Влияние структуры исполнительного органа проходческого комбайна на эффективность его работы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© О.Е. Шабаев, Л.А. Семенченко, Н.В. Хииенко, В.А. Мизин, 2003

УЛК 622.232.7

О.Е. Шабаев, Л.А. Семенченко, Н.В. Хииенко,

В.А. Мизин

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ПРОХОЛЧЕСКОГО КОМБАЙНА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЕГО РАБОТЫ

В настоящее время в мировой угольной промышленности и в родственных горных отраслях эксплуатируется значительное количество проходческих комбайнов. Все их многообразие может быть разделено на две большие группы: со стреловидным и роторным исполнительными органами. Проходческие комбайны первой группы предполагают последовательный характер обработки забоя, тогда как при использовании роторного исполнительного органа подготовительный забой обрабатывается одновременно по всей поверхности. Вторая группа нашла весьма ограниченное применение на угольных шахтах в виду их общеизвестных технологических недостатков при поведении подготовительных выработок. Первая группа комбайнов является более многочисленной и в ней встречаются комбайны самых различных конструкций с широким диапазоном габаритов, масс, энерговооруженности и т.д. Так, среди этих машин можно встретить комбайны с массой 9 т и установленной мощностью 60 кВт и с массой 110 т и установленной мощностью 300 кВт. Применение проходческих комбайнов избирательного действия по горно-геологическим и горно-техническим условиям возможно в 60-65% проходческих забоев. Вместе с тем, уровень механизации проведения горных выработок комбайновым способом составляет 30-35%. Это обусловлено тем, что технический уровень проходческого оборудования не в полной мере удовлетворяет современным требованиям.

Изыскание возможностей дальнейшего повышения технического уровня таких комбайнов делает необходимым более глубокое изучение рабочих процессов исполнительных органов этих машин.

В качестве основных показателей, определяющих технический уровень проходческого комбайна следует выделить следующие показатели качества: ресурс работы, обусловленный цикличностью работы; удельные энергозатраты процесса разрушения; точность обработки профиля выработки.

В настоящее время известны следующие структуры исполнительных органов избирательного действия (табл. 1): стреловидные, оснащенные аксиальными коронками 1 или осевыми коронками 2 и длинными шнеками 3 (типа «Джой»), а также исполнительный орган 4по патенту [1].

Особенностью работы проходческих комбайнов избирательного действия является значительное число циклов знакопеременного нагружения элементов системы подвески и подачи исполнительного органа с частотами ниже частоты вращения коронки, которые обусловлены изменением режима его работы (зарубка,

боковой рез вправо, боковой рез влево, рез вверх и рез вниз).

Для оценки ресурса комбайна с различными структурами исполнительных органов и схем обработки забоя были получены зависимости для определения числа циклов (блоков нагружения) на один метр проходки (см. табл. 1).

При оценке влияния этого фактора на ресурс целесообразно использовать накопленную повреждаемость, представленную в виде [2]:

( N

а = к

\

I А

+11 4Х

]=\ к=1

где К - коэффициент пропорциональности напряжений от нагрузки; И, - число гармоник нагрузки, формируемых в рабочем цикле и обусловленных количеством и последовательностью реализуемых блоков (режимов работы); Л, - амплитуда нагрузки, вызванная ьтой низкочастотной гармоникой, формируемой в рабочем цикле; т - показатель степени кривой усталости; N - число блоков нагружения в рабочем цикле; - число гармоник в в ]-том блоке; Пц - число циклов нагружения с амплитудой Лц в ]-том блоке нагружения. Исследования по влиянию структуры исполнительного органа на ресурс проходческого комбайна и приведенные ниже исследования, были проведены по расчетным данным, полученным с использование математической модели исполнительного органа [3].

Анализ результатов исследований, показал, что на ресурс основных силовых систем машины существенное влияние оказывает количество блоков нагружения (режимов работы). При этом это влияние более значимо для металлоконструкций, валов и других элементов, работающих на растяжение (сжатие), изгиб и кручение (т = 9) и менее для подшипников (т = 3,33). Это подтверждается данными о расчетном и фактическом ресурсах проходческих комбайнов.

Таким образом, схема обработки забоя оказывает существенное влияние на долговечность элементов конструкции комбайна. При этом схемы работы 1в,г обеспечивают снижение числа блоков нагружения не менее чем в 2-4 раза по сравнению со схемами 1а,б, что позволяет повысить ресурс комбайна. Более перспективными являются структуры исполнительного органа 3 и 4, так как они обеспечивают снижение числа циклов не менее чем в 10 раз. Однако схема 3 имеет существенные недостатки, ограничивающие ее область применения: позволяет получать только выработки прямоугольного сечения и имеет высокую нагруженность исполнительного органа из-за больших по сравнению со структурами 1, 2 и 4 размеров режущей головки. В настоящее время широкое применение получили проходческие комбайны со стреловидным исполнительным органом, оснащенным аксиальной коронкой. Это объясняется тем, что использование аксиальной коронки позволяет, в сравнении с радиальной коронкой, обеспечить снижение величины опрокидывающего комбайн момента, вследствие более высокой силовой урав-

і=1

т-

1.6 1.4 1.2 1 -

0,4 0,8 0,4 0,8 0,4 0,8 №

Рис. 1. Зависимости относительных удельных энергозатрат (Ш/Шо) от величины заглубления (В) коронки в массив для ее различных форм (к) и величины постоянной составляющей (а) силы резания

а=1,5 а=3,3 к=1 а=9,6

\

к=1 к=0.5 ■

к=0 к=0.5 к=1 к=0^^*^

А А А А

новешенности исполнительного органа. Кроме того, использование таких коронок позволяет обеспечить более высокую стабильность разрушения основного объема выработки с оптимальными толщинами среза путем боковой подачи исполнительного органа.

При проведении исследований по влиянию формы коронки на удельные энергозатраты процесса разрушения и точность обработки профиля выработки были приняты различные типы коронок, профиль которых задавался зависимостью:

У г

Я + Я

У

(кЯ )2

у > 0

где г и у - радиус установки и смещение вдоль оси вращения коронки вершины резца; R - радиус коронки (большой радиус эллипса); Rм - малый радиус эллипса Rм = kR; к - коэффициент профиля коронки (отношения малого радиуса эллипса к большому).

При исследованиях, значения коэффициента к принимались равными 1, 0,5 и 0. Это позволило обеспечить следующие типы аксиальных коронок (рис. 1): сферическую к = 1, эллипсоидальную к = 0,5 и коронку с плоской боковой поверхностью к = 0. Для оценки влияния формы коронки на энергозатраты разрушения были построены зависимости (рис.1) относительных удельных энергозатрат от величины заглубления коронки в забой при ее различных формах. Сила резания для построения этих зависимостей задавалась в виде:

ъ = къ(а + И),

где къ - коэффициент пропорциональности, учитывающий физико-механические свойства разрушаемого массива, ширину среза и параметры резца; а - постоянная составляющая силы резания; Ь - толщина среза.

Были приняты следующие значения постоянной составляющей силы резания: а = 1,5 (согласно [4]), а = 3,3 (согласно [5]) и а = 9,6 (согласно [6]).

На основе анализа результатов этих исследований было установлено: форма коронки оказывает существенное влияние на энергозатраты разрушения; минимальные удельные энергозатраты могут быть обеспе-

Рис. 2. Боковая поверхность выработки, получаемая при работе проходческого комбайна с аксиальной коронкой

чены при использовании аксиальных коронок с плоской или конической формой боковой поверхности; степень влияния формы коронки на удельные энергозатраты зависит от величины ее заглубления в массив; увеличение заглубления коронки в массив при боковом резе положительно сказывается на снижении удельных энергозатрат и обеспечивает возможность повышения производительности комбайна. На рис. 2 показана форма боковой поверхности выработки при ее обработке аксиальной коронкой. Из рисунка видно, что определяющая доля перебора приходится на зоны I и III. Для оценки влияния формы коронки и ее диаметра на величину перебора были построены зависимости (рис. 3) объема перебора на один погонный метр выработки в зоне установки ножки крепи (зона I). Из анализа этих зависимостей следует, что форма коронки существенно влияет на величину перебора. С уменьшением коэффициента формы объем перебора уменьшается. Минимальная величина перебора обеспечивается при плоской боковой грани коронки. Увеличение диаметра коронки приводит к увеличению объема перебора. Объем перебора пропорционален квадрату диаметра коронки.

Д^

м3

0.

0.

0

а=20°, D=1000мм

а=30°, D=1200мм 1---1----1---1---1---1---1—

- ~ к=1.5

к=1^2

к=0.5

___—>•—**—•**—«-■

к=0.05

_1___1 ■___I___I___I___I_

м

0 0. 0. 0.

B,

м

Рис. 3. Величина перебора у почвы выработки от формы коронки, ее диаметра и захвата

м

Вместе с тем, как показывает практика, низкая точность воспроизведения заданного контура выработки во многом обусловлена недостаточной устойчивостью проходческого комбайна. Устойчивость комбайна зависит от ряда факторов: величины и точки приложения вектора внешней нагрузки; продольной и поперечной баз комбайна; наличия специальных распорных устройств; массы комбайна, положение его центра масс и др.

Таким образом, факторы, влияющие на устойчивость (перебор), можно условно разделить на две группы - параметры комбайна и характер внешней нагрузки. Первая группа факторов определяется конструкцией комбайна, и в меньшей степени зависит от структуры и параметров исполнительного органа. В то же время, структура и параметры исполнительного органа (включая схему работы) оказывают весьма существенное влияние на вторую группу факторов. Тра-

диционные конструкции современных стреловидных исполнительных органов предполагают приложение внешней нагрузки на значительной консоли (не менее 3,5 м) по отношению к корпусу комбайна. Уменьшение длины консоли, при прочих равных условиях, позволило бы повысить устойчивость комбайна, но это приведет к сужению области применения проходческого комбайна со стреловидным исполнительным органом, поэтому такой путь неприемлем - необходима разработка исполнительного органа качественно новой структуры.

Разработанная структурно-компоновочная схема проходческого комбайна с роторным исполнительным органом избирательного действия [1] позволит существенно повысить эффективность его использования за счет увеличения ресурса работы, уменьшения перебора разрушаемых пород и удельных энергозатрат на проведения 1 м выработки.

1. Патент № 38105А України. Виконавчий орган прохідницького комбайна / А.К. Семенченко, О.Є. Шабаєв, Д.А. Семенченко та інши. - Бюл. № 4, 2001.

2. Семенченко А.К Научные основы многокритериального синтеза горных машин как пространственных многомассовых динамических систем переменной структуры: Дис. ... докт. техн. наук. - Донецк, 1997.-323 с.

3. Семенченко АК, Кравченко В.М., Шабаев О.Е. Теоретические осно-

вы анализа и синтеза горных машин и процесса их восстановления, как динамических систем - Донецк: ДонНТУ, 2002. - 302 с.

4. ОСТ 12.44.197.81 Комбайны проходческие со стреловидным исполнительным органом. Расчет эксплуатационной нагруженности трансмиссии и исполнительного органа. - М. 1982г.

5. Семенченко Д.А. Влияние кинематических изменений заднего и переднего углов поворотного резца на

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

формирование усилий подачи // Наукові праці ДонДТУ, Выпуск 27, серШя гірничо-електромеханічна. -Донецьк ДонДТУ, 2001, с.340-344.

6. Костенко А.П. Установление рациональных режимов разрушения сильвинитовых пластов барабанными очистными комбайнами: Дис. канд.

техн. наук. - Донецк, 1992 - 193с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Шабаев О.Е. Семенченко Д.А, Хиценко Н.В. - ДонНТУ, г. Донецк. Мизин В.А. - Донгипроуглемаш, г. Донецк.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

ШАБАЕВ~1

G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB 11—03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.dotm

ВВЕДЕНИЕ

Потапов В.Б.

25.08.2003 14:01:00 4

25.08.2003 14:10:00 Гитис Л.Х.

10 мин.

09.11.2008 18:17:00

3

1 721 (прибл.)

9 816 (прибл.)