автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и выбор рационального режима работы исполнительных органов проходческих комбайнов в условиях протерозойских глин

МИНИСТЕРСТВО ПО ДЕЗАМ НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ Й ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ имени Г.В.ПЛЕХАНОВА

На лразах рукописи

МЕШКОВ Алавсей Цихайлович

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ПРОХОДЧЕСКИ КОМБАЙНОВ В УСЛОВИЯХ ПРОТЕРОЗОЙСКИХ глин

Специальность 05.05.06 - "Горные машины"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г,Санкт-Петербург 1992

Рабо>е выполнена в Санкт-Петербургской ордена Ленина, орда на Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени горной институт имени Г.В.Плеханова.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

М.Д.Коломийцов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Б.З.йозин

кандидат технических наук, с.и.с.

В.Э.Розенкевич

Ведущая организация - "Лааиетроотрой"

Защита диссертации состоится 992 г.

* , чао. мин. на заседании специализированного

совета I 063.15.12 в Санкт-Петербургском горной институте им ни Г.В.Плеханова йо адресу* 299026, Санкт-Петербург, 21-я ли ния, 2, ауд» Ш Л&Ч

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саккг-Пете бургского горного института ии. Г.В.Плеханова. ,

Автореферат разослав г.

УчениВ секретарь специализированного совета, - д.т.н., профессор

Й.П.Тииофе

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Протерозойские глина разрабатылаюгся при строительств Санкт-Петербургского иетрололитена, других подземных сооружений и туннелей Северо-Западного региона страны.

Исследования по оценке механических свойстз глин и работы режущего инструмента при резании глия не проводились, что затрудняет рациональной использование комбайнов для разрушении данных порол- Проходческие коибайни выпускаются заводами уголь-иой промышленности, режим работы которых полстран яримеиигель-но к иеханическии свойствам угольяих пластов.

Сучествущие способы выбора рационального рехиш работы исполнительного органа комбайна, 8 зависимости от решаемых задач, основываются на оценка режима но средней или динамической (фактической) нагруженноети.

Однако в болгииастее случаев э$$ектнышн, устойчивая работа комбайна при максимальной скорости яодачи обеспечивается при полдерике допустимого соотношения с решен и дяяамическей «агруэ- .

йсэгсыу обоснование и выбор рационального ретт работы исполнительных органе», обеелечива»аих эффективность использования комбайнов при дияаитеехсЯ нагрузке, являетея актуальной задачей для всех горных кешин, разруааезих породу резанием » различных условиях.

¿яееертааноняая работа связана с хоздоговорными научно-иселе-доватеяьскш! работали лаборатории горщх кашян С-ПбГИ, яроводимых в течение ряда лег по соверэенетвовшшю работы проходческих комбайнов на вахтах Лекиетрострея»

Цель работы. Обоснование метода выбора рационального режима работы исполнительных органов коабайнов на основе установления закономерностей взаимодействия их с забоен и обеспечения макси-цальноЗ лроизводатея£.н«сги.

Идея работы, Максимальная производительность работа проходческих комбайнов достигается за счет зшбора рашзкадьних параметров иотелнительиых оргяясв и резцов их рабт;, обеспечивающих допустимое сссгноаеняе средних а мгарэеннух (¡Хаотических)

составляющих нагрузки, минимум у дальних энергозатрат.

Задачи исследования. Цель работ достигается последовательный решениец следующих задач:

- разработать способ определения сопротивляемости порода резанию с поыоцыо созданной автором установки, обеспечивающей резание порода резцом трест напластования и экспериментальной оценки механических свойств протерозойских глкн и нагрузки на одиночно« резце;

- обосновать экспериментальный метод выбора рационального типа резца на призере протерозойских глин вахт Денметростроя;

- сделать анализ фактических '(мгновенных) нагрузок комбайна и сопоставить экспериментально полученные средние нагрузки с расчетными;

- определить неявные лередаточные функции приводов комбайнов и обосновать их с поаощь» метода прогнозирования дисперсии нагрузки на исполнительном органе;

- разработать шгод выбора рационального режима работы исполнительного органа комбайна с учетом минимальных удельных энергозатрат и допустимого соогновенив между средней и мгновенной нагрузкой.

Основные научные положения, защищаемые в работе;

- способ определения сопротивляемости породы резанию и нагрузок на одиночном резце в вертикальной плоскости резания о учетом динамических составляющих системы "забой - резец - уста' новка";

- метод и зависимости дня определения рациональных режимных параметров, обеспечиванвдх допустимое соотношение средней и мгновенной нагрузка из условия устойчивей работы двигателя яри вода исполнительного органа комбайна г>ри минимальных удельных энергозатратах.

Метод исследования - комплексный, включающий аналитические к производствешо-экссертсш/ькме исследования. При обработке и анализе экспериментальных данных использовался аппарат теории вероятностей и- математической статистик:!, Больиинство расчетов выполнено на ЭВМ по стандартный и самостоятельно подготовленным программам.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендация. Достоверность полученных: выводов и рекомендаций обоснована достаточный объемом экспериментальных исследований, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических я экспериментальных исследований. v

Научное значение работы заключается в развитии иетодоз выбора ¡1 обоснования рациональных рекицов работы исполнительных органов комбайнов с учетоа динамических составляющих нагрузок на резцах и допустимого соотношений кекду средней я ыгновенной нагрузкой.

Практическое значение работы:

- даны рекомендации по применению и выбору рациональных режимов работы исполнительных органов комбайнов в условиях протерозойских глин вахт Летгзтростроя;

- определены механические свойства протерозойских глин;

- разработана установка и предложен способ определения нагрузок на одиночном резце с учетом динамических составляющих системы "забой - резец - установка";

- установлены закономерности формирования нагрузок на резцах при разрушении протерозойских глин с учетом толщины cipys-ки, обеспечивающие обоснование силовых, энергетических и дана-шнесккх характеристик исполнительных органов.

Реализация выводов и рекомендаций работы

Результаты исследований использованы для улучпения работы проходческих коыбайиов на вахтах Леииесросхроя, что подтверждается протоколами хоздоговорных научно-исследовательских работ лаборатории горных машин С-ПбГИ.

Апробация работц. Основные полоаения диссертации докладева-лись на научно-технических конференциях молодых ученых в С-ПбГЙ (1939-1992 гг.)-.

Публикации. По reue диссертации опубликовано 2 статьи и получено авторское свидетельство на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на -Ш страницах машинописного текста, содержит рисунков, 3 таблиц, список литературы из Чт каниеновакий и Ч приложений..

- б -

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В обзорной части диссертации показано состояние исследован»! в области определения нагрузок и режима работы исполнительных органов проходческих и выеиочкых комбайнов, откачены достихени! большого числа отечественных ученых в данной области, работавших в коллективах ИГД ииени А.А.Скочкнского, ДонУГЙ, МГИ, ТПЙ, С-ЯбГИ и других организаций.

Анализ работ показал, что средние нагрузки, определенные расчетным и экспериментальным способом, ныеют достаточную схо-дайость. Влияние рехишых параметров на среднюю нагрузку хорошо исследовано. Фактическая Скгновенная) нагрузка комбайна не имеет однозначного описания. Ее достоверные характеристики но-гут быть получены в результате статистической обработки экспериментальных данных.

Работ, посвященные реяиыу, указывают, что влияние на сред* йюю и мгновенную нагрузку основных режимных параметров ( V,* -скорости резания, Л - количество резцов на исполнительной о гане) различно. При увеличении % и П средняя нагрузка возрастает* динамика понижается. 8то предполагает наличие экс ревунов при установлении общей зависимости средней и мгновенной нагрузки от рассматривавши реаиииых параметров, и на оснований ргого, определение рационального режима работы исполк тельного органа.

я Существующие установки, используемые для испытаний одиноч» резцов недостаточно точно воспроизводят яесткость, инерционность, траекторию а направление движения резца на исполнител: вон органе комбайна.

Указанные вопросы определила цель работы и позволили сфор пировать основные задачи исследования.

Решенке поставленных: задач и выполнение цели работы предп лагается в три этапа: экспериментальное определение иеханиче ких свойств разрушаемых горных пород (протерозойских глин) рационального режущего инструмента; сопоставление результате шахтных испытаний комбайнов в рассматриваемых условиях с ра< четными и корреляционно-спектральный анализ фактической на: рузка; выбор рационального режиыа работы исполнительных ор:

- ? -

нов комбайнов.

Первый этап заключается в определении механических свойств протерозойских глин (хрупкость - £ , сопротивляемость резании -Ар ) и выбор оптимального рекувего инструмента (серийных резцов) из условия минимальных значений энергозатрат резания, сред- • него усилия и неравнсмерности усилий на резце. Неравномерность усилий на резце оценивается по среднеквадратичному отклонению усилия С5г и виду корреляционной функции усилия Зта оценка характеризует изменение нагрузки во .времени в функции толщины стружки Ь . Испытывалнсь резцы типа: РКС-1, ЗР4.80, РПП, ШБШС-04, ИШ1С-03, ЕБ12С-04, ЗНЗ. Эксперименты проводились в забое шахты Ленметростроя на установках АСР и "Вертушка" (С-ПбГИ) с регистрацией игновенных параметров на ленту осциллографа.

Установка "Вертушка" работает следущим образом. На закрепленную в вертикальном забое ось насаживается рычаг. На одном конце рычага размещается испытываемый резец, на другом - подвешивается груз. Резец с рычагом подвигают к забою, устанавливая необходимую толщину стружки. При подвешивании на плечо рычага определенного груза рычаг поворачивается, и резец режет породу. Мгновенная скорость вращения через кривоишшо-шатунный механизм, связанный с рычагом и датчик скорости фиксируется на осциллографе .

Установка АСР имеет ряд недостатков: резец режет породу по напластованию, а рассматриваемые горные машины режут породу вкрест напластования; установка недостаточно точно характеризует динамику процесса разрушения, а значит, не позволяет получить достоверную общую картину (недель) резания протерозойских глин. Эти вопросы решаются на установке "Вертушка", где сопротивляемость породы резанию определяется с учетом изменяющейся во времени скорости резания чр

А -

п Яр" ^

где (зг - вес подвешенного груза, й; Мл и ГПг - конструк-тивяые коэффициенты, зависшие от конструкции и пояснения рычага установки; И - толкина срезаемой стружки, мм; знак - " -для ускоряющих процессов, " + " - для замедляющих.

Второй этап выбора режима работы комбайна заключается в экспериментальной определении в забое средних и мгновенных нагрузок, испытываемых комбайном при работе и оценке в общей нагрузке машины, ее доли на исполнительном органе.

В работе рассматриваются, комбайн 1ПК-ЗР и каретка агрегата АШ11, работающие на шахтах Ленаетростроя.

к В ходе шахтных испытаний машин определены средние и динамические нагрузки в виде силовой п), энергетической

Р-^(^) и динамической /(Уп) характеристик, а так-

же корреляционные функции характеризующие изменение

дисперсии нагрузки потребляемой мощности комбайна через промежуток времени , и спектральная плотность бр И) , показывающая вклад каждой частоты в дисперсию нагрузки.

Проведенная статистическая обработка данных экспериментов показала, что нагрузка, испытываемая кареткой агрегата АМН и комбайна 1ПК-ЗР стационара и зргодична, что свидетельствует об однородности протерозойской глины.

Для используемых на исполнительных органах каретки АМШ и комбайна 1ПК-ЗР, резцов и схем их расстановки расчетным путем определены средние нагрузки, испытываемые комбайнами при работе, и сопоставлены с экспериментальными. Отклонение составляет не более 2%, что позволяет определять средние нагрузки комбайнов расчетный путем..

Используя данные, полученные при испытаниях одиночных резцов (первый этап) в виде корреляционной функции одного резца 1 К*; (Г-) и спектральной плотности ■ которые ха

ракгеризупт изменение мшеззл.юй нагрузки на резцах (рассматриваемых комбайнов), определяем нагрузку формирующуюся на исполнительном органе. Случайные функции нагрузок на резцах считаем не коррелированными. Общая корреляционная функция нагрузки на исполнительной органе определится:

Спектральная плот«^**,;

где Ир - число резцов, находящихся в контакте с породой.

При анализе функций Gtf), Rp (?), GpiJ)

оценивается вклад в общую нагрузку комбайна нагрузки, возникае-мой на резцах, определяется неявная амплитудно-частотная характеристика привода ч

IшИрМ'Уед* -ff •

Неявная амплитудно-частотная характеристика служит для расчетного определения динамической нагрукенности двигателя комбайна при новых резцах и схемах их расстановки на исполнительном органе.

Проведенные исследования позволили перейти к третьему этапу разработки метода выбора и обоснования рационального режима работы исполнительных органов комбайнов.

На рис. I дано графическое доказательство необходимости выбора рационального режима работы исполнительного органа комбайна исходя из допустимого соотношения средней и мгновенной (фактической) нагрузок, обеспечения равенства трех мощностей -средней Р, устойчивой и тепловой Рг , которые могут

быть представлены следующими уравнениями:

' jP=R+/4nVP + eví,, (2)

[p^ü/Tmíñ1, а)

где F¡ym».*<p - максимальная фактическая мощность двигателя привода исполнительного органа, кВт; Р< - мощность холостого вращения исполнительного органа, кВт; Ри - номинальная мощность двигателя, кВт; К - коэффициент, характеризующий относительное отклонение мощности; - коэффициенты энергетической характеристики комбайна; Н - удельные простои комбайна, с/м; VÍ, - скорость подачи, м/с.

Для упрощения объяснений рассмотрим частный случай, при котором удельные простои комбайна равны нулю М=0 , а значит, тепловая мощность равна номинальной Рг~ Рн . На рис. I показаны три варианта нагрузок: средних в виде энергетических харак-

теристик (рис. I, пряные I, 2, 3); мгновенных в

виде динамических характеристик \/п) (рис. I, прямые

Iй, 2", з") и устойчивой (рис. I, пряные I», 2*, 3»), Все прямые даны для грех разных значений и Н, средняя нагрузка мала, а динамическая высока (рис. I, прямью: I, I', I ). При больших значениях Ур и /1 средняя нагрузка высока, а динамическая мала (рис. I, прямые: 3, 3*. 3 ).

Основными ограничениями скорости подачи при работе комбайна являются: тепловая мощность Рг-Р* среднеквадратичное значение мощности Рн (для упрощения будем рассматри-

вать в виде ) (рис. 1} и устойчивая мощность, кото-

рая характеризуется точками пересечения кривых энергетической характеристики и устойчивой мовдости Ру'^ . При небольших значениях % и П наименьшей допустимой скоростью подачи из рассмотренных ограничений, будет скорость подачи по динамике . Скорость подачи по устойчивой и тепловой мощности \Znir выше (рис. I). При средних значения* Ур и А (прямые 2, 2*, рис. I) средняя, тепловая и устойчивая мощности равны между собсй ^гиу.г » а скорость подачи по динамике больше скорости подачи \/лзч..т Данный вариант соответствует такому сочетанию режимных параметров П, Уп лри котором обеспечивается допустимое соотношение средней и мгновенной нагрузки, определяемое при решении системы уравнений (I), (2), (3). Решение этой системы уравнений необходимо проводить с учетом минимальных удельных энергозатрат на резание. Минимум энергозатрат и иеблоки-рсванность резания определяет отношение ±})л-сопч1 =с установленное яри испытаниях одиночных резцов £ 6. - ширина стружки).

Проведя соответствующие преобразования, система уравнений (I, 2, 3) примет вид:

Уп *

гу -р -»//Ла.,,; (4)

Г,^ ^ у VI- }

ргКхУрМ'ту^аУа, ^

РггРн/1* (6)

где Пt - количество линия резания; К у - усилие сопротив-

рис. /... Номограмма Эля определения допустимой скорости подачи ' {,¿,3-энергетические характеристики; -Устойчибая мощность; С215-Зинамаческие характеристики

ления холостому вращению исполнительного органа, кН;

- коэффициент, характеризующий-динамику нагрузки при единичных значениях рехишшх параметров, кВт;

- диаметр исполнительного органа комбайна» н; -* ширина захвата исполнительного органа комбайна, м. »

При больших значениях Я, П<, ограничением будет

тепловая моцность, обеспечивающая скорость подачи \/тТ • Ас динамике и по устойчивой мощности можно работать при больвих скоростях подачи , (рис. I).

Сравнительный анализ рассмотренных трех реаимов работы комбайна показывает (рис. I), что когда (тепловая, средняя устойчивая моцность равны (ренйм 2, рис. I) и если нет ограничения по динамике <с>р 4х.О,ЗР , то будет обеспечиваться наибольшая скорость, подачи исполнительного органа комбайна. 3 других режимах работы, когда данное равенство не" обеспечивается, всегда будет существовать ограничение, не позволяющее развивать большую скорость подачи, чей в режима, характеризующейся кривыми 2, 2', 2 . Аналитическое ранение системы уравнений (4), (5), (б) поззоляет найти вид зависимости при которых обеспечивается допустимое соотноление средней и мгновенной нагрузки и минимум удельных энергозатрат резания. Чтобы средняя, тепловая и устойчивая мощности были равны, их .точка пересечения должна находиться на прямой тепловой мощности (рис. I). . _ .

Общая зависимость Уп - ТК** / имеет вид:

Частные производные функции

ПО *р

й Пй определяют зависимости оптимальных значений' уро«т И ГЦепг пбасяеЧИраВЕИХ Уптач_____

'чогт и^А'Ур/ "

Область значений Vel~f(\/p,f\ь) ограничивается равенством

) при которой У«=0. Из этого равенства следует, что на диапазон изменения ^ влияет мощность двигателя и сопротивление холостому вращении исполнительного органа Кх . Преувеличении мощности двигателя диапазон Ур увв' личивается, при увеличении К* диапазон Ур уменьшается.

На рис. 2 показан пример выбора рационального режима работы исполнительного органа каретки агрегата.

Расчет зависимостей произведен по формуле

(?) при . Кривые на рис. 2 соответствуют:

»2 I - П«, ' « 20; Х2 2 - Гк «= 18; № 3 - Л«, в 16; № 4 - ги « 15; 16 5 - ги " I*; Иг 6 - « 12; К» ? - = 10; наибольшие скорости подачи обеспечит

схема набора резцов при Н* = 15 (рис. 2, кривая 4).

Из рис. 2 видно, что зависимость Уп-4-(Ц>) при П4гсс«5^ имеет максимум смещенный в область малых значений V? . Это объясняется тем, что при малых значениях Ц динамическая нагрузка меняется более быстро чем средняя.

Количество резцов в линии резания определяется из

условия минимальных энергозатрат ¿/Ь г соп%£ = с

п - ГЦ-2-У»-Л,-с Пл~ '

Для схемы П<. - 15 при Ур = 2,75 м/с и

Уп«^ « 0,536 м/с; ПЛ = 3.

Аналогично проводится выбор рационального режима работы ис волнительного органа коыо'айна 1ПЙ-ЗР.

ВЫВОШ И ЗАКЛЮЧЕНИЙ

В диссертационной работе на основе существующих научных пг локзний дано решение задачи по выбору и обоснованию рационал! ного режима работы исполнительиых органов комбайнов при допу< тииом соотношении средней и мгновенной (фактической) нагрузю и минимальных удельных энергозатратах на резание порода.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие вьгао'

ды:

Vn4M/c

iuc.2. 3aßucuMocmu Vn=j(Vp) (йеспечи&аю-щие (P=R/ûTfPr и Hwrffi¿n) Зля кареш-

1. Выбор режииа работ исполнительного органа комбайна должен проводиться по предложенной ыетодине, основанной на согласованной оценке влияния реяимных параметров на среднюю и мгновенную (фактическую) нагрузку.

2. Определение динамической нагруиенности исполнительного ор-. гана возможно только я результате корреляционно-спектрального анализа мгновенных нагрузок, зафиксированных экспериментально три работе машины в забое.

3. Установлено, что существующие методики расчета средних «грузок достаточно точно совпадают с экспериментальными знаниями.

4. При определении силовых характеристик одиночных резцов наиболее точные результаты дают тензоыетрические устройства.

5. При определении усилий резания резца на установках значительные погрешности вносят конструкции установок.

Реализация работы обеспечивает на шахтах Ленметростроя: рациональный репии работы комбайнов; внедрение буровых станков с рациональным режимом резания; снижение удельных энергозатрат горных машин, ловниение производительности.и скорости проходки станций и выработок; повышение безопасности работ в забоях за счет работы машин без перегрузок.

Расчетный экономический эффект только за счет повышения производительности машин на шахтах Ленкетростроя составляет 392 тыс, рублей в год.

Рекомендации и вывода по работе целесообразно использовать на калийных рудниках (выбор рационального типа роздов и определение рационального режима работы комбайнов), угольных, соляных и сланцевых шахтах.

Кроме экономического эффекта, внедрение результатов исследования предполагает социальный эффект, благодаря снижению динамических нагрузок на исполнительных органах комбайнов, а значит уменьшению вибрации, пылеобразования, иума.

Результаты работы частично включаются в учебный процесс. В лаборатории горных машин С-ПбГИ с помоеью студентов создан стенд для изучения метода определения сопротивляемости горных пород резанию.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Иванов В.Г., Пешков А.Ы, Расчет нагрузок и параметры исполнительного органа агрегата АМН, эксплуатируемого на иахте

!й 520 Ленметростроя // Метросгрой, 1939, !к 7.

2. Кеиков А.!.1. Метод выбора рационального режима работы исполнительных органов комбайнов // Зап. Ленингр. горного ии-та. 1991, т.126.

3. А.с. 1696697 СССР, 1Ш1 Е21С 39/00. Способ определения сопротивляемости породы резанию / М.Д.Коломийцов, А.и.Мешков (СССР). - » «87187/03. Заявлено 05.06.S9; - опубл. 07.12.91 - Бол. К» 45,