Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1. Обзор конструкций существующих проходческих систем 12
1.2. Винтоповоротные проходческие системы (геоходы) 16
1.3 Перегружатель как элемент геохода 24
1.4. Обзор и анализ существующих конструкций винтовых конвейеров 29
1.5. Обзор конструкций шнеков, применяемых при бурении скважин 39
Выводы, цель и задачи исследований 46
2. Повышение эффективности винтового транспортирования материалов 49
2.1. Состояние вопроса и классификация методов повышения эффективности транспортирования материалов винтовыми конвейерами 49
2.2. Разработка вибровозбудителя винтового перегружателя 50
2.3. Расчёт вибровозбудителя винтового перегружателя 58
2.3.1. Кинематический анализ вибровозбудителя 63
2.3.2. Динамический анализ вибровозбудителя 68
Выводы 75
3. Теория и расчёт винтового перегружателя геохода 76
3.1. Современное состояние теории транспортирования горной массы винтовыми конвейерами 76
3.2. Особенности применения винтового конвейера в геоходах 86
3.3. Расчёт винтового перегружателя геохода 88
3.3.1. Дифференциальные уравнения движения частицы в винтовом перегружателе 88
3.3.2. Исследования математической модели винтового перегружателя 98
Выводы 108
4. Методика "экспериментальных исследований винтового перегружателя геохода
4.1. Технические средства лабораторных исследований 110
4.1.1. Стенды для экспериментальных исследований процесса транспортирования 112
4.1.2. Измерительно-регистрирующая аппаратура 114
4.2. Методика проведения эксперимента 120
4.2.1. Виды транспортируемых материалов 120
4.2.2. Описание некоторых методических приёмов 121
4.2.3. Необходимое количество опытов, точность измерений, обработка экспериментальных данных 123
Выводы 126
5. Результаты экспериментальных исследований процесса транспортирования и обоснование параметров винтового перегружателя геохода 127
5.1. Транспортирование массы деревянных параллелепипедов 127
5.2. Транспортирование песка 134
5.3. Транспортирование песчаника 144
5.4. Транспортирование глины 150
5.5. Повышение эффективности процесса транспортирования сильносвязного материала (глины) путем его увлажнения и вибровозбуждения винтового перегружателя 157
Выводы 167
Заключение 169
Список литературы 171
Приложение 185
- Винтоповоротные проходческие системы (геоходы)
- Разработка вибровозбудителя винтового перегружателя
- Особенности применения винтового конвейера в геоходах
- Стенды для экспериментальных исследований процесса транспортирования
Введение к работе
Актуальность работы. Техническое перевооружение горных предприятий неразрывно связано с дальнейшим развитием и совершенствованием проходческой техники. От эффективности проведения горных выработок зависит своевременная подготовка шахтных полей к выемке полезного ископаемого, а следовательно, и технико-экономические показатели добычи в целом.
По данным Академии менеджмента и рынка и Агентства международного развития США (USAID) прогнозы мирового научно-технического развития приоритетных технологий на 2000-2020 гг. по группе «Использование подземного пространства» особо важными определяют научно-технические разработки, связанные с созданием новых технологий сооружения подземных магистралей, автотрасс и железных дорог.
Сооружение капитальных подземных выработок горнодобывающих предприятий, городских коллекторных магистралей и перегонных тоннелей метро представляет собой весьма трудоёмкий и дорогостоящий процесс. Большие объёмы проходки усугубляют данную проблему. Так, в Кузбассе только подготовительных выработок на горных предприятиях проходится около 400 000 метров ежегодно.
Приоритетным направлением развития науки и техники, утверждённым Правительственной комиссией РФ по научно-технической политике в области «Топливо и энергетика», является разработка новых технологий проходки горных выработок.
Недостаточно высокий технический уровень применяемого проходческого оборудования является причиной низких технико-экономических показателей работ по проведению выработок различного назначения. Существующий в настоящее время парк проходческих агрегатов морально устарел, и назрела острая необходимость в разработке новых, высокоэффективных образцов проходческой техники.
Создание винтоповоротных проходческих агрегатов (геоходов) является по сути техническим и технологическим прорывом в области проведения подземных выработок. В связи с этим, учитывая существенную новизну предложенной геовинчестерной технологии, необходима тщательная проработка всех основных узлов геохода, и в том числе одного из наиболее ответственных — винтового перегружателя.
Несмотря на большое количество работ по винтовым транспортёрам и питателям, применяемым в различных областях промышленности и сельского хозяйства, а таюке работ, посвященных шнековому бурению скважин на шахтах и разрезах, в настоящее время существует определённый пробел в области теории и экспериментальных исследований высокопроизводительных винтовых конвейеров, предназначенных для транспортирования горной массы с различными физико-механическими свойствами (вязкостью, влажностью) и кусковатостью до 150мм при различных углах наклона. Ещё в меньшей мере разработаны вопросы оптимального проектирования винтовых конвейеров.
Одной из нерешённых до настоящего времени проблем является транспортирование винтовыми конвейерами сильносвязных материалов, в частности, глинистых и битумосодержащих горных пород, которые налипают на вращающийся шнек вплоть до образования пробок и полного прекращения транспортирования. Данная проблема пока не получила достаточно эффективной технологической и конструкторской проработки.
Одним из способов, позволяющих бесперебойно транспортировать липкие и сильносвязные материалы, является их интенсивное увлажнение при погрузке и в процессе транспортирования, а также оснащение винтового перегружателя эффективным вибровозбудителем.
Таким образом, актуальность разработки надёжного и эффективного винтового перегружателя геохода очевидна как с точки зрения научного исследования, так и с точки зрения практического применения.
Исследования выполнялись в рамках Государственного контракта на выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Институ-
том угля и углехимии СО РАН с Федеральным агентством по энергетике (Рос-энерго); этап: «Разработка специальной технологии проходки аварийно-спасательных выработок в завалах при ликвидации техногенных катастроф».
Цель работы - обоснование конструктивных и режимных параметров винтового перегружателя для эффективного взаимодействия с геоходом, реализующим проходку горных выработок в породах с различными физико-механическими свойствами.
Идея работы - заключается в согласовании параметров винтового перегружателя с параметрами проходческого агрегата на основе выявленных закономерностей движения материала, в том числе при его увлажнении и вибровозбуждении.
Задачи исследований:
Разработать конструкцию винтового перегружателя геохода, способного эффективно транспортировать сильносвязные материалы.
Разработать математическую модель винтового перегружателя, содержащего вибровозбудитель новой конструкции, позволяющий изменять параметры колебаний.
Теоретически и экспериментально выявить закономерности процесса транспортирования с учетом увлажнения материала и вибрации.
На основании результатов численного и лабораторного экспериментов получить рациональные конструктивные и режимные параметры винтового перегружателя геохода, обеспечивающие транспортирование материалов с различными физико-механическими свойствами.
Методы исследований.
В процессе выполнения работы использовались как общенаучные, так и специальные методы исследования, в том числе:
- аналитический, включающий анализ и обобщение теоретических и производственных достижений, классические положения теоретической механики и теории упругости, теории колебаний, метод численного решения систем дифференциальных уравнений;
- экспериментальный, включающий лабораторные исследования с использованием теории подобия и физического моделирования, тензометрии, а также метод преобразования аналоговых сигналов в цифровые с дальнейшей обработкой на компьютере полученной информацией на основе методов математической статистики.
Научные положения, выносимые на защиту:
Транспортирование сильносвязных материалов обеспечивается винтовым перегружателем геохода, конструктивная схема которого содержит вибровозбудитель, совмещенный с опорными узлами шнека, причем форма последних позволяет совмещать вращательное движение с колебаниями.
Зависимости между конструктивными и режимными параметрами винтового перегружателя, учитывающие угол наклона вала шнека и физико-механические свойства транспортируемых материалов, отличающиеся тем, что определены в условиях воздействия увлажнения и вибрации по отдельности и одновременно.
Комплексное воздействие путём увлажнения липкого и сильносвязного материала до величины 30% и более и вибровозбуждение шнека с амплитудой 2мм и частотой 10Гц позволяет повысить коэффициент заполнения межвиткового пространства шнека до 0,5 при циркуляции не более 50%, снизить крутящий момент на валу шнека в 2,5 раза, увеличить производительность в 1,7^-4,0 раза и надёжно транспортировать горные породы в широком диапазоне физико-механических свойств.
Наименьшая удельная энергоёмкость транспортирования материала с коэффициентом заполнения до 0,5 и циркуляцией не более 50% достигается при значении шага винтовой поверхности шнека 660 мм (соотношение D/S=l) и частоты его вращения 41 мин" .
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены корректной постановкой задачи по исследованию процесса транспортирования винтовым перегружателем, учитывающей особенности его применения в геоходе; использованием моделей, адекватность реальным процес-
8 сам которых подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований, проведенных с использованием современных методов, основанных на классических положениях теоретической механики, теории колебаний; применением методов математического анализа и математической статистики с использованием ЭВМ; согласованностью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными в лабораторных условиях; применением современных методик испытаний, а также оборудования и приборов с использованием аналого-цифровых преобразователей; сопоставимостью результатов исследований с результатами, полученными другими авторами.
Правомочность допущений, принятых при разработке кинематических моделей движения транспортируемого материала, подтверждается хорошей сходимостью аналитических результатов с экспериментальными данными, расхождение которых не превышает 15%.
Положительные результаты, полученные при проведении лабораторных испытаний в представительных объёмах, подтверждают эффективность и правильность предложенных методов, технических решений, научных положений и выводов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Теоретически обосновано и экспериментально доказано повышение эффективности транспортирования сильносвязных материалов с применением новой конструктивной схемы винтового перегружателя с вибровозбудителем, совмещённым с опорными узлами шнека, имеющими форму, позволяющую совместить вращательное движение с колебаниями.
Выявлены закономерности взаимовлияния конструктивных и режимных параметров винтового перегружателя при различных внешних условиях - пространственного положения геохода и физико-механических свойствах горных пород.
Определена эффективность комплексного воздействия на процесс транспортирования путем увлажнения материала и вибровозбуждения винтового перегружателя, и найдены рациональные параметры колебаний.
4. Получены рациональные конструктивные и режимные параметры винтового перегружателя геохода, обеспечивающие эффективное транспортирование материалов с различными физико-механическими свойствами.
В отличие от результатов исследований, полученных другими авторами, дано теоретическое и экспериментальное обоснование и количественная оценка эффекта вибровозбуждения на процесс шнекового транспортирования материалов с различными физико-механическими свойствами.
Объект исследований - процесс транспортирования материалов перегружателем геохода винтового типа при различных конструктивных и режимных параметрах, включая увлажнение и вибровозбуждение.
Личный вклад автора заключается в:
- постановке задач, в организации и участии во всех лабораторных исследо
ваниях;
- разработке и участии в изготовлении экспериментальных стендов, осна
щённых вибровозбудителями, а также измерительно-регистрирующей аппаратуры
на основе аналого-цифрового преобразователя;
теоретическом обосновании принципа вибровозбуждения с использованием тел, совмещающих вращение с колебаниями;
установлении закономерностей процесса транспортирования при различных конструктивных, режимных параметрах ВП и физико-механических свойствах материалов;
разработке конструкции винтового перегружателя геохода, оснащённого автоматически регулируемым вибровозбудителем.
Автор принимал непосредственное участие в теоретических работах по исследованию процесса транспортирования липких и сильносвязных материалов в условиях увлажнения и вибровозбуждения ВП и установлении рациональных параметров колебаний.
Научное значение работы заключается в выявлении закономерностей процесса транспортирования винтовым перегружателем геохода материалов с раз-
10 личными физико-механическими свойствами в условиях распределённого увлажнения и вибровозбуждения.
Практическое значение работы заключается в:
возможности на стадии проектирования установления рациональных конструктивных и режимных параметров винтового перегружателя геохода при различных заданных условиях;
расширении диапазона физико-механических свойств материалов, при которых возможно их надёжное транспортирование винтовым перегружателем;
создании инженерной методики расчёта вибровозбудителя, объединённого с опорными узлами и позволяющего совместить вращательное движение шнека с колебаниями в плоскости, перпендикулярной оси вращения;
разработке конструктивного решения винтового конвейера с вибровозбудителем, что позволяет повысить эффективность транспортирования сильносвязных материалов.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанные автором конструктивные решения и режимные параметры перегружателя использованы Институтом угля и углехимии СО РАН при создании компоновочных схем и конструкторской документации на изготовление макетного образца нового вида проходческой техники - геохода, что подтверждено соответствующим актом.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научно-практических конференциях преподавателей, аспирантов и студентов Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 2005, 2006, 2007гг.); на Международной научной конференции «Фундаментальные исследования» Академии Естествознания (Кемерово, 2005г.); на научно-практической конференции «Наука в XXI веке: опыт, традиции, инновации» (г. Кемерово, 2006г.); На Международной научно-практической конференции Международной академии наук экологии и безопасности (Белые ночи) «Безопасность жизнедеятельности предприятий топливно-энергетического комплекса России» (Кемерово-Санкт-Петербург, 2006г.); на IV
Российско-китайском симпозиуме (Кемерово, 2006г.); на заседаниях кафедры «Стационарные и транспортные машины» (Кемерово, 2007-2008 гг.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе один патент на изобретение и Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемой литературы из 142 наименований и приложения. Основной текст изложен на 139 машинописных страницах и содержит 70 рисунков и 4 таблицы.
Винтоповоротные проходческие системы (геоходы)
Технология сооружения горной выработки определяется прежде всего горно-геологическими условиями, наборами имеющейся горнопроходческой техники, конструкциями крепи, а также многими другими факторами. В наибольшей степени технологическая схема проходки зависит от положения выработки в пространстве.
В лаборатории проходческих комплексов Института угля и углехимии СО РАН разработана геовинчестерная технология проведения горных выработок, согласно которой проходка горных выработок определена как процесс движения твёрдого тела (горнопроходческого оборудования) в твёрдой среде (вмещающей породе) [2, 4, 5]. В результате предложено использовать приконтурный массив пород как опорный элемент для восприятия силовых нагрузок, возникающих при движении твёрдого тела в геосфере, т. е. при выполнении основных технологических операций по проведению горных выработок: разрушения породы, перемещения проходческой системы и крепления призабойной зоны. Предлагаемая технология значительно отличается от традиционных.
Геовинчестерная технология (ГВТ) — процесс механизированного проведения горных выработок с формированием и использованием системы законтурных винтовых и продольных каналов, в котором операции по разработке забоя, уборке горной массы, креплению выработанного пространства, а также перемещению всей проходческой системы на забой осуществляются в совмещённом режиме.
Новая геовинчестерная технология определила необходимость разработки специального горнопроходческого оборудования. На рис. 1.2 приведена функциональная схема геохода ЭЛАНГ. В основе концептуальной схемы заложен принцип ввинчивания ограждающей оболочки (временной проходческой крепи) в массив. У геоходов окружающий массив выполняет роль гайки, а сама оболочка — винта. На внешней поверхности головной секции закрепляется винтовая спираль, а концевая секция оснащается радиально выступающими продольными элементами. Головная (винтовая) и концевая (опорная) секции кинематически сочленяются в единое целое с возможностью относительного поворота посредством механизма вращения, размещённого внутри агрегата. При приложении к винтовой оболочке момента движущих сил Мд.с создаваемого механизмом вращения, она совершает винтовое движение, а опорная секция удерживает её от реактивного поворота продольными элементами (стрингерами). Головная секция агрегата перемещается поступательно и совершает пово рот вокруг своей продольной оси в результате взаимодействия винтовой лопасти с породами винтового канала за контуром выработки. Жёстко соединённый с вин товой секцией исполнительный орган разрабатывает забой, а поступившая внутрь секции порода захватывается загрузочными лопастями и подаётся на транспорти рующее устройство. "
Геоход ЭЛАНГ относится к группе механизированных щитовых проходческих систем, однако, в силу своих конструктивных особенностей и характера функционирования представляет собой самостоятельный класс подземных проходческих машин. Оригинальный для щитовых проходческих систем принцип действия и функционально-компоновочная схема (концептуальная модель) позволили разработать на их основе целое семейство винтоповоротных агрегатов [6-13].
Трёхсекционная схема агрегата с кинематической взаимоувязкой и взаимоповоротом секций домкратами, позволяющими изменять направление движения по трассе выработки, показана на рис. 1.3,а [8]. Эта конструктивная схема, выполненная в реальной машине, прошла полный цикл испытаний [9].
Техническое решение, устраняющее вращение концевой секции с находящимся в ней пультом управления, показано на рис. 1.3,6 [12]. Геоход представляет собой двухсекционную конструкцию, в которой головная секция вращается относительно хвостовой секции, причём последняя перемещается лишь поступательно. Двухсекционная конструкция заметно короче трёхсекционной, а значит повышается манёвренность всего агрегата при движении по трассе. На базе двухсекционного геохода разработана схема, приведённая на рис. І.З.в, с управляемыми копир-ножами [13]. Схема даёт возможность целенаправленного управления по трассе проводимой выработки. Копир-ножи крепятся к оболочке головной секции с возможностью радиального смещения за поверхностью секции. Поэтому, вращаясь вместе с головной секцией, они вырезают некоторую полость, размеры и местоположение которой можно регулировать с пульта управления. В эти полости затем смещается и весь проходческий агрегат, осуществляя требуемый манёвр или проектное изменение трассы выработки.
На основе схемы, показанной на рис. 1.3,в, разработан рабочий проект геохода ЭЛАНГ-4 с раздельным перемещением секций (условный диаметр щита составляет 4м) [4].
Конструкция геохода ЭЛАНГ-4 с ножевым исполнительным органом (рис. 1.4) представляет собой цилиндрическую оболочку, состоящую из винтовой 1 и, хвостовой 2 секций. Исполнительный орган 3 посредством фланца 4 крепится к винтовой секции 1. Исполнительный орган 3 имеет коническую форму и шесть радиальных брусьев с закреплёнными на них секциями режущих ножей 5. На винтовой секции 1 по её внешней поверхности выполнена винтовая лопасть 6 в форме геликоида. Внутри секции размещается роторный погрузчик 7 с цевочной кольцевой рейкой 8, приводной звёздочкой 9 и высокомоментным гидродвигателем 10.
По периметру кольца 12 механизма вращения 11 установлены четыре блока спаренных гидроцилиндров 13. Каждый блок прижимается к анкерному сдвоенному кольцу 14. С этими кольцами входят в зацепление на прямом ходе специальные цапфы 15. В пространстве между кольцом 12 и внутренней поверхностью винтовой секции монтируются гидроцилиндры малого рабочего хода 16. Один их торец закрепляется к фланцу 17 кольца 12, а другой — к фланцу 18 винтовой секции 1.
Разработка вибровозбудителя винтового перегружателя
Применение вибрации, как правило, приводит к значительной интенсификации процессов и повышению качественных показателей различных устройств. Вибрационные машины и технологические процессы в настоящее время используют практически во всех отраслях промышленности [67-73].
Весьма широки диапазоны размеров и мощностей вибрационных машин, чрезвычайно разнообразны их назначение и конструкция, различны методы и средства возбуждения вибрации. Конструктивные схемы вибрационных машин, как правило, несложны, но для успешной работы необходимо точно определить их параметры, что можно сделать только на основе исследования динамики вибрационных машин и выполняемых ими технологических процессов.
Характер и параметры колебаний весьма важны на начальной стадии проектирования, ибо только от этого по существу зависит технологический эффект. Как уже говорилось выше, вибрация рабочих элементов может существенно улучшать параметры машин. Так, например, вибрирование питателя может увеличить производительность выпуска руды в 2+3 раза при сохранении размеров выпускных отверстий. Данные [67] свидетельствуют о чрезвычайно высокой технико-экономической эффективности вибрационных средств.
Известно [65], что при воздействии вибрации на разрыхленные материалы последние приобретают повышенную текучесть. При включении вибратора и колебаниях шнека уменьшаются силы трения между материалом и поверхностью шнека, а также коэффициент внутреннего трения материала, чем и объясняется положительный эффект при транспортировании. Наличие вибрации придаёт некоторому объёму горной породы, находящейся в этой области, свойств текучести, причём, с регулированием частоты и амплитуды вибрации появляется реальная возможность управлять этим процессом.
Вопросы механики движения материала по вибрирующей поверхности, а также методики определения сопротивления при вибротранспортировании, рассмотрены в [67, 70-76]. Выбор параметров вибрации приводится в [71, 73].
Несмотря на интенсивное развитие вибрационной техники применительно к горному делу и наличие довольно обширной научно-технической литературы в этой области, целый ряд вопросов остаётся ещё неизученным. К числу недостаточно изученных следует отнести вибровозбуждение с направленными колебаниями, в частности, с поперечными (радиальными) колебаниями рабочего органа винтового конвейера.
Для выбора общей схемы вибровозбудителя выполнен патентный поиск и обзор литературы в данной области.
Известны различные конструкции вибровозбудителей винтовых конвейеров. По типу привода их можно условно разделить на устройства, имеющие собственный привод и вращающиеся от основного привода конвейера.
Согласно [74, 75] вибровозбудители разделяются на центробежные, электромагнитные, электродинамические, кинематические, гидравлические и пневматические вибровозбудители. Каждый из этих видов имеет свою область применения, достоинства и недостатки. В частности, центробежные вибровозбудители применяются при частотах вынужденных колебаний до 50Гц и амплитудах до нескольких сантиметров. Электромагнитные и электродинамические вибровозбуди тели позволяют создать колебания с частотой несколько тысяч герц, но стабильность их работы и амплитуда колебаний невысока. Гидро- и пневмовибровозбу-дители сложны по конструкции, и надёжность работы их мала.
Наиболее просты и надёжны кинематические вибровозбудители, широко используемые в горной и транспортной технике, а также при вспомогательных операциях.
Режим работы вибровозбудителя определяется амплитудой и частотой колебаний рабочего органа, а также направлением колебаний. Различают продольные, поперечные и крутильные колебания. В конструкции шнека ВП геохода ввиду его малой длины и высокой жёсткости крутильные колебания отсутствуют.
Известен «Привод шнека преимущественно для прессов» (авторское свидетельство СССР №697348, 04.05.78), в котором инерционный вибратор выполнен в виде водила с сателлитами и дебалансами, вращающимися от отдельного двигателя и создающими вибрацию шнека в радиальном направлении. Аналогичную конструкцию с использованием планетарных редукторов и дебалансов имеют «Привод конвейера» (авторское свидетельство СССР №908699, 24.04.80), «Конвейер для сыпучих и пылевидных материалов» (авторское свидетельство СССР №361127, 06.07.70). Отличие заключается в том, что в названных устройствах привод вибратора осуществляется от основного двигателя конвейера, причём в вибраторе по АС №908699 предусмотрена возможность регулировки скорости вращения дебалансов, вибратор «Конвейера для сыпучих и пылевидных материалов» по АС №339474 возбуждает в витках шнека крутильные колебания, а вибратор «Конвейера для сыпучих и пылевидных материалов» по АС №361127 создаёт в шнеке крутильные колебания со знакопеременным вращающим моментом.
Особенности применения винтового конвейера в геоходах
Известные исследования транспортирующих свойств винтовых конвейеров, как правило, ограничены решением локальных вопросов и не учитывают весь комплекс факторов, характеризующих условия их работы во взаимодействии с другими элементами агрегата [120].
Поскольку техническая и эксплуатационная производительности геохода всегда ниже теоретической, так как учитывают затраты времени на выполнение вспомогательных операций, устранения отказов и т. п., то в качестве исходной при проектировании перегружателя принимаем величину теоретической производительности проходческого агрегата. Вследствие этого отпадает необходимость оснащать загрузочное устройство винтового перегружателя специальным бункером-накопителем, усложняющим конструкцию и занимающим много места. Таким образом, загрузочное устройство может представлять собой обычный направляющий жёлоб, форма которого должна обеспечивать загрузку в винтовой перегружатель всего материала, поступающего с роторного погрузчика.
В геоходе вращение исполнительного органа, роторного погрузчика и винтового перегружателя осуществляется от отдельных приводов. Поэтому не требуется совмещение кинематики агрегатов [121]. Скорость вращения шнека может быть любой и не связана, например, с режимом работы исполнительного органа.
Несмотря на видовое многообразие (см. рис. 1.9), большинство конструкций ВК выполнены по традиционной схеме: жёсткий вращающийся шнек в цилиндрическом жёлобе. Вместе с тем можно выделить характерные особенности применения ВК в проходческом агрегате. Так, небольшая длина транспортирования (менее Зм) не требует использования промежуточных опор транспортирующего органа. Известно, что промежуточные опоры усложняют конструкцию, увеличивают затраты мощности, а главное, вносят разрывы в поток горной массы и ухудшают транспортирующую способность [55]. Шнек ВК при его использовании в качестве перегружателя может вращаться на двух концевых опорах, а жёсткость вала не позволяет винтовой поверхности шнека при наличии необходимого зазора касаться поверхности жёлоба. При этом уменьшается износ основных элементов и снижается мощность привода.
Малая масса вращающегося вала со шнеком, а также находящаяся в перегружателе горная масса и значительная жёсткость вала снижают практически до нуля крутильные колебания вала и привода [122]. Отпадает необходимость в установлении амортизирующих муфт в конструкции ВК. В отличие от стационарных винтовых конвейеров, предназначенных для транспортирования однотипных по крупности и физико-механическим свойствам грузов, винтовой перегружатель геохода может эксплуатироваться в совершенно разных горно-геологических условиях при проходке выработок в существенно отличающихся по свойствам горным породам, углю, руде, сланцам и т. п.
Если проведение выработки производится в осложнённых условиях, то возможно обводнение, наличие вязких, налипающих пород. В этих условиях значительно изменяются физико-механические свойства отбитой горной массы, транспортируемой перегружателем. Транспортирующая способность вязких грунтов винтовым конвейером снижается.
Поэтому в конструкции винтового перегружателя необходимо предусмотреть способы регулировки параметров рабочих элементов перегружателя с учётом изменяющегося коэффициента трения материала по транспортирующим поверх ностям, позволяющие эффективно транспортировать материалы с различными физико-механическими свойствами.
Наличие в конструкции геохода насосной гидростанции позволяет использовать для привода винтового перегружателя как электро-, так и гидродвигатель.
При проходке выработок в перемежающихся и многолетнемерзлых породах, особенно с включением глины и других налипающих пород, в продуктах разрушения появляется большое количество крупных фракций [57]. Чтобы избежать закупоривания межвиткового пространства, образования пробок и, как итог, прихвата шнека, ширина спирали винтового перегружателя должна в разы превышать максимальный размер кусков транспортируемой отбитой горной массы [123], составляющей в геоходе 150мм.
Таким образом, оптимальные конструктивные и режимные параметры винтового перегружателя зависят от целого комплекса различных факторов, включающих горно-геологические условия, схему проходки, конструктивные особенности исполнительного органа, компоновочной схемы геохода и др. Конструктивные и режимные параметры, зависящие от перечисленных внешних факторов, в свою очередь, влияют на методы расчёта перегружателя.
Как было отмечено выше, конструкция геохода не имеет аналогов среди изделий горного машиностроения, а агрегат представляет собой новый класс проходческой техники. Поэтому его узлы не разработаны подробно и требуют дальнейшего как теоретического, так и экспериментального исследования.
Стенды для экспериментальных исследований процесса транспортирования
Стенды (рис. 4.1) в основном идентичны по конструкции и состоят из сварной рамы-основания 1, на которой установлены винтовой перегружатель и привод. Цилиндрический корпус перегружателя внутренним диаметром 80мм состоит из трёх частей: загрузочной 2 и разгрузочной 3 гильз и центральной трубы 4. Внутри корпуса размещается вал 5 с винтовой спиралью (шнеком), который вращается в бронзовых подшипниках скольжения 6. Между внешней кромкой спирали и корпусом имеется зазор, который путём установки шнеков различного диаметра может изменяться в пределах 1,0-КЗ,0мм. Учитывая, что вал со сплошной винтовой спиралью наиболее универсален и высокопроизводителен по сравнению с другими типами шнеков [21], в экспериментах использовались шнеки именно такой конструкции. Транспортируемый материал определённого гранулометрического состава подаётся в загрузочный бункер 7 и выгружается через кожух 8 в приёмный бункер 9. В гильзах 2 и 3 для прохода материала выполнены окна прямоугольной формы. Площадь загрузочного окна может регулироваться заслонкой 10. Загрузка шнеков осуществляется при этом по радиальной схеме.
Привод смонтирован на плите 11, закреплённой на раме 1. Привод состоит из цилиндрического редуктора 12 и электродвигателя 13, в качестве которого использована регулируемая электродрель.
Винтовые стойки 14 позволяют изменять угол наклона перегружателя в пределах ±20. Величина угла измеряется угломером 15, закреплённым на раме. Датчики, применяемые для исследования процессов, происходящих в горно-транспортных машинах, имеют аналоговые выходные сигналы, которые обработать непосредственно в компьютере невозможно. Предварительно выходные сигналы датчиков необходимо подвергнуть аналого-цифровому преобразованию и представить их в цифровом виде.
По теореме Котельникова любой непрерывный процесс с ограниченным спектром может быть полностью описан дискретной последовательностью его мгновенных значений, частота которых как минимум вдвое превышает частоту наивысшей гармоники процесса. Частота выборки дискретных значений называется частотой дискретизации [130].
Представление аналогового сигнала в цифровом виде называется импульс-но-кодовой модуляцией. Сигнал представляется в виде серии импульсов постоянной частоты (временная дискретизация), а амплитуда передаётся цифровым кодом (амплитудная дискретизация).
Для проведения исследования разработана оригинальная измерительно-регистрирующая система ИРС-1, структурная схема которой приведена на рис. 4.3. Конструктивно ИРС-1 выполнена в виде двух корпусов: микропроцессорного контроллера, представляющего собой выносной модуль со шнуром интерфейса RS-232 и блока датчиков тока и напряжения. ИРС-1 предназначена для измерения: 1. Осевого усилия (при помощи внешнего тензодатчика с крутизной характеристики 2 мВ/В). 2. Силы переменного тока в диапазоне (НІО А. 3. Напряжения переменного тока в диапазоне (И-250 В. 4. Частоты следования импульсов от встроенных фотоэлементов №1 и №2 в диапазоне (Н-400Гц. В результате работы аналого-цифрового преобразователя (плата АЦП фирмы SILAPS) аналоговый сигнал - непрерывная функция времени - заменяется на ступенчатую функцию.
Датчик состоит из двух шлицевых полумуфт, соединённых с валом перегружателя (левая полумуфта) и с выходным валом редуктора (правая полумуфта). Между полумуфтами имеется упругий элемент - цилиндрическая винтовая пружина. Осциллограммы сигналов с фотоэлементов 1 и 2 при отсутствии нагрузки на валу показаны на рис. 4.6,а. Как видно из рисунка, начало импульсов с обоих фотоэлементов совпадают во времени. При возникновении нагрузки на валу происходит деформация пружины 2, в результате чего измерительные колёса 3 смещаются относительно друг друга на некоторый угол. При этом происходит рассогласование сигналов с фотоэлементов 1 и 2, что показано на рис. 4.6,6. Величина рассогласования сигналов Л зависит от измеряемого момента.
В результате цифровой обработки этих сигналов ИРС-1 выдаёт на компьютер величину вращающего момента. В отличие от широко применяющихся в экспериментальных исследованиях тензометрических датчиков момента описанный выше датчик имеет высокую точность и чувствительность, а отсутствие контактных токосъёмных устройств (струнных, ртутных и т.п.) устраняет их влияние на измеряемую величину момента и исключает помехи выходного сигнала [131, 132]. Следует отметить, что было изготовлено три датчика момента с различной жёсткостью упругого элемента, каждый из которых использовался в пределах прямолинейного участка тариро-вочной зависимости. Это позволило повысить точность замеров в экспериментах с различными видами транспортируемых материалов.
