Исследование и выбор параметров шнековых исполнительных органов очистных комбайнов для конкретных условий эксплуатации

Практически весь объем подземной добычи угля в России приходится на узкозахватные очистные комбайны, оснащенные шнековыми исполнительными органами (в дальнейшем изложении шнек). Шнек, оснащенный режущим инструментом, является начальным звеном во всей технологической цепи добычи угля. Поэтому, от того насколько правильно и в соответствии с условиями эксплуатации определены его параметры, зависит эффективность функционирования комбайна в целом.

Выпускаемые в настоящее время в России шнеки имеют параметры рассчитанные, как правило, для усредненных по группам типовых условий эксплуатации. Поэтому в ряде случаев, особенно когда разрабатываются угольные пласты, содержащие трудноразрушаемые породные прослои и крупные твердые включения, параметры серийных шнеков не отвечают требованиям по производительности комбайна, его динамической нагруженно-сти, требуемой сортности угля и надежности. Особенно это становится актуальным при переходе шахт на технологические схемы «лава-горизонт» и «лава-шахта», где нагрузки на очистной забой достигают 10 тыс. т в сутки и более.

Исследования, касающиеся определения факторов, влияющих на выбор параметров шнеков и закономерностей этого влияния достаточно широко проводились в ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочинского и в Московском государственном горном университете. В частности, в ИГД им. А. А. Скочинского разработаны научные основы и инженерные методы расчета параметров и схем расстановки режущего инструмента на исполнительном органе. В качестве основного критерия, характеризующего прочностные свойства угольного массива, принят показатель сопротивляемости пласта резанию Апл, а при оптимизации схемы расстановки принята неравномерность нагруженности шнека, которая наряду с другими факторами зависит от толщины стружки, задаваемой в расчетах произвольно, исходя из фиксированной величины радиального вылета резца.

Однако, как показывает опыт эксплуатации, толщина стружки а, значит, и неравномерность нагруженности шнека, а также производительность комбайна и очистного забоя в целом, зависят от условий эксплуатации, характеризуемых целым рядом показателей разрушаемости угольного массива. В свою очередь принятая в расчетах параметров шнеков величина показателя сопротивляемости пласта резанию Апл не достаточно весомо реагирует на изменение таких характеристик пласта как содержание в пласте породных прослоев и твердых включений и их прочностных свойств. Между тем из практики известно, что наличие в пласте крепких породных прослоев и крупных твердых включений резко снижает производительность очистного комбайна и в значительной мере сказывается на их надежности.

Поэтому параметры шнека, рассчитанные по радиальному вылету произвольно принятого резца в ряде случаев, особенно при эксплуатации в сложных условиях, приводят к существенным ограничениям по производительности комбайна, его динамической нагруженности, пылевыделению и т. д. Кроме этого существующие методики расчета сил резания и подачи на исполнительных органах комбайнов не учитывают изменение в процессе наработки шнека кинематических углов резания при износе гнезд резцедержателей, что искажает точность расчетов, связанных с определением потребляемой мощности и выбором электродвигателей.

Таким образом, в научном плане речь идет об исследовании, имеющем двоякую направленность. С одной стороны необходимо исследовать характеристики разрушаемости угольных пластов и на их основе обосновать обобщенный критерий, весомо реагирующий на изменение прочностных свойств и содержание в пласте неоднородностей. С другой стороны необходимо установить закономерности его влияния на толщину стружки и производительность комбайна с учетом изменения кинематических углов резания в процессе изнашивания резцедержателей. С практической точки зрения необходимо разработать уточненную методику, позволяющую рассчитывать параметры при проектировании шнеков для эксплуатации в любых условиях по разру-шаемости и сложности строения угольных пластов. В этом состоит общая направленность и актуальность проведенных в рамках данной диссертационной работы исследований.

Целью работы является исследование зависимостей параметров процесса резания угольных пластов сложного строения от характеристик их раз-рушаемости и разработка уточненной методики расчета параметров и силовой нагруженности шнеков применительно к конкретным условиям эксплуатации.

Идея работы заключается в том, что параметры и нагруженность исполнительных органов должны определяться с учетом показателя, интегрально характеризующего прочностные свойства и особенности строения угольных пластов, влияющего на толщину стружки и скорость подачи комбайна при добыче.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем и их новизна:

1. В качестве обобщенного критерия разрушаемости угольных пластов при выборе параметров шнековых исполнительных органов применительно к конкретным условиям эксплуатации очистных комбайнов может быть принят показатель эквивалентной сопротивляемости пласта резанию Аэ, оценивающий влияние на нагруженность исполнительных органов сопротивляемости резанию всех компонентов (угля, породных прослоев и твердых включений), слагающих пласт, с учетом их удельного содержания в массиве.

2. Средняя и максимально возможная в конкретных условиях эксплуатации толщина стружки, равно как скорость подачи и производительность комбайна, зависят от показателя Аэ. С его увеличением толщина стружки, скорость подачи и производительность комбайна гиперболически снижаются. При этом средняя толщина стружки при одинаковых Аэ зависит от установленной мощности комбайна и числа резцов в линии резания, а максимальная кроме этого ограничивается величиной радиального вылета резца.

3. Нагрузки на резцах шнекового исполнительного органа при определении мощности комбайна необходимо рассчитывать с учетом изменения, по мере изнашивания гнезд резцедержателей, кинематических углов резания в их функциональной связи с показателем эквивалентной сопротивляемости пласта резанию, режимными параметрами комбайна и наработкой исполнительного органа.

4. Выбор параметров шнековых исполнительных органов и расчеты по определению их силовой нагруженности следует производить по разработанной уточненной методике, учитывающей конкретные условия эксплуатации комбайна.

Обоснованность и достоверность разработанных научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: использованием апробированных методов математической статистики и теории резания угля, принятых при математической обработке результатов исследованийанализом многочисленных данных о скоростях подачи комбайнов при их работе в 43 очистных забояхбольшим объемом статистических данных о сопротивляемости резанию угля, породных прослоев и твердых включений (341 шахтопласт) — удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований с данными, полученными в шахтных условиях — погрешности расчетов по разработанным в диссертации эмпирическим зависимостям в основном не превышали 15ч-20%.

Научное значение работы состоит:

— в установлении функциональных связей предела прочности на сжатие осж и коэффициента крепости Г по проф. Протодьяконову с сопротивляемостью резанию наиболее часто встречающихся в угольных пластах типов породных прослоев и твердых включений;

— в обосновании критерия оценки разрушаемости угольных пластов, наиболее полно отражающего действие содержащихся в пластах крепких не-однородностей на нагруженность исполнительного органа, в установлении закономерностей изменения и расчетных зависимостей толщины стружки, скорости подачи и теоретической производительности комбайна в функции от показателя эквивалентной сопротивляемости пласта резанию Аэ;

— в установлении расчетных зависимостей, учитывающих влияние на нагруженность шнека в конкретных условиях его эксплуатации толщины стружки, скорости подачи комбайна и меняющихся в процессе наработки шнека кинематических углов резания.

Практическая ценность работы заключается в разработке уточненной методики выбора параметров и расчета сил резания и подачи на шнековых исполнительных органах очистных комбайнов, алгоритма и прикладных программ для определения оптимальной схемы расстановки резцов применительно к конкретным условиям эксплуатации по показателю Аэ.

Методы исследований: систематизация и анализ литературных источников и результатов исследовательских работ по изучению характеристик разрушаемости угольных пластов и их влияния на работу очистных комбайновэкспериментально — статистический метод с использованием элементов теории случайных функцийметоды математической статистики с использованием программного пакета MS Excel.

Реализация работы. Результаты исследований были использованы ОАО ОУК «Южкузбассуголь» при проектировании и изготовлении шнековых исполнительных органов на заводе «Гидромаш» для работы комбайнов в конкретных горно-геологических условиях.

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались на Международной научно-практической конференции, проходившей в ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочинского в 2002 г., на II Международной конференции «Динамика и прочность горных машин», проходившей в 2003 г. в г. Новосибирске, а также на объединенном семинаре Института горного машиностроения ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочинского.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, содержит 26 рисунков, 25 таблиц, список использованной литературы из 94 наименований.

Автор выражает признательность сотрудникам ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочинского за предоставленную для анализа информацию о характеристиках разрушаемости угольных пластов и многочисленные фактические данные об испытаниях шнеков в различных условиях эксплуатации очистных комбайнов.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. В расчетах, связанных с определением потребляемой комбайном мощности и выбором электродвигателей, необходимо учитывать влияние на нагруженность резцов изменение кинематических углов резания при изнашивании гнезд резцедержателей в процессе наработки исполнительного органа. При этом расчеты необходимо производить для значений угла отклонения резца Хг>5,5°, при которых его задний угол а<2,5°, что лежит за пределами критических (а<5°).

2. Разработаны методика и алгоритм для определения нагрузок на резцах и выбора параметров шнеков применительно к конкретным условиям их эксплуатации, в которых в качестве характеристики, оценивающей прочностные свойства пласта сложного строения вместо величины сопротивляемости пласта резанию принят показатель эквивалентной сопротивляемости пласта резанию, влияющий на толщину стружки.

3 Эффективный расчет схемы расстановки резцов и оценка параметров шнеков возможен на основе разработанного в диссертации программного обеспечения, позволяющего в автоматизированном режиме оценивать прочностные свойства разрушаемого угольного массива в конкретном очистном забое и определять оптимальную для него конструкцию исполнительного органа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано новое решение научной задачи, связанной с выбором рациональных параметров и определением нагруженности шнековых исполнительных органов применительно к конкретным условиям эксплуатации очистных комбайнов, что имеет важное научное и практическое значение в области проектирования и эксплуатации очистных машин.

Выполненные в диссертационной работе исследования позволили сделать следующие основные выводы:

1. Оценка характеристик разрушаемости угольных пластов, влияющих на нагруженность исполнительных органов очистных комбайнов должна осуществляться с учетом сопротивляемости резанию всех компонентов, слагающих пласт и их удельного содержания в массиве. Совокупное влияние прочностных свойств угольного массива на нагруженность исполнительного органа при выборе параметров шнеков для конкретных условий эксплуатации следует оценивать показателем эквивалентной сопротивляемости пласта резанию Аэ = Ауг + А* (Н/мм). Установлена функциональная связь сопротивляемости резанию породных прослоев и твердых включений А&bdquoс временным сопротивлением их одноосному сжатию и коэффициентом крепости по Протодьяконову М. М. С увеличением последних значения Аэ возрастают по криволинейной зависимости.

2. Показатель Аэ наиболее полно определяет закономерности изменения скорости подачи комбайна по сравнению с другими известными характеристиками разрушаемости угольных пластов. С увеличение показателя Аэ скорость подачи и связанные с ней толщина стружки и производительность комбайна гиперболически снижаются, достигая своего минимума при АЭ=30СМ-320 Н/мм, и далее практически не изменяется При этом максимально возможная скорость подачи при эксплуатации комбайна в легких условиях (Аэ= 100-И 50 Н/мм в зависимости от типа комбайна) ограничивается радиальным вылетом инструмента и не зависит от дальнейшего уменьшения показателя Аэ.

3. В расчетах, связанных с выбором параметров шнеков и определением схемы расстановки резцов применительно к конкретным условиям эксплуатации очистных комбайнов в качестве основного режимного параметра резания следует принимать толщину стружки, функционально зависящую от показателя Аэ. При этом при одинаковых значениях Аэ средняя толщина стружки зависит от установленной мощности комбайна и числа резцов в линии резания, а максимальная, кроме этого — от радиального вылета резца.

4. На основе выявленных закономерностей изменения толщины стружки, скорости подачи и производительности комбайна в функции от показателя эквивалентной сопротивляемости пласта резанию установлены расчетные формулы по их определению для конкретных условий эксплуатации, установленной мощности комбайна, типа и количества резцов в линии резания.

5. Нагруженность шнекового исполнительного органа необходимо рассчитывать с учетом изменения, по мере изнашивания гнезд резцедержателей, кинематических углов резания в их функциональной связи с показателем эквивалентной сопротивляемости пласта резанию, режимными параметрами комбайна и наработкой исполнительного органа.

6. Разработанные методика, алгоритм и программное обеспечение, базирующиеся на установленных закономерностях изменения толщины стружки, скорости подачи и теоретической производительности комбайна в функции от показателя Аэ, и электронный банк данных о характеристиках разру-шаемости угольных пластов позволяют в автоматизированном режиме выбирать параметры шнеков для любых шахтопластов России, разрабатываемых подземным способом с применением очистных комбайнов.

Результаты исследований используются ОАО ОУК «Южкузбассуголь» при проектировании и изготовлении шнековых исполнительных органов очистных комбайнов на заводе «Гидромаш» .