автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование и обоснование рациональных параметров шнековых погрузочно-транспортирующих органов выемочных машин

"V /

#

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Кузбасский государственный технический университет

ВЕРНЕР Владимир Николаевич

УДК 622.23.054.54

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ШНЕКОВЫХ ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ ОРГАНОВ ВЫЕМОЧНЫХ МАШИН

Специальность 05.05.06-«Горные машины»

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................... 6

1.ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ПОГРУЗКА УГЛЯ ШНЕКОВЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ......................... 19

1.1 Анализ состояния и тенденций развития механизированной

выемки угля на шахтах Кузбасса................................................ 19

1.2.Резервы повышения производительности узкозахватной комбайновой выемки.......................................................................... 31

1.3.Исследования в области совершенствования исполнительных органов очистных комбайнов..................................................... 39

1.4.Особенности и изученность шнекового транспортирования и

погрузки угля в очистных забоях................................................. 46

1.5.Цель и задачи исследований........................................................ 57

2.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ШНЕКОВЫХ ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ

ОРГАНОВ............................................................................................ 60

2.1.Процессы загрузки, транспортирования и выгрузки угля нестационарными шнеками........................................................... 60

2.2.Обоснование и определение критерия идентификации режимов работы шнеков....................................................................... 65

2.3.Влияние условий работы и геометрических параметров шнека на выбор оптимального соотношения шага лопасти и частоты

вращения.......................................................................................... 76

ВЫВОДЫ............................................................................................... 83

3.ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ГРУЗОПОТОКОВ В ЗОНЕ ВЫЕМКИ УГЛЯ УЗКОЗАХВАТНЫМ

КОМБАЙНОМ....................................................................................... 84

3.1.Факторы, влияющие на эффективность механизированной

погрузки........................................................................................ 84

3.2.Формирование слоя непогруженного материла..................................................88

3.3.Влияние параметров лавного конвейера на эффективность-погрузки утля..............................................................................................................................................................96

3.4.Погрузка угля шнековыми рабочими органами....................................................108

3.5.Экспериментальные исследования погрузки угля шнеками..............117

3.5.1.Цель, задачи и объект исследований......................................................................117

3.5.2.Силовые и энергетические показатели процесса погрузки 121

3.5.3.Влияние конструкции рабочего органа и режима работы

на количество непогруженного угля при зачистке......................123

ВЫВОДЫ............................................................................................................................................................................................130

4.ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЗАГРУЗКИ МАТЕРИАЛА В РАБОЧЕЕ ПРОСТРАНСТВО ШНЕКА И ЕГО ПРОДВИЖЕНИЯ К МЕСТУ

ВЫГРУЗКИ....................................................................................................................132

4.1.Начальные условия движения частиц материала по погрузочной лопасти......................................................................................................................................................................133

4.2.Уравнения движения материальной точки по шероховатой поверхности погрузочной лопасти...........................................................139

4.3.Траектории движения частиц в пределах рабочего пространства шнека..............................................................................................................................................................................147

4.4.Методика расчета количества перебрасываемого материала............161

4.5.Анализ результатов расчета коэффициентов переброса............................164

4.6.Методика и результаты экспериментальных исследований................178

ВЫВОДЫ................................................................................................................................................................................................188

5.ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЫГРУЗКИ МАТЕРИАЛА ШНЕКОВЫМ

РАБОЧИМ ОРГАНОМ НА КОНВЕЙЕР...................................................190

5.1.Форма и размеры погрузочных окон очистных комбайнов..............190

5.2.Диафрагмирующий эффект погрузочного окна....................................................194

5.3.Процесс выгрузки материала в погрузочное окно............................................202

5.4.Циркуляция материала в зоне по!рузки на конвейер..................................207

5.5.Производительность погрузки шнеком при торцевой выгрузке

через погрузочное окно................................................................ 212

ВЫВОДЫ................................................................................................ 216

6.СОГЛАСОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШНЕКОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПО ПОГРУЗОЧНОЙ И РАЗРУШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ................................................................................... 218

6.1.Выбор диаметра рабочего органа................................................. 218

6.2.Установление рациональной ширины захвата и количества заходов шнека.............................................................................. 222

6.3.Рекомендации по выбору частоты вращения рабочего органа... 226 6.4.Обоснование конструктивных параметров погрузочных элементов рабочих органов с дисковым скалывающим инструментом........................................................................................... 227

6.4.1.Компоновочные схемы и основные параметры................... 227

6.4.2.Определение транспортирующей способности.................... 231

6.4.3.Влияние конструктивных параметров на производительность....................................................................................... 241

6.5.Результаты производственных исследований погрузочной способности рабочих органов......................................................... 248

6.5.1.Цель, задачи и объекты исследований................................. 248

6.5.2.Погрузочная способность рабочих органов......................... 252

ВЫВОДЫ................................................................................................ 258

7.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ТРАНСПОРТИРУЮЩЕЙ

СПОСОБНОСТИ ШНЕКОВЫХ КОНВЕЙЕРОВ ДЛЯ

КОРОТКОЗАБОЙНОЙ ВЫЕМКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ......... 261

7.1.Компоновочная схема выемочной машины и обоснование параметров транспортирующего органа.......................................... 261

7.2,Отвод разрушенного материала из забоя при выемке пласта

струго-шнековым исполнительным органом.............................. 269

7.3.Теоретические параметры грузопотока на конвейере................. 273

7.4.Оценка технических возможностей применения струго-

шнековой машины в короткозабойных технологиях выемки.... 280

7.4.1.Комплексно-механизированная выемка мощного угольного пласта с переменным углом падения......................................................280

7.4.2.Выемка тонкого пласта с закладкой выработанного пространства..............................................................................................................................................................286

ВЫВОДЫ................................................................................................................................................................................................291

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................................................293

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................................................................297

ВВЕДЕНИЕ

Изменение принципов хозяйственной деятельности, форм собственности и некоторые особенности современного состояния производственных отношений обусловили превалирующее значение таких экономических показателей, как производительность труда и качество продукции.

Для угольной промышленности это означает отказ от валовой выемки и потребность в резком увеличении нагрузки на очистные забои при одновременном снижении их количества. Готовность Кузбасса к такому повороту истории оказалась на недостаточном уровне по ряду причин, полный анализ которых не является предметом данной работы. Решение технической стороны проблемы повышения производительности труда на шахтах Кузнецкого угольного бассейна осложняется характерной особенностью развития технических средств выемки угля, а именно опережающим освоением и преобладающей ролью узкозахватных механизированных комбайновых комплексов, на долю которых приходится до 90% всей угледобычи подземным способом. Сколько-нибудь значимого опыта выемки угля другими механическими средствами - стругами, бурошнеко-выми машинами, обеспечивающими в определенных условиях более высокие показатели работы, в Кузбассе нет.

Резкий рост производительности комплексно-механизированных забоев до 800-1000 т/сутки в 1970-х годах укрепил лидирующее положение Кузбасса среди угледобывающих регионов России, но вместе с этим привел к быстрому истощению запасов угля в пластах, благоприятных для эффективного применения комплексов, к явной диспропорции в экономических показателях работы различных шахт и к общему ухудшению горно-геологических условий применения механизированного способа выемки в пределах вскрытых шахтных полей. [Ч].

Вышеотмеченные обстоятельства предопределяют два актуальных направления развития очистной техники: расширение технологических возможностей существующих и вновь проектируемых механизированных

комплексов, создание новой техники для шахт, где применение этих комплексов невозможно по техническим причинам [120,123,205].

Снижение производительности очистной техники в усложненных горно-геологических условиях происходит из-за ухудшения эффективности выполнения основных операций технологического цикла - отбойка, погрузка, транспортирование разрушенной массы и крепление выработанного пространства структурными элементами механизированных комплексов.

Узким местом в этой цепочке операций во многих случаях является удаление разрушенного материала из зоны выемки и его погрузка на забойный конвейер, так как для выполнения этих функций в существующих комплексах нет специальных машин, а их выполнение возложено на исполнительный орган очистного комбайна и частично на забойный конвейер. Недостаточный уровень погрузочной способности этих элементов приводит к необходимости выполнения зачистки почвы забоя дополнительными проходами очистного комбайна, на которые затрачивается в среднем 9,5-12,5% продолжительности рабочего времени, причем эта доля возрастает с общим увеличением производительности забоя.

Неудовлетворительная зачистка почвы ухудшает условия передвижки комплекса на следующий шаг выемки из-за возрастания усилий передвижки конвейера, следствием которых является искривление конвейера и систематическая недодвижка на расчетные значения ширины захвата. Для предотвращения этих последствий часто практикуется ручная доза-чистка комбайновой дороги, на которой обычно заняты 1-2, иногда до 68 горнорабочих. Выполнение этой трудоемкой операции в зоне незакрепленного пространства и интенсивного отжима угля увеличивает вероятность травматизма и снижает производительность труда, т.к. она часто не совмещается во времени с основными операциями технологического цикла.

Увеличение угла наклона пласта, являющееся одним из последствий ухудшения горно-геологических условий, отрицательно сказывается з первую очередь на эффективность погрузки и транспортирования, по-

скольку выемочные и транспортирующие элементы очистных комплексов номинально рассчитаны на работу в горизонтальном положении. Физическое объяснение причины ухудшения погрузки заключается в изменении ориентации вектора силы тяжести по отношению к погрузочно-транспортирующим поверхностям рабочих органов, приводящее к нежелательному перераспределению и изменению направления движения потоков материала. В известных теоретических исследованиях и нормативных документах по выбору основных параметров рабочих органов выемочных машин этому фактору уделяется недостаточно внимания. Наиболее сильно погрузка ухудшается при углах наклона вынимаемого пласта более 8... 12°, что вполне сопоставимо с углами наклона погрузочных лопастей шнековых рабочих органов, которыми оснащены практически все очистные комбайны в Кузбассе. В эксплуатации находятся несколько сотен узкозахватных комбайнов с минутной производительностью до 6... 10 т/мин каждый, и от эффективности их работы в значительной мере зависит как производительность очистных комплексов, так и качество добываемого угля, важнейшим показателем которого является гранулометрический состав. До 10...25% угольного штыба образуется при выгрузке разрушенного материала из зоны выемки и примерно такие же проценты характеризуют затраты энергии на погрузку [154].

Произошедшее за последние 15 лет возрастание мощностей электродвигателей очистных комбайнов в 3...4 раза не привело к ощутимому увеличению их производительности, которая стабилизировалась примерно на уровне 1000±100 т/сутки. В определенной мере это можно объяснить ухудшением условий работы, однако более детальный анализ позволяет установить, что дополнительная мощность комбайновых электродвигателей используется не вполне рационально. Важнейший параметр очистного комбайна - ширина захвата, на протяжении всего периода эксплуатации узкозахватных машин остался на прежнем уровне.

Реализация возрастающих мощностей только за счет увеличения скорости подачи комбайнов не позволяет в условиях цикличной технологии выемки повысить коэффициент машинного времени, а при выемке пластов с небольшой крепостью угля установленная мощность не может быть реализована из-за ограничений по вылету режущего инструмента, по быстродействию механизированной крепи, а в некоторых случаях и по физическим возможностям машинистов выемочных машин. С учетом того, что при сложившейся структуре затрат времени для среднекузбас-ского гипотетического забоя увеличение средней ширины захвата с 0,6 до 0,7 м эквивалентно увеличению скорости подачи на 50%, следует этот резерв увеличения производительности считать чрезвычайно важным. Препятствием на этом направлении может быть ограниченность пропускной способности погрузочных окон выемочных машин и приемная способность забойных конвейеров. Решение этих вопросов должно происходить параллельно с изменениями в конструкции мехкрепей, направленными на увеличение ширины захвата.

Существенное повышение производительности выемочных машин за счет увеличения скорости подачи может быть достигнуто только на трудноразрушаемых пластах, где средние скорости подачи не превышают 0,5... 1 м/мин. Доля таких пластов в Кузбассе увеличилась в связи с истощением более благоприятных запасов, а реализация возросших мощностей и усилий подачи комбайнов таким способом возможна при применении шнековых рабочих органов, оснащенных инструментом крупного скола. Уменьшение количества инструментов на рабочем органе при одновременном увеличении их габаритных размеров вносит дополнительные ограничения на их погрузочно-транспортирующие свойства и требует более жесткого согласования этих свойств с параметрами разрушения массива - шагом и глубиной резания. Учитывая то, что дисковый скалывающий инструмент позволяет не только повысить производительность, но и существенно улучшить гранулометрический состав угля, следует установись их рациональные параметры с учетом транспортирующих свойств.

Низкая производительность очистных забоев на ряде шахт Кузбасса, отнесенных к малоперспективным и намеченных к закрытию в ближайшие годы, является следствием низкого уровня их технической оснащенности. Создание эффективной новой техники для выемки тонких и мощных угольных пластов, на долю которых приходится более половины запасов, могло бы в значительной степени снизить остроту этих проблем и обеспечить рациональное использование запасов угля, в том числе и забалансовых. Обилие технологических вариантов для выемки таких пластов, особенно с применением коротколавных технологий, не подкреплено специальной техникой для таких условий, а попытки заимствования некоторых элементов узкозахватных комплексов для этих целей оказываются малорезультативными. Исследованиями, выполненными по одной из тем в рамках программы «Уголь Кузбасса» с участием автора, установлено, что шнековый транспортирующий орган, заключенный в кожух с продольным боковым загрузочным пазом, можно успешно использовать как базовый элемент выемочной машины, предназначенный для коротколавных технологий выемки пластов с изменяющимся углом падения. Выбор конструктивно-кинематических параметров такого шнекового конвейера осложняется тем, что известные нормативные документы основаны на результатах исследований шнеков с неизменной ориентацией в пространстве.

Еще одним аспектом исследуемой проблемы является то, что шне-ковые рабочие органы, предназначенные для выемки угля, часто применяются и для выемки других полезных ископаемых, в частности, калийных солей, фосфатов, марганцевых и урановых руд и т.п. Их существенное отличие от угля по фрикционным свойствам снижает эффективность применения очистной техники и требует корректировки параметров рабочих органов с учетом изменяющегося коэффициента трения материала по погрузочным поверхностям.

Решение вышеизложенного круга частных вопросов связано с выбором рациональных параметров шнековых рабочих органов выемочных машин,обладающих