Обоснование и выбор параметров силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля

Актуальность работы. Ежегодно в Российской Федерации железнодорожным транспортом перевозится около трехсот миллионов тонн углей для тепловых электростанций и коксохимических заводов металлургических комбинатов. В энергетике стоимость угольного топлива может достигать до 65%, причем стоимость приёма, разгрузки и измельчения твердого топлива может достигать 8-И0% стоимости выработанной электроэнергии.

Для полного сжигания уголь должен подаваться в углесжигающий агрегат в пылевидном состоянии. Уголь первоначально измельчается на дробильных установках до размеров не более 350 мм. Однако при добыче угля мощными одноковшовыми и роторными экскаваторами на тепловые электростанции во все периоды года поступают негабариты угля размером 600-И 500 мм и более. Угольное топливо при перевозке в зимний период постоянно смерзается как в условиях восточных районов России, так и в условиях относительно мягкого климата её европейской части. Поэтому разгрузка железнодорожных вагонов, в которых уголь доставляется потребителю для его дальнейшей переработки или сжигания весьма трудоемка и энергозатратна. Известные химические способы предотвращения смерзания угольного топлива сегодня не нашли практического применения.

В настоящее время для восстановления сыпучести угля используются: механическое рыхление, тепловой разогрев и первичное измельчение. Первичное измельчение производится при сверхнормативной крупности угля до размера кусков 200-К300 мм, которые дробятся и затем подаются в шаровые мельницы для тонкого измельчения.

Сегодня ещё на многих предприятиях для предварительного (первичного) измельчения используется малопроизводительный и тяжелый труд рабочих, разрушающих смерзшееся и негабаритное угольное топливо при помощи отбойных молотков. Более эффективными для первичного измельчения смерзшегося и крупногабаритного угольного топлива оказались дробильно-фрезерные машины, разработанные в 70-е годы. К началу 90-х годов прошлого века свыше, 330 дробильно-фрезерных машин типа ДМФ-П и модернизированных ДМФ-ПА уже работали на 105 электростанциях, оборудованных вагоноопрокидывателями. В последние годы этого века разработан и внедрен механизированный комплекс для измельчения смерзшегося и негабаритного угольного топлива с электрической силовой установкой. Первый опыт его эксплуатации на электростанциях показал низкую стойкость (долговечность) вооружения рабочего органа, якорных тяговых цепей его подачи и элементов трансмиссии и, как следствие, снижение эксплуатационной производительности комплекса за счет высокой динамики нагрузки на его элементы. Поэтому вопросы улучшения динамических характеристик трансмиссии приводов рабочего органа (силовой установки) остаются актуальными, а обоснование и выбор параметров силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля является актуальной научной задачей.

Цель работы — это установление закономерностей формирования сил сопротивления при измельчении слоя топлива для обоснования" и выбора рациональных динамических параметров силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля.

Идея работы заключается в минимизации динамических нагрузок в трансмиссиях силовой установки за счет целенаправленного формирования механических статических и динамических характеристик привода подачи рабочего органа фрезерной машины для измельчения смерзшегося угля.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались основные положения механики твердого тела, жидкости, теории надежности, системного анализа и математического моделирования с использованием пакета прикладной программы МаШСАО.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна: • техническая производительность механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля при его заданных конструктивных и энергетических параметрах имеет нелинейную зависимость не только от технологических, но и от динамических характеристик приводов вращения и подачи рабочего органа фрезерной машины;

• суммарный коэффициент динамичности механизма передвижения фрезерной машины следует определять как произведение коэффициента динамичности цепи и коэффициента динамичности электромеханической системы (ЭМС) привода;

• математическая модель «слой смерзшегося угля — рабочий орган — трансмиссия — привод», отличающаяся возможностью формировать статические и динамические характеристики электрической силовой установки, аналогичные характеристикам объемного гидропривода в режиме номинального нагружения при измельчении угля и в режиме стопорения рабочего органа.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на применении современных научных методов исследований, включающих: аналитические исследования с использованием фундаментальных положений теоретической механики твердого тела и жидкостейматематическое моделирование и системный анализ процесса нагружения силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля и достаточную сходимость результатов аналитических и экспериментальных исследований, составляющую 80% при 15%-ной относительной ошибке.

Научное значение работы заключается в разработке математической модели электрогидромеханической системы силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля и установлении зависимостей её технологического нагружения в номинальном режиме и в режиме стопорения рабочего органа от: физико-механических свойств смерзшегося угольного топливауровня установленных мощностей приводов вращения и подачи рабочего органадлительности технологического цикла измельчения слоя угольного топливажесткостных и демпфирующих параметров электрогидромеханической системы.

Практическое значение исследования состоит в разработке методики расчета и выбора рациональных динамических параметров силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля в режиме номинального нагружения при измельчении угля и в режиме стопорения рабочего органа, а также в разработке технических требований на модернизацию электрической силовой установки для придания ей характеристик, аналогичных характеристикам объемного гидропривода.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные результаты диссертационной работы приняты к использованию в ООО «ГИДРОГОРМАШ» в 2012;2014 гг. при совершенствовании существующих и создании инновационных конструкций комплексов по измельчению смерзшегося и негабаритного угля в научно-технических разработках конструкторского бюро.

Личный вклад автора состоит:

• в установлении кинематических особенностей процесса разрушения слоя смерзшегося и крупнокускового угля режущей фрезой;

• в теоретических исследованиях закономерностей формирования сил сопротивления при разрушении смерзшегося угля;

• в исследовании тепловых и динамических процессов в гидрообъемной трансмиссии ходового механизма силовой установки комплекса для измельчения смерзшегося угля.

Апробация работы. Основные положения работы были обсуждены: на международных научных симпозиумах «Неделя Горняка» (2008;2011гг., Москва, МГГУ) — на научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи — путь к обществу, основанному на знаниях» (2008 г., Москва, ВДНХНТТМ) — на международной научно-технической конференции «Современные техника и технологии горно-металлургической отрасли и пути их развития» (12−14 мая 2010 г., г. Навои, Республика Узбекистан) и на научных семинарах кафедры ГМО МГГУ (2008;2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре статьи, две из них опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка использованных источников из 100 наименований и включает 36 рисунков и 6 таблиц.

5. Основные результаты диссертационной работы нашли применение в проектно-конструкторских разработках ООО «ГИДРОГОРМАШ» по совершенствованию существующих и созданию, инновационных конструкций комплексов по измельчению смерзшегося и негабаритного угля, а также будут использованы в научно-технических разработках конструкторского бюро в 2012;2014гг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи — установления закономерностей формирования динамических параметров трансмиссии привода механизма передвижения фрезерной машины механизированного комплекса для измельчения смерзшегося и негабаритного угольного топлива в зависимости от характеристик его электромеханической системы.

Основные научные выводы и результаты диссертационной работы, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Установлено, что в процессе разрушения слоя смерзшегося угля на приемной решетке комплекса: статические моменты сил для разрушения слоя Мр сопротивления, трению Мт прямо пропорциональны прочности породы а, высоте к и ширине В слоя и величине отношения скорости передвижения Ж фрезерной) машины к скорости вращения фрезы со, эффективному коэффициенту трения угля о фрезу /, а также отношению нормальной составляющей реакции слоя углжк её касательной составляющей? и обратно пропорциональны углу контакта режущей фрезы <р0 со слоем смерзшегося угля на приемной, решеткестатическая сила сопротивления" движению фрезерной машины Ех прямо пропорциональна прочности породы а, высоте И и ширине В слоя, величине отношения скорости движения Ж фрезерной машины к скорости вращения фрезы со и безразмерному функционалу и обратно пропорциональна углу контакта режущей фрезы (р0 со слоем смерзшегося угля.

2. Установлено, что в качестве предохранительного устройства следует применить устройство, содержащее дифференциальный механизм и гидравлическую машину объемного вытеснения рабочей жидкости. Такое устройство сохраняет преимущества гидрообъемных трансмиссий (в основе которых лежит двойное преобразование энергии — механической в гидравлическую и гидравлической в механическую) и позволяет избежать двойного преобразования энергии, характерного для традиционного гидропривода.

3. Установлено, что коэффициент динамичности механизма передвижения фрезерной машины, обусловленный дополнительной динамикой якорной круглозвенной цепи, как по скорости, так и по тяговому усилию зависит только от числа зубьев г ведущей звездочки, а суммарный коэффициент динамичности кдх механизма передвижения фрезерной машины следует определять как произведение коэффициента динамичности цепи кдх1 и коэффициента динамичности электромеханической системы (ЭМС) привода механизма передвижения фрезерной машины кдЭМС.

4. Разработана принципиальная схема гидрообъемного предохранительного устройства механизма передвижения фрезерной машины, представляющая собой реверсивный планетарный цилиндрический редуктор1 с гидрообъемной системой' торможения эпицикла, способная эксплуатироваться в двух режимах: «измельчение» смерзшегося' угля с рабочей скоростью Уи- «реверс» фрезерной машины1 с маневровой скоростью Уц. В каждом из этих режимов ГПУ может обеспечить регулирование скорости* передвижения фрезерной машины и гарантированное ограничение ее тягового усилия с оперативно регулируемой жесткостью.