автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Разработка и создание рабочих органов выемочных машин для улучшения сортового состава добываемого угля

РГО ОД

На правах рукописи

сСо^ ХОРЕШОК Алексей Алексеевич

УДК 622.23.054.54

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ВЫЕМО ЧНЫХ МАШИН ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СОРТОВОГО СОСТАВА ДОБЫВАЕМОГО УГЛЯ

Специальность 95.05.06 - Горные машины

АВ ТО Р Е Ф Е РА Т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово 1997

Работа выполнена в Кузбасском государственном техническом университете

Научный консультант

доктор технических наук, профессор

Нестеров В.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Картавый Н.Г.

доктор технических наук, профессор

Горбунов В.Ф.

доктор технических наук, профессор

Чернов О.И.

Ведущее предприятие - Институт угля и углехнмин СО РАН.

. Защита диссертации состоится 26 декабря 1997 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 063.70.01 в Кузбасском государственном техническом университете по адресу: 650026, г.Кемерово, 26, ул.Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 25 ноября 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.70.01, докт.техн.наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Высокие показатели работы очистных забоев с механизированными комплексами на пластах с благоприятными условиями послужили основанием для внедрения их в более сложных горно-геолотческих условиях угольных и сланцевых шахт и широкого их применения при добыче фосфатов, калийных солей, марганца и урановых РУД.

Технический прогресс, расширение области применения механизированных комплексов ведет к их постоятпгому развитию, важнейшим моментом которого является создание новых и совершенствование существующих очистных комбайнов, выполняющих основные операции технологического процесса - отбойку и погрузку горной массы на забойный конвейер. Однако анализ показателей работы механизированных забоев показывает, что наряду с высокими результатами во многих случаях имеют место низкие технико-экономические показатели, основными причинами которых являются недостаточный уровень средств механизации и, в частности, выемочных комбайнов и усложняющиеся горно-технические условия их эксплуатации.

Основную проблему при этом представляет отработка пластов, содержащих твердые включения и прослойки. Отработка таких пластов современными комбайнами характеризуется пониженной на 25-35% производительностью и повышенной энергоемкостью, которые влекут за собой переизмельчение полезного ископаемого и увеличение содержания пыли в атмосфере забоя. При отработке таких пластов удельный расход рабочего инструмента в 5-10 раз выше, а наработка его на отказ ниже в 1,5-1,7 раза, чем на пластах простого строения. При этом около половины времени простоев комбайнов связано с выходом из строя исполшггельных органов. Увеличение энерговооруженности комбайнов не ведет к существенному повышению показателей работы выемочных комбайнов, а некоторые из них, такие как сортовой состав добываемого угля и пылеобразование, наоборот неуклонно ухудшаются. Расширение добычи угля механическими способами привело к значительному ухудшению его качества.

Не оспаривая преимуществ механизации добычи угля, отметим некоторые отрицательные последствия излишнего измельчения добываемых утлей и повышенное содержание угольной пыли в атмосфере забоя. Вынужденное нерациональное использование угольной мелочи (удорожание операций обогащения, низкая стоимость) наносит предприятиям отрасли значительный экономический ущерб.

Увеличение запыленности атмосферы забоя требует дополнительных затрат на средства пылеподавления и способствует росту профессиональных заболевагаш. Очень напряженна и экологическая обстановка шахтерских городов. В частности, в Кузнецком бассейне около

12% всех валовых выбросов в воздушный бассейн принадлежит предприятиям угольной промышленности.

Необходимо отметить, что увеличение содержания угольного штыба класса 0-6 мм в сжигаемом топливе на 1% снижает КПД топки на 0,34% и увеличивает расход топлива на 8-14 г/кВт-ч, а затраты же на обогащение одной тонны угля мелких классов в 4-8 раз выше, чем затраты на обогащение одной тонны угля более крупных классов.

В связи с увеличением выхода угля мелких классов и в связи с повышением,нагрузки на забой увеличивается и запыленность атмосферы забоя, которая превышает допустимые нормы.

Поэтому в настоящее врет со всей остротой встала проблема разработки и, создания исполнительных ррганов выемочных комбайнов, улучшающих сортовой состав добываемого угля и снижающих запыленность атмосферы забоя.

, , Для решения данной проблемы необходимо иметь инструмент, позволяющий планировать и нормировать сортовой состав добываемого угля на всех стадиях технологического процесса, начиная со стадии проектирования исполнительных органов выемочных комбайнов.

Следовательно, настоящая работа непосредственно связана с важнейшими проблемами народного хозяйства - проблемами повышения качества добываемого угля и улучшения социальных условий труда рабочих в забое, .решению которых уделяется исключительное внимание.

Исследования выполнялись в рамках отраслевого плана НИР Минуглепрома. по головной теме 0105 «Разработать прогрессивную технологию и создать средства комплексной механизации и автоматизации очистных работ на пологих пластах (до 35°) средней мощности (1,2-3,5 м) со сложными горно-геологическими условиями...»; программы работ ИГД им. ААСкочинского, ПНИУИ, КузПИ по теме 010310000 «Разработать разрушающие инструменты и исполнительные органы для выемки угольных пластов сложного строения с крепкими породными прослойками, включениями и присечкой боковых пород (Применение шарошечного инструмента для разрушения угольных пластов с крупными включениями и породными прослойками)«; плана НИР и ОКР предприятия п/я М-5703, утвержденного постановлением ВПК при председателе Совета Министров СССР от 22.01.81г; программой «Уголь Кузбасса», являющейся составной частью программы «Сибирь».

Цель работы -разработка и создание рабочих органов выемочных машин с дисковыми шарошками и резцами бокового скола, позволяющих улучшить сортовой состав добываемого угля и снизить запыленность атмосферы забоя.

Идея работы заключается в улучшении сортового состава /добываемого угля и снижении пылеобразования за счет создания и •применения исполнительных органов выемочных машин с клиновыми рабочими инструментами, разрушающими забой крупным сколом, для отработки пластов различного строения.

Задачи исследовании

1. Исследовать, описать и проанализировать процесс формирования кусковатости продуктов разрушения массива.

2.Выявить влияние формы передней грани разрушающего инструмента на гранулометрический состав продуктов разрушения и особенности формирования гранулометрического состава угля с учетом его структуры.

3.Оценить качественные и количественные связи между геометрическими параметрами инструмента, параметрами разрушения и гранулометрическим составом, разработать модели и методы прогнозирования гранулометрического состава при разрушении горного массива.

4. Разработать рекомендации по конструктивному оформлению исполнительных органов с клиновыми инструментами с учетом кинематических особенностей их работы с улучшенными эргономическими свойствами, обеспечивающих улучшение сортового состава и снижение запылешюсти шахтной атмосферы.

5.Создать рабочие органы выемочных комбайнов, оснащенных клиновыми инструментами и оценить эффективность их применения

Методы исследований. В процессе выполнения работы использовались как общенаучные, так и специальные методы исследований, включая научное обобщение, методы математической теории упругости, механики разрушения и численного моделирования с применением ЭВМ. При выполнении экспериментальных исследований были использованы методы:

•теории планирования эксперимента;

•электро- и тензомстрировашгя;

•математической статистики при обработке экспериментальных данных и построении комплекса регрессионных зависимостей;

•методы параметрической идентификации созданных моделей с экспериментально полученной информацией.

При проектировании исполнительных органов применялись методы анализа и синтеза схем набора режущего инструмента с учетом кинематических особенностей работы каждого типа разрушающего инструмента.

Научные положения, выносимые па защиту:

1. Формирование гранулометрического состава продуктов разрушения в наибольшей степени зависит от ша разрушающего инструмента, определяющего напряженно-деформированное состояние массива под лезвием инструмента. Поверхности разрушения и объемы крупных элементов, получаемые в результате разрушения массива рабочим

инструментом с передней гранью в виде одностороннего клина при прочих равных условиях в 1,5-2 раза больше, чем для резцов с плоской передней гранью и гранью в виде двустороннего клина.

2.Гранулометрический состав продуктов разрушения определяется не только абсолютными значениями параметров разрушения (шаг резания 1р и глубина И), но и их соотношением, которое с точки зрения рационального фракционного состава угля должно быть 1,5< 1р/Ь <3,0.

3.Модель прогнозирования гранулометрического состава угля, учитывающая не только режимные параметры и параметры режущего инструмента, но и структуру разрушаемого угля.

4.Работоспособность и эффективность разрушения дисковой шарошкой определяется критическими значениями соотношения усилий резания и подачи, определяющими условия ее вращения в зависимости от конструктивных параметров, коэффициента трения и угла установи! шарошки.

5.Оценка схем набора разрушающего инструмента на рабочем органе и сортового состава продуктов разрушения, должна производиться с учетом коэффициента кинематической заблокированное™ резов, учитывающего соотношение центрального угла между разрушающими инструментами, расположенными в двух соседних линиях резания, и разности диаметров установки этих инструментов.

б.Расчет ■ сортового состава добываемого угля для конкретного очистного забоя необходимо . производить на основе модели формирования .нагрузок на рабочем органе, отличающейся тем, что в ней учитываются не. только физико-механические свойства разрушаемого пласта, но и расположение и мощность прослойков или твердых включений, и тем, что эта модель позволяет рационализировать схему набора разрушающего инструмента на рабочем органе.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены корректной постановкой задачи по исследованию процесса разрушения горного массива различными инструментами, учитывающей основные представления механики хрупкого разрушения; использованием моделей, адекватность которых реальны процессам подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований. При лабораторных исследованиях был применен стенд с бесконтактным тензометрическим динамометром, обеспечивающих! регистрацию нагрузок на инструменте с высокой точностью. В шахтных условиях проводились сравнительные исследования серийных исполнительных органов с экспериментальными, что обеспечивало объективную оценку новых технических решений. Положительные результаты, полученные при опытной эксплуатации экспериментальных исполнительных органов в различных горногеологических ,и горно-технических условиях, подтверждающие правильность технических решений, научных положений, выводов и рекомендаций.

Научная новизна диссертации заключается:

•в установлении основных закономерностей формирования кусковатости отделяемых от забоя дисковой шарошкой , элементов

массива; .........

•в разработке метода прогноза гранулометрического состава угля, основанного на моделях формирования кусковатости, при разрушении массива шнековыми исполнительными органами , с дисковыми шарошками и резцами бокового скола;

•в установлении критических значений отношения усилий резаштя и подачи для условия вращения кутковой дисковой шарошки;

•в оценке схем набора режущего инструмента через кинематический коэффициент заблокированносш, который учитывает соотношение центрального угла между разрушающими инструментами в соседних линиях резания и разность диаметров их установки и влияет на сортовой состав продуктов разрушения;

•в установлении закономерностей, позволяющих при моделировании нагрузки на исполнительном органе с дисковыми шарошками выбирать схему набора разрушающих инструментов, а также учесть физико-механические свойства разрушаемого массива, мощность "и расположение прослойков и твердых включений.

Личный вклад заключается в теоретическом обобщении и решении крупной научной проблемы, какой является разработка и создание исполнительных органов выемочных машин, улучшающих сортовой состав добываемого угля, и снижающих запыленность атмосферы забоя. В рамках отдельных разделов диссертации личный вклад автора заключается в разработке моделей формирования кусковатости разрушаемого дисковой шарошкой однородного массива; в построении модели формирования кусковатости угля при разрушении дисковой шарошкой, позволяющей учесть структурные особенности массива; в разработке метода прогноза гранулометрического состава угля при разрушении его исполнительными органами с дисковыми шарошками, который, дает возможность оценить влияние геометрических параметров инструмента, режимов разрушения и структуры массива; в исследовании и моделировании нагрузок, действующих на исполнительный орган; в установлении влияния мощности и местоположения твердых прослойков и схемы расположения инструмента на основные силовые характеристики работы испытательного органа в разработке основных принципов конструктивного исполнения рабочих органов с дисковыми шарошками и резцами бокового скола в установлении области эффективного применения рабочих органов, оснащенных клиновыми инструментами.

Практическое значение работы заключается:

•в разработке рабочих органов с дисковыми шарошками и резцами бокового скола ИБС для различных горно теологических условий, улучшающих сортовой состав добываемого угля и снижающих запыленность атмосферы забоя;

•в разработке метода прогноза сортового состава угля, добываемого новыми рабочими органами, и применении его на стадии проектирования шнеков, оснащенных дисковыми шарошками и резцами бокового скола;

•в увеличении производительности выемочной машины за счет снижения удельных энергозатрат на разрушение и снижении времени простоев на замену инструментов',

! "' *в снижении затрат на рабочий инструмент при отработке угольных пластов с прослойками и твердыми включениями и пластовых месторождений песчано-глинистых руд.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

По результатам исследований разработаны при участии автора и утверждены техническим управлением Минуглепрома СССР технические задания' на * «ШнекЪвый исполнительный орган» и «Шарошечный инструмент х шнековому исполнительному органу для выемки пластов сложного строения».

Решением междуведомственной комиссии по результатам приемки опытного образца шнекового исполнительного органа с дисковыми шарошками' для очистного комбайна КМ-ЗМ Минуглепрому СССР рекомендовано принять к серийному производству шнеки с дисковыми шарошками для выемки пластов I-II категорий по разрушаемости и 1-2 группы по сложности строения пласта (акт и протокол приемочных испытаний №'108-Тот 28.ll.86rl).

"'" 1 Применение шнековых рабочих органов с дисковыми шарошками включено предприятием п/я М-5703 в проект отработки месторождения песчано-глинистых руд заказа 2206 с экономическим эффектом 140 тыс.рублей в год (в ценах 1990 года).

Методика расчета нагрузок на дисковой шарошке и шнековых рабочих органах, оснащенных дисковыми шарошками, утверждена предприятием п/я М-5703 и использована предприятием п/я А-1372 при проектировании и создании рабочих органов очистных и проходческих комбайнов.

Результаты исследований включены в рабочие программы учебного курса «Горные машины и комплексы» и «Эксплуатация и ремонт горных Машин» для студентов направления Т18 «Технологические машины и оборудование».

По результатам исследований и их внедрения на шахтах АО «Кузнецкуголь», АО «Ленинскуголь» и предприятиях п/я А-1372 и Р-6210 экономический эффект составил 416,4 тысячи рублей ( в ценах 1990 года).

Апробация работы. Работа и ее отдельные части докладывались и получили одобрение на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Кемеровской области (г.Кемерово, 1977г.); на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (г.Караганда, 1978г.); на областной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (г.Кемерово, 1982, 1983гг.); на Всесоюзной научно-технической конференции молодых

ученых и специалистов угольной промышленности (г.Москва, Люберцы, ИГД им. А.А. Скочинского, 1983г.); на техническом совещании ордена Ленина ВПО «КуЗбассуголь» (г.Кемерово, 1984г.); технических советах предприятия п/я А-1372 (г. Навои, 1984, 1987, 1989гг.); техническом совете предприятия п/я М-5703 (г.Москва, 1985г.)"; V республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов горной промышленности Грузии (г. Тбилиси, 1986г.); на научно-техническом совете СА НИИ ПТ (г.Ташкент, 1990г.); на научно-практическом семинаре «Проблемы и перспективы развития горного дела на северо-востоке СССР» (г.Якутск, 1990г.);на Международном семинаре «Проблемы и перспективы развития горной техники. Горные машины и оборудование» (г.Москва, 1994); на Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития технологий и средств бурения» (г.Кемерово, 1995), ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (г.Кемерово, 1980-1997 гг.).

Работа выполнена на кафедре горных машин и комплексов Кузбасского государственного университета, сотрудникам которой автор выражает глубокую благодарность,

Объе.ч диссертации.

Диссертация состоит из введения, 7 разделов, заключения и списка литературы из 202 наименований изложенных на 340 страницах машинописного текста и содержит 119 рисунков и 29 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Исследованию, созданию и совершенствованию исполнительных органов выемочных машин и рабочего инструмента посвящены работы многих научно-исследовательских, проектно-конструкторских институтов и вузов, среди которых следует отметить ИГД им.Скочинского, Гипроуглемаш, Доншпроуглемаш, ПНИУИ, КНИУИ, ДонУГИ, Московский государственный горный университет, Санкт-Петербургский, Тульский, Донецкий, Кузбасский, Карагандинский государственные технические университеты.

Значительный вклад в развитие теории работы исполнительных органов горных машин внесли А.М.Терпигоров, В.Н.Потураев,

A.В.Докукин, Я.И.Алыпиц, Л.И.Барон, А.И.Берон, Н.Г.Бойко,

B.А.Бренер, Н.Г.Картавый, В.Н.Гетопанов, Л.Б.Глатман, В.Ф.Горбунов, А.Н.Коршунов, А.Г.Лазугкнн, Е.З Позин, М.С.Сафохин, В.Н.Солод, Г.И.Солод, В.И.Нестеров и другие.

Анализ большого объема теоретических и экспериментальных исследований, направленных на совершенствование рабочих органов выемочных машин, показывает, что работы связаны с совершенствованием процесса транспортирования, с выбором рациональных схем и режимных параметров разрушения, с повышением надежности и долговечности разрушающих инструментов и рабочих органов, с применением новых типов разрушающих инструментов и с

повышением эффективности комбайнов по фактору сортности добываемого угля.

Исследования по измельчению углей и выбору рациональных параметров и схем набора инструмента тесно связаны между собой. Учитывая большое народохозяйственное значение в энергетическом, социальном и экономическом аспектах, остановимся на этом вопросе подробнее, ибо, несомненно, что рост механизированной отбойки и энерговооруженности комбайнов ведет к снижению выхода сортовых углей.

Чтобы обеспечить улучшение сортности в угольной отрасли необходимо планировать и нормировать сортовой состав добываемого угля на всех стадиях технологического процесса. Для оперативного анализа сортового состава необходимы методики, позволяющие оценить вклад каждой операции технологического процесса в измельчение угля и прежде всего основной операции - разрушения.

Описание механизма измельчения угля при резании впервые было дано А.И.Бероном. В дальнейшем исследованиям свойств углей как сред, разрушаемых рабочими органами комбайнов, и моделированию фракционного состава продуктов разрушения посвящены работы Е.З.Позина, А.С.Казанский, М.Ф.Кунтыша, Ю.НЛинника, В.З.Меламеда, В.В.Тона, С.М.Азовцевой, Э.И.Баронской и других.

'"Экспериментально полученные зависимости выхода угольной мелочи от энергии, затраченной на ее образование в ИГД им.А.А.Скочинского была разработана методика расчета сортового состава угля и пылеобразования при работе угледобывающих машин, которая легла, в основу ОСТа 12.44.258-84. Было установлено, что гранулометрический состав угля при разрушении резцами подчиняется закону распределения Вейбулла.

Использование указанной методики при расчете сортового состава угля при разрушении его рабочими органами с дисковыми шарошками дает расхождение теоретических и экспериментальных данных по выходу подрешетных продуктов. Это еще объясняется и тем, что рассмотренная методика основана на эмпирических данных по разрушению угля резцами и представляет собой полуэмпирическую модель, не пригодную вне области ее построения. Кроме того, резцы и дисковые шарошки имеют различные геометрические параметры и разные механизмы разрушения.

Учитывая то, что уголь представляет собой структурный материал, все большее число исследователей приходит к выводу о том, что при описании процесса разрушения угля необходимо исходить из его структуры. Проведенный анализ работ по влиянию структурных особенностей угля на сортовой состав продуктов механического разрушения показал, что эти модели носят только качественный характер. Практически моделирование гранулометрического состава продуктов механического разрушения угля проводилось традиционно с рассмотрением размера отдельностей как статистического ряда и

подбором функции распределения для удобного математического описания. Никогда этот статистический ряд не рассматривался как результат реализации определенного механизма разрушения материала, обладающего некоторой структурой.

Возможность л целесообразность использования дисковых шарошек на рабочих органах очистных комбайнов, значительно улучшающих сортовой состав продуктов разрушения, показаны в работах А.Н.Коршунова, В.И.Нестерова, Д.М.Дергунова, Н.Д.Бенюха, Ф.В.Корчуганова, А.Б.Логова, Б.Л.Герике, А.А.Силкина, Ю.Г.Полкунова, Е.В.Прейс и других. В них исследовалось влияние геометрических параметров инструмента, режимов резания и физико-механических свойств углей на сортовой состав продуктов разрушения. Результаты этих исследований дают возможность только качественно оценить процесс формирования гранулометрического состава угля при разрушении его дисковой шарошкой.

Собранная представительная статистическая выборка по сортовому составу продуктов разрушения дисковой шарошкой и полученные качественные зависимости при широком варьировании исследуемых факторов позволяют моделировать процесс образования кусковатости на количественном уровне с позиций математической теории упругости, что позволяет исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС) массива под лезвием инструмента и определить поверхности разрушения, которые позволят определить направление распространения магистральной трещины, отделяющей крупный элемент от массива в зависимости от параметров разрушения и геометрических параметров инструмента.

На рис.1 приведены поверхности разрушения массива при воздействии на него разлшных типов инструментов. Анализ этих поверхностей указывает на то, что объемы отделенного крупного элемента при разрушении шарошкой почти в два раза больше, чем при разрушении резцами.

Анализ напряженно-деформированного состояния под лезвием дисковой шарошки показал, что отделение крупного элемента от массива осуществляется в зоне главных напряжений, имеющих разноименные знаки С1>0, сг2<0 и стз<0, а изменение хрупкости в этой зоне от 0 до 1 приводит к изменению механизма разрушения. Установлено также, что на местоположение зоны зарождения макротрещины и рациональное значение режимных параметров влияет угол заострения, причем каждое значение угла заострения шарошки имеет свои присушке только ему рациональные режимные параметры - значение угля заострения должно находиться в пределах 30<ф238°, а направление распространения макротрещины в массиве зависит не столько от параметров разрушения, сколько от их соотношения, которое для лучшего сортового состава должно быть Ц/\\<\,77-1,94.

Рис.1. Поверхности разрушения материала режущими инструментами (а- шарошкой, б- резцом с плоской передней гранью, в- резцом с передней гранью в виде двустороннего клина, г- резцом с передней гранью в виде одностороннего клина)

При сравнении НДС для шарошки и резцов установлено, что зона объемного сжатия для шарошки находится под лезвием и в процессе разрушения существует постоянно, а для резцов эта зона находится перед передней гранью и периодически происходит освобождение резца от уплотненного ядра.

Необходимо отметить, что координата выхода магистральной трещины на свободную поверхность определяется зависимостью:

г=(1-5т(р)(1р-11)2-Ь^(р)+9,23, (1)

где 1р-шаг резания, см; Ь - глубина резания, см; <р - угол заострения инструмента, рад.(град).

Учитывая цикличность процесса разрушения дисковой шарошкой, объем крупного элемента V в цикле разрушения состоит из двух частей: V] и У2 (У=У1+Уг) (рис.2,а). Объем VI в первом приближении оценивается объемом треугольной пирамиды, а объем У2 представляет собой призму, ограниченную цилиндрической поверхностью с радиусом, равным радиусу дисковой шарошки, и оценивается аналитически. Объем материала, разрушенного за один цикл, равен объему параллелепипеда с измерениями Ь и г.

Для подтверждения результатов численного моделирования и количественной оценки объема использованы экспериментальные данные. Обработка результатов проводилась с использованием множественной пошаговой регрессии. Учитывая вероятностный характер разрушения, объем VI крупного элемента оценивается интервально. Экспериментальные исследования показали, что оценкой .нижней границы изменения объема VI является объем прямой треугольной пирамиды с измерениями 1Р), Ь и г, а верхней - восьмая часть эллипсоида с полюсами , й и ъ. Точечной оценкой объема VI крупного элемента является среднее между ними

V" у3-4 1 кг

= + (2)

Оценкой объема Уг крупного элемента считаем объем треугольной призмы, ограниченной сверху цилиндрической поверхностью с радиусом дисковой шарошки

где Е- радиус дисковой шарошки, см.

Оценкой всего объема крупного элемента V является УСР(УП^УСР£УЭЛ) (V," + Уг) < (\'7Р У2) < (V," + (4)

Тогда процентный выход крупного элемента с учетом интервальной оценки равен

Рис.2. Объем скола крупного элемента в цикле разрушения (а- однородного материала, б- угля)

V"

= --: = --: XV3" = ■

V V ' V '

цикла цикл» 1 цикла )

ду» < < уум

Установлено, что для получения стабильных по крупности элементов необходимо принимать шаг резания 1р>6-7 см при 1< <2. Для достижения наибольшего по крупности элемента V необходимо увеличение как шага резания, так и глубины внедрения (рис.3). Увеличение шага резания с 4 см до 8 см при глубине внедрения Ь=4 см приводит к увеличению объемов крупных элементов со 100 см3 до 320 см3, т.е. в 3,2 раза, а увеличите глубины внедрения с 2 до б см при шаге резания 1р=8 см приводит к увеличению объема с 240 см3 до 340 см3, т.е. в 1,4 раза. Диаметр дисковой шарошки практически не оказывает влияния на сортность продуктов разрушения. Увеличение угла заострения шарошки уменьшает объем крупного элемента.

Процентный выход класса +50 мм увеличивается с 60% до 80% с увеличением глубины внедрения с 2 см до 6 см (рис.4,а). При шаге резания 1р= 4 см процентный "выход класса +50 мм имеет свое экстремальное значение (рис.4,6). Последующее увеличение шага резания до 8 см приводит к снижению выхода класса +50 мм до 70%, т.е. в 1,2 раза.

Угольный пласт как разрушаемая среда значительно отличается от однородного изотропного материала. Факторы, характеризующие структуру угля, в большей степени определяют этот процесс. Экспериментальные исследования по разрушению образцов угля под различными углами наклона плоскостей ослабления у к поверхности разрушения (за плоскости ослабления приняты плоскости напластования) показали, что для у=0° этот процесс происходит подобно разрушению однородного материала. Для других значений 0<у<90° характер разрушения определяется плоскостями ослабления.

Формирование крупного элемента для угля несколько отличается от формирования крупного элемента при разрушении однородного материала. Здесь кроме глубшгьг внедрения Ь появляется еще величина Ь, характеризующая глубину формирования цикла (рис.2,б).

Для количественной оценки объемов крупных элементов, а следовательно, Ь п Z использовались результаты экспериментальных исследований. Установлено влияние геометрических параметров дисковой шарошки, параметров разрушения на глубину формирования цикла и на объем всего крупного элемента в цикле. Наибольшие значения величины Ь, Ъ и V принимают при соотношении 1,5</1г<3, следовательно, при этом же соотношении получается и наибольший объем крупных элементов. Установлены оценки объема крупного элемента при разрушении угля дисковой шарошкой

эл

\лт

ц=8 И / / /

1р/Ь>2 / / ^ / /

// / / /

/ / / 1р/)к)

V/ /

V*/ 7

<р=30° 0=28см

.S, см-

О ю 20 ¿о чо

Рис. 3. Зависимости объемов У1р разрушенного крупного элемента от ссчсния резп Э = 1Р • Ь дисковым инструментом О = 28 см, ((> = 30°

в)

О А

Рис.

4. Заиисимостн выхода крупных \\'ч>) элсметон от глубины ри;ц|ил (;|), шита резашш (0) для дискоион ишрошкп. О = 26 см, ф 25"

гц=( ^тф)^-}!)2-^« 1,8;

(6)

Оценкой объема У2 является

■- И

\Z2Rh-h2 + —ягс$т

Ж -Ь лЯ2

Я 4

•(7)

Анализ моделей формирования крупных элементов показал, что наибольшие по крупности элементы получаются при разрушении угля дисковой шарошкой с шагом резания 1р>В см при Ь= ,5, а наилучший сортовой состав при 1р>8см и глубина внедрения Ь= гр/3.

Разрушение утля дисковой шарошкой под различными углами наклона плоскостей ослабления к оси инструмента позволяет количественно оценить влидаше структурного параметра у на объем крупного элемента в цикле разрушения.

Характер изменения Уср в зависимости от у описывается положением механизма разрушения дисковой шарошкой на определенную структуру массива (рис.5).

Объем V имеет наибольшую величину при у=50°-70°. В этом случае магистральная трещина совпадает с плоскостью ослабления и увеличивает площадь сечения крупного элемента. Разброс значений V для у, близких к 60° - наименьший. Принимая значение У для у=0 за единицу, при постоянных значениях параметров 11, П, о изменение утла у от 30 до 70° увеличивает объем крупного элемента в 2,5-3 раза.

Экспериментальная кривая изменения объема V (случай а,б,в -рис.5) в зависимости от угла наклона плоскостей ослабления у описывается функцией

Вероятность выхода угля класса \У+зо с учетом угла наклона плоскостей ослабления имеет вид

Г(у)=1+0,6$т(4у-;0.

Для случая г,д,е эта зависимость имеет вид

(8)

(9)

Рис.5. Крупные элементы при разрушении угля дисковой шарошкой для различных углов наклона плоскостей ослабления

w+so(tp.h, D,v,y) =-—-. (10)

'ц

В результате экспериментальных исследований установлено, . что вероятность выхода класса +50 мм для угля с ошибкой 20%. попадает в интервал W+5qcp< W+5o< W+5oai, что подлежит проверке в производственных условиях.

Неотъемлемым условием работоспособности шарошки является ее враще1ше, особенно это важно для кутковой шарошки, устанавливаемой под некоторым углом к направлению подачи. Под действием внешних сил и вследствие наличия торцевых и радиальных зазоров происходит пространственное смещение шарошки относительно оси и кронштейнов, что может привести к трем вариантам конструктивного исполнения узла крепления кутковой дисковой шарошки. Поскольку усилие резания Z формирует момент вращения Мвр, а усилие Y - момент трения Мтр, то естебственно предположить, что при прочих равных условиях факт вращения кутковой дисковой шарошки определяется соотношением этих усилий, что и является критерием условием вращения шарошки. Вращение кутковой дисковой шарошки будет осуществляться для каждого из трех вариантов конструктивного исполнения при соблюдешш неравенств (11-13):

112)

/7 /1/4 fb((d0cosp + dk sin [3) ftl0(D sili p - dk sin 0) (Z/Y)m> ■ b(D-fd0) ~ ' ( }

где D - наружный диаметр дисковой шарошки, мм;

dji - диаметр боковых посадочных мест дисковой шарошки, мм; dQ - диаметр оси, мм;

Р - угол установки дисковой шарошки к направлению подачи, град; b - ширина посадочного места дисковой шарошки, мм; f - коэффициент трения скольжения.

Результаты исследований условия вращения кутковой дисковой шарошки показали целесообразность использования II варианта конструктивного исполнения узла крепления, при котором угол установки дисковой шарошки не должен превышать 30°.

Исходя из того, что сущность различия трех вариантов состоит в соотношении торцевых и радиальных зазоров, то при проведении контроля как в процессе изготовления и сборки, так и в процессе изнашивания элементов узла крепления эти зазоры необходимо учитывать.

В процессе работы исполнительного органа наблюдается явление перезаглубления одного резца относительно другого, вследствие подачи комбайна на забой. Установлено, что отношение величины заглубления к толщине среза зависит от центрального угла между соседними инструментами и разности диаметров их установки. Указанное соотношение названо кинематическим коэффициентом заблокированности, который применительно к одному инструменту имеет вид:

~ 2тг"" 2000УП ' и4)

где . ср] - центральный угол между инструментами, установленными в .-. соседних линиях резания, град;

. . ДО, - разность диаметров установки инструментов в соседних линиях резания, мм;

; .11 • • - частота вращения исполнительного органа, об/мин; • - ■ Уп - скорость подачи комбайна , м/мин.

.:, у Кинематический коэффициент заблокированности с учетом группы резцов в кутковой части представляется

где К - число резцов в группе;

В] и Ок- диаметры установки, соответственно, первого и . последнего резцов в группе, мм.

Для схемы набора инструмента, содержащей N групп, кинематический коэффициент заблокированности примет вид

Приведенная методика определения кинематического коэффициента заблокированности позволяет производить анализ существующих схем набора , инструмента как в кутковой, так и забойной частях исполнительных органов, а также синтезировать схему набора, обеспечивающую минимальное значение кинематического коэффициента заблокированности.

Небольшое число рабочих инструментов вообще, и находящихся одновременно в работе, в частности, на забойной части исполнительных оорганов с дисковыми шарошками предопределяет повышенную динамичность их работы за счет детерминированных составляющих нагрузки, вызываемых переменным сечением толщины среза, неполным схватом шнека разрушаемым массивом и наличием твердых включений.

, Снижение динамических нагрузок на шнековом исполнительном органе с дисковыми шарошками может быть достипгуто за счет увеличения числа рабочих инструментов только на кутковой части шнека. Заметам, что этот способ позволяет сохранить основные достоинства

исполнительного органа с дисковыми шарошками по сравнению с серийными, оснашенными радиальными резцами - улучшение сортового состава угля и снижение запыленности в забое.

Приведенная методика предусматривает проводить оценку схемы набора инструмента в кутковой части исполнительного органа, оснащенного в забойной части дисковыми шарошками, по средним значениям крутящего момента М на валу шнека, вертикальной и горизонтальной Рг составляющих усилий, действующих на исполнительном органе, а также по дисперсиям указанных величин. Схема формирования нагрузок на шнековом исполнительном органе представлена на рисунке б.

Усилия, возникающие на одиночном инструменте, могут быть представлены моделью

г =

у =

Ъ-. • внкй, при —N < t < — + 1);

СО 03

О, при-(2^1)<и«— (N + 1);

со ш

У| -вти^ при^К < I < ^-(214 + 1);

О, при-(21\ +1) <з 1 <з — (ТЧ + 1);

сз со

(17)

(18)

N=0, 1, 2...,

где 2; и У; . амплитуды усилий резания и подачи, действующих на инструмент;

со - круговая частота вращения исполнительного органа. Положение каждого инструмента характеризуется углом 7;, отсчитываемым от условно принятого нуля. Для шнекового исполнительного органа с симметричными лопастями можно записать следующее соотношение

+ км (к =0; ±1; ±2,....), (19)

где Уо\ - угол, определяющий положение инструмента в полуинтервале (0, я).

В то же время положение этого инструмента на пути резания определяется углом а;, определяемым соотношением

«¡-«о! + кх! (к =0; ±1; ±2,....). (20)

Из рис.6 видно, что углы а; и 71 связаны уравнением

а| = 71 - ю1. (21)

Так как уравнение (21) неоднозначно, то для его получения единственного решения обе части его приведены к полуинтервалу (0, я). Тогда

шой„(а|)=то(11[шос1я(у!)-Зае], (22)

где тос^х - дробная часть отношения хД.

шо(1хх=[х-тс.еп1"1сг(х/я)]. аы= то(1„(у„])-га1. (23)

Рис. б. ■ Схсмп формиропшшя нагрузок па шпеконом исполнительном органе

F,

16

/4

Ю

б п

Рис.7. Зависимости силовых характеристик работы шнека от числа резцов в линии резания на кутковой части при П12=0,3 м и Ш]—0,6 м (Ш]-.координата прослойка, 1112- мощность прослойка)

Значение угла a0¡ лает возможность определить усилия, действующие на инструменты :

Fri = Y¡ sin2 attl - 0,5Z¡ sin 2a0l, ■ - (24) \ : Fbj = 0,5Y| sin 2aoi + Z, sin2 aoL, (25) ''

M, =Z,^-sinad> (26)

где Ош - диаметр исполнительного органа по рабочим инструментам.

Учитывая взаимосвязь усилий резания и подачи на. инструмент в

виде

Y¡ — k¡ ■ z¡,

где ki - коэффициент регрессии, зависящий от типа и конструктивных параметров рабочего инструмента, а также относительную амплитуду E¡ усилия, возникающего на инструменте, которая отражает отличие условий работы инструмента относительно эталонного, представим уравнениями'

Fr(t)=ZSi(t), (27)

Fb(t)=ZS2(0, (28)

M(t) = Z^S3(t), (29)

где Si(t), S2(t), S3(t) - кинематические функции шнекового

исполнительного органа.

Функции S](t), SjiQ, S](t) представляются выражениями "2(0

Sj (t) = 2 Etfkj sin2 a0¡ - 0,5 sin 2oc0¡), (30)

i=ni(0

■2(0 . . S2 (t) = 2 E¡(0,5k¡ sin 2a0¡ - sin2 aoI), (31)

i=«4(0 "2(0

Sj(t) = 2Efsina0¡, (32)

1 = 4(0

где ni(t) и ü2(t) - текущий номер, соответственно, первого и последнего режущего инструмента, участвующих в процессе разрушения.

Полученные кинематические функции были исследованы, причем усилия, формирующиеся на инструментах при отработке пластов сложного строения, определялись отдельно для каждого разрушаемого слоя.

Приняв сопротивляемость резанию угля за базовую, для учета сопротивляемости разрушению твердого включения вводится коэффициент V,, равный отношению указанных показателей.

В результате вычислений получены зависимости нагрузок, действующих на исполнительный орган и их дисперсий от числа резцов в линии резания (рис.7), на основании чего разработаны рекомендации по выбору рациональной схемы набора инструмента в кутковой части шнека с дисковыми шарошками.

Результаты экспериментальных .. исследований подтвердили целесообразность II конструктивного варианта исполнения узла крепления, угол установки с дисковой шарошки для которого не должен превышать 30°.

Результаты определения сортового состава в виде графических зависимостей выхода различных классов угля от угла установки инструмента р представлены на рис.8. Как видно из рисунка, сортовой состав, угля при разрушении шарошкой значительно лучше, чем при разрушении резцом, что свидетельствует о целесообразности применения дисковых шарошек в кутковой части исполнительных органов при отработке пластов простого строения.

... В целом, с учетом силовых, энергетических показателей и сортового -состава продуктов разрушения следует принимать значения параметров разрушения для куткового инструмента: толщину среза h и шаг резания tp близкими к 40 мм, а сечение стружки при этом должно составлять 15-20

СМ2. . - f

. Что же касается угла установки. рабочего инструмента, то по условию сортности угол установки дисковой шарошки должен составлять 10-15°; для резца угол должен быть минимальным и определяться конструктивными особенностями оформления кутковой части исполнительного органа.

Для определения влияния кинематической заблокированное™ на нагрузки, возникающие на резце и шарошке, были проведены резы с «нед'озагубление.м» и «перезагублением» Результаты исследований показали, что кинематическая заблокированность существенно влияет не только на усилия, действующие на инструмент, но и на сортность продуктов разрушения.

Для создания конструкции исполнительного органа с дисковыми шарошками, способного эффективно разрушать твердые включения и прослойки, с помощью специально разработанных программ для ЭВМ исследовались детерминированные составляющие нагрузки, обусловленные схемой набора инструмента на исполнительном органе и кинематическими параметрами работы комбайна, и случайные, обусловленные присутствием прослойков, имеющих различную крепость, мощность и местоположение. Исследовались схемы набора серийных исполнительных органов комбайнов КШ-1КГ, 1ГШ-68 и конструктивные схемы исполнительных органов с дисковыми шарошками, расположенными в линейной части равномерно и парными блоками и резцами, оформляющими кутковую часть. При математическом моделировании получены зависимости крутящего момента (pire. 9) от мощности прослойков, анализ которых позволяет выделить схему с равномерной установкой шарошек, при которой на исполнительном органе формируется наименьший крутящий момент. Установлено, что уровень составляющих нагрузок и их дисперсий на исполнительных органах с дисковыми шарошками на 40-60% шоке, чем на серийных.

ч%

до so

fQ

Wo 50

Z5 SO

Рис. 8. Зависимости сортового состава угля W от угла установки ß при площади снимаемой стружки S= 16 см2 (t=h=4ü см): а) резание шарошкой; б) резание резцом

а.

Ö.

М •44

■и

о,г т2

Рис. 9. Зависимости величины момента для серийных и экспериментальных исполнительных органов с различными схемами набора от величины мощности прослойков (т1=0,3 м; Шз=0,8 м)

Резцы бокового скола ИБС имеют значительные преимущества по сравнению с резцами типа ЗР4.80. Специальной конструкции рабочего органа здесь разрабатывать нет необходимости, так как державка резца ИБС соответствует размерам державки резца ЗР4.80. При этом шаг резания будет составлять 10-11 см, а сами резцы необходимо устанавливать по последовательной схеме. При отработке пластов - угля, «засоренных» твердыми включениями и породними прослойками, необходимо параметры разрушения, а именно шаг резания, уменьшать с целью исключения аварийных ситуаций. Одним из решений такой проблемы является применение самонастраивающегося рабочего органа, способного разрушать как «чистые» пласты _ угля с наименьшими энергозатратами и лучшими показателями сортового состава добываемого угля, так и засоренные угольные пласты (рис.10).

Результаты исследований основных закономерностей процесса разрушения, рекомендации по конструированию и методам расчета рабочих органов с дисковыми шарошками и сортового состава угля были использованы при проведении шахтных исследований, целью которых являлось также установление объективной оценки их технического уровня и установление области эффективного применения. Всего испытываЛось двенадцать конструкций шнековых рабочих органов с дисковыми шарошками с различными схемами набора" инструмента, различными параметрами разрушения и различным конструктивным оформлением узлов крепления шарошек (рис.11), и шнеки, оснащенные резцами ИБС.

Исследования проводились на шахтах Кузбасса и рудниках предприятия п/я А-1372 на пластах простого "и сложного строения с категорией разрушаемости от средней крепости (СК) до весьма крепких (ВК).

В результате производственных исследований установлено, что в отличие от резцовых шнеков разрушение забоя шнековыми дисковыми шарошками осуществляется стружками значительно большего сечения -крупным сколом. Рекомендуемые значения шагов резания гр=70-90 мм являются рациональными. При отработке пластов сложного строения в породных прослойках и твердых включениях наблюдается развитие опережающих трещин, которые простираются на глубину 0,5-1,2 м в массив.

Анализ исследований сортового состава добываемого угля показал, что рабочие органы с дисковыми шарошками во всех случаях обеспечивают улучшение сортового состава добываемого угля. Содержание штыба класса -6 мм составило 12,2-33,4%, в то время как при работе серийных шнеков - 25,4-49,95%, т.е. выход класса -6 мм уменьшается в 1,5-2 раза. В то же время шнеки с дисковыми шарошками обеспечивают увеличение выхода угля крупных классов +25 мм с 13,6547,5% до 17,9-64,9%, т.е. в 1,31-1,4 раза. Наилучший сортовой состав обеспечивают шнеки с 1 -й схемой набора, при которой шарошки

Рис. 11. Общий вид шпеков с дисковыми шарошками для условии XI[-XIV

устанавливаются по винтовым линиям с направлением, противоположным направлению погрузочных лопастей, и обращены скалывающим конусом в сторону завала.

--• Зная вероятность, выхода класса +50 мм и используя распределение Вейбулла, оценим выход подрешетных продуктов по другим классам крупности. Значение ш (способность угля к измельчению) в проверочном варианте вычисляется по результатам рассева продуктов разрушения, при прогнозировании величина т задается (те0,5-1,5). Для кузнецких углей -

т=0,4-1.0 (тср=0,73)т Значения параметра X {степень измельчения уГЛЯ) определяются по известному ш и вероятности выхода класса +50 мм.

' 1п(-1п\^0)-ш1п5о

•л: - .. ' - Д - (33)

Г*"' =е1п(-1пХУ-5о)-т|п50

..Значения параметров распределения позволяют определить интервальную оценку по выходу других классов крупности й, в частности с!=25 'мм, 13 мм, б мм, 1 мм, и определяется границами

= 1 - ехр{->>1(1т).

Сопоставление расчетных значений с экспериментальными

данными других исследователей выявило - попадание \V_ti в интервал с ошибкой 8-18% без учета угла наклона плоскостей ослабления. В расчетах у принимается равным 0° из-за отсутствия данных.

Учитывая особенности процесса разрушения исполнительным органом с дисковыми шарошками, .и используя предложенный метод прогноза сортового состава, рассмотрим основные положения метода расчета .сортности снимаемой рабочим органом стружки. Входной информацией для расчетов являются: параметры разрушения 1р, Ьтах; геометрические параметры шарошки: Б, ф; диаметр исполнительного органа Он; способность угля к измельчению т; угол наклона плоскостей ослабления у. Все полученные ранее зависимости для угля справедливы при соотношении 1,5< г^/Ь ¿3. Опыт1 показывает, что при 1р/Ь>3 (для 1р=8-10 см) отделение угля от массива происходит,'но будем считать, что фракций класса +50 мм такой цикл разрушения не-.-дает. Серповидная стружка, снимаемая одиночным инструментом за один оборот, разбивается, на циклы разрушения (¡-ый номер цикла) по величине Ъ\, вычисленной по формуле ' (б). Дтя каждого цикла разрушения определяется величина объема крупного элемента интервальной оценкой, У|Ср иV". Величина угла а| показывает начало следующего цикла разрушения

7. ¡360°

и позволяет определить угол у, наклона плоскостей ослабления для ¡-го цикла разрушения угу-«;.

Интервальная оценка объема крупного элемента и соответствующая вероятность уточняется по углу у; по формуле (10). Суммируя объемы крупных элементов по верхней и шишей границам и объемы циклов разрушения, определяем вероятности выхода класса +50 мм для всей стружки.

I . х V- .

^+50 = ^-; = -. (36)

¿-! Чцикла ¿^ "(цикла

I I

По заданному значению т определяем границы изменения параметра X по формулам (33) и, соответственно, интервалы выходов по всем классам крупности.

С целью проверки разработанного метода расчета сортового состава проведен шахтный эксперимент гго разрушению угля исполнительным органом, оснащенным дисковыми шарошками. В условиях эксперимента на шахте «Шушталепская» при разрушении угля (пласт IV, лава № 4-3) определялся угол наклона плоскостей ослабления (основного кливажа) к горизонтальной плоскости (у=47°).

Результаты расчетов по условиям эксперимента показали, что все эмпирические данные по выходу различных классов крупности угля попадают в расчетные интервалы. Отклонения от середины прогнозируемого интервала составляют 8-13%.

Меньшее измельчение предопределяет снижение пылеобразования при разрушении. Замеры содержания пыли в рудничной атмосфере показали, что шнеки с дисковыми шарошками обеспечивают снижение запыленности в забое в 1,5-2,5 раза и создают реальные предпосылки для доведения содержания пыли в рудничной атмосфере до санитарных норм. Следует подчеркнуть снижение почти в 2 раза содержания особо вредной пыли в условиях предприятия п/я А-1372, где по вопросу снижения запыленности воздуха уделяется первостепенное внимание.

В процессе производственных исследований проведены хронометражные наблюдения за износом и расходом рабочего инструмента как на серийных шнеках, оснащенных радиальными и тангенциальными резцами, так и на новых шнеках, оснащенных дисковыми шарошками, которые реально могли быть осуществлены в условиях тех предприятий, на которых они изготавливались. При анализе результатов хронометражных наблюдений выделено два режима работы шарошек: разрушение угля или песчано-глинистых руд и разрушение твердых включений. При разрушении угля за время наблюдений абразивного износа режущей кромки шарошек практически не наблюдалось. Например, на шахте «Шушталепская» при добыче 41845 т абразивный износ составил 5 мм на диаметр. Удельный расход резцов в этих условиях небольшой и составил, соответственно, 16,02 и 24,3

шт/1000. т добычи. Основными показателями к применению шнеков с дисковыми шарошками в таких забоях являются улучшение сортового состава угля и снижение запыленности воздуха в забое.

В забоях, содержащих крепкие породные прослойки и твердые включения, на первое место выходит стойкость и надежность рабочего инструмента. Установлено, что у шарошек с углом заострения 20-25° наблюдалось выкрашивание режущей кромки и иногда изломы тела шарошек. У шарошек с углами заострения 30° и притупления 45° наблюдался только абразивный износ, особенно характерный при разрушении абразивных песчано-глинистых руд в условиях предприятия п/я А-1372. Аварийных выходов из строя шарошек, которые потребовали бы остановки комбайна и проведения неотложных работ, не возникало. При: потере шарошки комбайн всегда заканчивал цикл, и работы по замене шарошек совмещались с концевыми операциями. В целоМ шарошки за время испытаний зарекомендовали себя надежным рабочим инструментом, обеспечивающим существенное снижение удельного расхода рабочего инструмента, который составил от 0,09 до 2,88 шт/1000 т для дисковых шарошек, в то время как для резцов он составлял от 12 до 250 шт/1000 т. Удельный расход кутковых дисковых шарошек составил 0,25 штук на 1000 тонн добычи. Результаты испытаний показали достаточную работоспособность и ~ надежность в эксплуатации узла крепления кутковой дисковой шарошки, что подтвердило правильность выбора угла установки кутковой шарошки по условию ее вращения.

В результате производственных исследований установлены преимущества рабочих органов, оснащенных резцами бокового скола ИБС. Установлено, что выход угля класса +50 мм увеличился в 2,35 раза, а выход угля класса -6 мм уменьшился в 1,53 раза. При этом запыленность атмосферы забоя снизилась в 1,6-1,7 раза.

Производственные исследования подтвердили результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса разрушения массива резцами и дисковыми шарошками и правомерность разработанных на этой основе рекомендаций по проектированию и расчету шнековых рабочих ортанов и сортового состава добываемого угля.

Эффективность применения шнеков с дисковыми шарошками рассмотрена в двух аспектах: социальном и экономическом. В социальном плане новые рабочие органы по сравнению с серийными имеют преимущества по пылеобразованию и в эргономическом отношении. Экономическая эффективность достигается за счет улучшения сортового состава угля, снижения затрат на рабочий инструмент и увеличения производительности комбайна при отработке пластов с твердыми включениями. Фактический экономический эффект, полученный на шахтах Кузбасса и предприятии п/я А-1372 в процессе испытаний и внедрения шнеков с дисковыми шарошками, составил 416,4 тыс.рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решешхе- 'крупной , < научно-технической проблемы, заключающейся ■ в экспериментально-теоретическом обосновании, разработке и создании рабочих органов выемочных машин, позволяющих улучшить сортовой состав! добываемого угля и снизить запыленность атмосферы забоя, имеющей важное народнохозяйственное и социальное значение.

1.Существующие шнековые исполнительные органы выемочных машин имеют низкие технико-эксплуатационные показатели. За последние 30 лет угледобывающая техника не усовершенствовалась с точки зрения сортового состава добываемых углей. Работы ' ведутся по совершенствованию только режущего инструмента/ Это привело к тому, что за последние 15 лет только в Кузбассе выход угля крупных и средних классов снизился на 27%. С точки зрения улучшения сортности добываемых углей необходимо совершенствовать одновременно и рабочий орган и режущий инструмент. Для чего на стадии проектирования рабочих органов необходимо прогнозировать сортовой состав добываемых углей с учетом их структурных особенностей.

2.Установлено, что при разрушении массива как шарошкой, так и резцом массив находится в сложном напряженном состоянии, а отделение крупного элемента осуществляется при помощи одновременного действия механизма отрыва и сдвига, причем объем крупного элемента при разрушении резцовым инструментом почти в два раза меньше, чем при разрушении шарошкой. .

3.На основе исследований доказано, что направление распространения макротрещины в . массиве от воздействия шарошки зависит не столько от параметров разрушения, сколько от их соотношения, что и определяет фракционный состав продуктов разрушения. При разрушении угля для достижения наибольших по объему крупных элементов необходимо, чтобы отношение шага резания к глубине находилось в пределах 1,5 ^ гр/Ь <3,0. Улучшение сортности разрушенного дисковой шарошкой угля обеспечивается при 1р=сопя1 за счет увеличения глубины резания, которая ведет к уменьшению длины цикла разрушения.

4.Предложенная методика моделирования, включающая оценку объема крупного элемента (принадлежащего классу +50мм) при разрушении угля дисковой шарошкой по теоретически вычисленной координате выхода магистральной трещины на свободную поверхность, оценку объема всего разрушенного материала в цикле, а также вероятность получения крупного элемента для различных параметров инструмента и режимных параметров, дает основу для создания метода прогноза сортового состава добываемого угля для конкретных значений параметров 1р,1г,0,ф,у.

> Эффективными, с точки зрения сортности и энергоемкости, получается разрушение угля с отношением 1РД=1,5 при угле наклона

траектории резания к плоскостям ослабления 7=50о-70° и параметрах шарошки - О=280мм и 30° < ср < 38°.

5. Предложенная методика определения кинематического коэффициента заблокированное™, основанная на соотношении центрального утла между режущими инструментами, расположенными в соседних линиях резания, и разности диаметров их установки, может быть использована как при анализе так и при синтезе схемы набора инструмента на шнековом рабочем органе. Установлено, что кинематический коэффициент заблокированное™ влияет на сортовой состав добываемого угля.

, б'.Методика моделирования нагрузки на шнеке позволяет выбирать схему набора режущего инструмента и число резцов (инструментов) в линии резания на забойной и кутковой частях исполнительного органа при отработке пластов как простого, так и сложного строения. Установлено, что для шнековых рабочих органов, отрабатывающих пласты с твердыми включениями кутковая часть должна иметь 4 линии резания с 4-6 резцами в линии, а для шнеков, работающих по «чистым» пластам, кутковая часть должна быть оснащена 2-4 кутковыми шарошками. Забойная .часть шнеков должна быть оснащена дисковыми шарошками с последовательной схемой набора в две линии резания по две шарошки в линии. Предложенная методика позволяет проектировать шнековые исполнительные - органы с лучшими эргономическими свойствами и показателями сортности добываемого угля.

7,Установлено, что схема набора резцов бокового скола ИБС на шнеке должна быть последовательной, при этом шаг разрушения должен бытьтр=8,0-10,0см, а сечение снимаемой стружки Б^Збсм2. Рабочий орган с резцами.. ИБС при работе по пластам с твердыми включениями или прослойками должен быть выполнен таким образом, чтобы шаг резания изменялся автоматически, в зависимости от физико-механических свойств включений и прослойков.

, 8.Производственные исследования, проведенные в различных горно-гсрдогических условиях, подтвердили результаты теоретических и экспериментальных исследований и правомерность рекомендаций по выбору рациональных режимных и конструктивных параметров шнековых рабочих .органов с дисковыми шарошками, которые обеспечивают: ... «снижение потребляемой мощности на 30-40%;

•5шеличение технической производительности комбайна на 30-50%; •получение угля значительно лучшего сортового состава: выход •штыба (\У_б) снижается в 1,5-2,1 раза, а выход угля классов (\\V25) увеличивается в 1,3-1,4 раза;

. «снижение запыленности атмосферы забоя в 1,5-2,1 раза, создающее реальные предпосылки для доведения содержания пыли в рудничной атмосфере до санитарных норм;

. «снижение расхода рабочего инструмента в 4-6 раз и дорогостоящего твердого сплава при одновременном сокращении в 4-5 раз времени на

замену инструмента в связи с разработкой и внедрением. оригинальных конструкций узлов крепления шарошек, снижающих кинематический коэффициент заблокированное™; , , , / ..

•уменьшение динамичности нагрузки на рабочем органе, что улучшает его эргономические свойства.

9.Внедрение резцов бокового скола обеспечивает: • ,

•снижение энергоемкости tía 40-60%;

•уменьшение выхода штыба (W.g) в 1,5 раза и увеличение выхода угля класса (W+25) в 1,8 раза;

•снижение запыленности атмосферы забоя в 1,6 раза. -

10.Использование разработанных метода расчета гранулометрического состава добываемого угля для шнеков с дисковыми шарошками и резцами ИБС позволяет прогнозировать сортовой состав добываемого угля еще до начала их эксплуатации.

Реальный экономический эффект, от внедрения результатов исследований на шахтах Кузбасса и рудниках предприятия Р-6210 составил 416,4 тыс.руб. в ценах 1990 года. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в работе, используются при разработке новых типов инструмента и рабочих органов, а также в учебном процессе при подготовке бакалавров, инженеров и научных работников.

Основное содержание диссертации изложено в следующих печатных работах:

1.A.c. 592980 СССР, МКИ Е 21 с 25/38. Резец /Н.Д. Бенюх,В.И.Нестеров, A.A. Хорешок и др.; КузПИ.-Опубл.15.02.78., Бюл. №6. ' ..

2. Экспериментально-теоретические предпосылки прогнозирования крупности кусков при разрушении массива дисковым инструментом /В.Н. Вернер, Ю.Г. Полкунов, Е.К. Соколова, A.A. Хорешок //Известия вузов.-Горный журнал.-1991 ,-№4.-с.99-102.

3.Хорешок A.A. К вопросу об использовании дисковых шарошек на кутковой части исполнительных органов //Механизация горных работ:Межвуз.сб.научн.тр./Кузбас.политехн.ин-т,Вып. 1.-Кемерово, 1977,-

с.11-13.

4.A.C. 1654570 СССР, МКИ Е21 с 39/00. Стенд для исследования процессов разрушения горных пород /В.И. Нестеров, В.Н. Вернер, A.A. Хорешок, В.В. Кузнецов, И.Д. Богомолов.- 0публ.07.06.91, Бюл.№21.

5.A.c. 1044780 СССР, МКИ Е 21 С 25/00. Динамометр /А.Н. Коршунов, В. И. Нестеров, В.Н. Вернер, A.A. Хорешок и др,-Опубл.30.09.83, Бюл.№36.

6.Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г., Хорешок A.A. Влияние угла заострения на силовые показатели дискового инструмента при различных видах резания //Механизация горных работ: Межвуз.сб.научн.тр. /Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово,1988.-с.5-9.

7.Нестеров В.И., Хорешок A.A., Полкунов Ю.Г. Особенности процесса разрушения исполнительным органом с дисковыми шарошками

//Механизация горных работ: Межвуз.сб.научн.тр./КузПИ.-Кемерово, 1984.-с.23-28.

8.Хорешок A.A., Силкин A.A. Моделировашге нагрузок на шнековом исполнительном органе с дисковыми шарошками // Совершенствование технологии, механизации и организации производства при добыче угля: Тез.докл. научн. техн. конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности /ИГД им. A.A. Скочинского, - М.: 1983,- с. 109-110.

9.Хорешок A.A. Экспериментальные исследования процесса разрушения угля различными режущими инструментами //Механизация горных работ: Межвуз.сб.научн.тр./Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово, 1992,-с.39-45.

10.A.c. 1330308 СССР. МКИ Е 21 С 25/04. Исполнительный орган очистного комбайна /АА.Хорешок, В.И. Нестеров, В.Н. Вернер и др.; КузПИ.-ОпублЛ5.08.87, Бюл. №30.

П.Нестеров В.И., Хорешок A.A., Петрушев А.Р. К вопросу влияют схем набора режущего инструмента в кутковой части шнекового исполнительного органа на динамичность нагрузок //Механизация горных работ:Межзуз.сб.научн.тр./Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово, 1978,-с.12-14.

12.А.С. 956782 СССР.МКИ Е 21 С 25/04. Исполнительный орган очистного комбайна /А.Н. Коршунов, В.И. Нестеров, Н.Д. Бенюх, A.A. Хорешок, В.Н. Вернер, И.Д. Богомолов.-0публ.07.09.82, Бюл.№33.

13.A.c. 1065591 СССР. МКИ Е 21 С 25/04. Исполнительный орган горного комбайна /А.Н. Коршунов, В.И. Нестеров, A.A. Хорешок и др.-Опубл.07.01.84,Бюл. №1.

14.А.С. 1155742 СССР. МКИ Е 21 С 25/46. Рабочий орган добычного комбайна /А.Н. Коршунов, В.И. Нестеров, A.A. Хорешок и др.-Опубл. 15.05.85.Бюл. №18.

15.A.c. 1190019 СССР. МКИ Е 21 С 25/04. Рабочий орган добычного комбайна /В.И. Нестеров, В.Н. Вернер, A.A. Хорешок и др.-Опубл. 07.11.85, Бюл. №41.

16.А.С. 1280119 СССР. МКИ Е 21 С 25/00. Исполнительный орган добычного комбайна /В.И. Нестеров, В.Н. Вернер, A.A. Хорешок и др.-Опубл. 30.12.86, Бюл. №48.

17.Хорешок A.A., Вернер В.Н., Кузнецов В.В. и др. Групповой резцедержатель для кутковых резцов //Угольная промышленность СССР: Реф.на картах /ЦНИЭИутоль.-М.:1988.Вып. №8.

18.А.С. 1456558 СССР. МКИ Е 21 С 27/02. Исполнительный орган горного комбайна /В.И. Нестеров, A.A. Силкин, A.A. Хорешок и др.-0публ.07.02.89, Бюл. №5.

19.Нестеров В.И., Хорешок A.A., Вернер В.Н., Полкунов Ю.Г. Рабочий орган с дисковыми шарошками /ЦНИИТЭИтяжмаш. -М.: 1989.сб.09-89-01.

20.А.С. 1541381 СССР. МКИ Е 21 С 25/10. Исполнительный орган горного комбайна /В.И. Нестеров, В.Н. Вернер, A.A. Хорешок и др,-0лубл.07.02.90, Бюл. №5. -

21.A.C. 1555481 СССР. МКИ Е 21 С 25/04. Рабочий орган очистного комбайна /В.И. Нестеров, A.A. Хорешок, В.Н. Вернер, Е.З. Позин'й др. -О публ.07.04.90, Бюл. №13.

22.Коршунов А.Н., Нестеров В,И., Хорешок A.A. и др. Испытания исполнительного органа с дисковыми шарошками //Угольное машиностроение /ЦНИЭИуголь, №4.-М.: 1977.-с.1-4:

23.Нестеров В.И., Коршунов А.Н., Хорешок A.A. Вопросы отработки пластов с твердыми включениями и решение их в условиях Кузнецкого бассейна // Горно - металлургическая промышленность / ЦНИИАтоминформ. №3, ДСП-М.: 1980.-е. 23-28.

24.Хорешок A.A., Вернер В,Н. К вопросу об износостойкости элементов шнекового рабочего органа очистного комбайна //Проблемы и перспективы развития горного дела на северо-востоке СССР /СО АН СССР, ИГД Севера. -Якутск, 1990, часть 1.-е. 143-149.

25.Нестеров В.И., Вернер В.Н., Хорешок A.A. О разработке и применении шнековых рабочих органов с дисковыми шарошками //Уголь-М.: 1990.-№10.-с.31-32.

26.Коршунов А.Н., Нестеров В.И., Хорешок A.A. и др. Опыт разработки песчано-глинистых пластов с твердыми включениями //Горный журнал.-№4.-М.: 1984.-е. 36-39.

27 .Хорешок A.A. О сортовом составе добываемого угля //Механизация горных работ: Межвуз.сб.научн.т'р./Кузбас.политехн.ин-т,-Кемерово: 1993.-c.16-18.

28.Нестеров В.И., Прейс Е.В., Хорешок A.A. Оценка крупности угля при разрушении дисковым инструментом с учетом структуры массива угля //Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых: Сб.научн.тр. №8 /Ассоциация «Кузбассуглетехнология».-Кемерово: 1994.гС.142-147.

29.Хорешок A.A. К вопросу об улучшении сортового состава добываемого угля //Проблемы и перспективы развития горной техники. Горные машины и оборудование: Тез.докл.Международного семинара IIIS октября 1994г./МГГУ.-М. :1995.-е. 201-203.

30.Хорешок A.A. О показателях работы исполнительных органов с дисковыми шарошками //Перспективы развития технологий и средств бурения: Тез.докл. Всероссийской научн.-практич.конф. 3-5 октября 1995г./Кузбас.гос.техн.ун-т.-Кемерово:1995.-с.47-48.

31.Нестеров В.И., Прейс Е.В., Хорешок A.A. Метод расчета сортового состава угля, добываемого шнековым рабочим органом с дисковыми шарошками //Механизация горных работ: Межвуз. сб. научн. тр. /Кузбас.гос.техн.ун-т. - Кемерово: 1996.-с.58-63.

32.Хорешок A.A., Прейс E.B. Снижение запыленности очистного забоя //Механизация горных работ: Межвуз.сб.научн.тр./Кузбас.гос.тсхн. ун-т.- Кемерово: 1996.-с.63-65.

33.Хорешок A.A. Об использовании дисковых шарошек на рабочих органах выемочных комбайнов //Кемерово, 1997.-с.9-10.

34.Вернер В.Н., Хорешок A.A. К вопросу о взрывобезопасности и экологи ив очистном забое //Кемерово,1997.-с.27-28.

'' 35.У становление зон растягивающих напряжений в массиве под воздействием дисковых инструментов /В.И.Нестеров, Ю.Г.Полкунов, А.А.Хорешо'к и др.//Известия вузов.-Горный журнал.-1997.-№1-2.-с.Ю5-108.,

36.Качественная оценка крупности кускор при разрушении массива дисковыми. инструментами/В.И.Нестеров, Ю.Г.Полкунов, А.А.Хорешок и др.// Известия вузов.-Горный журнал.-1997.-N21-2.-с.118-120.

' Лицензия ЛР \Ю 2031 3 Подписано в печать 21.И.Э7г. Печать на "Ризографе" -Обьем 2 печ. лис. Формат 50x84/15 ■заказ- 553. Тираж 100 экз.

Типография Кузбасского государственного технического университета. 6500<?7 Кемерово, ул. Красноармейская,115