Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ общих направлений и методических основ совершенствования комплексов горных машин 11
1.1. Анализ направлений совершенствования очистных механизированных комплексов 11
1.2. Направления совершенствования проходческой техники 17
1.3. Анализ направлений совершенствования средств транспорта 21
1.4. Анализ направлений создания горнодобывающих машин нетрадиционного исполнения 27
1.5. Анализ методических средств выбора оптимальных компоновок новых горнодобывающих комплексов 30
1.6. Постановка задач исследования 32
Глава 2. Основы теории для формализованного метода обоснования компоновок новых комплексов горных машин 34
2.1. Проблемам предпосылки создания системы инженерного конструирования 34
2.2. Постановка задачи морфологического анализа 40
2.3. Определение базовых функций и формирование основной морфологической таблицы 44
2.4. Обработка основной морфологической таблицы 52
2.5. Описание упрощенного алгоритма морфологического анализа с матрицами 3x3 (MORF) 58
Выводы 61
Глава 3. Разработка и исследование нового проходческо-добычного комплекса 62
3.1. Обоснование компоновки альтернативного комплекса 62
3.2. Модель расчета параметров добычных комбайнов с учетом скорости нагружения пород 65
3.3. Обоснование типа исполнительного органа и расчет его основных параметров 85
3.3.1. Обоснование случайного характера мгновенного значения скорости подачи 87
3.3.2. Анализ работы добычных комбайнов с использованием программы CUTTO 90
3.3.3. Результаты расчетов основных параметров проходческих комбайнов 95
3.4. Способ ведения горных работ с помощью комбайна ПДКУ 100
3.4.1. Обоснование конструкции проходческого комплекса для проведения выработок в опасных по динамическим явлениям породах 100
3.4.2. Теоретическое обоснование необходимости опережающего реза при проходке выработок в породах, опасных поГДЯ 102
3.4.3. Обоснование конструкции узлов проходческо-добычного комбайна 106
3.5. Разработка конструктивных параметров ПДКУ 112
3.5.1. Исходные требования к проходческому механизму, принципиальная схема и основные его узлы 112
3.6. Обоснование конструктивных схем комплексов «добычная машина -транспортная машина» и «добычная машина - перегрузка - транспортная машина» 117
Выводы 119
Глава 4. Определение структуры и основных параметров многоприводных ленточных конвейеров
4.1. Выбор типа промежуточного привода 122
4 2. Определение допустимого числа приводов и срока службы конвейерной ленты 125
4.3. Расчёт динамических усилий при пуске многоприводных конвейеров 134
4.4. Расчет динамических усилий в МПЛК в зависимости от изменения усилия тягового привода во времени 138
4.5. Определение усилий в ленте с учётом отражения и преломления волн 143
4.6. Синтез экономико-математических моделей расчёта многоприводных конвейеров 149
4.7. Разработка конструкций новых промежуточных приводов 160
Выводы 164
Глава 5. Экспериментальные исследования исполнительных органов горных машин 166
5.1. Исследования исполнительных органов по разрушению породы 166
5.1.1. Исследования исполнительных органов по отбойке глинистых пород в шахтах Метростроя Санкт-Петербурга 166
5.1.2. Выбор параметров добычного оборудования для шахт Метростроя 167
5.2. Экспериментальные исследования промежуточных приводов ленточных конвейеров на стендах 172
5.3. Промышленные испытания промежуточного привода ленточного конвейера 179
5.3.1. Экспериментальные исследования опытного образца промежуточного вакуум-привода 179
5.3.2. Методика исследования опытного образца промежуточного вакуум-привода 181
Выводы 187
Глава 6. Исследование комплексов для разработки придонных месторождений 189
6.1. Систематизация технических средств 189
6.2. Анализ компоновок комплексов для морских работ 196
6.3. Выбор типов исполнительных органов 204
6.3.1. Добычные исполнительные органы 204
6.3.2. Транспортирующие исполнительные органы 206
6.4. Разработка средств добычи полезных ископаемых шельфовой зоны балтийского моря 210
6.4.1. Комплекс с цепным исполнительным органом, выполняющим добычные и транспортные функции 211
6.4.2. Комплекс со шнеком и гидротранспортной установкой 212
Выводы 213
Выводы и рекомендации 215
Литература 218
Приложения 233
- Анализ направлений создания горнодобывающих машин нетрадиционного исполнения
- Определение базовых функций и формирование основной морфологической таблицы
- Модель расчета параметров добычных комбайнов с учетом скорости нагружения пород
- Расчет динамических усилий в МПЛК в зависимости от изменения усилия тягового привода во времени
Анализ направлений создания горнодобывающих машин нетрадиционного исполнения
Анализ литературных источников показывает возможность создания альтернативных добычных комплексов (АДК) на основе технической реализации новых приоритетных направлений фундаментальных исследований в области горного дела [19, 135, 143]: 1. Скважинные способы добычи угля или продуктов, получаемых из него. 2. Сжигание под землей полезного ископаемого - технология комплексного извлечения горючего газа и тепловой энергии "Угле-газ", называемой также подземной газификацией угля (ПТУ). 3. Станции ПТУ действуют в Кузбассе, Средней Азии, Туле. 4. Технология добычи углеводородов на основе гидрогенизации подземных твердых ископаемых за счет снижения прочности и изменения химико-физического состояния угля, в результате физического, химического и микробиологического воздействия на пласт. Такие технологии находятся в стадии лабораторных исследований.
В последнее время предлагаются весьма различные способы получения новых видов топлива, в том числе, путем сжижения или газификации углей [164]. Теоретически, в качестве альтернативы существующим методам механической добычи полезных ископаемых может быть предложен некоторый гипотетический способ добычи, например, угля, с помощью его сжижения или гидрогенизации в подземных условиях. Это потребует разработки совершенно нового класса машин, работающих при высоких температурах (до 600С), воздействии на уголь различных по химическому составу катализаторов (железа, йода, соединений молибдена и никеля и др.), а также повышенного давления, ядерного магнитного резонанса и т.д. Структурные модели АДК, основанные на перечисленных выше способах, в настоящее время трудно поддаются точному описанию на уровне отдельных аппаратов и машин. Поэтому, в настоящей работе АДК этого класса рассматриваться не будут.
Последние 30 лет интенсивно разрабатывались принципы создания новых технологий и их технические реализации по разработке месторождений полезных ископаемых, расположенных на дне мирового океана [116, 144]. К сожалению, в настоящее время большинство таких работ из-за недостатка финансирования выполняется не в полном объеме. В разделе 6.1 представлена классификация технических средств, способных выполнять основные функции при создании глубоководных добычных комплексов (ГДК) для различных типов пород, глубин моря и условий эксплуатации, разработанная по результатам анализа работ институтов "ВНИИПРОЗОЛОТО" [67, 93, 94, 117], МГГУ [32, 109, 115, 116, 148], СПбГГИ [22, 102, 179, 180] и исследователей [31, 32, 104, 126].
Как показал анализ вариантов ГДК [67, 207], комплексы оборудования для добычи полезных ископаемых на морском дне всегда включают донные агрегаты для переноса по заданным траекториям добычных ИО, выполняющих основные технологические операции по добыче полезных ископаемых (разрушение, захват, транспортирование и передача в главную транспортную систему). Анализ донных агрегатов показал перспективность использования шагающих машин [179], способных перемещать добычные ИО при различной несущей способности грунтов и требуемых подводных технологий ведения добычных работ.
Как следует из классификации, для обеспечения работы придонных станций (машин) необходимо использовать технологические транспортные системы (ТТС), которые могут быть модернизированы в добычные транспортные системы (ДТС). ТТС необходимы для обеспечения спуска и подъема сменных модулей придонной станции (машины). ДТС необходимы для непрерывной транспортировки полезного ископаемого из бункера, находящегося на придонной станции (машине). Известно [68, 158], что во многих случаях, особенно для больших глубин, именно создание работоспособной ДТС является слабым местом при разработке ГДК. Глубоководные драги (драги Масуды), как отмечалось в [116], при обеспечении ковшей улучшенными гидродинамическими средствами, эффективнее трубопроводных ДТС, так как в последних, кроме полезного ископаемого, необходимо перемещать средство-носитель (воздух, воду, летучие среды и т.д.). Именно канатно-ковшовые подъемники, устанавливаемые на надводных кораблях, являются наиболее простым ГДК и будут использоваться в ближайшее время для разработки конкреций и илов шельфа. Перспективными также могут являться следующие ДТС: - канатные или цепные драги с высокими гидродинамическими свойствами для снижения сопротивления движению ковшей и разведению ветвей драги в разные стороны; - ленточные элеваторы, снабженные легкими и прочными лентами с основой из синтетических материалов - аромидов [17], имеющих "карманы", наполняемые либо дискретными источниками газовых пузырей, либо связанными в определенных местах с централизованной системой воздуха; даже наземные ленточные элеваторы [153], где невозможно использование архимедовой силы и гидродинамики, имеют высоту подъема до 300 м, поэтому для шельфа создание такой установки возможно и в настоящее время; - многочерпаковые драги с промежуточными приводами, которые рассредоточены по несущему канату, на котором они закреплены и связаны с поплавковыми системами; ленты обеих ветвей драги в местах установки привода прижимаются к тяговым лентам, а в местах без приводов - удерживаются около каната; такая ДТС применима для больших глубин, так как натяжение в несущих лентах драги разгружается тяговыми; здесь также возможно использование "зонтиковых" и тяговых лент для создания лент с нулевой плавучестью;
Определение базовых функций и формирование основной морфологической таблицы
Каждая выбранная базовая функция может быть реализована одним или несколькими способами. Выбор того, каким образом будет реализована каждая функция, и есть выбор компоновки комплекса. Таблица морфологического анализа имеет строк столько же, сколько базовых функций. Элементами строк являются варианты реализации соответствующей функции. В общем случае, у разных функций может быть неодинаковое количество реализаций. В таком случае таблица морфологического анализа не будет являться квадратной матрицей. Но в рассматриваемом примере, для простоты и наглядности условимся задавать для всех функций равное число реализаций т. При необходимости можно составить несколько таблиц морфологического анализа и, произведя их раздельную обработку, получить те же самые результаты [89-91].
Определение параметров (характеристик) работы комплекса Необходимо определить параметры, характеризующие работу комплекса, по которым производится сравнение [206]. Выбор этих параметров зависит от конкретных условий, в которых будет работать комплекс, и от тех же соображений, что и для базовых функций. Как будет видно из дальнейшего изложения, в роли таких параметров могут вы ступать понятия, не имеющие абсолютного численного выражения. В табл. 2.2.3 параметры обозначены, как Р/, Р2, ..., Р/, ..., Д, где k - число параметров. Анализ размерных матриц-строк и определение параметров Матрица А, состоящая из элементов, не имеющих размерности, может быть преобразована в к матриц, элементы которых имеют размерность в соответствии с функциями, выполняемыми АДК, при условии реализации их конкретными техническими решениями: В качестве матриц типа Ai,...,Ak, имеющих размерность, могут использоваться: - матрица энергозатрат А] с элементами а1 ; - матрица удельных энергозатрат А2 с элементами а ; - матрица пооперационной производительности А3 (в случае различия по производительности отдельных машин АДК); - матрица временных затрат А4 с элементами а у (если цикл состоит из повторяющихся операций); - матрица пооперационного срока службы (ресурса) А5; - матрица пооперационного травматизма А6; - матрица пооперационных стоимостных затрат А7; - матрица металлоемкости функциональных машин А8; - матрица поузловых показателей надежности А9 и так далее, Ак. Анализ размерных матриц и выбор параметров Как показывает анализ взаимозависимости пооперационных матриц между такими матрицами существуют взаимные переходы. Поэтому для окончательного выбора функций и параметров для анализа необходимо учитывать следующие соотношения: 1. При выполнении основного допущения (констатированы время и про изводительность) достаточно выбора либо Аь либо А2: (2-3-2) поэтому, когда имеются зависимости, связывающие ресурс машины с видом нагрузки, типа материала и т.д., а также матрица пооперационных удельных энергозатрат, можно определить элементы матрицы А]. 3. Матрица пооперационных стоимостных затрат может быть получена из матрицы металлоемкости в результате следующего матричного перемножения IА71 = I Ag I -Ay (при допущении постоянства зависимости цены изделия от его массы), Ау - эмпирические коэффициенты. Матрица показателей надежности А9 может быть получена с учетом А3 и времени простоев из-за отказов. 4. Особая важность при анализе АДК для подземных условий заключена в выделении в отдельный параметр показателя пооперационной безопасности или пооперационного травматизма. Оценка безопасности мало коррелирует с другими пооперационными матрицами, поэтому оценка безопасности особенно добычных машин должна непременно присутствовать в анализе АДК, а ее приоритет должен быть максимально высок. Элемент а ц матрицы А6 может быть оценен как функция от числа обслуживающего персонала. Одной из основных причин включения в морфологический анализ параметра, связанного с энергоемкостью операций (энергоемкость), является тот факт, что в наиболее энергоемкой операции - отбойке породы удельная энергоемкость Hw является величиной, физически связанной с крепостью разрушаемых пород. В отличие от параметров АДК, таких, как стоимость и безопасность, не имеющих фактической величины для несуществующих вариантов, энергозатраты - это такой параметр, величину которого можно определить с достаточной точностью. Кроме того, удельные энергозатраты связаны с прочностью разрабатываемой породы и определяют, с одной стороны, спектр областей использования АДК по прочности разрабатываемых пород, а с другой - определяют такие важные режимные параметры добычной машины, как скорость подачи и скорость резания.
Поэтому целесообразно окончательное сравнение вариантов (на второй стадии анализа) добычных машин производить по условию пооперационного минимума удельных энергозатрат:
Модель расчета параметров добычных комбайнов с учетом скорости нагружения пород
В главе 2 указывалось, что для окончательного выбора компоновки (структурной схемы) АДК требуется проведение развернутого параметрического сравнения двух (трёх) вариантов и, что одним из важнейших параметров, является энергоемкость основных процессов, реализуемых конкретными техническими решениями. Необходимо в каждом конкретном случае выбирать адекватные математические модели и методики расчетов основных параметров ИО, машин, и АДК в целом. В частности, для наиболее энергоемкого процесса - отбойки породы, некорректность выбора методики расчета энергетических параметров добычных ИО может привести к завышению (занижению) мощностей машин в несколько раз, что естественно, приводит к росту (уменьшению) габаритов, массы, энергопотребления и т.д. Поэтому одной из важнейших задач является разработка универсальной методики расчета параметров добычных машин, включающей в себя различные механико-математические модели процессов взаимодейтвия ИО ГМ с породой.
Современную и весьма перспективную кинетическую теорию прочности, которая разрабатывалась акад. Журковым С.Н., многократно пытались применить для расчета параметров разрушения горных пород [21, 162]. Однако рассмотрение процесса разрушения породы при её взаимодействии с ИО ГМ на молекулярном уровне вряд ли целесообразно по причине устойчивой неоднородности пород, наличию твёрдых включений, функционально не зависящих от прочности основной породы, небольшой доли энергии, идущей только на разрушение от общей энергии, потребляемой ГМ.
Известно [128], что на скалывание угля при его резании ИО ГМ затрачивается 1-7-5 % общей энергии разрушения забоя. Покажем, что существует соответствие между удельными энергозатратами на разрушение, полученной как отношение потребляемой мощности и технической производительности, и работе разрушения породы Аршр, полученной в результате интегрирования функции зависимости предела прочности от деформации в пределах изменения деформации до разрушения образца
С учетом того, что на собственно разрушение идет от 1 до 20 % общей потребляемой ГМ мощности, можно ввести коэффициент, определяющий эту долю в зависимости от типа разрушаемой породы, режущего инструмента и ИО ГМ. С другой стороны, используя диаграмму напряжение-деформация, можно получить энергию, необходимую только на разрушение породы
Интеграл (3.2.1) с учётом доли энергии, идущей на разрушение, которую можно определить, например, по табл. 3.2.1, а также с учётом реальных воздействий на породу и режима работы резца (дополонительный отвод тепла [59, 137], специальные конструкции и материалы резца и т.д.) даёт энергию на разрушение ИО ГМ Аразр, от которой можно перейти к удельным затратам на разрушение породы Hw. Расчёты по определению затрат энергии на разрушение пород, а также анализ работ ПозинаЕ.З. [128], Протасова Ю.И. [137], Асатура К.Г [21], позволяют составить таблицу условного распределения затрат энергии при разрушении пород резцовым инструментом.
Как видно из табл. 3.2.1, при разрушении хрупких пород (углей) потери на диспергирование составляют около 70 %. При этом значительная доля мощ ности ГМ затрачивается на процессы, от которых необходимо избавляться (переизмельчение породы, затраты на трение). Однако использование гидромеханических резцов, как показывают исследования [29, 30], позволяет значительно снизить потери энергии на диспергирование и трение. Конструкции ГМ, в которых применяется гидромеханическое разрушение породы, значительно сложнее традиционных, однако более рациональное распределение энергии при разрушении породы в таких ГМ делает их весьма перспективными, особенно если конструкция ИО ГМ включает в себя гидромашину, связанную с резцами.
Величина Hw определяет тип ИО ГМ, его режимные и конструктивные параметры, которые могут быть получены, например, из таблиц [26, 124, 200, 204]. Эти данные помогают на начальных этапах анализа структурных моделей, определять величины оценок в морфологических матрицах 3x3 по параметру "энергоемкость", исходя только из паспорта прочности породы [23, 71, 142].
Таким образом, для различных конструкций ГМ, структурных моделей АДК, горно-геологических условий и пород можно на предпроектных стадиях (до начала проектирования нового АДК) получить величину удельных энергозатрат на разрушение породы ИО ГМ. Это, в свою очередь, позволяет делать прогнозные оценки о ресурсе, сроке службы, эксплуатационных показателях работы новых ГМ.
Необходимо учитывать возможность постоянного мониторинга изменения прочности пород, например, с помощью аппаратуры, разрабатываемой под руководством проф. Ковалева О.В. [74]. Эта "следящая система" может работать без отбора проб породы для испытания на прочность и основана на измерении констант электрических полей, характеризующих напряженное состояние массива. Такая система позволяет изготовить ИО ГМ, который может изменять свои режимные параметры таким образом, чтобы удельные энергозатраты на разрушение породы были минимальны.
Исследования, проведенные под руководством проф. Ставрогина А.Н. [71, 167], подтвердили зависимость показателей прочностных свойств породы от скорости деформации.
Расчет динамических усилий в МПЛК в зависимости от изменения усилия тягового привода во времени
Моделирование работы комбайнов показало, также, что при включении блока, имитирующего случайную (по нормальному закону) составляющую скорости подачи, графики зависимости мощности во времени совпадают с эмпирическими осциллограммами записи мощности, полученными при шахтных испытаниях, приведенных, например, в работе [76]. Это говорит о возможности и необходимости создания компьютерных программ, моделирующих работу комбайнов, при представлении скорости подачи в виде постоянной составляющей, которая может быть определена по заданной производительности и показателю прочности породы, и случайной, зависящей от многих внешних характеристик работы комбайна.
Мощность, которая идет на разрушение породы, как известно, равна. Допустим, что мощность привода вращения ИО ГМ настолько велика, что скорость резания можно считать постоянной. Будем рассматривать полезную мощность, согласно (3.2.21) как функцию V„. Колебания величины полезной мощности при всех прочих фиксированных параметрах будут в данном случае обусловлены изменением во времени эффективной силы сопротивления или, что то же самое, наличием переменной составляющей в ряду (3.2.13). В результате зависимость будет представляться пятном точек, которое имеет среднее значение, получаемое при Vn=Vn .
Таким образом, Ар, f, ип недостаточно полно отражают прочность пород, взаимодействующих с резцами, в зависимости от глубины внедрения ИО ГМ в массив и режимных параметров ГМ. Как следует из рис. 1.2, использование различных показателей прочности и различных методик расчета дают близкие значения силы резания на резце в диапазоне реальных скоростей подачи. Поэтому необходимо использовать зависимости прочности от скорости деформации, например, как было показано выше (рис. 3.2.10). В этом случае появляется возможность определять режимные параметры ГМ для минимальных значений прочности. 1. Из графиков определяется соответствующая скорость деформации породы в конкретном забое в текущий момент времени с использованием датчиков проф. Ковалева О.В. 2. Определяется работа разрушения Аразр, Дж/м и удельные энергозатра-ты на разрушение Hw, кВт-ч/м . 3. Задаваясь необходимой производительностью ИО ГМ по отбойке по-роды Qme0p, м /с, определяем мощность Pj ГМ, необходимую для разрушения и суммарную силу резания. 4. При известных схеме расстановки резцов и допустимых усилиях на резце можно определить силу резания. Следуя Протасову Ю.И. [137], можно показать, что используемые в морфологическом анализе энергетические показатели работы ГМ являются наиболее информативными, так как они по своей сути отражают способность ГМ наиболее эффективно разрушать породный массив, особенно в случае использования механико-гидравлических резцов, у которых нагрев и трение резца минимальны.
Затраты энергии, идущей на трение, нагрев породы и резца, составляют около 0,83 (табл. 3.2.1) от всей энергии, подводимой к резцу. Эта доля энергии Д предусматривает рассмотрение зависимости предела прочности в функции скорости нагружения как величину, пропорциональную удельным энергозатратам на разрушение породы ИО ГМ. Однако, как указано, например [21], это противоречит факту принадлежности различных параметров к определенной теории прочности, так, пределы прочности предусматривают "предельную теорию прочности", а использование понятия "скорость нагружения" - кинетическую теорию.
При использовании компьютерных программ типа CUTTO, которые позволяют определять области значения мгновенных мощностей, потребляемых ГМ, и характеристики, определяющие эти области (среднее значение мощности, среднеквадратическое отклонение, коэффициент вариации), можно узнать рациональную мощность, необходимую для устойчивой работы ГМ. Существующие методы экспресс-анализа прочности породы позволяют отслеживать фактическое (мгновенное) значение и прогнозировать его. Это позволяет создать систему автоматизированного управления работой ИО по максимальному варианту [118, 128], корректно подбирать режимные параметры ГМ и выбирать установленную мощность ее двигателя.
Определение рациональных режимов работы (рациональных скоростей подачи) добычных комбайнов служит для корректного прогнозирования производительности комплексов, выбора оптимального типа добычного комплекса (комбайна), правильного планирования организационных мероприятий в лаве, повышения надежности работы машин и, следовательно, их срока службы. Ржимом работы является [128] сочетание меняющихся в процессе работы параметров, которые должны влиять на производительность машины.
Режим работы можно назвать оптимальным, если достигается наивыгоднейшее значение показателя эффективности использования комбайна. Таким показателем может быть производительность машины, которая должна быть максимальной, при условии нормального теплового режима работы электродвигателя, обеспечения необходимого качества добываемого угля и минимальной энергоемкости процесса разрушения угля исполнительным органом машины. Главную роль в достижении оптимального режима работы комбайна играет определение параметров режима резания. Выбор, а, главное, поддержание параметров работы комбайна на оптимальном уровне является очень непростой задачей.
