автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследоввание, разработка и обоснование рациональных технических решений по созданию подземных гидрофицированных погрузчиков

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ( НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ )

На правах рукописи

ТУЛУПОВ Виктор Павлович

УДК 622.619

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО СОЗДАНИЮ ПОДЗЕМНЫХ ГИДРОФИЦИРОВАННЫХ ПОГРУЗЧИКОВ

Специальность 05.05.06 - "Горные машины"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доцент, канд. техн. наук, Носенко С.И.

Новочеркасск - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ТЕХНИЧЕСКИХ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ ШАХТНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ

В ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ ПРАКТИКЕ....................11

1.1. Общие тенденции изменения структуры парка шахтных погрузочных машин за период 1985-96 г.г.......................................................12

1.2. Погрузочные машины и погрузочные органы с нагребающими рычагами-лапами ..............................................................................14

1.3. Ковшовые погрузочные машины..........................................21

1.4. Погрузочные органы оригинальной конструкции......................22

1.5. Постановка задач исследований............................................26

Выводы по главе..................................................................32

2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ШАХТНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ ПЛАСТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.. 34

2.1. Методика сбора и обработки информации о работоспособности погрузчиков в производственных условиях.............................................34

2.2. Особенности установления показателей надежности шахтных погрузочных машин..........................................................................39

2.3. Технические показатели надежности шахтных погрузочных машин............................................................................................41

2.4. Характерные отказы погрузочных машин и причины их возникновения при эксплуатации..................................................................52

2.5. Пути повышения эффективности применения погрузчиков при подземой разработке.....................................................................60

Выводы по главе

65

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГИДРОПРИВОДЕ ШАХТНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ.............68

3.1. Математические модели переходных процессов в гидроприводе машины..........................................................................................68

3.2. Обоснование динамической модели гидрофицированного ходового привода погрузочной машины...........................................................71

3.3. Анализ результатов теоретических исследований переходных процессов в гидроприводе ходовой части погрузочной машины.....................81

3.4. Математическое моделирование переходных процессов в гидроприводе погрузочного органа типа ПНБ и с клиновыми нагребающими элементами.......................................................................................89

3.5. Оценка качества переходных процессов и эффективности предлагаемой системы гидрофицированного привода.......................................100

Выводы по главе.................................................................107

4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ ГИДРОПРИВОДА В КОНСТРУКЦИИ ШАХТНЫХ ПОГРУЗОЧНЫХ МАШИН..................................................................................108

4.1. Результаты экспериментальных исследований машины МПНК на заводском стенде..........................................................................111

4.2. Оценка адекватности результатов моделирования динамики переходных процессов в гидроприводе ходовой части.................................119

4.3. Анализ результатов производственных наблюдений за работоспособностью гидрофицированных ходовых частей шахтных погрузчиков.....127

4.4. Методика определения расчетных нагрузок ходовой трансмиссии гидрофицированных погрузчиков.....................................................131

Выводы по главе.................................................................141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................143

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................146

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................151

Приложение 1. Нумерационный перечень рефератов из реферативного журнала Торное дело. Сводный том", рассмотренных при оценке тенденций

развития погрузочных машин.........................................................152

Приложение 2. Технические данные, конструкция основных узлов и гидравлические схемы шахтных гидрофицированных погрузчиков ОАО

«Копейский машиностроительный завод».........................................159

Приложение 3. Результаты оценки работоспособности машин с электромеханическими (2ПНБ2) и гидрофицированными (МПНБ) ходовыми частями................................................................................176

ВВЕДЕНИЕ

Осуществляемая в последние годы реструктуризация угольной отрасли России ставит цель: создать систему высокоэффективных конкурентоспособных угольных шахт, на которых будет обеспечена бездотационная добыча угля для покрытия внутренней потребности страны и сохранения или наращивания уровня экспортных поставок топлива. Достижение поставленной цели возможно осуществить путем концентрации горных работ и увеличением нагрузки на очистной забой, что, в конечном счете, должно привести к существенному росту производительности труда на перспективных угольных шахтах. Решающее значение в выполнении этой программы принадлежит горноподготовительным работам (ГПР), обеспечивающим воспроизводство фронта очистных работ. В последние годы показатели ГПР существенно ухудшились: средняя скорость проходки в 1995 г. составила 55,2 м. в месяц, производительность труда - 1,02 м3 на человека в смену, что соответственно на 20 и 25% ниже, чем в 1990г. Основной причиной сложившегося положения является игнорирование принципов системного подхода при создании проходческих машин, существенно уступающих показателям эффективности зарубежным аналогам. К кризисному состоянию экономики и неплатежеспособности шахт России добавилась высокая степень изношенности горной техники из-за сокращения объемов поставок горно-проходческих машин. В этой связи следует признать актуальными научные исследования и разработки, направленные на повышение эффективности технологии и средств механизации горнопроходческих работ. Несмотря на снижение объемов финансирования научных исследований в последние годы, в основных научных центрах и угледобывающих регионах России продолжается изучение рабочих процессов и создание новых горнопроходческих машин. Проблемами механизации погрузки горной массы занимаются ученые и производственники из институтов и предприятий стран СНГ: институт горного дела им. А.А.Скочинского,

ЦНИИподземмаш, институт "КузНИИШахтострой", Кузбасский и Новочеркасский технические университеты, ОАО "Ростовуголь", Южно-Российское отделение Академии горных наук РФ, АО "Ростовшахтострой", а также машиностроительные предприятия - Ясногорский и Копёйский машиностроительные заводы и АО "Буран" (г. Донецк, Украина).

Суммарный объем проведения подготовительных выработок на шахтах Российского Донбасса составил в 1995 г. - 133,7км из них 84 % - пройдено буровзрывным способом с применением погрузочных машин и только 2% -комбайновым способом. Таким образом, регион является своеобразным полигоном для испытания и оценки эффективности проходческой техники при буровзрывном способе проходки. Кафедрой "Горные машины и оборудование" Шахтинского института Новочеркасского государственного технического университета (1ПИНГТУ) многие годы совместно с Копейским машзаво-дом систематически ведутся исследования работоспособности погрузочных машин УПЗ, 1ПНБ2, 2ПНБ2Б, ППМ4, 1ППН5, МПКЗ, МПНБ и др. Накоплен значительный объем информации, обобщение которой позволяет сделать новый шаг по обоснованию технических решений в области совершенствования подземных погрузчиков для угольной промышленности на базе гидрофика-ции основных рабочих операций при погрузке горной массы. В этом смысле представленные в настоящей работе результаты исследования, разработки и обоснования рациональных технических решений по повышению эффективности гидрофицированных погрузчиков актуальны и представляют научный и практический интерес для создателей проходческой техники.

Соответствие диссертации плану работ НГТУ и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках комплексной целевой программы "Создание и совершенствование существующих технологий, механизации, автоматизации и робототизации разработки пологих пластов угля Восточного Донбасса некондиционной мощности с целью повышения полноты выемки запасов, производительности труда и безо-

пасности работ" (программа "Уголь"), утвержденной приказом Минвуза РСФСР №73 от 28.01.86 г., научного направления НГТУ "Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей й охрана труда", утвержденного ученым Советом в 1994 году .

Цель работы. Повышение эффективности функционирования подземных погрузчиков путем создания и внедрения гидропривода ходовых частей и погрузочных органов непрерывного действия в конструкции погрузочных машин производства ОАО «Копейский машиностроительный завод»..

Идея работы. Использование индивидуального гидропривода на ходовой части погрузчика с повышенными показателями надежности и ремонтопригодности.

Научные положения, разработанные лично соискателем и их новизна:

- способы определения фактических показателей надежности и их структура при оценке работоспособности машины требуют уточнения в отличии от общепринятых методик в отраслях общего машиностроения;

- динамика привода ходовых частей машины рассматривается в совокупности с режимом погрузки горной массы, что позволяет установить не только влияние характеристик трансмиссии на режим нагружения в гидроприводе, но и получать на выходе важный показатель исследуемой системы -производительность машины;

- закономерности взаимодействия гидрофицированных рабочих органов с погружаемым материалом и адекватные им математические модели учитывают форму клиновых нагребающих элементов, траекторию его движения по приемной плите питателя, а также влияние угла наклона питателя к почве выработки с помощью коэффициентов, полученных на основе результатов графоаналитических и экспериментальных исследований;

- в отличии от общепринятой методики назначения расчетных нагрузок предложен способ определения ожидаемых усилий, в ходовой трансмис-

сии с учетом особенностей переходных процессов в основных, режимах работы ходовой части, оборудованной гидромотором.

В работе защищаются:

- основные положения методики определения количественных показателей надежности и полученные результаты при оценке работоспособности погрузочных машин УПЗ, 1ПНБ2, 2ПНБ2, 2ПНБ2Б, МПКЗ, МПНБ;

- разработанные на основе анализа и обобщения тенденций изменения парка погрузочных машин и результатов производственных наблюдений за период 1985-1996 гг. пути повышения эффективности применения шахтных погрузочных машин за счет внедрения гидрофицированных погрузчиков;

- расчетные схемы и методика выбора конструктивных параметров гидрофицированных ходовых частей машины МПНБ и МПКЗ;

- математические модели и вычислительный алгоритм определения нагрузок в гидрофицированном приводе погрузочного органа с клиновыми нагребающими рычагами-лапами машины МПНК;

- основные положения методики назначения расчетных нагрузок в ходовой трансмиссии погрузчика, оборудованного гидроприводом.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных методов исследований: анализ научно-исследовательских работ, посвященных исследуемому вопросу; применение апробированных методов графоаналитического исследования предельно напряженного состояния сыпучей среды; применение статистических методов планирования и обработки результатов экспериментов, проведенных на экспериментальном образце погрузочной машины; выполнение расчетов на современных ЭВМ; адекватность теоретических моделей реальному процессу (расхождение расчетных и опытных данных в большинстве случаев не превышает 10%); достаточность объема экспериментальных данных при доверительной вероятности 0,9 и коэффициенте вариации не превышающем 0,18.

Значение работы. Научное значение работы состоит в установлении тенденций развития средств механизации погрузки в отечественной и зарубежной практике и обобщении уже имеющегося и разработке оригинального математического аппарата применительно к реализации идеи исполнительных механизмов с целью создания надежных с высокой степенью ремонтопригодности шахтных погрузчиков.

Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты использованы при проектировании гидрофицированных частей серийных машин типа МПЫБ, МПКЗ, МПК1000Т. Разработана инженерная методика назначения исходных нагрузок в трансмиссии ходовой части, спроектирован и изготовлен опытный образец машины МПНК с оригинальной конструкцией рабочего органа.

Внедрение результатов диссертационных исследований. Результаты исследований настоящей работы использованы:

- при проектировании и изготовлении гидрофицированных ходовых частей погрузочных машин МПКЗ и МПНБ (машины выпускаются в настоящее время серийно);

при проектировании и изготовлении опытного образца машины МПК1000Т;

- при проектировании и изготовлении экспериментального образца гидрофицированного органа МПНК с клиновыми лапами.

Рекомендуется использовать результаты исследований:

- ИГД им. А.А.Скочинского, КузНИИШахтострой, ЦНИИПодземмаш при разработке перспективных проходческих машин и комплексов;

- машиностроительными заводами России и СНГ при модернизации и разработке погрузочных органов оригинальной конструкции на базе гидропривода поступательного действия.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на заседаниях секции советов НТО Копейского маши-

ностроительного завода (г.Копейск, 1986-1997гг.), на научно-практических конференциях Новочеркасского государственного технического университета (1989-1997 гг.), Института горного дела им.А.А.Скочинского (1991 г.), про-ектно-конструкторского института ЦНИИПодземмаш (1986-1992 гг.), на семинаре и научно-практической конференции по горнопроходческим работам (г.Гуково, ноябрь 1997 г.), на технических совещаниях по проблемам ГПР в системе компании «Росуголь» (1993-1997 гг.), на научных конференциях и семинарах кафедр «Горные машины и оборудование» (ШИ НГТУ и НГТУ).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 5 статей, получено 4 авторских свидетельства и 1 патент.

Работа выполнена на кафедре "Горные машины и оборудование" Шах-тинского института НГТУ, коллективу которой автор выражает глубокую признательность за оказанную помощь при постановке и решении задач исследований.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ТЕХНИЧЕСКИХ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ ШАХТНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ В ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ

ПРАКТИКЕ

Разработкой и созданием погрузочных машин в России и странах СНГ занимаются такие фирмы, как ОАО "Копейский машиностроительный завод", "Ясногорский машиностроительный завод", "Александровский машиностроительный ", АО "Буран" (г. Донецк, Республика Украина),

Институты ЦНИИПодземмаш, ВНИПИРудмаш, ИГД

имАА.Скочинского, КузНИИшахтострой, НИПИГормаш и ряд других организаций выполняют работы в области модернизации выпускаемых машин и создания принципиально новых конструкций. Исследованиями процессов взаимодействия погрузочных органов со штабелем взорванной горной массы и общей методологией создания и оценки качества горнопроходческих систем занимаются ученые научных школ под руководством профессоров Горбунова В.Ф. (ИГД СО АН РФ) и Хазанович Г.Ш. (Шахтинский институт НГТУ).

Настоящий анализ технических тенденций развития конструкций шахтных погрузочных машин подготовлен в результате просмотра доступных источников , в которых находит отражение состояние развития горношахтного оборудования, в частности погрузочных, погрузочно-транспортных машин и проходческих буровзрывных комплексов на их основе.

Просмотренные источники включают: литературу [1.1 ... 1.13] ; реферативный журнал «Горное дело» (Приложение 1); реферативный журнал «Горное и нефтепромысловое машиностроение»; обзоры института ЦНИЭИуголь по сериям «Строительство предприятий угольной промышленности», «Механизация и автоматизация производственных процессов», «Угольное машиностроение» и др.; отчеты о патентных исследованиях, выполненные лабораторией погрузочных машин кафедры «Горные машины и оборудование»

Шахтинского института НГТУ; новые промышленные каталоги, серия 1 "Оборудование горной промышленности".

Глубина просмотра источников в основном 10 лет.

1.1. Общие тенденции изменения структуры парка шахтных погрузочных машин за период 1985 - 1996 г.г.

В мировой практике находят применение погрузочные машины в основном с ковшовым рабочим органом и с парными нагребающими лапами. Судя по объему публикаций, обзорам выпус