Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния вопроса 20
1.1. Общце положения 20
1.2. Анализ конструкций струговых установок статического действия 20
1.3» Анализ исследований схем разрушения угольного забоя стругом 27
ІЛ. Анализ исследований процесса резания в режиме крупного скола 32
1.5. Анализ исследований работы системы подачи струговых установок 41
1.6. Анализ исследований динамической системы струга и влияния его скорости движения на выбор скоростных параметров струговой установки 47
1.7. Анализ исследований процесса погрузки угля стругами 52
1.8. Анализ исследований взаимодействия исполнительных органов с забоем и бавой 56
1.9. Анализ исследований по расчету производительности струговых установок 58
1.10. Анализ исследований в области оптимизации режимов работы угледобывающих машин Выводы по главе 64
Цель и задачи исследований 66
2. Обоснование методологии проведения исследований 68
2.1. Общие методологические положения 68
2.2. Условия и место проведения экспериментальных исследований 72
2.3. Измеряемые параметры, приборы и аппаратура 77
2.4. Методы обработки экспериментальных данных и критерии оценки результатов исследований 78
3. Исследование влияния скорости движения струга на процесс строгания. методика выбора и расчета пара метров отделения угля стругом 80
3.1. Исследование процесса разрушения угля в режиме крупного скола одиночным и группой резцов при различных скоростях движения исполнительного органа 80
3.2. Корреляционные Функции и спектральные плотности тяговых усилий при различных скоростях.движения струга. 84
3.3. Математическое моделирование динамической системы струга 53
3.4. Выбор скоростных параметров системы "струг-конвейер". 102
3.5. Выбор режущего инструмента и схемы разрушения 109
3.6. Расчет усилий на струговых резцах 112
3.7. Расчет поперечной устойчивости системы "струг - база" и базы струговой установки 115
3.8. Исследование динамики-'. поперечных колебаний исполнительного органа струговой установки 122
Выводы по главе 3 126
4. Исследование силового взаимодействия исполнительного органа g системой подачи и- забоем. расчет параметров системы подачи струговых установок 130
4.1. Выбор параметров системы подачи стругов, работающих без отжатия рештачного става 130
4.2. Экспериментальные исследования отрывного тензометрического струга 133
4.2.1. Методика и техника проведения экспериментов 133
4.2.2. Исследования характера взаимодействия исполнительного органа с рештачным ставом и забоем 136
4.2.3. Исследование влияния скорости движения исполнительного органа на взаимодействие струга и системы подачи 140
4.2.4. Исследование влияния длины струга на его взаимодействие с системой подачи 144
4.2.5. Исследование влияния шага расстановки гидроцилиндров на взаимодействие струга с системой подачи. 149
4.2.6. Исследование режимов работы цилиндров гидравлической системы подачи 150
4.3. Расчет параметров системы подачи струговых установок, работающих с отжатием рештачного става 156
4.4. Исследование и расчет параметров силового взаимодействия струга с забоем 1 / 165
4.5. Обобщенный расчет параметров силового взаимодействия исполнительного органа с системой подачи и забоем 163
4.6. Расчет некоторых конструктивных параметров отрывного струга, обеспечивающих его проходимость по рештачному ставу
Выводы по главе 4 177
5. Аналитические исследования процесса погрузки угля стругом. разработка методики расчета параметров погрузки 179
5.1. Общие положения 179
5.2. Расчет усилий, затрачиваемых на погрузку угля стругом скользящего типа
5.3. Расчет конструктивных параметров исполнительных органов, обеспечивающих эффективную погрузку угля 213
5.4. Особенности процесса погрузки угля и расчет парамет -
ров отрывных стругов из условий погрузки 219
Выводы по главе 5 226
6. Комплексная методика расчета оптимальных параметров струговых установок 228
6.1. Расчет тяговых усилий в цепи струга 228
6.1.1. Расчет нагрузочных потерь в раме струга 229
6.1.2. Определение усилий на протягивание струговых цепей. 234
6.2. Оптимизация параметров струговых установок 237
6.2.1. Общие замечания 237
6.2.2. Основные факторы, ограничивающие производительность струговоі'Густановки 239
6.2.3. Исследование условий достижения максимальной теоре-
тической производительности струговой установки 243
6.2.4. Алгоритмы оптимизации параметров струговых установок 246
6.2.5. Анализ результатов расчета на ЭВМ основных параметров струговых установок в оптимальном режиме и х работы 260
Выводы по главе 6 2.73
7. Методика расчета производительности струговых устано вок и комплексов 275
7.1. Общие положения 275
7.2. Категории производительности струговых установок (комплексов) и методика их определения 276
7.3. Анализ параметров, определяющих производительность струговых установок и комплексов 287
Выводы по главе 7 295
8. Промышленная апробация экономическая эффективность результатов исследований 297
8.1. Основные принципы устройств и требования к струговым установкам для выемки крепких углей 297
8.1.1. По условиям применения струговой выемки 297
8.1.2. По принципиальной конструктивной схеме 298
8.1.3. По исполнительному органу 299
8.1 Л. По режущему инструменту 299
8.1.5. По базе струговой установки 300
8.1.6. По тяговым цепям 301
8.1.7. По системе подачи 301
8.1.8. По приводу и приводным станциям 302
8.1.9. По энергоснабжению и системе управления струговой установкой 303
8.2. Создание и промышленные испытания исполнительных органов СОТ для выемки антрацитов повышенной сопротив ляемости резанию 304
8.2.1. Результаты промышленных испытаний струга СОТІ . 305
8.2.2. Результаты промышленных испытаний опытной партии стругов СОТ 308
8.3. Создание и промышленные испытания скоростных струговых установок 314
8.4. Область и экономическая эффективность применения но-вых струговых установок 328
8.4.1. Область и объем применения струговых установок 328
8.4.2. Экономическая эффективность применения новых струговых установок 342
8.4.3. Анализ работы новых струговых установок и пути реализации возможного обьеиа их применения 352
Выводы по главе 8 357
Заключение 359
Литература
- Анализ исследований работы системы подачи струговых установок
- Условия и место проведения экспериментальных исследований
- Математическое моделирование динамической системы струга
- Экспериментальные исследования отрывного тензометрического струга
Введение к работе
Актуальность проблемы. Несмотря на опережающее развитие нефти и газа, уголь по-прежнему занимает важное место в топливно -энергетическом балансе страны. В соответствии с решениями ХХУІ съезда КПСС перед угольщиками страны в XI пятилетке поставлены ответственные задачи по дальнейшему увеличению объема добычи, повышению производительности и улучшению условий труда шахтеров [ і].
Особое внимание должно быть уделено повышению качества угля. Прогнозные оценки показывают, что потребность в угле будет постоянно возрастать. Решение таких огромных по масштабам задач требует создания новых высокоэффективных угледобывающих машин и оборудования, обеспечивающих коренное улучшение технико-экономических показателей работы шахт при максимальной механизации и автомати -зации всех производственных процессов. При этом основное внимание должно быть уделено вопросам механизации основных производственных процессов - очистным работам, на которых занято свыше трети рабочих угольной промышленности. Создание эффективной технологии выемки угля на базе высокопроизводительных комплексов и агрегатов позволит довести до максимума концентрацию очистных работ, резко повысить производительность труда и снизить себестоимость добываемого угля за счет высвобождения большого числа рабочих очистного забоя и обслуживающего персонала по поддержанию горных выра -боток, на транспорте и др.
Кроме того, решаемые задачи имеют и большое социальное значение, так как повышают безопасность ведения работ, коренным образом меняют характер труда, способствуют повышению культурного и технического уровня рабочих, создают условия для стирания различий между умственным и физическим трудом.
Одним из перспективных направлений в области механиза -ции очистных работ является узкозахватная выемка угля комбайнами и струговыми установками. Отличительной особенностью узкозахватной выемки является работа исполнительных органов комбайнов и стругов в зоне отжима пласта, что позволяет разрушать уголь на высоких скоростях подачи. Сравнительно небольшая ширина поддерживаемого призабойного пространства и глубина захвата создают благоприятные условия для применения механизированных гидравлических крепей и агрегатов, позволяющих перейти на поточную выемку угля, а работу всего комплекса оборудования лавы перевести на программное управление без постоянного присутствия людей в очистном забое.
Наиболее прогрессивным видом выемки является струговая. Наряду с известными преимуществами, присущими узкозахватной выемке, струговые установки имеют и ряд других достоинств. Они просты по своей конструкции, разрушают уголь с поверхности забоя стружкой большого сечения и, тем самым, обеспечивают хорошую сортность добываемого топлива. Последнее имеет большое значение при выемке энергетических углей и антрацитов.
По сравнению с другими видами механизации струговые установки обеспечивают достижение более высоких технико-экономически показателей работы.
Струговая выемка угля широко применяется в ряде зарубежных стран с развитой угольной промышленностью. Так, в 1978 г. в ФРГ стругами добыто 47,4 млн. тонн товарного угля (56,4 % всего объема добычи), во Франции - 12,0 млн. тонн (58$), в Бельгии - 6,3 млн. тонн (77,7%). В 1980 г. в ФРГ стругами добыто 44,6 млн. тонн товарного угля, что составляет 51,3% общей добычи. В ФРГ на пластах пологого и наклонного падения мощностью до 1,4 м вся механизированная выемка осуществляется
только;',стругами, при этом достигаются весьма высокие нагрузки на очистной забой - в среднем 1170 т/сутки [і]. В нашей стране ряд коллективов, эксплуатирующих струговые установки, достиг очень высоких показателей в работе.
На шахте им. 50-летия Советской Украины комбината "Донбасс-антрацит" бригадой Таценко А.Я. в июне-июле 1973 года за 31 рабочий день струговой установкой было добыто 187585 т антрацита. Среднесуточная добыча составила 6051 т , а производительность труда рабочего очистного забоя 871,1 т в месяц.
Выдающихся успехов добилась бригада, возглавляемая дважды Героем Социалистического Труда М.П.Чих, на шахте "Майская" комбината "Ростовуголь". Систематически наращивая производительность " струговой установки, она довела объем добычи более миллиона тонн в год. В сентябре-октябре 1973 года бригадой был установлен мировой рекорд добычи угля из одной лавы. За 25 рабочих дней струговой установкой было добыто 192423 тонн угля, что составляет 7697 т в сутки. В дальнейшем рекорд добычи обновлялся несколько раз. Так, в июне 1974 года (25 рабочих дней) было добыто из одной лавы 204164 тонны антрацита (8166 т в сутки), а в апреле 1975 года (25 рабочих дней) - 205015 тонн, что составляет 8201 тонну в сутки. За периоды рекордной добычи месячная производительность труда колебалась в пределах 1139-1482,5 т, что в несколько раз превышает средние показатели по отрасли.
Следует отметить, что в 1975 г. миллионный j?y беж добычи угля из одной лавы освоили четыре бригады, две из которых работали струговыми установками УСБ67 с механизированной крепью IMKC, одна комбайновым комплексом и одна вела добычу на гидрошахте. В 1976-80 гг. бригада М.П.Чиха добывает ежегодно миллион и более тонн угля.
Еще более существенными могут быть преимущества струго-
-/0-
вой выемки на тонких пластах мощностью менее 0,8 м. К началу выполнения данной работы практически отсутствовали эффективн ы е средства выемки этих пластов. Выемка тонких пластов осуществлялась в основном устаревшими широкозахватными комбайнами. На долю стругов и узкозахватных комбайнов приходилось всего 26% объема добычи в Донбассе. Серийно выпускаемые узкозахватные комбайны МК67 и IKI0I имели нижний предел применения по мощности пласта 0,8-0,85 м, а вновь создаваемые комбайны типа БКТ и "Луч" не вышли из стадии экспериментальных работ.
Были прекращены работы по созданию для тонких пластов целого ряда комплексов КМІОІТ, КМІОІТН, КМІ22Ш и узкозахватных комбайнов KI02, БК4-, БКІ0І из-за обнаруженных серьезных конструктивных и эксплуатационных недостатков.
В настоящее время принят к серийному производству комбайн KI03. По нашему мнению, этот комбайн является перспективным при отработке тонких пластов крепкого угля, особенно с твердыми включениями и прослойками. На тонких пластах, особенно в центральном угольном районе страны Донбассе, сосредоточено около 92% запасов угля, 4-0% промышленных запасов в Донбассе представлены пластами менее 0,8 м с углами падения до 35. Они составляют около 2 50 шахтопластов, на которых имеется примерно 700 лав или 32% общего количества.
По данным ДонУГИ прекращение разработки тонких пластов менее 0,8 м может привести к снижению добычи угля в Донбассе на 40 млн. т. В ряде же случаев разработка тонких пластов, особенно выбросо- и удароопасных, является необходимым условием отработки в дальнейшем более мощных пластов.
На расширенном заседании Научно-технического совета Мин -углепрома СССР в г. Шахты (1975 г.), посвященном состоянию, основным направлениям и задачам в области разработки тонких и весь-
-н-
ма тонких пластов, решение задач по разработке таких пластов оценивалось как большая научно-техническая проблема современного этапа развития угольной промышленности страны. Наиболее перспектив -ным направлением ее решения считается струговая технология выемки, что нашло свое отражение и в принятом решении НТО.
Весьма важным фактором, сдерживающим развитие струговой технологии угледобычи, является сопротивляемость угля резанию. Проведенные в ИГД им. А.А.Скочинского и ШахтНИУИ исследования показали, что 70% обследованных шахтопластов имеют сопротивляемость резанию более 180 кг/см, около половины очистных забоев имеют сопротивляемость 180-250 кг/см [з,4-]. В этом плане решение проблемы разработки тонких пластов должно быть связано с созданием для этих условий струговых установок (комплексов) для выем к и крепких углей.
Опыт эксплуатации выпускавшихся серийно струговых установок показал, что они имеют ограниченную область применения.
Основным сдерживающим фактором являлся верхний предел сопротивляемости угля резанию, который для стругов ІУСБ67 и УСТ2А составляет 150-200 кг/см. Именно поэтому уровень струговой добычи рос очень медленно, а количество струговых установок в эксплуатации находилось в пределах 70-90 штук.
При отработке пластов свыше 0,9 м (область применения стругов ІУСБ67) количество стругов даже сократилось, хотя конструкторские организации и заводы-изготовители провели не одну корректировку с целью улучшения их эксплуатационно-технических данных.
Известны случаи, когда совершенствование одного из рабочих элементов струговой установки без увязки с другими ее узлами не приводило к желаемым результатам. Так, повышение напорных усилий системы подачи за счет применения гидроцилиндров вместо пневмо-домкратов на струговой установке типа УСБ не привело к увеличению толщины снимаемой стружки,'ибо исполнительный орган остался бе з
-fa-изменений. Более того, снизилась надежность приводной системы.
Не увенчались успехом и работы по применению на струговых установках новых исполнительных органов, конструкции которых имели отдельные положительные решения, но по схеме разрушения, параметрам погрузки, конструктивным привязочным параметрам и др. были далеки от совершенства.
К 1973-74 гг. положение сложилось таким образом, что н а практике создание новых и совершенствование существующих струговых установок производилось на основе опыта конструктора, данных эксплуатации или же имеющейся информации (зачастую дезинформации) по аналогичным зарубежным образцам.
Исследования рабочих процессов при струговой выемке и влияние на них конструктивных параметров и режимов работы струговых установок, как правило, проводились не комплексно. Получаемые результаты могли быть использованы только для решения частных задач, например, выбора скорости движения струга, необходимых усилий в системе подачи для данной конкретной установки и др. При этом не учитывался целый ряд других ограничивающих факторов, которые могли исключить возможность использования полученного частного результата.
В результате многие работы в области струговой техники неоправданно растягивались по срокам выполнения, не выходили из стадии экспериментирования или же оказывались бросовыми. Струговая выемка крепких углей оставалась неразрешенной проблемой.
Этими обстоятельствами можно объяснить такое медленное развитие прогрессивной струговой выемки.
Одной из главных причин создавшегося положения является отсутствие достаточно полных научно обоснованных методов расчета и выбора параметров струговых установок в их взаимосвязи по конструктивным, силовым, скоростным, энергетическим и организационно-технологическим факторам.
Возникла необходимость создания систематизированной методики расчета параметров струговых установок в процессе проектирования и режимов их работы при эксплуатации, обеспечивающих требуемую заранее заданную производительность установки в конкрет -ных горно-геологических условиях, особенно при выемке крепких углей и антрацитов.
Таким образом, речь шла о необходимости разработки научных основ создания статических струговых установок для выемки крепких углей на тонких пластах. Под научными основами понимается система методологических положений, базирующихся на комплексе обобщенных теоретических расчетов и экспериментальных данных, объективно моделирующих процессы струговой выемки во взаимосвязи их конструктивных, силовых, энергетических и организационно-технологических параметров.
Решению этой задачи и посвящена настоящая работа.
Ряд вопросов, связанных с нашими исследованиями-работы первых струговых установок типа УСБ на шахтах Восточного Донбасса, изучением эффективности работы отдельных рабочих элементов установок, совершенствованием техники и технологии струговой выемки, в диссертации не освещается по соображениям необходимости сокращения ее объема.
Идея работы заключается в том, что на основе исследований рабочих процессов при струговой выемке разрабатывается комплексная методика расчета и оптимизации параметров, позволяющая создать высокопроизводительные струговые установки статическо г о действия для выемки углей с сопротивляемостью резанию до 300 кто/ж на тонких пластах.
На защиту выносятся:
I. Общая методология проведения исследований рабочих процессов при струговой выемке в их взаимосвязи, представляющая собой
-ih-
системный подход к решению рассматриваемой проблемы.
Методы расчета и выбора основных параметров струговых установок статического действия: составляющих тягового усилия в цепи струга, системы подачи на забой, устойчивости системы "струг -база" и базы, скорости движения струга, категорий производительности и ряда конструктивных параметров исполнительного органа.
Методика оптимизации, алгоритмы и программы расчетов параметров струговых установок на стадиях проектирования и промышленной эксплуатации.
А-. Доказательство возможности эффективной выемки крепких углей сопротивляемостью резанию до 300 кгс/см на тонких пластах струговыми установками статического действия, созданными на основе результатов исследований, изложенных в диссертации.
Обобснование экономически целесообразной области применения струговых установок различных конструкций.
Создание скоростных струговых установок с высоким технико-экономическим уровнем.
Научная новизна выполненных исследований.
Установлено влияние скорости движения стругового исполнительного органа на характеристики процесса разрушения, силовые и энергетические характеристики струговых установок.
Установлены качественные и количественные характеристики взаимодействия исполнительного органа со свободной системой подачи и забоем, учитывающие конструктивные особенности струга, системы подачи и режим работы установки.
На основе этого предложены методы расчета параметров гидравлической системы подачи струговых установок, а также ряда конструктивных параметров исполнительного органа.
3. Уточнены оценки факторов, влияющих на погрузку угля стру
говым исполнительным органом, разработаны методы расчета конст-
руктивных параметров струга, обеспечивающих наилучшие условия погрузки.
На основе решения задач по расчету отдельных параметров разработана комплексная методика расчета основных конструктивных, режимных, силовых, энергетических и организационно-технологических параметров струговой установки.
Определены факторы, влияющие на величину производительности струговых установок, разработана методика расчета производительности, учитывающая взаимную увязку конструктивных, режимных, технологических и организационных параметров, позволяющая н е только анализировать их соотношения, но и вести синтез с целью определения наиболее целесообразных вариантов конструктивного исполнения машин и технологической схемы; методика является основанием для установления нормативов и планов нагрузки на забой, оборудованный струговой установкой.
Установлены условия достижения максимальной производительности струговой установки и на этой основе разработаны методы оптимизации параметров стругов как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации конкретных установок в различных горногеологических условиях.
Доказана возможность эффективной выемки крепких угольных пластов методом строгания, особенно в условиях тонких пластов. Расширение области применения струговой выемки на тонких пластах с высокой сопротивляемостью угля резанию достигается за счет реализации результатов настоящей работы, полученных при исследованиях в области скоростного разрушения угля, силового взаимодействия струга с забоем и базой; решения задача комплексного расчета многофакторной модели струговой установки, разработки ряда технических решений по конструктивному исполнению и организационно-технологическим параметрам струговых установок.
8. Разработана общая методология экспериментальных (в лабораторных и промышленных условиях) и теоретических исследований струговых установок, средств и методов обработки исходных данных с использованием современных измерительных приборов и аппаратуры, вычислительной техники, приемов анализа и синтеза.
Практические результаты» I. Разработаны:
а) методики расчета на поперечную устойчивость системы
"струг - база" и базы струга, расчета и выбора параметров систе
мы подачи стругов различных конструкций, расчета конструктивных
параметров отрывных стругов, обеспечивающих их проходимость по
рештачному ставу;
б) методики расчета усилий погрузки'и конструктивных па
раметров струга, обеспечивающих нормальную погрузку угля;
в) алгоритмы и программы расчетов на ЭЦВМ "Минск" опти
мальных параметров струговых установок на стадии проектирован и я
и при их эксплуатации;
г) расчетные зависимости по определению всех катего -
рий производительности струговых установок при работе в различ -
ных горно-геологических условиях.
Получены зависимости толщины снимаемой стружки, высоты исполнительного органа, производительности, потребных напорных усилий системы подачи от горно-геологических условий эксплуатации струговых установок (сопротивляемости угля резанию и мощности пласта) при оптимальном соотношении их основных парамет -ров; эти формулы выведены в результате аппроксимации данных, полученных на ЭЦВМ.
Разработаны исходные данные к технико-экономическим
требованиям на создание современных высокопроизводительных струговых установок для выемки крепких углей и прогнозные оценки их параметров.
4. На основе разработанной методики расчета оптимальных па
раметров впервые установлены экономически целесообразные область
и объемы применения каждого типа струговых установок, а при
эксплуатации их достигать наибольшего эффекта.
Все разработанные методики прошли проверку при промышленной эксплуатации струговых установок, а результаты расчетов имеют хорошую сходимость с экспериментальными данными. Это позволило ШахтНИУИ сократить сроки создания новых струговых установок.
5. Созданы скоростные струговые установки УСС и УСВ для вы
емки крепких угольных пластов мощностью более 0,8 м, струговая
установка КТО для тонких пластов 0,55-0,8 м сопротивляемостью ре
занию до 300 кгс/см, исполнительные органы типа СОТ для серийно
выпускаемых струговых установок УСТ2А с целью расширения области
их применения по сопротивляемости угля резанию, исполнительные ор
ганы с принципиально новой конструктивной схемой взаимного распо
ложения режущего инструмента и опор струга, ряд усовершенствова
ний для эксплуатирующихся струговых установок.
Реализация результатов работы.
Основные методические принципы и положения, вытекающие из результатов проведенных исследований, используются ШахтНИУИ, рядом научно-исследовательских и проектных организаций, предприятиями угольной промышленности при создании и эксплуатации струговых установок для выемки крепких антрацитов на тонких пластах.
С участием автора диссертации: создан и с 1975 г. начат серийный выпуск исполнительных органов СОТ со струговыми установками УСТ2А; создана и испытана в условиях работы на крепких антрацитах первая в нашей стране скоростная струговая установка УСС, на осно-
-У8-
ве которой разработана, изготовлена на Горловском машзаводе имени С.М.Кирова и успешно испытана высокоскоростная струговая установка УСВ, с 1977 г. Шахтинский ыашзавод приступил к серийному производству струговых установок УСВ; создана и прошла промыш -ленные испытания струговая установка КТС для выемки крепких углей на весьма тонких пластах; разработано и утверждено Минугле-промом СССР техническое задание на унифицированные струговые установки С075 и СН75, серийный выпуск которых начат с 1975 г. Шахтинским машзаводом; разработаны и утверждены Минуглепромом СССР "Отраслевая методика оценки уровня качества струговых установок" (1975 г., 1981 г.), "Методика расчета оптимальных параметров струговых установок" (1974 г.); руководящие технические материалы: "Машины очистные. Струговые установки. Расчет сил на резцах. Методика. РТМ 12.14.001-77", "Машины очистные. Струговые установки. Расчет тяговых усилий в цепи струга. Методика . РТМ 12.14.001-78", "Машины очистные. Струговые установки. Расчет устойчивости. Методика. РТМ 12.14.001-80"; ГОСТ 24564-81 "Установки струговые. Типы и основные параметры".
Общий экономический эффект при внедрении рузельтатов настоящей работы в период ее проведения, внедрение скоростных установок УСС, УСВ, КТС, исполнительных органов СОТ для струговых установок УСТ2А и УСБ67 составил 1,2 млн.руб. Общий объем внедрения струговых установок (комплексов) может составить 444 лавы с объемом добычи 122 млн. т и экономическим эффектом около 181,6 млн.рублей в год.
Публикация.
Основное содержание диссертации изложено в 32 опубликованных работах и в 5 авторских свидетельствах.
Автор выражает большую благодарность за научную помощь и ценные консультации лауреату Государственной премии СССР,
-*9-
проф., докт. техн. наук А.С.Бурчакову, проф., докт. техн.наук А.Д. Игнатьеву, проф., докт. техн. наук Н.Г.Картавому, проф., докт.техн.наук В.А.Матвееву, проф., докт.техн.наук Е.З.Позину, проф., докт. техн. наук В.И.Солоду, проф., докт. техн. наук В.А. Харченко, канд. техн. наук О.Б. Батину, канд. техн. наук А.А.Кэрленкову, канд.техн.наук И.Д.Посыльному, канд.техн.наук И.Г.Трофимову, канд.техн.наук Л.Ю.Шляферу, а также.своим коллегам по научной работе канд.техн.наук О.Ф.Вихрову, канд.техн.наук Б.А.Ошерову, канд.техн.наук В.И. Науменко, канд. техн. наук С.М.Калинину, канд.техн.наук А.Я.Плетинскому, канд.эконом.наук Л.А.Некрасовой, канд.техн.наук И.П. Жигульскому, канд.техн.наук С.П.Онуфриеву, канд.техн.наук Ю.Д. Гайдукову, канд. техн.наук Е.И.Кучину, инк. А.Д.Гозенко, инж. М.В.Мендруху, инк. Э.Д.Подольскому, инж. Н.Н. Шевченко и др.
Автор благодарит ответственных работников Минуглепрома^СССР и УССР, производственных объединений и шахт, с которыми от имел тесные контакты при постановке, проведении исследований и реализации результатов работы.
Анализ исследований работы системы подачи струговых установок
Интересные исследования процесса резания угля проведены в КНИУИ [57-63] . Они показали, что при одинаковом напряженном состоянии углей различных пластов в массиве и незначительных отличиях стадии метаморфизма показатель Д в основном зависит о т процентного содержания микрокомпонентов. Авторами рекомендуется производить определение показателя А совместно с петрографическим анализом, что позволит в дальнейшем прогнозировать физико-механические свойства углей и получить более полную классификацию угля по сопротивляемости его резанию.
Исследования КНИУИ показали, что сечение среза F , толщина среза К и отношение шага расстановки резцов к толщине среза % существенно влияют на формирование отжимающих (Ру) и боковых ( Рх ) сил.
На основании исследований закономерностей влияния формы резца на показатели процесса резания углей был показан основополагающий характер формы передней его грани - длины периметра, ее контакта с углем в формировании основных показателей процесса резания. По мнению авторов работы, правильный выбор наиболее корот -ho кого скругленного контура периметра контакта резца с углем и обеспечение стойкости его активной части, с учетом периодичности процесса скола угля, составляет основу дальнейшего совершенствования горнорежущего инструмента.
Большой фактический материал, отраженный в исследованиях КНЙУИ, позволяет расширить наши представления о процессе разрушения угля режущим инструментом.
Здесь уместно отметить, что в целом ряде случаев при исследовании процесса резания и составляющих сил резания использовались тензометрические резцы (одно-, двух- и трехкомпонентные). Такая методика измерений не исходит из физики процесса разрушения, характеризуемого, как отмечают все исследователи [64-] непостоянством сил резания и подачи.
Во-первых, векторы результирующих усилий резания по ее составляющим меняют свое направление, величину и место приложения к резцу в зависимости от фазы резания в промежутках между элемен -тарными сколами. Очевидно, что в таком случае произвести тарировку тензометрического резца нельзя, а получаемые осциллограммы записей усилий не могут быть расшифрованы. Во-вторых, само тело резца является упругим элементом, которое под действием переменных сил может колебаться. При этом колебательные деформации резца могут существенно повлиять на фактические усилия резания и особенно усилия подачи.
В этой связи методически более правильно проведение измерений величин реакций, воспринимаемых специальными тензометрически-ми элементами, находящимися между резцедержателем и корпусом ма- , шины. Как правило, резцедержатель опирается на корпус катками, которые и воспринимают составляющие усилий резания. Именно такая методика была принята нами при исследовании скоростного разрушения крепкого углецементного блока струговыми резцами.
Аналогичная методика проведения исследований строгания крепкого антрацита стружками большого сечения 13] позволила получить с достаточно высокой достоверностью эмпирические выражения усилий резания и подачи в зависимости от таких наиболее важных факторов, как сопротивляемость угля резанию, толщина стружки, степень затупления режущего инструмента, схема разрушения.
Сопоставление расчетных данных по ОСТу [4-5] и предлагаемым формулам показало хорошую их сходимость по усилиям резания и, как следовало ожидать, большое расхождение по усилиям подачи. С нашей точки зрения, результаты исследований в [l3J могут быть применимы для разработки методики расчета силовых параметров схемы разрушения струга.
Проведенный анализ результатов исследований по резанию угля показывает, что, несмотря на большое количество работ в этой области, среди исследователей нет еще установившегося общего мнения о влиянии различных параметров на процесс разрушения. Получившая наибольшее распространение в последнее время экспериментально-аналитическая теория резания не дает четких ответов на ряд вопросов, в частности, на один из важных, по нашему мнению, - о влиянии скорости резания на процесс разрушения. Поэтому необходимо продолжать и углублять исследования процесса резания угля.
Условия и место проведения экспериментальных исследований
Исследованию динамики работы системы струга, под которой понимается система струг-цепь-привод, посвящены многие работы в СССР и за рубежом. Весьма глубокие исследования были проведены в ИГД им. А.А.Скочинского 80-85].
Авторы показывают, что процесс колебательного движения струга состоит из двух периодов. Б первом периоде струг, удерживаемый забоем, движется поступательно с малой начальной скоростью, при этом усилие в системе еще недостаточно для преодоления пика усилий сопротивления. Благодаря непрерывному движению привода усилие в системе постепенно достигает величины внешнего сопротивления -происходит скачок. При этом в первый момент силы сопротивления резко падают, а усилия в системе остаются прежними, и струг начинает ускоренно двигаться под действием этих сил (второй период).
Скорость Хс и перемещение Хс струга в первом периоде определяются податливостью системы и забоя и скоростью движения привода V_ "с V — Хса и а\ (1-і) с Здесь CU - коэффициент жесткости забоя. Усилие в системе при этом равно: F=Foi + DiV (1.3) Здесь Foi - некоторое усилие, существующее в системе в начале первого периода; Cis cVat" " Результирующая жест -кость системы и забоя. Для второго периода уравнение движения имеет вид: -48 mXt-Px c(i-Xt+Vtj, (і. ) где A - деформация системы, соответствующая усилию в конце первого периода; р - силы внешнего сопротивления.
Из рассмотрения этих уравнений видно, что авторы работы в I периоде пренебрегают массой исполнительного органа. Такое допущение приемлемо при малых средних скоростях движения. При средних скоростях более 0,5 м/с скорость и ускорение исполнительного органа в этом периоде имеют значительную величину и неучет массы струга приводит к существенной ошибке.
Интересны проведенные в ЙГД им. А.А.Скочинского исследования формирования нагрузок в системе струг-тяговый орган от сил трения [86,87]. Струговая установка рассматривается в работе как упругая система трения, в которой возбуждаются фрикционные автоколебания. Любое отклонение скорости струга от скорости привода вызывает фрикционный автоколебательный процесс. Теоретическими исследованиями установлено, что оптимальная с точки зрения уменьшения динамики нагрузок в цепи скорость струга зависит в основном от длины установки и усилия прижатия, а закономерность изменения величин размахов колебаний нагрузок определяется характером изменения максимальной мгновенной скорости струга. В работе предложена методика определения усталостных нагрузок в тяговой цепи струга от сил трения.
Интересна проведенная в ИГД им. А.А.Скочинского работа п о расчету динамических нагрузок в системе "струг-тяговая цепь [88]. Авторами разработана методика количественной оценки демпфирующего влияния параметров электропривода струга на упругие колебания в системе струговой установки. Эта методика позволяет получить достаточно полную информацию о характере и абсолютных значениях динамической нагрузки в электромеханической системе привода струга в широком диапазоне применения установок в различных горно -49 геологических условиях.
В ИГД им. А.А.Скочинского проведены эксперименты на стенде по установлению влияния скорости движения исполнительного органа на эффективность разрушения [89]. Диапазон изменения скоростей составлял 0-2,5 м/с.
Так же как и в опытах ШахтНЙ УИ, с увеличением скорости, динамичность системы снижалась. По мнению специалистов ИГД имени А.А.Скочинского при повышении скорости движения кинетическая энергия струга в большей степени реализуется на скалывание угля, что положительно сказывается на затухание пиков нагрузок в цепи и приводных механизмах. Авторы работы [89] считают, что с увеличением скорости движения увеличивается частота колебаний тяговых усилий. Такое утверждение нельзя считать правильным, а подобный результат вызван тем, что эксперименты проводились на стенде небольшой длины, когда жесткость цепи была очень велика.
С нашей точки зрения частота колебаний усилий определяется, главным образом, жесткостью тягового органа и массой струга и практически равна собственной частоте системы "струг-тяговый орган" [90] . Такого же мнения придерживаются специалисты Московского горного института [9l].
Представляют интерес проведенные в ИГД им. А.А.Скочинского исследования рабочих нагрузок в динамической системе электропривода струга [92].
В работе система электропривода струга представлена в виде трех парциальных систем - "струг-рабочая ветвь,; тяговой цепи, электродвигатель основного привода и электродвигатель вспомога -тельного привода", что позволило автору работы уточнить динамические нагрузки в системе "струг-тяговая цепь".
Математическое моделирование динамической системы струга
Основным критерием, характеризующим эффективность работы струговой установки, является ее производительность. Разработкой методик расчета производительности струговых установок занимались ряд научно-исследовательских, учебных и проектных организаций. Наиболее полно методика расчета производительности выемочных комплексов и агрегатов разработана в [I2I-I23] .
В [I24-] на основании аналитических зависимостей и данных хронометражных наблюдений за работой угледобывающих комплек сов рассмотрены основные направления повышения их производительности. Авторы считают, что совершенствование конструкций современных угледобывающих комплексов должно идти прежде всего в направлении ликвидации затрат времени на маневровые операции, а затем - в направлении создания фронтальных агрегатов. По нашему мнению, такие работы должны вестись параллельно с целью сокращения времени на создание новых высокопроизводительных средств струговой выемки угля.
Авторы работ [121-124-] предложили ввести понятие следующих категорий производительности: теоретическую, техническую и эксплуатационную. Такая классификация является реальной, однако она не учитывает влияние на производительность технологии ведения очистных работ. С нашей точки зрения, введение нового понятия -технологической производительности - позволило бы дать более полную оценку конструкции выемочной машины, технологии ведения работ, организации труда и производства. В рассматриваемых работах не увязываются между собой производительность, параметры стругов и горнотехнические условия их эксплуатации.
В настоящее время основой;, для установления нагрузки на забой служат работы [125-129]. В них приводится методика расчета эксплуатационной производительности. Анализ работ показывает, что они являются несовершенными, так как не учитывают целого ряд а вспомогательных операций и технологических перерывов.
Длительности учитываемых операций и перерывов приняты как стабильные, в то время как они обусловлены чистым машинным временем и друг другом. Корректировка нагрузки на очистной забой производится с помощью ряда коэффициентов, которые в большинстве случаев имеют широкие пределы изменений. Технологические изменения в
-60 производстве как правило не учитываются. Ряд исследователей, работающих в области расчета производительности выемочных машин и комплексов, сделали попытку взаимно увязать отдельные параметры выемочной машины, определяющие ее производительность [іЗО-14-OJ. Однако, тяготение к цикличной организации работ в очистном забое и недостаточная изученность конструктивных и режимных параметров выемочных машин различных типов не позволили авторам [іЗО - 140] правильно подойти к методике расчета производительности.
Общим недостатком всех выполненных до настоящего времени работ является то, что в них не увязываются затраты времени на выполнение отдельных операций и процессов, осуществлена привязка расчета производительности к циклу работ, хотя струговая выемка является поточной.
В последние годы . ИГД им. А.А.Скочинского разработал методику расчета нагрузки на комплексно-механизированный забой [l4l]. Раздел по расчету производительности лав, оборудованных струговыми установками, разработан ШахтНИУИ по результатам наших исследований.
Физические процессы, имеющие место в технике, как правило, управляемы, т.е. могут осуществляться различными способами в зависимости от воли человека. Б связи с этим возникает вопрос о нахождении наилучшего в том или ином смысле или, как говорят, оптимального управления процессом. Речь может идти, например, об оптимальности в смысле быстродействия, о достижении цели с минимальной затратой энергии и т.п. JI42]. Понятие "оптимизация" уже прочно вошло в жизнь: если у рассматриваемой задачи есть много реше -6 ний, то естественно выбрать то из них, которое квалифицируется как лучшее.
Математически проблема оптимизации описывается множеством V и функцией 0 , определенной на V , принимающем вещественные значения. Таким образом, речь идет о том, чтобы найти решение такое, что liV3(a)«J(v) Vv V
Множество V представляет собой множество возможных способов достижения определенной цели или множество способов функционирования какой-либо системы. В прикладных задачах часто принадлежность к V выражается при помощи некоторых ограничений. Поэтому V нередко называется областью ограничений (или множеством точек, где ограничения выполнимы). Функция 0 представляет собой критерий, который предопределяет наш выбор из множества возможных решений. В задаче (1.8) речь идет о том, чтобы выбрать решение (И), которое минимизирует значение D на множестве V . Если заменить J на - 3 , то задача минимизации преобразуется в задачу максимиза -ции [l43J .
Задачи по оптимизации являются задачами вариационного исчисления, математический аппарат которого достаточно хорошо разработан.
Оптимизацией режимов работы угледобывающих машин в нашей стране начали заниматься сравнительно недавно - с 1963 г., поэтому работ, посвященных этим вопросам, опубликовано мало [I44-I49] .
В работах [144-,145] рассмотрены основные особенности выемочных машин как объектов технологического производства. Отмечено, что работа выемочных машин протекает в условиях стохастически меняющихся воздействий, обусловленных изменчивостью свойств угля, режущей способности инструмента.
Экспериментальные исследования отрывного тензометрического струга
Для установления и экспериментальной проверки основных закономерностей функционирования системы подачи установок, работающих с отжатием рештачного става, были проведены исследования разработанного нами экспериментального тензометрического исполнительного органа (рис. 4.1), изготовленного заводом института ШэхтНИУН5 .
Вместо ограничителей толщины стружки и опор на конвейер на струге установлены державки с гидравлическим устройством для присоединения гидротензометрических датчиков давления ТДД. Держав к и состоят из корпуса, оснащенного двумя соосно расположенными гидравлическими цилиндрами. Поршни гидроцилиндров несут на себе ролики, перекатывающиеся по конвейеру и забою.
Изменение усилия на роликах преобразуются в изменение сопротивления датчиков. Сигнал с тензодатчиков давления регистрируется осциллографом.
Целью проведенных исследований было установление количественных и качественных характеристик взаимодействия гидравлической системы подачи струговой установки с исполнительным органом при изменении ее параметров и разных скоростях движения струга.
При этом решались следующие задачи: - определение величин и характера распределения усилий н а опорах струга о конвейер при различных режимах работы установки; - определение давлений в полости гидроцилиндра подачи при различных режимах работы установки; - определение усилий на ограничителе толщины стружки.
Исследования проводились на экспериментальном стенде, оборудованном струговой установкой отрывного действия с гидравличе с -кой системой подачи и углецементным блоком. Работа проводилась в следующем порядке.
Вначале были выполнены эксперименты без строгания углецемент-ного блока. Для этого с исполнительного органа снимались резцы, а вдоль забоя (блока) устанавливался металлический лист, с которым контактировали ролики ограничителя толщины стружки.
Исследования проводились при 3-х сборках исполнительного органа: I сборка - без промежуточных плит (расстояние между опорами струга Т = 1,5 м), П сборка - с короткими промежуточными плитами (Т = 1,88 м), Ш сборка - с длинными промежуточными плитами (Т = 2,26 м).
На каждой из сборок проводились эксперименты при давлениях в р гидросистеме подачи в 30 и 45 кгс/см , шаге расстановки гидроцилиндров tg 2,7 (через рештак); 4,05 (через 2 рештака) и 5,4 м -Y3 (через 3 рештака) скорости струга, примерно, 0,6 и 1,5 м/с, (36 опытов).
После этого производилось строгание блока на тех же сборках струга и при тех ке параметрах системы подачи и скоростях движения струга (36 опытов).
Во время экспериментов регистрировались моменты на выходных валах редукторов, усилия, развиваемые гидроцилиндрами подачи;усилия в опорах и на ограничителе толщины стружки; давление в напорной магистрали.
Для регистрации местоположения струга относительно рештачно-го става были использованы электромагнитные датчики импульсов. Импульсы регистрировались осциллографом и, таким образом, появ -лялась возможность точной привязки осциллограмм с местоположением струга.
Исследование характера взаимодействия исполнительного органа с рештачным ставом и забоем
В результате экспериментов были получены осциллограммы усилий в опорах струга и на ограничителе толщины стружки; усилий, развиваемых гидроцилиндрами системы подачи; моментов на выходных валах приводов при различных схемах сборки и параметрах систем ы подачи, при различной скорости движения исполнительного органа и различной длине струга. Одна из осциллограмм для примера приведена на рис. 4.2. Анализ осциллограмм позволяет проследить качественную и количественную картину взаимодействия отрывного струга с забоем и базой.
Из осциллограмм видно, что усилия, воспринимаемые передне й опорой струга о конвейер (ролик Ш 3) и задней опорой (ролик Ш I)
Осциллограммы усилий, развиваемых гидроцилиндрами подачи в опорах исполнительного органа, и моментов на выходных валах привода струга находятся как бы в противофазе: при увеличении усилий на ролике lis 3 наблюдается уменьшение их на ролике № I. Передняя опора струга воспринимает наибольшие усилия, когда находится на рештаке с домкратом подачи, причем самые большие - в зоне домкрата. При этом при всех трех сборках струга усилия на задней опоре минимальны. При переходе передней опорой струга середины рештака с домкратом усилия на ней снижаются, а в зоне стыка рештаков, особенно при низких давлениях в системе подачи,, падают почти до нуля. Усилия на задней опоре в это время растут. Характер измене -ния усилий на переднем ограничителе толщины стружки (ролик 1й 4) такой же, как и на передней опоре струга. Это объясняется тем, что опоры и ограничители толщины стружки в тензометрическом струге находятся практически друг против друга.
Описанная выше качественная картина изменения усилий на каждой из опор практически не зависит от схемы и параметров системы подачи и от скорости движения струга.
Суммарные же усилия, воспринимаемые стругом ( Pi + Ра) существенно зависят от этих параметров.
На рис. 4-.3 представлены графики, показывающие характер изменения суммарных усилий ( Pi + Рз) при различных схемах расположения гидроцилиндров подачи. Из рис. 5.3 видно, что при установке гидроцилиндров через 2 рештака (tg = 2,7 м) наибольшие усилия воспринимаются стругом, когда он находится в зоне рештака с гидроцилиндром, в наименьшие - на рештаке между ними.
При установке гидроцилиндров через 4 рештака (г = 5,4- м) наибольшие усилия воспринимаются стругом на рештаках с гидроци -линдрами, несколько ниже - на среднем рештаке между двумя гидроцилиндрами и наименьшее - на рештаках, расположенных перед и за рештаками с гидроцилиндрами.
Похожие диссертации на Разработка научных основ комплексного расчета и оптимизации параметров с целью создания струговых установок для выемки крепких углей на тонких пластах. Том 1
