей области (11) не выполняется, а во второй и четвертой выполняется. Таким образом, имеется две устойчивые области, отвечающие устранению статической неуравновешенности кривошипно-ползунного механизма.

Рассмотренный здесь способ уравновешивания кривошипо-ползунного механизма с помощью маятников более предпочтителен, чем рассмотренные в работах [7], где для балансировки механизма установлены противовесы на кривошипе и шатуне так, что центр масс кривошипно-ползунного механизма не движется. Способ предпочтителен тем, что он осуществляется автоматически при изменении во время технологического процесса масс ползуна, шатуна и кривошипа, а также координат их центров масс.

ю^<^<ю, юл<^.

(12)

1. Бреннер В.А. Состояние и перспективы развития проходческих комбайнов для горных выработок /В.А. Бреннер, А.Б.Жабин , И.Г.Шмакин // Горная Техника - 2006 - №2 - С.22 -26

2. Бурков П.В. Совершенствование конструкции заднего опорного устройства проходческого комбайна КСП-22/ П.В.Бурков, В.Ю.Тимофеев, Л.В.Трофимова // Известия ВУЗОВ.Горный журнал № 1. -2010. - С.62-66

3. http://www.yumz.ru

4. Анищенко В.С. Знакомство с нелинейной динамикой: Учеб. пособие. М.:2002, 144с.

5. Нестеренко В.П. Автоматическое устранение статической неуравновешенности ротора 2-х массовой системы. "Известия ВУЗов", Машиностроение,

1983. №3, с.46-50.

6. Нестеренко В.П. Автоматическое устранение статической неуравновешенности ротора с анизотропными опорами. Машиностроение, 1984, №1. с. 24-25.

7. ФрадковА.Л. Кибернетическая физика: принципы и примеры. СПб.:

Наука, 2003, 208с. И

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------

Бурков П.В. - доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected] Томский архитектурно-строительный университет Скачкова Л. А. - ассистент,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет.