автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Рациональные параметры погрузочных органов проходческих комбайнов с нагребающими звездами

На правах рукописи

АФОНИНА НАТАЛИЯ БОРИСОВНА

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОГРУЗОЧНЫХ ОРГАНОВ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ С НАГРЕБАЮЩИМИ ЗВЕЗДАМИ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук 5 ДЕК 2013

005542176

Новочеркасск - 2013

005542176

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имениМ.И. Платова».

Научный руководитель: Хазанович Григорий Шнеерович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Жабин Александр Борисович

доктор технических наук, профессор кафедры геотехнологии и строительства подземных сооружений Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тульский государственный университет», президент Тульского отделения Академии горных наук, г. Тула

Ведущее предприятие:

Ошеров Борис Аронович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, советник генерального директора О АО «Шах-тинский научно-исследовательский и проектно-конструкторский угольный институт», г. Шахты Ростовской обл.

Федеральное госудярственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук, г. Кемерово

Защита состоится «27» декабря 2013г. в 10й часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.04, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имениМ.И. Плагова» по адресу: 146428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд.309.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ), с текстом автореферата - на сайте ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ): www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, докт. техн. наук, профессор

В.С. Исаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В последние десятилетия при строительстве различных горных выработок за счет применения комплексов оборудования на базе проходческих комбайнов усиливаются процессы концентрации производства, растет производительность труда, повышается качество, мощность и надежность оборудования, в все большей степени удается обеспечивать бесперебойность производственных процессов, улучшать условия труда и технику безопасности.

Научно-исследовательские, проектно-конструкторские организации и вузы — ННЦ-ГП ИГД им. А.А. Скочинского, ЦНИИПодземмаш, КузНИУИ, МГГУ, ЮРГПУ(НПИ), ТулГУ и другие ведут работы по исследованию процессов разрушения горных пород проходческими комбайнами избирательного действия. При этом значительно меньшее внимание уделяется изучению процесса взаимодействия погрузочного органа с разрушенным материалом, повышению его эффективности, несмотря на то, что исполнительный и погрузочный органы комбайна обладают кинематическими и конструктивными связями.

Нагребающие элементы, устанавливаемые на комбайне, имеют различную погрузочную способность. Применяются одногребковые или многогребковые лапы с приводом от кривошипно-кулисного или кривошипно-рычажного механизмов. В последнее время в мировом и отечественном комбайностроении широкое распространение находят погрузочные органы, выполненные в виде двух вращающихся звезд и отличающиеся большим разнообразием конструктивного исполнения. Такие погрузочные органы отличает простота конструкции и повышенная надежность.

В то же время особенности взаимодействия погрузочных органов с нагребающими звездами со штабелем погружаемого материала недостаточно изучены. Физические процессы погрузки горной массы погрузочными органами с нагребающими лапами и нагребающими звездами существенно различаются. Известные математические модели, описывающие процесс погрузки материала погрузочным органом.с нагребающими лапами, не учитывают особенностей формирования штабеля горной массы погрузочными органами с нагребающими звездами — в первую очередь, из-за различия в траекториях движения и геометрии нагребающих элементов — лап и звезд. Не разработана и не используется в практике проектирования проходческих комбайнов методика определения параметров погрузочных органов проходческих комбайнов с нагребающими звездами.

Таким образом, изучение рабочих процессов погрузочных органов проходческих комбайнов, оптимизация их параметров является необходимой частью работы по дальнейшему повышению эффективности работы комбайна, скорости проведения выработки, и является актуальной научно-технической задачей.

Соответствие диссертации плану работ ФГБОУ ВПО' ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова и целевым комплексным программам. Диссертационная работа входит в состав исследований по научному направлению «Теория и принципы построения робототехнических и мехатронных систем и комплексов», выполнена в рамках госбюджетной темы П-53-767 - «Исследование рабочих процессов и совершенствование конструкций горнопроходческих машин», а также в соответствии с соглашением с Минобрнауки РФ №14.В37.21.2103 от 14.11.2012 о предоставлении гранта в форме субсидии на проведение научных исследований в рамках целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013г.г. по теме «Разработка высокоэффективного горнопроходческого оборудования нового технического уровня».

Целью работы является повышение эффективности применения проходческих комбайнов избирательного действия с погрузочными органами с нагребающими звездами путем обоснования и выбора их рациональных параметров для заданных условий эксплуатации на основе исследований процессов взаимодействия с разрушенной горной массой.

Идея работы. Использование экспериментально установленных закономерностей и описывающих их математических моделей формирования производительности и нагрузок погрузочных органов с нагребающими звездами проходческих комбайнов избирательного действия со штабелем горной массы для разработки научных основ их расчета и выбора рациональных параметров..

Объект исследования — погрузочный орган проходческого комбайнов избирательного действия в виде двух вращающихся звезд.

Предмет исследования — процесс взаимодействия погрузочного органа со штабелем погружаемого материала.

Методы исследований. Реализация поставленной цели осуществлялась на основе комплекса современных методов, включающих анализ литературных источников, экспериментальные исследования на физической модели и натурном объекте, методы имитационного компьютерного моделирования рабочих процессов, анализа и обработки результатов наблюдений с использованием математического аппарата теории вероятности и математической статистики.

Методологическую и теоретическую базу исследований представляют методы экспериментальных и теоретических исследований погрузочных органов с нагребающими лапами и роторных, разработанные в трудах докторов наук Кальницкого Я.Б., Тихонова Н.В., Верклова Б.А., Водяника Г.М., Хазановича Г.Ш., Дровникова А.Н., Кравченко П.Д., кандидатов наук Гонтаря Н.В., Мариана И.Д., Иванова О.П.„, Рюмина И.Ф., Максимова В.П., Сильня В.Г., Крисаченко Е.А., Турушина В.А., Васильева Ю.А., Ерейского В,Д., Лоховинина С.Е., Хазановича В.Г. и др. Теоретической базой исследований физики процесса взаимодействия являются элементы теории сыпучих тел, разработанные применительно к процессам погрузки сыпучих и кусковых материалов в трудах отечественных ученых, кроме упомянутых, докторов наук Ляшенко Ю.М., Носенко A.C., кандидатов наук Гагина О.Д., Каргина Р.В. и др. Для методического обеспечения проекта экспериментальной модельной установки погрузочного органа использованы основы теории подобия. При разработке программы опытов применена теория планирования эксперимента.

Положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Особенности физических процессов взаимодействия погрузочного органа с нагребающими звездами различной геометрической конфигурации со штабелем погружаемого материала, позволяющие с качественных позиций объяснить формирование объема единичного захвата отдельным лучом и погрузочным органом в целом в течение очередного оборота звезды.

2. Экспериментально установленные количественные закономерности формирования объема зачерпывания отдельным лучом и в целом нагребающей звездой, и влияние на них основных конструктивных и режимных факторов: диаметра звезды, количества лучей, угла установки лучей в плоскости нагребающей звезды, высоты луча, угловой скорости вращения звезды и глубины внедрения ее в штабель, являющиеся исходной базой для разработки математических моделей производительности погрузочного органа.

3. Установленные в результате экспериментальных исследований средних за очередной оборот и максимальных значений крутящих моментов сопротивлений на валу нагребающей звезды в зависимости от основной группы влияющих конструктивных и режимных факторов, позволяющие разработать математические модели нагрузок и энергетических затрат при захвате порции материала погрузочным органом.

4. Разработаны базирующиеся на результатах исследований основные положения методики выбора рациональных параметров погрузочных органов с нагребающими звездами для проходческих комбайнов избирательного действия, позволяющие решать задачи модернизации существующих и проектирования новых погрузочных органов.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Отличительными особенностями физических процессов взаимодействия нагребающей звезды со штабелем погружаемого материала (в сравнении с аналогичными процессами при работе парных нагребающих лап) являются: возрастающая подвижность сыпучего материала вблизи поверхности откоса с увеличением числа лучей, что приводит к динамическому характеру формирования, снижению количества материала, попадающего между соседними лучами и объема захвата порции материала очередным лучом из штабеля, находящегося в неуравновешенном состоянии, а также к уменьшению сопротивлений движению луча в штабеле; перемещение в плоскости питателя части материала штабеля из зоны действия одной звезды к другой и образование «мертвой зоны», что снижает эффективность погрузки.

2. Регрессионная математическая модель массы груза, захватываемого и передаваемого на конвейер лучами за очередной оборот нагребающей звезды, которая с учетом частоты вращения и числа звезд определяет возможную производительность погрузочного органа, представляет собой нелинейную многофакторную зависимость, отличающуюся тем, что наряду с влиянием факторов, характерных для погрузочного органа с нагребающими лапами - площади захвата, высоты гребка, объема горной массы в активной зоне, учитывается количество лучей и угол их установки в плоскости нагребающей звезды, причем масса груза, захватываемая отдельным лучом, при количестве лучей больше трех, растет медленнее количества лучей, а с ростом угла установки лучей масса единичного захвата лучом возрастает по экспоненциальному закону.

3. Математические модели среднего значения момента сопротивления вращению за полный оборот нагребающей звезды в штабеле погружаемого материала и удельной энергоемкости погрузки по структуре представляют собой многофакторные регрессионные зависимости от той же группы влияющих факторов, что и зависимость массы захватываемого груза, причем с увеличением количества и угла установки лучей момент сопротивлений черпанию растет быстрее, чем масса груза, захватываемая звездой за один оборот.

4. Алгоритм выбора рациональных параметров погрузочного органа с нагребающими звездами при проектировании или модернизации проходческого комбайна определяется видом целевой функции, системой функций-ограничений и совокупностью параметрических ограничений, отличающийся тем, что с использованием математических моделей объемов захвата, среднего момента сопротивлений и энергоемкости позволяет решать задачи поиска максимальной производительности при заданной предельной энерговооруженности привода и необходимой производительности при минимальном значении удельных энергозатрат.

Теоретическая значимость работы состоит в установлении закономерностей формирования нагрузок в трансмиссии погрузочного органа, формировании произво-

дительности комбайна и в разработке методики выбора рациональных параметров погрузочного органа с нагребающими элементами в виде двух вращающихся звезд.

Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты - математические модели производительности и нагрузок в приводе, алгоритм выбора параметров погрузочного органа с нагребающими звездами и программное обеспечение расчета основных показателей приняты заводом горного машиностроения для использования при проектировании отечественных комбайнов избирательного действия.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных апробированных методов исследований:

- анализом научно-исследовательских работ по теме диссертации;

- проведением комплекса экспериментальных исследований на физической модели погрузочного органа с соблюдением критериев подобия, использованием современных средств измерений;

- статистическими методами обработки результатов исследований и планирования вычислительных и физических экспериментов, выполненных с использованием современных ЭВМ и программных продуктов;

- достаточным объемом наблюдений за эксплуатацией горно-проходческих комбайнов с погрузочными органами с нагребающими звездами и экспериментальных исследований на модельной установке.

Адекватность математических моделей реальному процессу подтверждается максимальным расхождением расчетных и экспериментальных данных, которое в большинстве случаев не превышает 12 %; ошибка в определении средних значений опытных данных составляет не более 15 % при доверительной вероятности 0,85.

Реализация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Копейский машиностроительный завод», ООО «Шахтоуправление «Садкинское», ООО «Управление механизации тоннельдорстрой», ЮРГПУ(НПИ) им.М.И. Платова.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены: на симпозиумах «Неделя горняка» г. Москва (2012-2013 гг.); на IV-й Международной и 62 Всероссийской научно-практической конференции, апрель 2013, г. Шахты «Перспективы развития Восточного Донбасса»; на Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности», 31 января 2013 г., г. Тамбов; на I Международной научной конференции «Приоритеты мировой науки: эксперимент и научная дискуссия», 29-30 сентября 2013 г., г. Санкт-Петербург - North Charleston, SC, USA.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ объемом 6,1 п.л., в том числе 3 статьи (2,6 п.л.) в изданиях из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, утвержденного ВАК, получено 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы из 81 наименования, содержит 65 рисунков, 11 таблиц. Общий объем диссертации составляет 182 страницы.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Хазановичу Г.Ш.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, определены цели и задачи диссертационного исследования, сформулированы основные результаты, выносимые на защиту, степень их научной новизны, подтверждена обоснованность и достоверность полученных результатов, а также их теоретическое и научно-практическое значение.

В первой главе в результате выполненного анализа состояния вопроса установлено следующее.

1. В настоящее время проведение подготовительных выработок на угольных шахтах России и зарубежных стран происходит, главным образом, за счет увеличения доли комбайнового способа проходки, обеспечивающего высокие темпы проходки и рост производительности труда.

2. В связи с разнообразием условий проведения выработок в мировой практике в последние годы существенно расширяется номенклатура выпускаемых проходческих комбайнов избирательного действия. При сохранении общей традиционной компоновки комбайна в качестве погрузочного органа в большинстве случаев используются нагребающие звезды (рисунок 1), которые заменяют используемые ранее погрузочные органы с нагребающими лапами. Применение нагребающих звезд обеспечивает упрощение конструкции погрузочного органа и, как следствие, улучшение показателей надежности,

3. Анализ публикаций, посвященных комбайновому способу проходки, свидетельствует о том, что подавляющее большинство исследований посвящено изучению и повышению эффективности процесса разрушения массива механическим и гидромеханическим способами. Несмотря на то, что производительность проходческого комбайна избирательного действия формируется в конечных звеньях - при погрузке и транспортировании разрушенной горной массы, исследованию рабочих процессов погрузки и выбору параметров погрузочных органов уделяется недостаточное внимание. В доступных источниках информации практически нет публикаций на указанную тему. В связи с этим, для проходческих комбайнов, имеющих сходную область применения, геометрические характеристики погрузочных органов весьма разнообразны.

4. Наиболее близким аналогом нагребающих звезд с точки зрения процесса взаимодействия с горной массой являются парные нагребающие лапы,'изучению которых посвящены исследования многих научных школ в СССР и России, начиная с сороковых годов XX столетия. Вместе с тем, предварительный анализ рабочего процесса нагребающих звезд свидетельствует о невозможности прямого переноса известных закономерностей работы нагребающих лап на погрузочные органы с нагребающими звездами. Требуются специальные комплексные исследования особенностей физических процессов зачерпывания материала лучами звезды при формировании объемов единичного захвата и возникающих при этом сопротивлений.

На основе вышеизложенного сформулированы задачи настоящего исследования, структура которых определяет разработку рабочей гипотезы, проведение экспериментальных исследований на модельной установке и в натурных условиях, разработку аде-

Рисунок 1 — Проходческий комбайн с погрузочным органом в виде нагребающих звезд

кватных математических моделей, алгоритмов и программ для обеспечения расчетов рабочего процесса и научного обоснования инженерной методики выбора параметров погрузочного органа с нагребающими звездами.

Во второй главе выполнены теоретические исследования процессов формирования производительности погрузочными органами с нагребающими звездами. Выдвинута и проверена экспериментально рабочая гипотеза процесса взаимодействия нагребающей звезды с материалом штабеля (рисунок 2). При движении луча в штабеле происходит его воздействие на некоторый объем материала в активной зоне (рисунок 2, а, в), поэтому формируется призма сдвига. В своем движении

луч, воздействуя на куски мате-А риала, расположенные непосред-

ственно перед ним, уплотняет материал, что в дальнейшем приводит к выпиранию отдельных кусков материала вверх от питателя и вдоль луча к центру звезды (рисунок 2, в, г). При повороте нагребающей звезды часть материала, поднимаясь по линиям скольжения, пересыпается через луч в зону действия следующего за ним луча. После прохода луча и выноса части материала из Рисунок 2 — Физическая картина процесса нижней части штабеля активная погрузки материала нагребающей звездой зона штабеля опускается (рисунок 2, а, б). При определенных параметрах рабочего процесса материал штабеля после прохода луча не успевает опуститься на питатель и перейти в устойчивое состояние, а подхватывается очередным лучом. Таким образом, каждый очередной луч взаимодействует с материалом штабеля, находящимся в неустойчивом состоянии сыпучей среды. Процессы формирования объемов захвата погрузочными органами различных типов на штабеле, находящемся в неустойчивом состоянии, ранее не изучались.

Производительность <2 звезды зависит от объема призмы, образованной соседними лучами звезды с определенными длиной I (зависит от радиусов звезды г и центральной втулки г,), высотой А и углом между ними /?, угловой скорости вращения звезды си, а также объема К и угла внутреннего трения материала в активной зоне (рисунок 3).

, _____Выдвинута гипотеза

о зависимости объема черпания звездой за один оборот от угла развала лучей, согласно которой с увеличением количества лучей кривая зависимости проходит через максимум. Моменты сопротивлений внедрению отдельных лучей, суммируясь, приводят к более равномерной нагрузке на нагребающую звезду в отличие от нагребающей лапы, имеющей холостой ход и ярко выраженный максимум нагрузок.

Втулка нагребающей зОеэды \

\..

Передняя кратка штабеля Луч нагредакяиии № Текущее значение площади 4 эачерпьАпя лучам № ^ ) Траектория кротки нагребающего луча

/ Луч нагребающий Л*5

Передняя крсггса пжапе*тя

Рисунок 3 - Схема нагребающей звезды

По аналогии с нагребающими лапами предполагается, что каждый луч в своем движении формирует объем захвата материала, равный произведению площади захвата материала Р{<р) нагребающим лучом на некоторую эквивалентную высоту зависящую от высоты А луча и средней крупности материала (¡„:

• о

При сочетании определенной глубины внедрения 5 рабочего органа в штабель и количества лучей, находящихся в штабеле в каждый момент времени, возможны два принципиально различных варианта работы нагребающих лучей: 1) только один луч; этот вариант возможен при количестве лучей один, два, а также при определенной глубине внедрения - три; 2) два и более лучей.

В первом варианте процессы черпания нагребающими лапами и звездами отличается только траекторией движения лапы или луча в штабеле; во втором — каждый луч воздействует только на материал, находящийся в зоне между ним и впереди расположенным лучом, что существенно влияет на формирование объема захвата. Так, в первом варианте объем захвата пропорционален площади, образованной траекторией движения передней кромки луча и линии штабеля; во втором — геометрическая площадь захвата приближенно делится между находящимися в штабеле лучами. При общем числе лучей 2 максимальная площадь захвата нагребающим лучом определяется из выражения:

если 1-005]®-

Р =

тих

2 ' 1

(2)

, ---VI I I ,. _ С II

2-агссо5|

1

2Г

иначе

Компьютерное моделирование позволило получить картину формирования площадей захвата (и производительности) как отдельного луча, так и нагребающих звезд различных конфигураций. Процесс изменения объема активной зоны материала приобретает особенности в сравнении с нагребающими лапами. С одной стороны из-за увеличения количества лучей скорость уменьшения объема активной зоны увеличивается, с другой, значительное уменьшение площади захвата уменьшает скорость изменения объема активной зоны. Это свидетельствует о важности учета режима работы погрузочного органа.

При определении структуры математических моделей производительности и момента сопротивления вращению нагребающей звезды признано целесообразным применить мультипликативные формы зависимостей, что позволяет сохранить преемственность в известном подходе. Тогда теоретическая производительность нагребающей звезды будет зависеть от объема единичного черпания и ряда факторов, учитываемых коэффициентами влияния, соответственно, относительной высоты луча К«а, его угла установки К^в, количества лучей Кпг и режима работы погрузочного органа (влияние глубины внедрения или номера черпания):

, м3/мин. (3)

Аналогично, теоретическая зависимость среднего значения момента сопротивления вращению нагребающих звезд зависит от массы транспортируемого материала, диаметра нагребающей звезды и ряда факторов, учитываемых соответствующими коэффициентами:

м<^Г„шх-/г-уя-с1-Кш-Кив-Киг-Кмл, ,Н-м, (4)

где у — плотность материала, кг/м';

с/— диаметр нагребающей звезды, м.

Выбор факторов, влияющих на процесс погрузки и пределов их изменения, производится на основе изучения условий эксплуатации проходческих комбайнов. Факторы условно разделены на внутренние (конструктивные, кинематические, силовые) и внешние (свойства штабеля, параметры разрушающего органа), предварительная оценка влияния которых на формирование производительности осуществлялась на ЭВМ. В результате анализа установлено, в частности, что максимальная площадь захвата материала нагребающим лучом от угла установки лучей не зависит; главным фактором, влияющим на объем погружаемого материала нагребающей звездой, является количество лучей. Кроме этого, нагребающие звезды с количеством лучей более трех в сочетании с высокой скоростью движения могут перевести материал штабеля в состояние с пониженным коэффициентом внутреннего трения. Рассматривая движение отдельных кусков материала на физической модели, установлено, что при 2> 3 и п = 33 об/мин материал в нижней части активной зоны не успевает опуститься на питатель до того, как очередной луч его подхватит; луч при этом испытывает, как показано выше, меньшие сопротивления зачерпыванию.

В третьей главе поставлены и решены задачи экспериментальных исследований рабочих процессов погрузочных органов с нагребающими звездами, целыо которых является выявление физических закономерностей формирования грузопотока и нагрузок для их последующего математического описания. Задачи экспериментальных исследований сводятся к получению зависимостей производительности и моментов сопротивлений зачерпыванию нагребающих звезд от ряда факторов.

Экспериментальные исследования разделены на два этапа: 1) уточнение физической картины процесса погрузки материала штабеля нагребающими звездами, номенклатуры и диапазона варьирования основных влияющих факторов (таблица 1); 2) установление количественных характеристик рабочего процесса.

Экспериментальные исследования проводились на разработанной на кафедре ТКГСМП Шахтинского института (филиала) ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова модельной установке (рисунок 4).

Для измерений физических величин применена крейтовая система, представляющая собой универсальный цифровой измерительный комплекс, оснащенный датчиками для измерения: 1) крутящего момента (тензометриче-ский датчик, закрепленный на луче звезды); 2) угла поворота звезды (оптический энкодер, закрепленный под питателем на валу звезды); 3) мгновенной производительности погрузки (тензодатчик массы груза и длительность процесса).

Таблица 1 —Факторы на первом этапе исследований

Наименование фактора Ед. изм. Значения факторов: натурные условия (модельная установка)

Средняя крупность материала м 0,05 (0,014)

Высота штабеля м 1,0; 1,4; 1,57 (0,3; 0,4; 0,45)

Частота вращения звезд об мин 33; 45

Количество лучей на звездах шт. 1:2; 4; 6; 8

Конфигурация лучей звезд (Угол установки лучей 0) - прямые радиальные, ПР (0°); прямые касательные, ПК (-90°); изогнутые радиальные,И20Р (-20°); изогнутые радиальные,И45Р (-45°).

Диаметр звезд м 1,37; 1,44; 1.65 (0,391; 0,413; 0,471)

Высота лучей м 0,07; 0,14; 0,21 (0,02; 0,04; 0,06)

Угол наклона питателя град. 20; 33

їй п а СІ /? <9

0,46 45 33 0.47! 0,04 1 0

---Ось заезды

- Т— 5 об.

Рисунок 5 — Зависимость массы погруженного материала от количества лучей

2=6;Л = 0,02 м; 0 = 0", а = 33° Рисунок 6 — Профили штабеля

Плита питателя

Нагребающий луч

Нагребающая звезда

Штабель горной массы

Мотор-редуктор

Разгрузочное окно

Рисунок 4 - Экспериментальная установка

Для фиксации профиля штабеля использовалась фото-, видеозапись, а также про-филометр, с помощью которого профиль штабеля фиксировался в характерных точках с помощью лазерной рулетки.

В результате проведенных экспериментальных исследований, выдвинутая ранее гипотеза о зависимости производительности от угла развала лучей, подтвердилась. Согласно экспериментальным исследованиям, с увеличением количества лучей на звезде уменьшается время выгрузки объема активной зоны, что сказывается на характере зависимости, которая становится более пологой при количестве лучей ОТ четырех ДО „г„2 линия III восьми (рисунок 5). При этом уменьшается погрузочная способность отдельного луча в звезде.

По аналогии с рабочими процессами у погрузочных органов с нагребающими лапами наблюдается «отодвигание» штабеля из-за уменьшения объема материала над лучами нагребающей звезды, что видно из

Масса, кг

яятшя Питатель - т— 5 об.

—ИС ■ -А-. 10 об.

профилограмм (рисунок 6, линия «Iii»). Куски материала быстрее движутся по оси нагребающей звезды тем интенсивнее, чем ближе к питателю, а на периферии звезды практически неподвижны (линия «D», рисунок 6). С изменением высоты штабеля объем погруженной горной массы в функции номера черпания уменьшается пропорционально высоте штабеля. Для нагребающих звезд существует прямая зависимость между захваченной массой груза и диаметром звезды, т. е. глубиной внедрения.

Форма лучей оказывает незначительное влияние на формирование объема единичного захвата. Погрузочная способность звезд с лучами различной формы определяется диаметром звезд: звезды с прямыми радиальными и изогнутыми радиальными лучами при равном диаметре имеют практически совпадающие графики погруженной массы.

При погрузке двумя нагребающими звездами происходит смещение части материала штабеля в зону действия другой звезды, образованная треугольная призма материала практически не участвует в погрузке (рисунок 7).

Проведенные эксперименты позволили уточнить список факторов, влияющих на процесс погрузки, и пределы их изменения. (таблица 2).

Второй этап экспериментальных исследований посвящен установлению количественных зависимостей массы погруженного материала (рисунки 8, 9) и средних Рисунок 7 — Формирование моментов сопротивлений черпанию от ко-

треугольной призмы материала личества лучей, их высоты, угла установки, а также от режима работы погрузочного органа, определяемого порядковым номером оборотов нагребающих звезд, а, следовательно, глубиной внедрения лучей.

Результаты экспериментов обработаны методами математической статистики: по каждой группе опытов в аналогичных условиях рассчитано среднее значение, среднеквадратичное отклонение и ошибка в определении среднего значения с помощью критерия Стьюдента. В результате обработки установлено следующее.

Изменения момента сопротивлений повороту звезды для лучей разной высоты характеризуются сходными зависимостями: с увеличением количества лучей от одного до четырех нагрузки растут, а с четырех до шести падают вследствие уменьшения

объема захвата материала отдельным лучом (рисунок 10).

Уменьшение угла установки лучей с 0° до -90° позволяет снизить момент сопротивления (рисунок 11), т. к. нагребающая звезда с лучами с 0=-9О° захватывает меньше материала из-за особенностей заполнения межлучевого пространства.

При непополняемом штабеле с ростом номера оборота нагребающей звезды момент сопротивления зачерпыванию падает по линейной зависимости.

Таблица 2 — Пределы изменений факторов

№ п/п Наименование фактора Ед. изм. Исследуемые значения

1 Средняя крупность материала м 0,088 (модель: 0,025)

2 Высота штабеля м 1,0 (модель: 0,3)

3 Частота вращения звезд об/мин 24; 33

4 Количество лучей на звездах шт. !; 4; 6

5 Угол установки лучей град. 0; -90

6 Высота лучей звезд м 0,07; 0,14 (модель: 0,02; 0,04)

7 Угол наклона питателя град. 20

1 2 3 4 5 6 z -h=0,04 м: №ob=1 —♦— 11=0,04 м; №ob=2 ■ h=0.04 M; №ob=3

—■—0=0; №об=1 — ▼— Q=0: Nuo6=3

■Q=-90; №об=1 ©=-90; Nso6=3

Hxh п а d h N„ в

0.3 24 20 0,471 0,02 1 0

Hxh п а d h

0,3 24 20 0,471 0,02 1

Рисунок 8 — Погрузочная способность отдельного луча звезды

Рисунок 9 — Зависимость массы погруженного материала от количества и угла установки лучей

Момент, Н-м

14

Момент, Н-м 14

1 2 3 -h=0,04 м; №об=1 — ■ h=0,04 м; №об=3

4 5 6 - h=0,04 м; №об=2

-в--0=0; №об=1

- *— 0=0; №об=3

•©=-90; №об=1 0=-ЭО; №об=3

И ті, п а d h N„ в

0,3 24 20 0,471 0.04 1 0

Рисунок 10 — Зависимость момента сопротивлений от количества лучей

Hxh « а d h

0,3 24 20 0,471 0,02 1

Рисунок 11 — Зависимость момента сопротивлений от номера оборота

Процесс формирования объема захвата нагребающими звездами а целом подчиняется тем же закономерностям, что и нагребающие лапы с учетом числа лучей и угла их установки. Обработка результатов экспериментальных исследований позволила установить зависимости массы погруженного материала и среднего момента сопротивления от высоты, угла установки, количества нагребающих лучей и порядкового номера черпания (режима работы погрузочного органа).

Масса погруженного материала за один определенный оборот звезды: т = 0,91-/V F • h - у К .-К „• К К ,, , кг (5)

' z\ may ' m.h fflfl m.Z m.i\ ' 4 7

где K„.h, K„.e, Kmz, K„,n — соответственно коэффициенты влияния высоты, угла установки лучей, их количества и режима работы погрузочного органа:

(6)

(7)

(8) (9)

К ,=0,5'

m.h

„ 0.41

кш.г=е

I +А~' + О,

К,

:1.14-е

0,l4-/ft5-Zlw-,.V

lid — относительная высота луча:

/ h

hd~— ; (io)

sr

Средняя производительность погрузочного органа с двумя нагребающими звездами за первые /Vоборотов нагребающих звезд, кг/мин:

г. 1Л' _Л , Г- , v v ,, -0,14• /Л -Z 1- е

£ -^■Г^-Ь-уп-Кп.ь-КпвК,,,,.-" ' '7-' 0|4.;,,, ' (П)

(1-е ' ' )■ N

Аналогично определены коэффициенты влияния математической модели момента сопротивлений. Среднее значение момента сопротивления на нагребающих звездах погрузочного органа за один определенный оборот звезды:

М8 ■ "„ • Fmax ■h-yg-d■ KMh -кмв-К M z ■ KMN , Н-м, (12)

где Кии, Км в, К иг, Кип — соответственно коэффициенты влияния высоты, угла установки лучей, их количества и режима работы погрузочного органа:

^л/ /,= 0,5 - - ( 1+Л-1 +0,1 • ^) (13)

т/ _„O.I5-<9 . ....

км.(->-<■ > (14)

= ; (15)

-0.1 ■/>;-s-Z""-A'

Л/. /V ~ ^ ■ (16)

Средний момент сопротивления за первые N оборотов нагребающих звезд, учитывая количество звезд, равное двум, Н-м:

I -о I ■/,"■'■ г0"\N

MlVi =28 96 • F -h-vd-K -К ■К '-|е ' " ' !

[1-е 'z )• N

Относительная ошибка в определении массы погруженного материала и среднего момента сопротивления за один определенный оборот нагребающей звезды в сравнении с экспериментальными значениями не превышает 14 %, например, на рис. 12 приведены зависимости для модельных условий (геометрический масштаб моделирования Л=3,5). Линии минимума и максимума соответствуют относительной ошибке в 15 %.

Для сопоставления результатов, полученных на основе разработанных математических моделей, с производительностью погрузочного органа с нагребающими звездами в производственных условиях, проведено измерение производительности погрузочного органа комбайна 1КПД-03 в условиях проходческого забоя шахты ООО «Шахтоуправление «Садкинское». По итогам измерений установлено, что производительность погрузочного органа комбайна, рассчитанная теоретически, соответствует значениям производительности, полученным в производственных испытаниях и в технической характеристике комбайна (соответственно 2,7 м3/мин; 2,9 м3/мин и 3 м3/мин).

При проектировании погрузочных органов проходческих комбайнов для оценки эффективности различных вариантов при равной производительности целесообразно использовать показатель энергоемкости: 2 ' ïï ■ Мс ,г

Е-———, мВтч/кг. (18)

3,6 • m 4 '

Средняя энергоемкость за первые N оборотов нагребающих звезд, мВт-ч/кг:

. I 0.04-А"'-2°'

£1Д<=24,1 -d .h-a'--e0A-e-Z°-1-e-0A*-z-eW-h" Z —LZ1£_-_— ,|9)

- " ( wtf.i-j

V

ч -----

Л/

\ і 1

\\

Оч> 1

0 5

r^.4 « 06 звезды

— min — — max в энспер.

- - • Expcner*lal (¿кспер.) В модель —— Exponential (модель)

/;=0,04 м; 0=0°; и=33 об/мин; Z- 4

- - - - ■ Exponent!.* (зя:пер ) в модель-Exponential (модель)

h=0,02 м; 0=-9О"; «=33 об/мин; 2=6

s.4

\ \ 4

4

Момент. Н-м

16.0

—Exponential (модель) • экстр

Л=0,02 м; 0=0°:

N» об. заезды

модель

Exponential (якслер.)

Ыв об. звезды

модель ■ Exponential (экслер.)

Exponential (модель) • экслер

к= 0,04 м; 0=0°; Z=6 Рисунок 12 — Оценка адекватности математических моделей

Для проходческих комбайнов минимизация энергоемкости погрузки при заданной производительности, определяемой возможностями разрушающего органа, позволяет достичь наилучших показателей работы всего проходческого комбайна.

В четвертой главе разработана инженерная методика выбора основных параметров погрузочного органа с нагребающими звездами, необходимость которой обусловлена разнообразием возможных сочетаний параметров таких, как координаты центров вращения нагребающих звезд, внешние диаметры и диаметры центральных втулок нагребающих звезд, количество, высота и углы установки лучей и др.

Для оценки эффективности технических решений целесообразно принимать в качестве целевой функции удельную энергоемкость погрузки горной массы, снижение которой ведет к уменьшению нагрузок, требуемой мощности привода, повышению производительности и надежности.

Для выбора вариантов исполнения погрузочных органов задается также система ограничений и дополнительные приоритетные параметры: площади «мертвых зон» Fi и F}, углы «встречи» лучей нагребающей звезды с конвейером Si и с передней кромкой штабеля С уменьшением угла Si повышается эффективность разгрузки лучей звезды, а с увеличением угла уменьшаются сопротивления внедрению луча в штабель материала (рисунок 13).

Алгоритм проектирования погрузочного органа с рациональными параметрами:

I) задаются возможные габариты погрузочного органа исходя из общей компоновки проходческого комбайна и условий проведения горных выработок; 2) рассчитывается диаметр нагребающих звезд, исходя из габаритов погрузочного opiaHa; 3) определяется расстояние между центрами вращения нагребающих звезд, причем необходимо стремиться к выбору минимального расстояния, обеспечивая тем самым минимизацию угла 81. или необходимо увеличивать ширину конвейера; 4) выбирается наименьшее

Ц^^тЧ^т КшИшр ^«мрпшщш ^ возможное расстояние от кромки

питателя до приемного бункера конвейера, что позволяет конвейеру частично осуществлять зачерпывание материала и снижает угол 81; 5) ширина и скорость движения тяговой цепи »-конвейера выбирается по условию обеспечения производительности разрушающего органа; 6) необходимое количество, высота лучей, их угол установки и Рисунок 13 — Схема погрузочного органа частота вращения звезды выбирается исходя из минимизации удельной энергоемкости погрузки при условии обеспечения требуемой производительности разрушающего органа. Для этого в каждом «граничном» варианте компоновки погрузочного органа производятся расчеты производительности по формуле (11) и удельной энергоемкости погрузки по формуле (19), определяются углы 31 и ¿2, площади «мертвых» зон и выбирается вариант для детального конструирования.

На примере проходческого комбайна КП-21 с нагребающими звездами производства ОАО «Копейский машиностроительный завод» произведен выбор параметров погрузочного органа с использованием вышеприведенного алгоритма и математических моделей (11, 17, 19). Для сравнения различных конструктивных решений принимались варианты диаметрами звезд 1,4 м и 1,55 м; высотой лучей 0,06 м, 0,1 м и 0,14 м; количеством лучей 3, 4, 5 и 6 и углами их установки 0° и -90°, всего 42 варианта.

В результате моделирования (рисунок 14) установлено, что при увеличении диаметра звезды растут как производительность, так и нагрузки, удельная энергоемкость и минимальная установленная мощность. Увеличение угла установки лучей влечет за собой увеличение минимально требуемой установленной мощности. Рост производительности с увеличением высоты лучей тем значительней, чем меньше количество лучей на звезде, а удельная энергоемкость имеет минимальное значение от высоты луча при 2=5. С увеличением количества лучей требование к величине установленной мощности снижается, причем кривизна графиков зависит от диаметра звезды.

г"4;в"0*; diY-1.se м

О, куб.ы/ыин; Муст, кВт

Е, кДж/куб.ы

О. куб.мУммн; Муст. кВт

И-О.Об и; в-0"; йху-М м

0.07 0.08 0.09 •Е

-»—Е —»—О ■

1- Е —»—О ■

Рисунок 14 — Зависимость расчетных показателей от количества и высоты лучей

Как показал анализ результатов проведенных расчетов (таблица 3), в границах параметров существующего питателя проходческого комбайна КП-21 возможна реализация различных вариантов погрузочного органа, обладающих большим диапазоном зна-

чений показателей. Так, возможна разработка погрузочного органа с производительностью более 7 м3/мин или же имеющего удельную энергоемкость погрузки всего 55 кДж/м3.

Таблица 3 - Анализ показателей Наиболее выгодные сочста-

ния параметров с точки зрения энергетической эффективности имеют варианты исполнения нагребающих звезд с пятью и шестью лучами, установленных ра-диально ( 0 = 0°). Лучи с 0 = -90" имеют несколько большую удельную энергоемкость погрузки за счет сниженной производительности звезды, однако, уменьшение угла установки лучей ведет к уменьшению углов <)'/ примерно в два раза, что улучшает процесс разгрузки луча над бункером приемного конвейера и снижает вероятность захвата материала и движения его «по кругу».

Таким образом, учитывая все вышеприведенные рассуждения и результаты моделирования, для комбайна КП-21 можно модернизировать погрузочный орган, установив пятилучевые нагребающие звезды, оставив остальные параметры как у прежних трехлучевых звезд, тем самым снизив удельную энергоемкость процесса зачерпывания материала на 37 %, повысив производительность на 46 %, при этом требуемая мощность привода не изменяется.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи - повышение эффективности применения проходческих комбайнов избирательного действия, снабженных погрузочными органами с нагребающими звездами, путем обоснования и выбора их рациональных параметров, позволяющее увеличить производительность проходческих комбайнов и снизить удельную энергоемкость работы погрузочных органов. Получены следующие результаты, имеющие как научное, так и прикладное значение:

1. Разработаны основы теории взаимодействия нагребающих звезд с погружаемой горной массой, в которой представлены особенности физических процессов, основные зависимости и описывающие их математические модели.

2. Установлено, что отличительными особенностями физических процессов взаимодействия нагребающей звезды со штабелем погружаемого материала являются возрастающая подвижность сыпучего материала вблизи поверхности откоса и в активной зоне с увеличением числа лучей, что приводит к динамическому характеру формирования и снижения объемов захвата, а также к уменьшению сопротивлений движению луча в штабеле.

3. В результате обработки результатов экспериментальных исследований разработаны многофакторные регрессионные математические модели массы груза, передаваемого на конвейер лучами за очередной оборот нагребающей звезды, среднего значения момента сопротивления вращению за полный оборот нагребающей звезды и удельной энергоемкости погрузки, в которых учитывается количество лучей и угол их установки.

Показатель 1ТПП шах % К ПИП шах / гшп

(), м'/мин 2,47 7,34 196,81 2,97

Мс, кН-.ч ¡,28 4,44 247.51 3,48

Е, кДж/м1 55,48 131,84 137,63 2,38

Л'»,, кВт/(м'/мин) 1,32 3,14 137,63 2,38

^.с,, кВт 5,43 17,80 227,78 3,28

4. Адекватность математических моделей реальному процессу подтверждается расхождением расчетных и экспериментальных данных, которое в большинстве случаев не превышает 14 %; ошибка в определении средних значений опытных данных составляет не более 15% при доверительной вероятности 0,85. Проведенные промышленные испытания погрузочного органа с нагребающими звездами проходческого комбайна 1КПД-03 на шахте Садкинская подтвердили, что отклонение производительности погрузочного органа комбайна, рассчитанной по разработанной математической модели от значений производительности, полученных при производственных испытаниях, не превышает 10%.

5. Выполненные исследования рабочих процессов погрузочных органов с нагребающими звездами, разработанные на этой основе многофакторные математические модели производительности, моментов сопротивлений и удельной энергоемкости погрузки позволили сформулировать научные основы и алгоритм решения инженерной задачи выбора основных параметров погрузочного органа. Разработанная инженерная методика выбора параметров погрузочного органа принята к использованию основным производителем проходческих комбайнов в России - ОАО «Копейским машиностроительным заводом», а также используется эксплуатационными организациями.

6. Оценка возможностей повышения эффективности погрузочных органов проходческих комбайнов выполнена с использованием разработанной инженерной методики, проверена на примере проходческого комбайна КП-21. Установлено, что для КП-21 возможна реализация вариантов погрузочного органа, имеющего пониженную удельную энергоемкость погрузки, при этом возможная производительность погрузочного органа возрастет при сохранении требуемой мощности на прежнем уровне.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях

Статьи в журналах, входящих в «Перечень ведущих научных журналов и изданий»:

1. Афонина Н.Б., Отроков A.B. К разработке методики исследования погрузочных органов проходческих комбайнов с нагребающими звездами /Горное оборудование и электромеханика. - 2013. - № 2 - С.25-30.

2. Афонина Н.Б., Хазанович Г.Ш., Отроков A.B. Физические закономерности процесса погрузки горной массы погрузочными органами с нагребающими звездами /Горное оборудование и электромеханика. - 2013. - № 4 - С.25-31.

3. Афонина Н.Б. Математическое моделирование рабочих процессов погрузочных органов с нагребающими звездами //Современные проблемы науки и образования. -2013. - №5; URL: http://vvww.science-education.ni/l 11-10528 (дата обращения: 28.10.2013).

Патенты РФ

4. Отроков A.B., Афонина Н.Б. Программная система обеспечения анализа механизмов зачерпывания погрузочных машин типа ПНБ /Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ 2013616972 РФ /Роспатент. - №2013613154; заявл. 18.04.2013; зарег.30.07.2013.

Публикации в других изданиях

5. Хазанович Г.Ш., Афонина Н.Б. К вопросу об исследовании современных комбайнов для строительства горных выработок /Материалы I Международной научно-

практической конференции «Современная наука:теория и практика» Том первый. Естественные и технические науки. г.Ставрополь: СевКавГТУ, 2010. - С.561-564.

6. Хазанович Г.Ш., Черных В.Г., Воронова Э.Ю., Отроков A.B., Афонина Н.Б. Направления и результаты исследований по созданию проходческого оборудования нового технического уровня /Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 31 января 2013г.: в 13 частях. Часть 7; М-во обр. и науки РФ. Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2013. - С.148-152.

7. Афонина Н.Б., Хазанович Г.Ш., Отроков A.B. Формирование гипотезы для расчета производительности за чистое время работы погрузочных органов с нагребающими звездами /Перспективы развития Восточного Донбасса: материалы IV-й Междунар. и 62 Всерос.науч.-практ. конф., апрель 2013, г.Шахты /Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2013. - С.58-62.

8. Бреусов А.Н., ВитковскийВ.В., ШемшураЯ.Г., Афонина Н.Б. Проект экспериментальной модельной установки с автоматическим управлением процесса подачи /Перспективы развития Восточного Донбасса: материалы IV-й Междунар. и 62 Все-рос. науч.-практ. конф., апрель 2013, г.Шахты /Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2013. - С.62-67.

9. Афонина Н.Б., Отроков A.B. К разработке математической модели погрузочных органов с нагребающими звездами //Современные научные исследования и инновации. - Сентябрь 2013. - №9 [Электронный ресурс]. URL:littp:/Aveb.snauka.ru/issues/2013/09/ 26732 (дата обращения: 05.10.2013).

10. Афонина Н.Б., Отроков A.B., Воронов П.Р. Экспериментальные исследования погрузочных органов с нагребающими звездами //«Приоритеты мировой науки: эксперимент и научная дискуссия);: Материалы I международной научной конференции 2930 сентября 2013 года, г. Санкт-Петербург. - North Charleston,SC, USA: CreateSpace, 2013. - C.24-34

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах:

В работах [1, 10] автору принадлежит разработка ряда положений методики экспериментальных исследований погрузочных органов с нагребающими звездами. В работе [2] автору принадлежит объяснение физических процессов формирования производительности погрузочных органов с нагребающими звездами в части влияния геометрических особенностей погрузочной звезды. В работе [4] автору принадлежат отдельные алгоритмы геометрического анализа механизмов зачерпывания погрузочных машин. В работе [5] автору принадлежит'анализ базовых литературных источников. В работе [6] автору принадлежит непосредственное участие в поэтапных исследованиях погрузочных органов с нагребающими звездами для проходческих комбайнов. В работе [7] автору принадлежат отдельные положения гипотезы формирования производительности погрузочного органа. В работе [8] автору принадлежит конструкторская доработка экспериментальной установки для исследования рабочих процессов погрузочных органов с нагребающими звездами. В работе [9] автору принадлежат структуры математических моделей рабочих процессов погрузочных модулей с нагребающими звездами.

Подписано в печать 21.11.2013г. Формат 60X90/16

___Объем 1 п.л. Тираж 130 экз._

Отпечатано в типографии «Квадрат», 346500, Ростовская обл., г. Шахты, ул. Шевченко, 143.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)»

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОГРУЗОЧНЫХ ОРГАНОВ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ С НАГРЕБАЮЩИМИ ЗВЕЗДАМИ

имени М.И. Платова

На правах рукописи

04201453704

АФОНИНА НАТАЛИЯ БОРИСОВНА

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Хазанович Г.Ш.

Новочеркасск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1 ИЗУЧЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА...............................................................12

1.1 Комбайновая проходка горных выработок на шахтах России

и за рубежом.........................................................................................................12

1.2 Обзор исследований рабочих процессов проходческих комбайнов избирательного действия....................................................................................18

1.3 Обзор исследований рабочих процессов погрузочных органов непрерывного действия проходческих комбайнов и погрузочных машин............................22

1.4 Постановка задач исследования.........................................................................31

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И НАГРУЗОК ПОГРУЗОЧНЫМИ ОРГАНАМИ С НАГРЕБАЮЩИМИ ЗВЕЗДАМИ....................................................................34

2.1 Обоснование рабочей гипотезы процесса взаимодействия.............................34

2.2 Математические модели формирования производительности и нагрузок....39

2.3 Математическое моделирование влияния важнейших факторов

на производительность и нагрузки рабочего органа........................................50

Выводы по главе 2.....................................................................................................58

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ........................60

3.1 Экспериментальные исследования погрузочных органов

с нагребающими звездами..................................................................................60

3.2 Физические процессы при взаимодействии погрузочного органа

со штабелем..........................................................................................................88

3.3 Количественные характеристики рабочего процесса погрузочного

органа с нагребающими звездами....................................................................105

3.4 Разработка математических моделей рабочих процессов и оценка их адекватности......................................................................................................113

Выводы по главе 3...................................................................................................122

4. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ ВЫБОРА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОГРУЗОЧНОГО ОРГАНА С НАГРЕБАЮЩИМИ ЗВЕЗДАМИ ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА..............................................125

4.1 Общая структура инженерной методики выбора параметров погрузочных органов с нагребающими звездами..........................................125

4.2 Обоснование целевой функции, системы ограничений

и совокупности выбираемых параметров.......................................................127

4.3. Разработка алгоритма поиска рациональных параметров

погрузочного органа..........................................................................................131

4.4 Выбор параметров погрузочных органов проходческих комбайнов...........137

Выводы по главе 4...................................................................................................147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................149

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ...........................151

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ..........................................................................................154

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................155

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................165

П.1 Программное обеспечение инженерной методики выбора

параметров погрузочного органа...................................................................166

П.2 Протокол проведения производственных испытаний..................................169

П.З Документы о внедрении результатов исследований и разработок..............173

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В последние десятилетия при строительстве различных горных выработок за счет применения комплексов оборудования на базе проходческих комбайнов усиливаются процессы концентрации производства, растет производительность труда, повышается качество, мощность и надежность оборудования, во все большей степени удается обеспечивать бесперебойность производственных процессов, улучшать условия труда и технику безопасности.

Научно-исследовательские, проектно-конструкторские организации и вузы — ННЦ-ГП ИГД им. A.A. Скочинского, ЦНИИПодземмаш, КузНИУИ, МГГУ, ЮРГПУ(НПИ), ТулГУ и другие, ведут работы по исследованию процессов разрушения горных пород проходческими комбайнами избирательного действия. При этом значительно меньшее внимание уделяется изучению процесса взаимодействия погрузочного органа с разрушенным материалом, повышению его эффективности, несмотря на то, что исполнительный и погрузочный органы комбайна обладают кинематическими и конструктивными связями.

Нагребающие элементы, устанавливаемые на комбайне, имеют различную погрузочную способность. Применяются одногребковые или многогребковые лапы с приводом от кривошипно-кулисного или кривошипно-рычажного механизмов. В последнее время в мировом и отечественном комбайностроении широкое распространение находят погрузочные органы, выполненные в виде двух вращающихся звезд и отличающиеся большим разнообразием конструктивного исполнения. Такие погрузочные органы отличает простота конструкции и повышенная надежность.

В то же время особенности взаимодействия погрузочных органов с нагребающими звездами со штабелем погружаемого материала

недостаточно изучены. Физические процессы погрузки горной массы погрузочными органами с нагребающими лапами и нагребающими звездами существенно различаются. Известные математические модели, описывающие процесс погрузки материала погрузочным органом с нагребающими лапами, не учитывают особенностей формирования штабеля горной массы погрузочными органами с нагребающими звездами — в первую очередь, из-за различия в траекториях движения и геометрии нагребающих элементов — лап и звезд. Не разработана и не используется в практике проектирования проходческих комбайнов методика определения параметров погрузочных органов проходческих комбайнов с нагребающими звездами.

Таким образом, изучение рабочих процессов погрузочных органов проходческих комбайнов, оптимизация их параметров является необходимой частью работы по дальнейшему повышению эффективности работы комбайна, скорости проведения выработки, и является актуальной научно-технической задачей.

Соответствие диссертации плану работ ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова и целевым комплексным программам. Диссертационная работа входит в состав исследований по научному направлению «Теория и принципы построения робототехнических и мехатронных систем и комплексов», выполнена в рамках госбюджетной темы П-53-767 -«Исследование рабочих процессов и совершенствование конструкций горнопроходческих машин», а также в соответствии с соглашением с Минобрнауки РФ №14.В37.21.2103 от 14.11.2012 о предоставлении гранта в форме субсидии на проведение научных исследований в рамках целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013г.г. по теме «Разработка высокоэффективного горнопроходческого оборудования нового технического уровня».

Целью работы является повышение эффективности применения проходческих комбайнов избирательного действия с погрузочными органами с нагребающими звездами путем обоснования и выбора их рациональных параметров для заданных условий эксплуатации на основе исследований процессов взаимодействия с разрушенной горной массой.

Идея работы. Использование экспериментально установленных закономерностей и описывающих их математических моделей формирования производительности и нагрузок погрузочных органов с нагребающими звездами проходческих комбайнов избирательного действия со штабелем горной массы для разработки научных основ их расчета и выбора рациональных параметров.

Объект исследования — погрузочный орган проходческого комбайнов избирательного действия в виде двух вращающихся звезд.

Предмет исследования — процесс взаимодействия погрузочного органа со штабелем погружаемого материала.

Методы исследований. Реализация поставленной цели осуществлялась на основе комплекса современных методов, включающих анализ литературных источников, экспериментальные исследования на физической модели и натурном объекте, методы имитационного компьютерного моделирования рабочих процессов, анализа и обработки результатов наблюдений с использованием математического аппарата теории вероятности и математической статистики.

Методологическую и теоретическую базу исследований представляют: методы экспериментальных и теоретических исследований погрузочных органов с нагребающими лапами и роторных, разработанные в трудах докторов наук Кальницкого Я.Б., Тихонова Н.В., Максимова В.П., Верклова Б.А., Водяника Г.М., Хазановича Г.Ш., Дровникова А.Н., Кравченко П.Д., кандидатов наук Гонтаря Н.В., Мариана И.Д., Иванова О.П., Рюмина И.Ф., Сильня В.Г., Крисаченко Е.А., Турушина В.А., Васильева Ю.А., Ерейского В,Д., Лоховинина С.Е., Хазановича В.Г. и др. Теоретической базой исследований физики процесса взаимодействия являются элементы теории сыпучих тел, разработанные

применительно к процессам погрузки сыпучих и кусковых материалов в трудах отечественных ученых, кроме упомянутых, докторов наук Ляшенко Ю.М., Носенко A.C., кандидатов наук Гагина О.Д., Каргина Р.В. и др. Для методического обеспечения проекта экспериментальной модельной установки погрузочного органа использованы основы теории подобия. При разработке программы опытов применена теория планирования эксперимента.

Положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Особенности физических процессов взаимодействия погрузочного органа с нагребающими звездами различной геометрической конфигурации со штабелем погружаемого материала, позволяющие с качественных позиций объяснить формирование объема единичного захвата отдельным лучом и погрузочным органом в целом в течение очередного оборота звезды.

2. Экспериментально установленные количественные закономерности формирования объема зачерпывания отдельным лучом и в целом нагребающей звездой и влияние на них основных конструктивных и режимных факторов: диаметра звезды, количества лучей, угла установки лучей в плоскости нагребающей звезды, высоты луча, угловой скорости вращения звезды и глубины внедрения ее в штабель, являющиеся исходной базой для разработки математических моделей производительности погрузочного органа.

3. Установленные в результате экспериментальных исследований средних за очередной оборот и максимальных значений крутящих моментов сопротивлений на валу нагребающей звезды в зависимости от основной группы влияющих конструктивных и режимных факторов, позволяющие разработать математические модели нагрузок и энергетических затрат при захвате порции материала погрузочным органом.

4. Разработаны базирующиеся на результатах исследований основные положения методики выбора рациональных параметров погрузочных органов с нагребающими звездами для проходческих комбайнов избирательного действия,

позволяющие решать задачи модернизации существующих и проектирования новых погрузочных органов.

Научная новнзна диссертационной работы:

1. Отличительными особенностями физических процессов взаимодействия нагребающей звезды со штабелем погружаемого материала (в сравнении с аналогичными процессами при работе парных нагребающих лап) являются: возрастающая подвижность сыпучего материала вблизи поверхности откоса с увеличением числа лучей, что приводит к динамическому характеру формирования, снижению количества материала, попадающего между соседними лучами и объема захвата порции материала очередным лучом из штабеля, находящегося в неуравновешенном состоянии, а также к уменьшению сопротивлений движению луча в штабеле; перемещение в плоскости питателя части материала штабеля из зоны действия одной звезды к другой и образование «мертвой зоны», что снижает эффективность погрузки.

2. Регрессионная математическая модель массы груза, захватываемого и передаваемого на конвейер лучами за очередной оборот нагребающей звезды, которая с учетом частоты вращения и числа звезд определяет возможную производительность погрузочного органа, представляет собой нелинейную многофакторную зависимость, отличающуюся тем, что наряду с влиянием факторов, характерных для погрузочного органа с нагребающими лапами -площади захвата, высоты гребка, объема горной массы в активной зоне, учитывается количество лучей и угол их установки в плоскости нагребающей звезды, причем масса груза, захватываемая отдельным лучом, при количестве лучей больше трех, растет медленнее количества лучей, а с ростом угла установки лучей масса единичного захвата лучом возрастает по экспоненциальному закону.

3. Математические модели среднего значения момента сопротивления вращению за полный оборот нагребающей звезды в штабеле погружаемого материала и удельной энергоемкости погрузки по структуре представляют собой многофакторные регрессионные зависимости от той же группы влияющих

факторов, что и зависимость массы захватываемого груза, причем с увеличением количества и угла установки лучей момент сопротивлений черпанию растет быстрее, чем масса груза, захватываемая звездой за один оборот.

4. Алгоритм выбора рациональных параметров погрузочного органа с нагребающими звездами при проектировании или модернизации проходческого комбайна определяется видом целевой функции, системой функций-ограничений и совокупностью параметрических ограничений, отличающийся тем, что с использованием математических моделей объемов захвата, среднего момента сопротивлений и энергоемкости позволяет решать задачи поиска максимальной производительности при заданной предельной энерговооруженности привода и необходимой производительности при минимальном значении удельных энергозатрат.

Теоретическая значимость работы состоит в установлении закономерностей формирования нагрузок в трансмиссии погрузочного органа, формировании производительности комбайна и в разработке методики выбора рациональных параметров погрузочного органа с нагребающими элементами в виде двух вращающихся звезд.

Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты — математические модели производительности и нагрузок в приводе, алгоритм выбора параметров погрузочного органа с нагребающими звездами и программное обеспечение расчета основных показателей приняты заводом горного машиностроения для использования при проектировании отечественных комбайнов избирательного действия.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных апробированных методов исследований:

- анализом научно-исследовательских работ по теме диссертации;

- проведением комплекса экспериментальных исследований на физической модели погрузочного органа с соблюдением критериев подобия, использованием современных средств измерений;

- статистическими методами обработки результатов исследований и планирования вычислительных и физических экспериментов, выполненных с использованием современных ЭВМ и программных продуктов;

- достаточным объемом наблюдений за эксплуатацией горнопроходческих комбайнов с погрузочными органами с нагребающими звездами и экспериментальных исследований на модельной установке.

Адекватность математических моделей реальному процессу подтверждается максимальным расхождением расчетных и экспериментальных данных, которое в большинстве случаев не превышает 12 %; ошибка в определении средних значений опытных данных составляет не более 15 % при доверительной вероятности 0,85.

Реализация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Копейский машиностроительный завод», ООО «Шахтоуправление «Садкинское», ООО «Управление механизации тоннельдорстрой», ЮРГПУ(НПИ) им.М.И. Платова.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены: на симпозиумах «Неделя горняка» г. Москва (20122013 гг.); на IV-й Международной и 62 Всероссийской научно-практической конференции, апрель 2013, г. Шахты «Перспективы развития Восточного Донбасса»; на Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности», 31 января 2013г., г. Тамбов; на I Международной научной конференции «Приоритеты мировой науки: эксперимент и научная дискуссия», 29-30 сентября 2013г., г. Санкт-Пе