Введение к работе
Актуальность пробчемы В отечественной практике, а также в ряде стран СНГ наряду с машинами с боковой разгр>зкой ковша продолжают широко применяться машины с парными нагребающими лапами (типа ПНБ) Недостатками машин ПНБ в традиционном исполнении является высокая конструмивная сложность, низкая надежность основных узлов При погрузке машиной наибольшая нестабильность при формировании производительности и нагрузок обусловливается физико-механическими свойствами материала штабеля
Главными параметрами погрузочных машин типа ПНБ является техническая производительность, нагрузки в приводах исполнитечьных органов и энергоемкость процесса Основным фактором, оказывающим влияние на перечисленные выходные характеристики и эксплуатационную надежность машин, является среда их эксптуатации, которая определяется горнотехническими условиями
Погрузка горной массы машиной с нагребающими лапами - это процесс непрерывного взаимодействия рабочего органа со штабелем погружаемого материала Для достижения максимально возможной технической производительности машины необходимо в возможно полной мере учитывать свойства материала, взаимодействующего с исполнительными органами Сыпучий и кусковый материал, подлежащий погрузке, характеризуется множеством отличительных особенностей, влияющих на процесс взаимодействия рабочего органа со штабелем погружаемого материала Различные показатели плотность, гранулометрический состав, крепость, влажность, высота и ширина штабеля, расположение выработки в пространстве оказывают значительное влияние на производительность и нагрузки в приводах рабочего органа
Анализ имеющихся экспериментальных и аналитических методов, используемых при создании шахтных погрузочных машин, показал, что они обладают существенными недостатками Математические модели для расчета параметров машин описывают только средние значения нагрузок и производительности, так как свойства горной массы, с которой происходит взаимодействие, учитываются дискретными значениями коэффициентов для отдельных разновидностей пород
В связи с этим использование зависимостей, полученных для конкретных устовий погрузки, приводит к значительным погрешностям, требует проведения дополнительных исследовании корректировки значении коэффициентов в эмпирических формулах Однако достоверность математических моделей в результате таких уточнений не возрастает
Следует отметить, что в литературе отсутствует определение понятия «кусковая среда», и четкая идентификация свойств среды как сыпучей или кусковой Механизмы взаимодействия в этих средах имеют свои характерные особенности
Экспериментальные наблюдения показали, что при определенном размерном соотношении кусковая среда близко воспроизводит свойства сыпучей среды - углы естественного откоса, внутреннего трения и т д При других размерных соотношениях свойства кусковой среды могут существенно отличаться от свойств сыпучей среды Таким образом, возникает необходимость уточнения методов определения свойств кусковой горной массы Термин «кусковатость» горной массы является понятием относительным и должен определяться не по показателю абсолютного среднего или максимального размера частицы штабеля, а по соотношению линейного размера активного элемента и среднего размера куска с учетом гранулометрического состава Такой характеристикой среды являегся масштабный фактор, то есть среднее количество кусков, приходящихся на единицу длины активной части погрузочного органа Соотношение К\= lldlp, где /- линейный размер взаимодействующего элемента погрузочного органа, определяет возможность интерпретации свойств среды от сплошной сыпучей до дискретной кусковой Кроме того имеет значение укладка частиц в единице объема, которая определяется их относительной формой те
Кф=(п+Ь+с)15. где а, Ь, с - относительные линейные размеры частицы Таким образом целесообразно ввести в рассмотрение масштабный фактор А", и коэффициент формы Кф частиц при исследовании свойств материала, влияющих на рабочие процессы погрузки
На основании вышеизложенного, представляется актуальным изучение влияния этих факторов на процессы взаимодействия при погрузке и транспортировании горной массы, корректировка математических моделей и разработки унифицированного метода расчета производи гельности, сопротивлений зачерпыванию, мощности и энергоемкости процесса с учетом характера проявления указанных факторов
Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам Диссертационная работа выполнена в рамках научных направтений ЮРГТУ (НПИ) «Компьютерное модепирование процессов и технологий горного производства как основы создания систем автоматизированного проектирования и управления» и «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда», проекта Минобразования РФ ТОО-4 5-2752/81 01 «Рабочие процессы и оптимальные параметры шахтных погрузочных и транспортных машин на основе стохастических закономерностей взаимодействия исполнительных органов с крупнокусковым материалом», выполненного в 2001-2002 г
Цель работы Разработка метода определения производительности, нагрузок и энергоемкости процесса захвата горной массы погрузочных машин с нагребающими лапами, учитывающего масштабный фактор и коэффициент формы погружаемого материала, повышающего достоверность установления основных параметров машин на стадиях проектирования и оценки их эксплуатационных качеств
Идея работы заключается в экспериментальном исследовании влияния коэффициента формы и масштабного фактора как необходимых условий, определяющих физико-механические свойства кусковых пород, и оценки их воздействия на процессы взаимодействия исполнительных органов погрузочных машин со штабелем
Научные положения, выносимые на защиту
Масштабный фактор и коэффициент формы частиц штабеля оказывают влияние на размер зоны перемешивания частиц, прилегающей к области предельного напряженного состояния и участвующей в формировании сопротивлений зачерпыванию и объемов захвата Влияние этих факторов проявляется в трех измерениях в вертикальном - через изменение насыпной плотности и в плоскости захвата - через изменение размеров зоны смещения и высоты сдвигаемого слоя
Масштабный фактор и изменение насыпной плотности и угла естественного откоса разрыхтенной горной массы связаны функциональными зависимосгями происходит увеличение плотности материала в разрыхленном состоянии и уменьшение угла естественного откоса при увеличении масштабного соотношения На эти зависимости накладывает воздействие относительная форма кусков Наряду с влиянием высоты сдвигаемого слоя, установленного в исследованиях многих авторов, увеличение зоны взаимодействия функционально зависит от изменения угла внутреннего трения, который близок по значению углу естественного откоса Экспериментально установлено, что с увеличением масштабного фактора и неравномерности состава штабеля по форме кусков зона взаимодействия увеличивается
При определении величины сопротивлений перемещению горной массы лапой в плоскости плиты питателя, производительности нагрузок в исполнительных органах, мощности двигателя и энергоемкости процесса необходимо дифференцированно учитывать влияние основных физико-механических свойств погружаемого материала через масштабный фактор и относительную характеристику формы частиц, участвующих в процессе взаимодействия
Методы исследований В работе использованы методы экспериментальных иссле-
дований физико-механических свойств горных масс, базирующиеся на общей теории по-родоведения При планировании экспериментов и обработке результатов исследования использованы методы математической статистики Изучение процессов взаимодействия исполнительных органов с погружаемым материалом проводилось с использованием классических методов статики сыпучей среды, методов компьютерного и численного моделирования, воспроизводящих процессы погрузки горной массы Научная новизна работы состоит в следующем
Впервые установлено закономерное влияние масштабного фактора и коэффициента формы частиц на изменение величины зоны перемешивания прилегающей к области предельно напряженного состояния и участвующей в формировании сопротивлений зачерпыванию, которое проявляется в связи с различной укладкой кускового материала в объемах сдвига
Получена функциональная зависимость насыпной плотности разрыхленной горной массы и угла естественного откоса от масштабного фактора и коэффициента формы частиц штабетя Учтено проявление свойств масштабного фактора и коэффициента формы частиц через изменения плотности материала в разрыхленном состоянии и угла естественного откоса на процессы взаимодействия погрузочного органа со штабелем Получена количественная зависимость изменения зоны взаимодействия и степени изменения сопротивлений черпанию от масштабного фактора и коэффициента формы частиц штабеля
Впервые разработаны методы аналитического определения величины отпора штабеля при перемещении горной массы в плоскости плиты питателя и определения основных параметров машин с нагребающими лапами, в которых обоснованы и аналитически отражены изменения сопротивлений зачерпыванию погружаемого материала от масштабного фактора и формы частиц, участвующих в процессе взаимодействия
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных апробированных методов исследований включающих анализ научно-исследовательских работ по рассматриваемому вопросу, статистические методы планирования физических и вычислительных экспериментов, выполненных с использованием приборного комплекса, современных ЭВМ и программных продуктов, прежде всего среды программирования Visual Basic for Application, оценку адекватности результатов исследований реальному процессу, относительная ошибка в определении средних расчетных и экспериментальных значений составляет не более 14% при уровне доверительной вероятности 0,9, что удовлетворяет данному типу исстедований
Значение работы Научное значение работы состоит в том, что обоснованы способы экспериментааьного определения физико-механических свойств разрыхленных горных масс во взаимосвязи с масштабным фактором (относительным размером) и относительной формой частиц кусковых пород и модифицированы, с учетом этих факторов, методы определения сопротивлений при взаимодействии исполнительных органов со штабелем, производительности и энергоемкости рабочих процессов погрузочных машин с нагребающими лапами
Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты, в частности, усовершенсгвованная инженерная методика определения параметров машин с типа ПНБ, позволяет реализовывать в режиме имитационного компьютерного моделирования случайный процесс погрузки и учитывать вчияние масштабного фактора и относительной формы кусков погружаемого материала при расчете производительности, нагрузок в приводе нагребающей части, мощности и энергоемкости процесса Методика может использоваться при проектировании машин и оценке их эксплуатационных качеств в различных условиях, представляет интерес при проведении проектно-конструкторских работ для выбора и оценки технических показателей машин типа ПНБ , а также при расчете рациональных параметров буровзрывных работ проходческої о цикла
Внедрение результатов диссертационных исследований Основные результаты диссертационных исследовании приняты к использованию в ОАО «Копеиский машино-сіроительньїй завод» и ННЦ ГП - ИГД им А А Скочииского при проведении проектно-конструкторских работ для выбора и оценки мощности привода рабочего органа погрузочных машин іипа ПНБ выпускаемых в настоящее время применительно к конкретным условиям эксплуатации Результаты исследований рекомендуются к применению техническим службам шахт и угольных акционерных обществ для анализа возможностей приобретаемых погрузочных машин типа ПНБ при установлении рационального уровня дробления материала при бурозрывных работах, а также научно-исследовательским и проектно-конструкторским организациям при разработке или модернизации образцов шахтных погрузочных машин
Методы и средства экспериментальных исследований свойств кусковой горной массы, расчета нагрузок на приводе рабочего органа погрузочных машин с учетом характера проявления свойств погружаемого материала (масштабного фактора и формы кусков погружаемого материала) внедрены в учебный процесс в виде методических указаний к выполнению лабораторных работ по транспортным машинам для студентов специальности 150402 - «Горные машины и оборудование»
Апробация работы Основные положения и результаты исследований докладывались на Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г Москва, 2001 г), симпозиуме «Неделя горняка- 2007» (г Москва), 5-ой Международной конференции молодых ученых и студентов (г Самара, 2004 г), международных научно-практических конференциях (г Новочеркасск, 2001 г, 2006 г), 52-55-й научно-технических конференциях студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ) (г Шахты, 2002-2006 г г ), научных семинарах кафедры «Технологические машины и оборудование»
Публикации По теме диссертации опубликованы 11 печатных работ (3 из них без соавторов), в том числе свидетельство Роспатента на программный продукт, общий объем которых составляет 2 7 п л , вклад соискателя - 2,3 п л
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 102 наименований и приложений, изложена на 206 страницах основного текста, содержит 96 рисунков и 43 таблицы
Большую помощь в работе над диссертацией оказал заведующий кафедрой «Информатика» ЮРГУЭС доцент, кандидат технических наук |В И Науменко[
Автор выражает глубокую признательность коллективу кафедры «Технологические машины и оборудование» ШИ ЮРГТУ (НПИ) за постоянную методическую помощь в работе над диссертацией
