Варианты регулирования нагрузки угледобывающих комбайнов с применением объемной гидромеханической передачи в приводе исполнительного органа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ГОРНОЕ ДЕЛО И ГЕОЛОГИЯ

УДК 622.232.72

ВАРИАНТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ КОМБАЙНОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОБЪЕМНОЙ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ В ПРИВОДЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА

© 2004 г. Н.И. Сысоев, А. С. Кожевников

Повышение производительности угледобывающих комбайнов, сортности добываемого угля и надежности машин возможно за счет повышения их энерговооруженности и автоматического регулирования режимами работы (САР).

Современные мощные комбайны нового технического уровня оснащены различными системами регулирования нагружености двигателей по минимальному варианту автоматизации, обеспечивающими поддержание заданного уровня нагрузки двигателя благодаря изменению скорости подачи. Наиболее полное использование технических возможностей комбайнов в различных горно-геологических условиях может быть достигнуто лишь путем автоматического регулирования их параметрами по варианту параметрической стабилизации, при котором регулирование на-груженностью на валу двигателя осуществляется за счет пропорционального и одновременного изменения скорости подачи и резания в зависимости от нагрузки на исполнительном органе.

Угледобывающие комбайны работают в условиях стохастически меняющихся внешних воздействий, обусловленных изменением в пространстве свойств разрушаемых пластов и во времени режущей способности инструментов [1]. Процесс разрушения угля исполнительным органом машины характеризуется многофакторными связями (рис. 1). В качестве выходных параметров V принимаются: теоретическая производительность QТ, удельные энергозатраты

Рис. 1

В качестве интегрального показателя эффективности процесса резания принимают удельные энергозара-ты, т.е. количество энергии, затраченное на добычу одной тонны полезного ископаемого. Этот показатель должен поддерживаться на минимально возможном уровне. Достижение данной цели обеспечивается подбором управляющих параметров. Существуют зависимости удельных энергозатрат HW от отношения t (ширины стружки) к Иср (средней толщине стружки) HW = f (/, Иср) причем эта зависимость различается для

разных типов углей (рис. 2). Так как шнековый исполнительный орган снимает стружку серповидной формы, то величину средней (на пути резания) толщины струж-

2

HW , сортность угля и т.д. Входными параметрами X ки можно определить по формуле И = — Итах, где

являются параметры, характеризующие пласт как объект разрушения, к основным из которых относятся: средняя мощность пласта Нр, средняя сопротивляемость угля резанию Ар , средняя степень хрупкости

угля Е и т.д. На процесс разрушения воздействуют случайные (возмущающие) параметры W (неоднородность угольного пласта, неравномерность движения комбайна). Управляющие параметры 2, которые делятся на регулирующие параметры и регулирующие воздействия, обеспечивают дискретное и плавное изменение конструктивных и режимных параметров. При работе комбайна вследствие воздействия неуправляемых возмущающих параметров изменяются значения выходных параметров процесса резания.

Итах - максимальная толщина стружки. Для обеспечения эффективной работы комбайна необходимо поддерживать соотношение //Иср , при котором значения

удельных энергозатрат минимальны.

При проектировании исполнительного органа комбайна оптимальная ширина стружки применительно к конкретным условиям работы рассчитывается по формуле [2]

( 5 Ир \

■ + 0,7Ис

^ опт

ср

0,5 hcp + 4,5

' Lp

1,47E ,

—-+ v

E + 1,2 р '

где Е - показатель степени хрупкости угля р ширина режущей части резца.

bP -

H

W

H

Wo

HW

200 ,%

150

100

Hw 50

0 шт

ср

Рис. 2

Однако в процессе работы изменяются горногеологические условия и для поддержания на валу двигателя постоянной мощности при постоянной частоте вращения шнека поб уменьшают скорость подачи комбайна Уп . Изменение величины скорости подачи напрямую связано с величиной максимальной тол-

щины стружки (hmax = •

Уп

где т - количество

'об

резцов в линии резания). Поэтому при изменении

Г

скорости подачи изменяется отношение - и режим

Лср

работы комбайна выходит из оптимальной зоны.

Для достижения минимальных значений удельных энергозатрат процесса разрушения необходимо оснастить очистной комбайн, помимо регулируемого привода подачи, регулируемым приводом резания. Предлагаемое нами решение [3], основанное на использовании объемной гидромеханической передачи [4], изображено на рис. 3. Оно позволяет обеспечить плавное регулирование скорости резания без значительных потерь мощности.

1

2

3

Мощность, передаваемая валом двигателя 4, при помощи планетарного редуктора 3 разделяется на два потока, один из которых идет на исполнительный орган 1, а второй через гидросистему тормоза, состоящую из насоса 2 и гидромотора 5, возвращается на вал электродвигателя. Автоматический регулятор 7 обеспечивает связь системы подачи комбайна 6 с его режущей частью. Устройство работает следующим образом: при повышении нагрузки на исполнительном органе вал гидронасоса системы тормоза начинает вращаться с большей частотой, что приводит к повышению передаточного числа между валом электродвигателя и исполнительным органом. Причем мощность, отбираемая гидронасосом системы тормоза через гидромотор, возвращается на вал электродвигателя, благодаря чему производится регулирование частоты вращения исполнительного органа угольного комбайна, практически без потерь мощности. Автоматический регулятор позволяет обеспечить согласование скорости подачи с частотой вращения исполнительного органа. Основная идея данного решения заключается в регулировании частоты вращения исполнительного органа не в полном диапазоне частот

вращения, а в той его час-

4

5

6

7

j

: Цге:

А Г]

г1

ти, которая соответствует наиболее вероятному диапазону регулирования скорости подачи (рис. 4). Этому способствует еще и то, что минимальная частота вращения исполни-

тельного органа

n

обm

ограничена погрузочной способностью, а макси-

мальная

побтах - предель-

Рис. 3

ным значением скорости резания. Регулирование частоты вращения испол-

t

5

6

4

3

1

2

t

h

ср

опт

нительного органа в ограниченном диапазоне позволяет сократить циркулирующую мощность в гидросистеме тормоза и использовать гидромашины малых габаритов, легко размещающихся в корпусе угледобывающего комбайна.

п.

об '

об/мин'

об„

обт

Vn, м/с

Рис. 4

Рассмотрим возможные варианты регулирования режимами работы комбайна в различных горногеологических условиях: легких, средних и тяжелых.

При работе комбайна в легких условиях, т.е. когда сопротивляемость пласта резанию меньше проектной и комбайн развивает максимальную скорость подачи Уптах , ограниченную кинематической возможностью.

Необходимо затормозить вал гидронасоса 2 (рис. 3) системы тормоза. При этом частота вращения исполнительного органа будет максимальная побтах . Поскольку гидромашины в этом случае не работают, то будет сберегаться их ресурс. При превышении нагрузки на двигатель (увеличение сопротивляемости угля резанию или ухудшение режущей способности исполнительного органа) регулировку достаточно будет осуществлять скоростью подачи. Таким образом обеспечивается так называемый минимальный вариант регулирования [1].

При незначительном изменении горногеологических условий в процессе работы целесообразно использовать вариант регулирования, называемого параметрической стабилизацией. Применительно к конкретным горно-геологическим условиям, используя хорошо апробированную и стандартизированную методику расчета эксплуатационной нагру-женности угледобывающих комбайнов [2], определяют оптимальное соотношение скорости подачи к частоте вращения исполнительного органа. Эта величина может быть установлена экспериментальным путем. Затем, при помощи автоматического регулятора, задается коэффициент соотношения скорости подачи к частоте вращения шнека по заранее оттарированой шкале. В процессе работы комбайна это соотношение остается постоянным, таким образом обеспечивается вышеназванный вариант регулирования.

При значительном и частом изменении горногеологических условий в процессе работы целесообразно использовать максимальный вариант регулирования нагрузки угольного комбайна. Сущность данного варианта заключается в том, что соотношение скорости подачи к частоте вращения шнека в процессе работы комбайна все время должно поддерживаться на оптимальном уровне. Для реализации максимального варианта регулирования комбайн должен быть оснащен бортовым компьютером, который в процессе работы будет подбирать оптимальное соотношение скорости подачи к скорости резания. Так как за показатель эффективности процесса резания принята удельная энергоемкость, то необходимо добиваться такого режима работы комбайна, при котором будет

P

соблюдаться условие HW =--> min, где P -

0т

мощность, развиваемая двигателем комбайна, Q = 60 Вз HpVjjу - теоретическая производительность комбайна (Вз - ширина захвата исполнительного органа, Нр - мощность разрушаемого пласта, y -

плотность разрушаемого пласта). Так как теоретическая производительность прямо пропорциональна скорости подачи комбайна, то для реализации максимального варианта регулирования достаточно будет измерять два параметра: мощность, развиваемую двигателем, и скорость подачи комбайна. В процессе работы бортовой компьютер должен будет управлять автоматическим регулятором и обеспечивать максимум скорости подачи при ограниченной мощности двигателя комбайна.

Таким образом, предлагаемое техническое решение по регулированию нагрузки угольного комбайна обеспечивает возможность различных вариантов регулирования режимами работы в широком диапазоне разнообразных горно-геологических условий.

Литература

1. Позин Е.З., Меламед В.З., Тон В.В. Разрушение углей выемочными машинами. М., 1984.

2. Комбайны очистные. Выбор параметров и расчет сил резания и подачи на исполнительных органах: Методика. ОСТ 12.44.258-84.

3. Пат. 2186214 РФ. Устройство для автоматического регулирования нагрузки угольного комбайна / А. С. Кожевников, Н.И. Сысоев, Г.М. Водяник, А.И. Бутов. Опубл. 27.07.02 // Б.И. 2002 №21

4. Объемные гидромеханические передачи: Расчет и конструирование / О.М. Бабаев, Л.Н. Игнатов, Е.С. Кисточкин и др.; Под общ. ред. Е.С. Кисточкина. Л., 1987.

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)

8 января 2004 г.