Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор и анализ конструкций шахтных погрузочных машин с нагребающими лапами и направлений проводимых исследований 12
1.1 Обзор и анализ шахтных погрузочных машин непрерывного действия с нагребающими лапами типаПНБ 12
1.2 Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований 23
1.3 Анализ патентной литературы 27
Выводы по первой главе 33
ГЛАВА 2 Математическая модель механизмов рабочих органов погрузочных машин типа ПНБ 34
2.1 Анализ кинематических схем механизмов рабочих органов погрузочных машин типа ПНБ 34
2.2 Анализ параметров кинематической схемы механизма нагребающих лап погрузочной машины 2ПНБ-2 38
2.3 Разработка математической модели механизмов рабочих органов погрузочных машин типа ПНБ 40
Выводы по второй главе 52
ГЛАВА 3 Оптимизация параметров механизмов нагребающих лап погрузочных машин типа ПНБ 53
3.1 Синтез механизмов нагребающих лап 53
3.2 Обобщенный анализ кинематических схем механизмов нагребающих лап шахтных погрузочных машин типа ПНБ 79
3.3 Кинематический анализ механизмов рабочих органов погрузочных машин типа ПНБ 84
Выводы по третьей главе з
ГЛАВА 4 Динамическое исследование механизмов нагребающих лап погрузочной машины типа ПНБ 93
4.1 Внешние силы, действующие на нагребающую лапу 95
4.2 Экспериментальные исследования процесса дробления частиц насыпного груза 97
4.3 Составление динамической модели механизма нагребающих лап погрузочной машины типа ПНБ 103
4.4 Исследования неравномерности движения механизмов нагребающих лап погрузочной машины типа ПНБ 115
4.5 Обоснование конструктивной формы нагребающей лапы погрузочной машины типа ПНБ 121
4.6 Анализ результатов промышленных испытаний привода нагребающей лапы погрузочной машины 2ПНБ-2 и результатов компьютерного моделирования 123
Выводы по четвертой главе 132
Заключение 133
Список литературы 135
- Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований
- Разработка математической модели механизмов рабочих органов погрузочных машин типа ПНБ
- Обобщенный анализ кинематических схем механизмов нагребающих лап шахтных погрузочных машин типа ПНБ
- Составление динамической модели механизма нагребающих лап погрузочной машины типа ПНБ
Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований
Добыча угля в России ведется на шахтах и по объему добычи составляет 354 млн. тонн ежегодно. В энергетическом балансе народного хозяйства использование угля составляет 13-14%, а в производстве тепловой энергии - 25-28%. При этом угольная промышленность страны является основным заказчиком горнопроходческой техники, и в частности, погрузочных и буропогрузочных машин с нагребающими лапами.
Так, например, на шахтах ОАО «Донуголь», ОАО «Гуковуголь», ООО «СулинАнтрацит» и ООО «Сулинуголь» Ростовской области эксплуатируется более 80 единиц погрузочных машин с нагребающими лапами [23, 38].
Их них, погрузочных машин 1ПНБ-2 - 5 единиц, 1ПНБ-2Б -2 единицы, 1ПНБ-2У - 4 единицы. Погрузочных машин второй модели 2ПНБ-2 - 41 единица, 2ПНБ-2Б - 17 единиц и 2ПНБ-2У - 9 единиц [6].
Как видно из представленного перечня погрузочных машин в шахтах на проходке горных выработок, в основном, применяются машины модели типа 2ПНБ-2 и буропогрузочные машины 2ПНБ-2Б.
Несмотря на возрастающий объем комбайнового способа проведения выработок, около 50% общей протяженности выработок проводится с применением буровзрывных работ и погрузкой горной массы погрузочными машинами и скреперными установками и частично вручную. Буровзрывные работы с использованием погрузочных машин применяются в основном при проведении выработок смешанным забоем по углю и породе (около 76%) и чисто породным забоем (около 24%) в горно-геологических условиях, где проходческие комбайны не могут быть использованы (породы с коэффициентом крепости более 8, мало протяженные выработки длиной до 200 м и т.д.). Эксплуатируются, в основном, два типа погрузочных машин: непрерывного действия - 1ПНБ-2 и 2ПНБ-2 и ковшового - 1ППНС и 1ППН5. Серийно производятся уклонные погрузочные машины 1ПНБ-2У и 2ПНБ-2У, модернизирован серийно выпускаемый перегружатель УПЛ2, получивший шифр УПЛ2М, который может применяться как с погрузочными машинами, так и с проходческими комбайнами.
Серийно выпускаемая буропогрузочная машина 2ПНБ-2Б, позволяет механизировать бурение шпуров с помощью навесного бурильного оборудования и погрузку горной массы при проведении горных выработок по углю и породе с/= 12.
Одной из основных задач механизации проведения подготовительных выработок является создание высокопроизводительных, надежных и долговечных погрузочных машин для различных горнотехнических условий. Погрузочные машины могут служить базой для компоновки комплексов оборудования, механизирующих основные технологические операции при проведении горизонтальных и наклонных выработок [6, 34, 70, 84].
Горнотехнические условия оказывают влияние на выбор основных параметров и размеров погрузочных машин и, в первую очередь, накладывают ограничения на габаритные размеры машины.
Шахтные погрузочные машины выполняют три основные функции: захват горной массы, отделенной от массива взрывными работами, передачу ее на последующие транспортные средства с подъемом на необходимую для этого высоту и транспортирование насыпного груза.
Погрузочные машины классифицируют по следующим основным признакам (рисунок 1.1) [6, 21, 22, 42, 52, 58, 61, 62].
Следует отметить, что в соответствии с представленной на рисунке 1.1 схемой главными признаками классификации погрузочных машин для настоящего исследования приняты: тип исполнительного органа (нагребающие лапы) и принцип действия исполнительного органа -непрерывный.
Приняты следующие условные обозначения шахтных погрузочных машин: ковшовые машины имеют буквенный шифр ППН (погрузочная периодического действия нижнего захвата), машины с нагребающими лапами - буквенный шифр ПНБ (погрузочная непрерывного действия бокового захвата). Типоразмер машины обозначен цифрой, стоящей справа от буквенного шифра.
В последнее время находят применение погрузочные машины, оснащенные навесным бурильным оборудованием. Разработано несколько типов навесного бурильного оборудования применительно к серийно выпускаемым погрузочным машинам для бурения шпуров в породах различной крепости.
Опыт создания и эксплуатации такого типа оборудования показал целесообразность его использования на машинах непрерывного действия с исполнительных органом в виде нагребающих лап [42]. Навесное бурильное оборудование рекомендуется устанавливать на машинах с гусеничным ходом, так как при бурении оно не требует дополнительного раскрепления и может обслуживать забой любой ширины. Применение мощных бурильных машин на погрузочных машинах сокращает количество применяемого оборудования, улучшает коэффициент его использования и, как следствие, снижает стоимость проведения 1 м выработки.
Разработка математической модели механизмов рабочих органов погрузочных машин типа ПНБ
Под синтезом механизмов понимается проектирование кинематической схемы механизма, удовлетворяющего поставленным целевым функциям и принятым ограничениям. При этом решаются две задачи: - структурный синтез, т.е. устанавливается строение механизма с точки зрения числа звеньев, кинематических пар и т.п.; - кинематический синтез, т.е. устанавливается форма, кинематические параметры, относительное положение осей вращения ведущего и ведомых звеньев. Криеошипно-балансирный механизм
Синтез выполнен на основе составленной математической модели в программе MATLAB [7]. В качестве переменных величин приняты: г - радиус кривошипа; dx, d2 - координаты центра вращения балансира 03; В - угол отклонения рабочей части лапы АС от шатуна АВ [80, 81].
После перебора переменных величин получен оптимальный набор параметров кинематической схемы [86], удовлетворяющий основным требованиям к траектории движения передней кромки лапы, описанных в разделе 2.1, с максимальной площадью.
Проведенное исследование выявило следующее рациональное сочетание параметров для кривошипно-балансирного механизма: г = 250 мм, // = -180 мм, d2 = 430 мм, /? = 5. При полученных геометрических параметрах площадь, заключенная в траектории движения передней кромки лапы, (рисунок 3.1) равна S = 0,504 м2 [75, 76]. Данное значение площади в 1,51 раз больше, чем для натурной схемы погрузочной машины 2ПНБ-2 (0,333 м ) [82]. у, MM
Траектория движения передней кромки лапы кривошипно-балансирного механизма при г = 250 мм, d\ = -180 мм, 6 = 430 мм, /? = 5
Траектория, описываемая передней кромкой лапы, показана на рисунке 3.1 и представляет собой замкнутую кривую, расположенную относительно габаритов приемной плиты следующим образом:
С учетом того, что площадь, заключенная в траектории, является функцией от нескольких переменных (г, d\, d2 и /?), то для оценки рациональности полученных параметров были использованы сечения. То есть, построены графики для одной переменной с сохранением остальных постоянными.
Зависимость площади, заключенной в траектории движения передней кромки лапы, S от длины кривошипа г при постоянных ранее определенных значениях d\ = -180, d2 = 430 и /? = 5 описывается правой веткой параболы, отвечающей уравнению S = 8 10 б г2 - 6 10 5 г + 4 10 4. Анализ данной зависимости показал (рисунок 3.2), что чем больше при прочих равных г, тем больше площадь.
При увеличении радиуса кривошипа г от 100 до 205 мм площадь траектории S возрастает от 0,08 до 0,337 м2,т. е. в 4,21 раза. Дальнейшее увеличение радиуса г от 205, 225 до 250 мм ведет к возрастанию площади траектории соответственно от 0,337, 0,407 до 0,504 м2, т.е. в 1,2 раза на каждом этапе.
Траектории, описываемые передней кромкой лапы при значениях радиуса кривошипа г = 100, 205, 225 и 250 мм представлены на рисунке 3.3.
При дальнейшем увеличении радиуса кривошипа свыше значения 250 мм схема с рассматриваемыми параметрами не удовлетворяет условию проворачиваемости механизма. С другой стороны, увеличение радиуса кривошипа свыше 250 мм ведет к нежелательному выходу траектории за пределы рабочей плиты, что не отвечает целевой функции механизма.
Из вышесказанного был сделан вывод о рациональности и целесообразности принятия параметра г равным 250 мм. у, мм
При изменении параметра от 0 до 180 мм наблюдается резкий переход траектории в зону приемного конвейера, что является недопустимым и не отвечает функциональным ограничениям. Оптимальное значение d\ = -180 мм, определяет наилучшее положение траектории на приемной плите.
Из вышесказанного был сделан вывод о рациональности и целесообразности принятия параметра dj = -180 мм.
Влияние ординаты йг на площадь, заключенную в траектории движения передней кромки лапы, S при постоянных ранее определенных значениях г = 250, d\ = -180 и /3 = 5 описывается линейной зависимостью (рисунок 3.6), отвечающей уравнению
Так как центр вращения балансира Оъ не может располагаться в зоне траектории кривошипной точки А, то был рассмотрен (рисунок 3.7) только диапазон значений координаты d2 250 мм. При этом при значениях d2 430 мм механизм геометрически нереализуем, поэтому анализ влияния d2 на площадь и расположение траектории ограничен диапазоном от 250 до 430 мм.
Изменение координаты d2 от 250 до 350 мм увеличивает площадь внутри траектории от 0,481 до 0,494 м , т.е. на 2%, при дальнейшем увеличении d2 от 350 до 430 мм сохраняется та же закономерность, т. е. площадь траектории возрастает от 0,494 до 0,504 м2, т. е. в 1,02 раза, что позволяет сделать вывод о линейной зависимости между S и d2 и о незначительном ее влиянии на величину площади.
Анализ траекторий, представленных на рисунке 3.7 и соответствующих различным значениям d2 в диапазоне от 250 до 430 мм показывает, что координата d2 оказывает влияние на положение траектории на приемной плите и ее ориентацию относительно центра вращения кривошипа.
Обобщенный анализ кинематических схем механизмов нагребающих лап шахтных погрузочных машин типа ПНБ
Характерным для всех кривых на рисунках является наличие двух зон, соответствующих рабочему и холостому ходу нагребающей лапы.
Так, в первой зоне максимум скорости отмечен для трех кинематических схем, показанных на рисунке 3.35: модернизированной кривошипно-балансирной схемы, кривошипно-кулиснои с прямолинейной и криволинейной кулисой -максимальная скорость точки С при нагребании насыпного груза (рабочий ход) составляет, соответственно, 3,172; 2,184 и 2,116 м/с. Второй максимум проявляется на холостом ходу при угле поворота кривошипа на 270 и составляет, соответственно, 3,484; 6,12 и 4,431 м/с.
Как видно, в период нагребания насыпного груза скорости у точки С отличаются для всех схем незначительно и для кривошипно-кулиснои схемы с криволинейной кулисой скорость в 1,5 раза меньше по сравнению с модернизированной кривошипно-балансирной схемой ив 1,03 раза меньше по сравнению с кривошипно-кулисной схемы прямолинейной кулисой (таблица 3.2-3.5).
На холостом ходу лапа с прямолинейной хвостовой частью имеет скорость точки С в 1,43 раза большую, чем у лапы с криволинейной хвостовой частью. Изменение ускорений точки С (ас) показано на рисунке 3.36. Также на рисунке показаны две зоны, нагребания насыпного груза в диапазоне поворота кривошипа от 0 до 240 и холостого хода: 240 - 360.
В первой зоне нет ярко выраженного максимума ускорений. Максимумы ускорений изменяются, соответственно: 11,5; 7,16 и 6,75 м/с при угле поворота кривошипа на 60. Во второй зоне (холостой ход) максимальные ускорения точки С составляют 26,28; 41,95 и 36,95 м/с , соответственно, и при этом, углы поворота кривошипа равны 240, 270 и 300. В этой зоне максимумы ускорений повторяются дважды, что соответствует «мертвому» положению звеньев, когда кривошип и лапа накладываются друг на друга (таблица 3.2-3.5).
Графики угловой скорости лапы со2 = f( p) (рисунок 3.37) проходят в положительной и отрицательной областях относительно оси абсцисс и имеют положительные максимальные значения 3,52; 1,82 и 1,8 с"1, в отрицательной области - 4,73; 8,6 и 6,4 с"1. Такие угловые скорости возникают при углах поворота кривошипа на 120 и 90 при рабочем ходе и на 240 и 270 при холостом (таблица 3.2-3.5).
При холостом ходе угловые ускорения изменяются в широком диапазоне и максимальные угловые ускорения составляют 33,35; 54,6 и 47,07 с" , соответственно (таблица 3.2-3.5).
Угловые ускорения лапы при рабочем ходе изменяются незначительно (рисунок 3.38). Так у кривошипно-балансирного механизма в положительной области угловые ускорения изменяются от 2,26 до 34,18 с" ; у кривошипно-кулисного механизма с прямолинейной кулисой изменяются от 0,51 до 3,41 с" ; и у кривошипно-кулисного механизма с криволинейной кулисой от 1,32 до 5,47 с" (таблица 3.2-3.5).
Проведенный кинематический анализ показал, что кривошипно-кулисная схема с криволинейной хвостовой частью лапы предпочтительнее кривошипно-балансирной и кривошипно-кулисной с прямолинейной кулисой. Выводы по третьей главе
По результатам проведенного синтеза механизмов нагребающих лап погрузочной машины типа ПНБ следует сделать следующие выводы:
1. Установлено, что для механизмов рабочих органов погрузочных машин типа ПНБ площадь, заключенная в траектории движения передней кромки лапы и ее вписываемость в размеры приемной плиты зависят от радиуса кривошипа г, координат центров вращения звеньев (d\, d2), угла /? отклонения рабочей части лапы от прямолинейности и радиуса кривизны хвостовой части лапы R.
2. Для всех исследуемых схем установлена параболическая зависимость площади, заключенной в траектории движения передней кромки лапы от радиуса кривошипа г.
3. Установлена для кривошипно-балансирного механизма параболическая зависимость площади, заключенной в траектории движения передней кромки лапы от абсциссы d\ и угла /? и линейная - от ординаты d2, при этом площадь равна 0,504 м ; для кривошипно-кулисного механизма с прямолинейной и криволинейной хвостовыми частями лапы - параболическая зависимость от абсциссы d\ и угла /? и гиперболическая - от ординаты d2, при этом площади соответственно равны 0,470 и 0,461 м .
Установлено, что площадь, заключенная в траектории движения передней кромки лапы, в зависимости от радиуса кривизны R криволинейной хвостовой части, описывается уравнением сигмоиды.
При исследовании рабочего органа погрузочной машины были определены геометрические размеры кинематических схем механизма нагребающих лап, обеспечивающие (при прочих равных с натурным образцом условиях) максимальную площадь нагребания насыпного груза и, как следствие, повышение теоретической производительности погрузочной машины на 30%.
На качество работы машины влияют колебания скорости ведущего звена [85], что вызывает динамические нагрузки на детали машины. Решение задачи динамики исследуемого механизма сводится к определению коэффициента неравномерности движения д ведущего звена (кривошипа) и сравнение его с допустимой величиной [д] для данного типа машин.
Динамика исполнительного органа рассмотрена в период установившегося движения машины [24-26, 47, 50]. При этом рассмотрен один цикл, соответствующий одному обороту ведущего звена. За начало отсчета принято положение кривошипа в момент внедрения лапы в насыпной груз.
Рабочий орган погрузочной машины включает: ведущий диск (кривошип), лапу нагребающую, балансир.
На основании технической документации погрузочной машины типа 2ПНБ-2 определены геометрические размеры, массы и моменты инерции основных элементов привода, принятые в дальнейшем равными для всех рассматриваемых схем. Результаты вычислений представлены в таблице 4.1.
Геометрические размеры, объемы, массы, моменты инерции и частоты вращения элементов привода (редуктор погрузочного органа чертеж МПН 11.02.000 СБ; часть нагребающая - 2ПНБ2.31.00.000 СБ) № Диаметр, м Высота, м Объем, м Масса, кг Момент инерции, кгм п, об/мин со, рад/с Приведенный момент инерции, кгм Ротор
Составление динамической модели механизма нагребающих лап погрузочной машины типа ПНБ
Траектории движения передней кромки лапы кривошипно-кулисного механизма с прямолинейной кулисой для различных значений /?: \-Р = -45 , 2-р = -30 , 3 -у» = -15, 4 -у» = 0, 5 -у» = 15, 6 -у» = 30 , 7 -yff = 45и Проведенный анализ влияния геометрических параметров кривошипно-кулисного механизма с прямолинейной кулисой на величину площади, заключенной внутри траектории, вписываемость и расположение траектории на приемной плите погрузочной машины типа ПНБ показал, что рациональными параметрами являются следующие: г = 250 мм, d\ = -\5 мм, d2 = 380 мм, р = 30, S = 0, 470 м2.
Криеошипно-кулисный механизм с криволинейной кулисой Анализ выполнен на основе составленной математической модели в программе MATLAB. В качестве переменных величин приняты: г - радиус кривошипа; d\,d2 - координаты центра вращения балансира От,; R - радиус криволинейной хвостовой части лапы; /? - острый угол между продолжением касательной к дуге AD в точке Аи АС.
После перебора значений переменных величин выявлен набор параметров механизма, позволяющий получить траекторию, удовлетворяющую основным требованиям, описанных в разделе 2.1, и при этом имеющую максимальную площадь: г = 250 мм, dj = 90 мм, d2 = 400 мм, Д=1100мм,у# = 5. При этих параметрах площадь траектории (рисунок 3.19) получилась равной 5 = 0,461 м . Данное значение площади в 1,38 раз больше, чем для натурной схемы погрузочной машины (0,333 м ). У, мм всю -ТОО -600 -500 -400 -МО -200 -100 0 100 200 300 Рисунок 3.19- Траектория движения передней кромки лапы кривошипно-кулисного механизма с криволинейной кулисой при г = 250 мм, d\ = 90 мм, d2 = 400 мм, R = 1100 мм, 0 = 5 Траектория, описываемая передней кромкой лапы, показана на рисунке 3.19 и представляет собой замкнутую кривую, расположенную относительно габаритов приемной плиты следующим образом:
На участке нагребания траектория выходит за переднюю кромку плиты на 17 мм. На участке внедрения сохраняется минимальный зазор 3 мм между лапой и боковой кромкой плиты. На участке транспортирования выход траектории за осевую линию приемной плиты составляет 95 мм. В конце периода транспортирования траектория не доходит до приемного окна конвейера на 54 мм.
Площадь является функцией нескольких переменных (г, d\, d2, R и /?), поэтому для оценки влияния полученных параметров на площадь S были использованы сечения, т.е., построены графики для одной переменной при сохранении остальных постоянными. Зависимость площади S от длины кривошипа г (рисунок 3.20) при постоянных ранее определенных значениях: d\ = 90 мм, d2 = 400 мм, R= 1100 мм и /? = 5 описывается правой веткой параболы, соответствующей уравнению S = 9 10 б г2 - 5 10 4 г + 0,04. Анализ данной зависимости показал, что увеличение радиуса г ведет к увеличению площади S.
Влияние абсциссы d\ на площадь S при постоянных ранее определенных значениях: г = 250 мм, d2 = 400 мм, R = 1100 мм и /? = 5 описывается параболой (рисунок 3.22) с локальным минимумом в значении d\ = 0, соответствующей уравнению S = -7 10 2 + 3 10 18 + 0,47.
Анализ полученной зависимости (рисунок 3.22) показывает, что наибольшее значение площади достигается в локальном максимуме, т.е. при d\ = 0. При удалении от этого значения d\ = 0 до d\ = ±150 мм площадь незначительно уменьшается от 0,461 до 0,448 м , что составляет около 3%.
Параметр d\ оказывает значительное влияние на положение траектории относительно приемной плиты оказывает (рисунок 3.23).
Чем дальше значения d\ отходит от оптимального значения, тем сильнее траектория переходит на приемный конвейер или за боковой габарит плиты.
При этом очевидно, что именно значение d\ = 90 мм обеспечивает максимальное приближение траектории к боковому габариту приемной плиты. При значениях, отличных от найденного оптимума, траектория не отвечает требованиям по расположению и вписываемости.
При этом очевидно, что именно значение d\ = 90 мм обеспечивает максимальное приближение траектории к боковому габариту приемной плиты. При значениях, отличных от найденного оптимума, траектория не отвечает требованиям по расположению и вписываемости.
