автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Установление влияния надежности шнековых исполнительных органов на режим работы и производительность очистных комбайнов

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Российская академия наук ННЦ ГП -„Институт горного дела им.А.А.Скочинского

~ 6 АП

Р 1333 На нравах рукописи

Юрий Владимирович ЗОНТОВ

УСТАНОВЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НАДЕЖНОСТИ ШНЕКОВЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ НА РЕЖИМ РАБОТЫ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ

Специальность 05.05.06 - "Горные машины"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в ННЦ ГП-Институте горного дела им.А.А.Скочинского.

Научный руководитель -

действительный член АГН, заслуженный деятель науки и техники РФ, проф., докт.техн.наук Е.З.Позин.

Официальные оппоненты:

проф., докт.техн.наук В.Н.Гетопанов, канд.тсхн.наук А.В.Чижиков.

Ведущее предприятие - АО "Ростовуголь".

Автореферат диссертации разослан з " ОЪ 199^г.

Защита диссертации состоится " & " О V 199^ г. в "(О ч. на заседании специализированного совета К.135.05.03 ИГД нм.А.А.Скочинского.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, г.Люберцы Московской обл., ИГД нм.А.А.Скочинского.

Ученый секретарь спсцилли шровлнного совета, проф., докт.техн.наук

И. Г. И щук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ДКГУСШНШОХЬрдСнШД^Около 86% механизированной добычи у|-ля подземным способом приходится на узкозахватныи комбайны, оснащенные шпековыми исполнительными органами. Эффективность применения этих выемочных машин, характеризуемая производительностью, сортностью добываемого угля, удельными энергозатратами и пылевыделением, существенно зависит от того, насколько принятые параметры исполнительных органов и режимы разрушения угольных пластов соответствуют условиям эксплуатации.

Вопросы выбора параметров исполнительных органов и установления рациональных режимов работы комбайнов достаточно хорошо разработаны применительно к различным конструкциям шнеков. В ИГД им.А.А.Скочннского разработаны научные основы и инженерные методы выбора рациональных схем расстановки инструмента, которые, наряду с получением необходимых показателей эффективности, обеспечивают достижение приемлемой для нормальной эксплуатации неравномерности нагрузок на исполнительных органах.

Однако проектный расчет, выполненный для разработанной конструкции, естественно, не учитывает происходящие в процессе эксплуатации нарушения схем расстановки инструмента, которые в первую очередь связаны с недостаточной и меняющейся при работе надежностью резцедержательных устройств исполнительных органов. Эти обстоятельства приводят к изменению нагруженное™ исполнительного органа, следствием чего являются как изменение режима работы и динамической нагруженности очистного комбайна, так и дальнейшее снижение надежности исполнительного органа в целом.

На основании опыта эксплуатации можно утверждать, что значительную часть срока службы исполнительные органы очистных комбайнов работают со схемами расстановки резцов и режимами резания, параметры которых отличаются от проектных. Разработанные методы расчета нагруженности, производительности и режимных параметров комбайнов могли бы учесть это обстоятельство в случае, если бы для любого момента эксплуатации были определены фактическая надежность исполнительного органа и реальное состояние схемы расстановки инструмента.

Надежность шнека складывается из надежности резцедержате-мей, узла крепления шнека на валу привода, лопастей и системы орошения. Исследования показали, что наиболее значимы в структуре отказов шнеков отказы резцедержателей (до 90%). При этом в лаборатории резания угля ИГД им.А.А.Скочинского были достаточно полно исследованы закономерности возникновения отказов узла крепления шпека, лопастей и системы орошения, которые приводят к отказу функционирования, т.е. такому отказу, когда шнек полностью теряет свою работоспособность.

Отказы резцедержателей приводят, как показали наблюдения, к нарушению схемы расстановки инструмента и ухудшению показателей эффективности применения комбайнов, что в конечном итоге приводит к параметрическому отказу исполнительного органа, т.е. такому отказу, когда шнеки не обеспечивают требуемых показателей эффективности по различным параметрам (производительность, силовая уравновешенность, сортность добываемого угля и др.).

Поэтому в настоящем исследовании в научном плане речь идет об установлении взаимосвязей параметров режима работы комбайна с характеристиками надежности резцедержателей исполнительных органов, меняющимися в процессе эксплуатации. С практической точки зрения необходимо разработать рекомендации по повышению надежности исполнительных органов, выполнение которых позволит поддерживать режим работы комбайна на рациональном уровне па протяжении всего пли достаточно длительного срока его эксплуатации. Решение эгих вопросов позволит повысить эффективность применения очистных комбайнов и решить задачу повышения надежности их исполнительных органов.

Мель работы заключается в установлении влияния надежности исполнительных органов, меняющейся в процессе эксплуатации, на параметры режима работы очистного комбайна и разработке на этой основе предложении по обеспечению сохранности эффективных схем расстановки инструмента, позволяющих поддерживать режим работы очистных комбайнов на рациональном уровне весь период эксплуатации.

1Меял?абР11>1_ состоит в том, что показатели эффективности работы очистных комбайнов в процессе эксплуатации должны определяться с учетом меняющейся надежности исполнительных органов, которая определяет фактическую схему расстановки резцов.

11шипи;>;

I. Параметры режима работы очистного комбайна (потребляемая мощность, удельные эткргошрагы. максимально допустимая скорость подачи и др ) функционально спякшы с фактическим состоя-

нием (надежностью) схемы расстановки инструмента, характернее мой количеством н реальным расположением в данный момент уча ствующих в работе резцов. Закономерности изменения схемы расстановки резцов в процессе эксплуатации связаны с порядком выхода из строя элементов режущего блока (резцедержателей, инструментов, средств крепления).

2. Нарушение схемы расстановки инструмента, как правило, происходит в результате отказов резцедержателей в забойных линиях резания, расположенных в зоне наибольшей сопротивляемости пласта резанию.

3. Разработанная методика определения реальной схемы расстановки резцов и установленные зависимости режимных параметров очистных комбайнов от количества отказавших резцедержателей позволяют определять фактическую производительность с учетом меняющейся в процессе эксплуатации надежности исполнительных органов.

Практическая ценность работы заключается в разработке: методов установления для любого времени эксплуатации исполнительных органов фактической схемы расстановки инструмента с учетом конструктивных особенностей шнеков, условий эксплуатации и режимов работы очистных комбайнов;

методик расчета показателей эффективности функционирования исполнительных органов с учетом меняющейся их надежности;

рекомендаций по повышению надежности и эффективности функционирования шнековых исполнительных органов.

Достоверность и обоснованность разработанных научных положений. выводов и рекомендаций подтверждается:

использованием апробированных методов теории разрушения угля и методов математической статистики, принятых при обработке результатов исследований;

представительным объемом экспериментальных исследований и удовлетворительной сходимостью результатов расчетов по полученным зависимостям с фактическими данными (отклонения не более 18%);

положительными результатами эксплуатационных испытаний опытных образцов исполнительных органов, созданных с учетом рекомендаций настоящей работы.

Реализация работы. Результаты исследований использованы ИГД им.А.А.Скочинского и АО "Гипроуглемаш" при разработке технической документации на шнеки нового технического уровня, СП "ПИГМА-Кенаметалл" и ОАО "Станкомаш" при изготовлении этих шнеков, а также АО "Ростовуголь" при их эксплуатации.

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались на IX Республиканской конференции молодых ученых и специалистов (г. Кохтла-Ярве, 1989 г.), научно-практическом семинаре с международным участием ученых, аспирантов, инженеров и студентов (г.Москва, МГГУ, 1994 г.) и научных семинарах отделения проблем разрушения угля и горных пород ИГД им.А.А.Скочинского (г.Люберцы, 1993-1997 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа общим объемом 179 стр., включает в себя 109 стр. машинописного текста, 28 рисунков, 20 таблиц, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 58 наименований и 3 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Как следует из сформулированной цели, в работе должны быть определены закономерности, позволяющие устанавливать параметры режима работы исполнительных органов очистных комбайнов в зависимости от их фактической надежности в любой момент эксплуатации.

Методы расчета и выбора режимов работы и параметров схем расстановки резцов достаточно полно разработаны в ИГД им.А.А.Скочинского (Е.З.Позин, В.З.Меламед, В.В.Тон и др.), однако они не в полной мере учитывают изменение надежности исполнительных органов в процессе эксплуатации.

Существенный вклад в развитие общей теории прогнозирования надежности горных машин внесли исследования, выполненные В.Н.Гетопановым, Е.В.Денисенко, В.Н.Морозовым, М.Д.Коломий-цовым, Ю.Д.Красниковым, Я.М.Радксвичем, Г.С.Рахутиным, Г.И.Солодом, С.В.Солодом и др.

Применительно к шнековым исполнительным органам вопросы теории и практики надежности нашли свое отражение в работах ИГД нм.А.А.Скочннскою, проводимых иод руководством Е.З.Позина и Ю.НЛинника. В частности, в результате исследований Ю.Н.Линника и В.И.Жшлльского были установлены характеристики разрушаемостн угольных млатов, влияющие на надежность шнеков, и выполнена классификации угольных пластов по этому фактору; выполнены исследования влияния свойств разрушаемых пластов на надежность ис-полншелышх органов; рафаботаны статистические методы расчета 1ИЖ.1 спелей надежности но экспериментальным данным; введено и обосновано пони 1 не энертресурса исполнительного органа как обшей \лр.1к1ерис|икн ею нлтежиосш.

Вместе с тем следует отметить, что наряду с ощутимыми результатами, полученными в указанных областях, в настоящее время отсутствуют практически удобные методы расчета режима работы очистных комбайнов, учитывающие изменение надежности исполнительных органов в процессе эксплуатации. Главная сложность состош в отсутствии достоверной оценки фактической схемы расстановки резцов в зависимости от конкретной надежности исполнительного органа в данный момент эксгшуатации.

Выполненный анализ состояния и изученности вопроса потребовал для достижения поставленной цели решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние изменения надежности исполнительных органов в процессе эксплуатации на фактическое состояние схемы расстановки инструмента и разработать методику формирования ее изменения.

2. Исследовать влияние изменения надежности исполнительных органов на фактический режим работы и производительность очистных комбайнов.

3. Разработать методику расчета режима работы и производительности очистного комбайна для текущего состояния исполнительного органа.

4. Разработать рекомендации по совершенствованию конструкции и технологии изготовления шнековых исполнительных органов для обеспечения стабильности схемы расстановки инструмента в процессе эксплуатации и повышения их надежности в целом.

Как указывалось ранее, в процессе эксплуатации комбайна надежность исполнительных органов меняется и имеют место отказы элементов резания. Понятно, что в связи с этими отказами частично изменяются и параметры схемы расстановки инструмента. Отказы резцов или средств их закрепления лишь кратковременно нарушают схему расстановки инструмента и могут быть своевременно устранены при текущих и плановых осмотрах исполнительного органа. Стационарно же на параметры резания влияют невосстанавливаемые за межремонтный период эксплуатации шнека отказы резцедержателей. При этом чем больше отказавших резцедержателей, тем больше вероятность того, что параметры работы очистного комбайна (производительность, силовая уравновешенность, сортность добываемого угля и др.) выйдут за допустимые пределы. Поэтому представляется целесообразным ввести понятие надежности схемы расстановки инструмента как вероятности того, что исполнительный орган способен выполнять свои функции при фактическом его состоянии в соответствии с предъявляемыми техническими и технологическими требованиями, т.е. надежность схемы расстановки инстру-

моща практически определяется количеством и расположением рабо-I(способных резцедержателей.

Проведенный анализ отказов серийных исполнительных органов, аин.шных с потерей работоспособности резцедержателей, позволил усыновить, что резцедержатели шнеков типа ШК и Ш'Г, оснащаемых тангенциальными резцами, выходят из строя в подавляющем большинстве случаев (85-100%) вследствие отрыва их от лопастей, а резцедержатели шнеков с радиальными резцами (типа ШР) подвержены как иоломочным, так и износовым отказам, доля каждого из которых в структуре отказов различна в зависимости от условий эксплуатации. Так как поломочные отказы резцедержателей характерны для всех типов серийных исполнительных органов и происходят они, как правило, раньше, чем гнездо резцедержателя износится, то в первую очередь необходимо рассмотреть именно этот вид отказов.

Отказы резцедержателей из-за поломкок в основном обусловлены усталостным накоплением микроповреждений в сварных швах соединения "резцедержатель - лопастыннека" по мере наработки. Исследования, выполненные с участием автора в 37 очистных забоях с различными условиями но разрушаемости и оснащенных основными типами очистных комбайнов, позволили получить выражение для определения числа ноломочных отказов резцедержателей на серийных шнеках п (шт.) в любой момент эксплуатации:

где Кк - коэффициент, зависящий от способа соединения резцедержателя с лопастью и типа шнека; Кт1> - коэффициент, зависящий от количества резцов в линии резания; Аэ - показатель эквива-леншой сопротивляемости пласта резанию, Н/мм; Т, - наработка в обьемах добычи, тыс.т; В, - ширина захвата, м; у - плотность угля, т/'м"; п(,5 - частота вращения шнека, об/мин; Vn - скорость подачи комбайна, м/мин.

По формуле (I) можно определить количество поломочных отказов резцедержателей, однако она не даст представления о том, в каком месте наиболее вероятно нарушение схемы расстановки инструмента.

С нелыо определения наиболее вероятных мест поломочных отказов ре шедержаимей на исполнительных органах было проанализировано состояние более 150 вышедших из строя из-за поломочных отказов ре щедержателей серийных исполнительных органов типа ШР и ШК. жсп.ту.иировашпихся в ПО "Ростовуголь", "Гуковуголь", "Poiieiii.KiUHipaimi" и "Донбасеатрациг

(1)

Анализ гистограмм частостей поломочных отказов резцедержак-лей по ширине захвата исполнительных органов позволил сделан» вы вод о том, что наиболее часто происходят поломки резцедержателей, расположенных в самых нагруженных забойных линиях резания.

Постепенные отказы резцедержателей у шнеков типа ШР пропс ходят вследствие износа их гнезд в направлении силы резания 7. ю размеров, при которых средства закрепления резцов полностью уфи -чивают свою работоспособность и в результате этого начинаются мае совые потери режущего инструмента.

Для установления влияния различных факторов на показатели износостойкости резцедержателей нами был выполнен корреляционный анализ около 1,5 тыс. замеров износа гнезд резцедержателей, проведенных в 14 очистных забоях, разнящихся по показателям разрушаемое™ пластов, типам комбайнов и режимам их работы. В результате было получено эмпирическое выражение для расчета с погрешностью не более 11% износа гнезда ( хт , мм) резцедержателя, изготовленного из стали 35ХСА и термообработанного до НЕС = 45-53:

где Кн - коэффициент, учитывающий ширину державки резца; К д -коэффициент, учитывающий точность соединения "резец-резцедержатель"; Аэ^ - показатель эквивалентной сопротивляемости пласта резанию в ¿-той линии резания, Н/мм; Т1 - наработка в пути резания, км.

Задаваясь значением предельно допустимого износа гнезд резцедержателей [ 1Т ] и исходя из формулы (2), можно определить значение наработки на отказ резцедержателя Т^ (км), выраженное в пути

Сопоставление расчетных и фактических значений Т,. показало, что расхождение не превышает 14,0%.

Учитывая, что в выражение (3) значение Аэ^ подставляется в соответствии с текущим значением коэффициента отжима, можно утверждать, что как поломочные, так и износовые отказы резцедержателей наиболее вероятны в забойных линиях резания, в которых отмечается наибольшая нагруженность режуще! о инструмента.

Влияние изменения надежности исполнительного органа на состояние схемы расстановки инструмента представляется следующим. После выхода из строя одного из резцедержателей в самой нагру-

резания:

(3)

женнои линии резания возрастает нагрузка на резцедержатели, следующие за отказавшим в той же линии резания и, как правило, это влечет за собой отказ данной линии резания. Увеличение шага резания вследствие отказа линии резания приводит к росту нагрузок в соседних с отказавшей линиях резания и соответственно повышается вероятность выхода их из строя.

Выполненные в диссертационной работе исследования показали, что вероятность выхода из строя резцедержателей может быть представлена произведением вероятностей износовых отказов, подчиняющихся нормальному закону распределения, и внезапных отказов, представленных законом Пуассона. В работе установлена вероятность работоспособности резцедержателей в ^ -той линии резания по указанным видам отказов в зависимости от действия групп влияющих факторов. С точностью до 16% получено общее выражение:

Р(Тв)=Ф

2hr ]в,г«5 ¡Vn

0.6КтрКиКл1ГА^ "об/

0.7 'гЫвлю* /

ÜM^K^ÍCA^I "об/ J

(4)

У„ГК'1ЕГ

где Р (Т„) - вероятность работоспособности резцедержателя при текущей наработке Тв , тыс.т; Ф - табулированное значение функции нормального распределения; Д8 - интенсивность поломочных отказов резцедержателей в период приработки, urr/тыс.т; dj - доля поломочных отказов резцедержателей, приходящаяся на } -тую линию резания.

Выражение (4) позволяет из общего количества резцедержателей на шнеке установить наименее работоспособные и на основе этого прогнозировать возможную схему расстановки инструмента. Однако вероятностный метод определения степени надежности схемы расстановки инструмента для свое» реализации требует большого количества статистических данных, которые для всего многообразия конструкции исполнительных органов не всегда могут быть достоверно он|нме.)1-ны. Полому наряду с общим вероятностным, подходом к

надежности схемы расстановки инструмента предлагается несколько упрощенная методика определения схемы расстановки резцов в зависимости от наработки:

1. По выражению (1) определяем количество поломочных отказов резцедержателей к моменту рассматриваемой наработки, в соответствии с которым последовательно исключаются из схемы расстановки инструмента резцы наиболее нагруженных забойных линий резания, примыкающих к лобовине шнека.

2. Исходя из формулы (3), определяем наработку до отказа по износу оставшихся работоспособными резцедержателей (тыс.т):

[тт] 10*20,Г ^

Г,

от

(АХ , (5)

\п05/ '

абК„рКнКА1сАЬ

вГ

где То^от- наработка шнека, выраженная в объеме добычи, до выхода из строя резцедержателя в ^'-той линии резания.

3. Вводим функцию износовых отказов резцедержателей по следующему правилу:

1, если Т9 > т„и ; (б)

0, если Тв<Тв.и.

Обозначив т^ - число резцов в ^ -той линии резания, определим количество вышедших из строя резцедержателей вследствие износа Пот^ по выражению

к

*оти, = Л т. 8} , (7)

где К - число линий резания, для которых производился расчет.

4. Определяем общее количество отказавших резцедержателей на шнеке

«от="отв+потиГ (8)

Расположение резцедержателей, вышедших из строя по износу, определяем в соответствии с выражением (5).

Полученная схема расстановки резцов будет наиболее вероятной для стационарных условий эксплуатации, исключающих экстремальные нагрузки, выходящие за уровень принятых распределений.

Для установления закономерностей изменения нагруженностн шнеков при нарушениях схемы расстановки инструмента автором был проведен комплекс шахтных экспериментальных исследований, в ходе которых моделировалась рахшчняя надежность схемы расстановки путем снятия резцов, учитывая при этом порядок и характер выхода и > строя резцедержателей, описанные выше. В каждом случае оснащения комбайна шнеком определенной степени надежности скорое!ь

подачи изменялась от нуля до предельно возможной, исходя из технических характеристик комбайнов. При этом производилась регистрация потребляемой комбайном мощности при помощи самопишущего киловатгметра М-348.

Исследования проводились в 11 лавах с условиями, охватывающими по показателям разрушаемостн и строению широкий спектр разрабатываемых угольных пластов.

Полученные результаты хронометраж»ых наблюдений свидетельствуют о том, что уменьшающаяся надежность исполнительных органов является фактором, ограничивающим производительность очистных комбайнов.

После обработки данных электрических измерений были получены зависимости потребляемой мощности от скорости подачи Уп и количества отказавших резцедержателей пот . На рисунке приведена характерная зависимость РМ=Г (V,, , пот), построенная по экспериментальным данным, полученным на шахте им. В.ИЛенина ПО "Ростовуголь".

График зависимости изменения потребляемой мощности от скорости комбайна, работающего без отказавших резцедержателей (1), при отказе резцедержателей в одной (2) и двух (3) линиях резания

Было установлено, что во всех экспериментах по мере увеличения числа отказавших резцедержателей пог на исполнительных органах во всем диапазоне изменения скорости подачи наблюдается возрастание потребляемой мощности Рм и размаха ее варьирования ДРМ. Кроме этого, во всех экспериментах с нарушенной схемой расстановки режущего инструмента на шнеках было отмечено нарушение прямолинейности зависимости Р=Г (V,,). Причем критические значения скорости подачи Уп]ф (значения скорости подачи, после которых наблюдается более интенсивный рост потребляемой мощности) снижаются с увеличением числа отказавших резцедержателей.

Это объясняется тем, что при отказах резцедержателей в одной линии резания имеет место увеличение расстояния между работоспособными линиями резания и происходит образование межрезцовых целиков, которые при V,, > Уп К|) разрушаются торцом погрузочной лопасти, что и определяет более интенсивный прирост потребляемой мощности. Увеличение потребляемой мощности при работе комбайна со скоростями подачи меньше УПКр объясняется переходом при увеличении расстояния между линиями резания от повторной схемы разрушения забоя к более энергоемкой прерывисто-повторной, когда один или несколько срезов резец совершает в режиме блокированного резания, а затем 1-2 среза сопровождаются разрушением межрезцового целика.

В общем случае, согласно рисунку и описанной физической сущности разрушения угольного массива шнеками с неполным комплектом инструмента, уравнение, описывающее изменение зависимости РМ=Г (Уп). имеет вид

_ | а+ 66СХУП , при У„<? Улкр;

Р^'[а + в6ехУп.^Сл(Уп-Уп,р) при Уп>Упкр ' где а - величина, определяющая затраты мощности комбайна с прижатыми к забою резцами, кВт; б - коэффициент, зависящий от сопротивляемости пласта резанию и режимов резания; &сх - коэффициент, учитывающий влияние на Рм прерывисто-установившегося режима резания при увеличении шага резания; Сл - коэффициент, учитывающий влияние на Рм контактирования лопастей шнека с межрезцовыми целиками; Уп.кР ~ критическая скорость подачи, превышение которой сопровождается разрушением межрезцовых педиков погрузочными лопастями, м/мин.

С целью установления влияния изменения надежности шнеков на неравномерность нагружения привода комбайна из диаграмм записи потребляемой мощности были получены данные об изменении размаха варьирования мощности ,\РМ . Сравнение их показало, что при отказе двух и более резцедержателей имеет место существенное

превышение значений ДРМ по сравнению с их уровнем при разрушении пласта исполнительными органами с полным комплектом инструмента (в 1,2-1,65 раза при отказе двух и в 1,5-2,3 раза - четырех резцедержателей). Увеличение размаха ДРМ свидетельствует о росте неравномерности потребляемой мощности и снижении допустимой устойчивой мощности.

По известной методике были рассчитаны значения устойчивой мощности электродвигателей комбайнов с использованием данных о размахах варьирования потребляемой мощности для каждого эксперимента. Расчеты показали, что во всех случаях по мере отказов резцедержателей наблюдается существенное возрастание значений коэффициента вариации электромагнитного момента, влекущее за собой уменьшение устойчивой мощности электродвигателей комбайнов (до

Таким образом, выполненные исследования позволяют сделать вывод о том, что по мере увеличения числа отказавших резцедержателей повышение уровня средней потребляемой мощности при одновременном уменьшении устойчивой мощности приводит к существенному снижению теоретической производительности (скорости подачи) очистных комбайнов (на 10-34% в случае отказа одной линии резания и на 22-43% - двух).

Очевидно, что для исполнительных органов, оснащенных неполным комплектом режущего инструмента, необходимо корректировать расчетные значения производительности комбайна. В качестве критерия оптимальности режима работы очистного комбайна может использоваться энергоемкость выемки угля

Выполненные расчеты удельных энергозатрат с использованием экспериментальных данных показали, что во всех случаях отказов резцедержателей с ростом Уп сначала происходит постепенное снижение энергоемкости, а затем, после некоторого выполаживания кривой Н№=Г (Уп), ее возрастание. Причем минимумы энергозатрат соответствуют значениям Упкр . Поэтому после анализа диаграмм РМ=Г (Уп , пот) было получено эмпирическое выражение для расчета Уп.Кр (м/мин) с погрешностью, не превышающей 14%:

18%).

(Ю)

где - радиальный вылет резца, см; ппр - проектное количеезво режущих элементов на исполнительном органе; А3 0 - значение но казателя эквивалентной сопротивляемости пласта резанию, до которого отказы резцедержателей не вызывают значимого изменения потребляемой мощности, Н/мм; Кэ - коэффициент энерговооруженности комбайна, введение которого обусловлено тем, что потеря надежности шнеком в меньшей мере влияет на режим работы более энерговооруженных комбайнов.

Таким образом выражение (10) позволяет определить скорость подачи комбайна, работа на которой будет оптимальна с точки зрения энергозатрат на выемку угля при характерных нарушениях схемы расстановки инструмента.

Однако на практике встречаются случаи, когда для обеспечения заданной производительности комбайны приходится эксплуатировать со скоростями подачи, превышающими V,, ,.,,. 13 этой связи представляется немаловажной разработка методики расчета максимально!! теоретически возможной производительности (скорости подачи) комбайна с нарушенной схемой расстановки инструмента, исходя из ограничения по устойчивой мощности электродвигателей.

В результате анализа диаграмм записи потребляемой мощности было установлено, что учесть изменения надежности исполнительных органов в процессе эксплуатации можно, подставив в известные выражения для расчета устойчивой мощности, коэффициент вариации электромагнитного момента от внешней нагрузки . в виде

(11)

где п,,р - число одновременно режущих резцов, шт.; - коэф-

фициент вариации электромагнитного момента от внешней нагрузки при работе комбайна с новыми шнеками.

Суметом выражения (И) формула для определения устойчивой мощности Руст (кВт) примет вид

Мто>ф пзе_

где Мтах.<р - фактический максимальный электромагнитный момент двигателя, Н • м; ггд{ - число оборотов двигателя, об/мин; К„ . Ку - относительные отклонения, принимаемые в зависимости от требуемой вероятности работы двигателей без опрокидывания; ^-коэффициент вариации момента, обусловленный неточностью управления.

Определив по выражениям (12) и (10) Р)СГ и V „ подставим их значения в уравнение (9) и выразим V,, ,||>сл (м/мин):

Рцст + .кр ~

вб„ + С;

сх л

Выражение (13) позволяет рассчитать предельно допустимую скорость подачи при работе комбайна со шнеками, оснащенными неполным комплектом режущего инструмента.

Таким образом, изменение расчетного режима резания, связанное с отказами резцедержателей, приводит к ухудшению ряда показателей эффективности применения очистных комбайнов. Поэтому обеспечение устойчивости проектной схемы расстановки инструмента является первоочередной задачей для повышения надежности шнеков.

Сохранение эффективных схем расстановки резцов достигается исключением поломочных отказов резцедержателей путем их врезки в лопасть шнека и увеличением долговечности соединения "резец-резцедержатель" за счет уменьшения зазоров в нем, применения пассивных креплений и повышения износостойкости гнезда резцедержателя. Прогнозирование сроков эксплуатации шнеков с модернизированными узлами (элементами) представляется возможным, исходя из показателей надежности серийных исполнительных органов, аналогичных по типу применяемого инструмента разрабатываемым.

Анализ результатов ресурсных испытаний серийных шнеков, проведенных с участием автора в 43 очистных забоях, отличающихся условиями разрушаемости и режимами работы комбайнов, позволил получить эмпирическое выражение для определения с погрешностью не более 15% их межремонтного ресурса Ям ш с (тыс.т):

где Кв , К' - коэффициенты, зависящие от диаметра и типа шнека соответственно.

В ходе проведения ресурсных испытаний исполнительных органов с отдельными модернизированными узлами и элементами обратил па себя внимание тот факт, что увеличение долговечности узлов и элементов хотя и приводит к повышению ресурса шнека, однако относительные значения такого повышения в различных условиях эксплуатации неодинаковы. В результате анализа структуры отказов исполнительных органов был сделан вывод о том, что показатели надежности модернизированных шнеков должны определяться с учетом значимости конкретных усовершенствований в определенных условиях эксплуатации. Поэтому для определения межремонтного ресурса разрабатываемых шнеков Ям.ш.р (тыс.т) необходимо использовать выражение

Р.

а

R

м.шр

= <W £ Kv di . t»l

где п - число узлов (элементов), надежность которых влияет па ресурс шнеков (ед.); К1 -коэффициент относительного увеличения долговечности ¿-того узла (элемента); с±^ — доля отказов 1-того узла (элемента) в структуре отказов базовых шнеков в конкретных условиях эксплуатации.

Прогнозировать новую структуру отказов в этом случае, определяя долю отказов каждого из узлов (элементов) с[И1 , необходимо по выражению

В процессе выполнения данной работы, кроме исследований, связанных с надежностью схем расстановки инструмента, отмечались и другие факторы, влияющие на работоспособность шнеков. Рекомендации по повышению надежности исполнительных органов нашли свое отражение в разработанных с участием автора исходных требованиях на создание шнековых исполнительных органов повышенной надежности всех типоразмеров, в которых для повышения ресурса, кроме ранее указанных мероприятий по обеспечению устойчивости схем расстановки инструмента, предусматриваются: соединение корпуса шнека с валом привода комбайна посредством эксцентриковой ступицы; внутренняя разводка орошения; нанесение на погрузочные поверхности лопастей износостойкого покрытия.

В соответствии с исходными требованиями была разработана необходимая техническая документация, а затем и изготовлены экспериментальные образцы шнеков нового технического уровня, которые были испытаны в производственных условиях при непосредственном участии автора.

Шахтные испытания экспериментальных шнеков показали, что их применение позволяет по сравнению с серийными: практически исключить поломочные отказы резцедержателей в процессе эксплуатации и увеличить их долговечность но износу в 1,4-1,8 раза, повысить наработку шнека на отказ до 3 раз, увеличить среднюю скорость подачи на 9-23%, уменьшить удельные энергозатраты на выемку на

Таким образом, практически по всем показателям эффективности применения экспериментальные шнеки превзошли серийные, что позволило межведомственным комиссиям рекомендовать их к серийному производству на российских предприятиях.

12-23%.

ЗАКЛЮМЕНИЕ

В диссертации на основе обобщения ранее разработанных научных положений о надежности исполнительных органов очистных комбайнов и анализа подученных автором многочисленных экспериментальных данных решена задача установления взаимосвязи параметров режима работы с характеристиками надежности шнеков, меняющимися в процессе эксплуатации, и разработки на этой основе предлохсеннй по обеспечению сохранности эффективных схем расстановки инструмента, позволяющих поддерживать режим работы комбайна на рациональном уровне.

Основные выводы и результаты работы заключаются в следующем:

1. Показатели режима работы и производительность очистных комбайнов в любой момент эксплуатации зависят от фактической схемы расстановки инструмента, определяемой надежностью резцедержателей исполнительного органа.

2. Отказы резцедержателей чаще всего происходят в наиболее нагруженных забойных линиях резания, как правило, примыкающих к кутковой части шнека. По мере выхода из строя резцедержателей имеет место нарушение принятой схемы резания, выражающееся в перераспределении нагрузки на резцы данной или соседних линий резания и возникновению прерывисто-повторного режима резания, вызывающего общий рост нагруженности комбайна и снижение его производительности.

3. Предложенный метод прогнозирования изменения схемы расстановки инструмента в зависимости от наработки исполнительного органа позволяет определять количество и расположение резцедержателей, отказавших как по поломкам, так и по износу.

4. Определение показателей эффективности применения очистных комбайнов (производительность, энергоемкость, сортность добываемого угля и др.) следует выполнять по предложенным в диссертации расчетным зависимостям, учитывающим фактическую схему расстановки инструмента и связанный с этим переход к другому виду режима резания, что приводит к росту потребляемой мощности и снижению производительности очистного комбайна.

5. Сохранение эффективных схем расстановки резцов обеспечивается при исключении поломочных отказов резцедержателей путем их врезки в лопасть шнека и уменьшения износовых отказов за счет уменьшения зазоров в соединении "резец-резцедержатель", применения пассивных креплений и совершенствования методов термообработки резцедержательных устройств.

Предложения, разработанные в настоящей работе и использованные при создании экспериментальных и опытных образцов исполнительных органов (ИГД им.А.А.Скочинского, АО "Гипроуглемаш", СП "ПИГМА-Кенаметалл"), позволили: повысить межремонтный ресурс по сравнению с серийными шнеками до 3 раз; практически исключить поломочные отказы резцедержателей в процессе эксплуатации и увеличить их долговечность по износу в 1,41,8 раза; увеличить среднюю скорость подачи на 9-23%; увеличить выход крупно-средних сортов угля (на 5-17%) и снизить выход угольной мелочи (на 13-32%); уменьшить удельные энергозатраты на выемку на 12-23%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Опыт применения шнеков нового технического уровня при выемке пластов угля и сланцев // Совершенствование добычи и переработки горючих сланцев: Тез. докл. IX Республ. науч.-техн.конф. молодых специалистов и ученых / Ю.Н.Лннник, Я.Л.Цыпин, К.Н.Яковлев, Ю.В.Зонтов. - Кохтла-Ярве: 19S9.- С.4-5.

2. Влияние отказов исполнительных органов на скорость подачи и потребляемую мощность очистных комбайнов / Е.З.Позин, Ю.НЛинник, Ю.В.Зонтов, В.И.Жигульский // Уголь Украины. -1990. - №7. - С. 43-46.

3. Линник Ю.Н., Зонтов Ю.В. Взаимосвязь показателей эффективности применения очистных комбайнов с надежностью исполнительных органов // Технология, механизация и автоматизация очистных работ: Науч.сообщ./ИГД им.А.А.Скочинского. - 1990 - С. 124-132.

4. Влияние надежности шнековых исполнительных органов на режим работы очистных комбайнов // Проблемы повышения надежности, уровня безаварийности эксплуатации электротехнических и электромеханических комбайнов и оборудования горных и промышленных предприятий: Тез. докл.науч.-практ.семин. с международным участием ученых, аспирантов, инженеров и студентов / Е.З.Позин, Ю.В.Зонтов.- М.: МГГУ, 1994.- С. 27-30.

5. Отраслевая Инструкция по выбору шнековых исполнительных органов очистных комбайнов / Ю.НЛинник. Е.З.Позин, В.Г.Мерпяков, Ю.В.Зонтов и др. - М.: ИГД им.А.А.Скочинского, 1997,- 32 с.

Подп. в печать 9 02.98 г. Формат 62,5\S4 1/16.

Бум.писчая N.T. Уч.-ии.л. 1,00. Тираж 100 jki.

И и.>«100157. Тии.ик.

Институт горного ЛС.'К» нм-Л-Л Скочинскою,

1-40004. г .Люберцы Mi нгк. обл.

Типография: 1-10004, г. Люберцы Моск .об г