Введение к работе
Актуальность проблемы. В России ежегодно добывается 240 -250 млн. тонн угля и его доля устойчиво составляет 12 - 14 % в энергетическом балансе народного хозяйства страны, а в производстве тепловой энергии - 24 - 28 %. При этом угольная промышленность страны является основным потребителем горнопроходческой техники.
Разработанная и действующая Федеральная целевая программа создания и освоения производства современного горно-шахтного оборудования состоит из проектов, систематизированных по трем основным направлениям:
разработка и освоение производства техники новых поколений;
модернизация пользующегося потребительским спросом оборудования и совершенствование технологии его производства;
создание современной системы технического обслуживания и ремонта горных машин и механизмов.
Программа является новой концепцией развития угольного машиностроения, предусматривающей индивидуальный подход к разработке и созданию техники, ориентированной на конкретные горнотехнические условия ее применения. Предполагается использование гибких технологий проектирования, изготовления и сервиса современного горного оборудования, обеспечивающих комплексное и быстрое реагирование на требования потребителей. Такой подход в полной мере относится к горнопроходческой технике, в частности к шахтным погрузочным машинам.
При любом способе проведения подготовительных выработок погрузка и доставка горной массы является неотъемлемой частью технологического цикла. При буровзрывной проходке используются погрузочные и погрузочно-транспортные машины. Одним из перспективных направлений их развития в России и за рубежом является применение гидравлических приводов исполнительных механизмов. Это подтверждается созданием ряда ковшовых погрузчиков, например "Deilmann-Haniel " - К-312, К- 313, G-210 и др. Разработаны и успешно действуют отечест-
венные погрузочные машины МПКЗ, МПНБ. Прошли производственные испытания опытные образцы машин МПК1000Т, ПНБЗД2М, проходческого комбайна КП20 (с гидрофицированным погрузочным органом).
Существующие в настоящее время методы создания оборудования базируются на изучении рабочих процессов, структурно-функциональном синтезе технических решений, их параметрической оптимизации, учете фактических или требуемых показателей надежности. При этом отсутствуют концептуальные подходы, отвечающие методологии выбора рациональных параметров машин на основе конечной оценки эффективности их применения и эксплуатации. Следуя принципам системного подхода, предлагается решать проблему оптимизации параметров и создания горно-проходческого оборудования, в частности шахтных погрузочных машин с гидравлическими приводами, постановкой и решением многоуровневой задачи, предусматривающей поэтапное формулирование критериев с учетом закономерностей рабочих процессов, динамических характеристик привода и ожидаемых показателей надежности создаваемого объекта. Использование единого функционала цели нецелесообразно, так как поставленная задача является многофакторной и требует итеративного подхода.
Суммарный объем проведения подготовительных выработок на шахтах Российского Донбасса в 1999 г. составил. - 73 км, из них 84 % -пройдено буровзрывным способом с применением погрузочных машин и только 2% - комбайновым способом. Регион является своеобразным полигоном для испытания и оценки эффективности проходческой техники при буровзрывном способе проведения выработок. Кафедрой "Горные машины и оборудование" Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) многие годы совместно с ОАО "Копейский машиностроительный завод" систематически ведутся производственные наблюдения за работоспособностью погрузочных машин 1ПНБ2, 2ГТНБ2Б, МПКЗ, МПНБ и др. Накоплен значительный объем информации, которая позволяет обоснованно подойти к определению исходных данных при прогнозировании ожидаемых затрат потребителя
вновь создаваемой техники в реальных условиях эксплуатации.
Таким образом, созданы условия для разработки принципов многоуровневого выбора основных параметров и создания шахтных погрузочных машин с гидравлическими приводами на основе технико-экономической оценки конечной эффективности их применения, что является актуальным.
Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа входит в состав исследований по научному направлению: "Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда", утвержденному решением Ученого Совета ЮРГТУ (НПИ) от 25.01.95 г., и выполнена в рамках тем 27.94 "Разработка научных основ автоматизированного проектирования проходческих систем" и П-53-767 " Исследование рабочих процессов и совершенствование конструкций горнопроходческих машин", проводимых кафедрой "Горные машины и комплексы" в рамках НИР ЮРГТУ (НПИ).
Цель работы. Разработать принципы выбора основных параметров шахтных погрузочных машин с гидравлическими приводами на основе технико-экономической оценки эффективности их функционирования.
Идея работы. Использование закономерностей рабочих процессов, динамических характеристик гидравлических приводов и фактических показателей надежности элементов шахтных погрузочных машин для решения многоуровневой оптимизационной задачи выбора параметров и оценки эффективности шахтных погрузочных машин методом статистических испытаний.
Научные положения: - оптимизацию параметров горно-проходческого оборудования, в частности шахтных погрузочных машин, целесообразно осуществлять постановкой и решением многоуровневой задачи, предусматривающей поэтапное формулирование критериев с учетом закономерностей рабочих процессов, динамических характеристик привода и ожидаемых показателей надежности создаваемого объекта; конечный критерий оптималь-
ности технического решения - минимизация удельных затрат потребителя на момент отработки установленного ресурса при обеспечении технической производительности не ниже заданной;
область допустимых параметров шахтных погрузочных машин определяется из условия достижения ими максимальной производительности с минимизацией остаточных силовых и энергетических ресурсов, с учетом переходных процессов в гидроприводе, динамики системы в целом, реализуемых траектории движения и формы нагребающих элементов, фактических зон обрушения и выдавливания сыпучего материала и его физико-механических характеристик при помощи экспериментально полученных зависимостей, подтверждающих теоретически разработанные модели;
переходные процессы в гидравлических приводах шахтных погрузочных машин подчиняются закономерностям, характеризуемым системой нелинейных дифференциальных уравнений и соответствующей эквивалентной гидродинамической схемой, включающей один или несколько гидродвигателей, регулируемые дроссели и алгоритм управления последними, обеспечивающий моделирование работы принятых к исследованию компоновочных схем исполнительных механизмов с гидравлическими приводами;
исследуемый класс шахтных погрузочных машин по характеру основных процессов, определяющих переход в предельное состояние, относится к изнашиваемым при преобладании абразивного и усталостного видов износа, по фактическим условиям и показателям применения - к восстанавливаемым изделиям конкретного назначения; допускается их нахождение в некотором частичном нерабочем состоянии, отказы не приводят к последствиям катастрофического характера, а также возможны их техническое обслуживание и обезличенный ремонт, что позволяет использовать применительно к данному набору отличительных признаков конкретную номенклатуру показателей надежности: коэффициент сохранения эффективности*^, вероятность безотказной работыP(t„), вероятность восстановления P{iJ, среднее время восстановления Т, и наработки до отказа Т„, средний ресурс
до списания Тpxpt, и до капитального ремонта Г ;
- при использовании метода статистических испытаний, для оценки
эффективности эксплуатации шахтных погрузочных машин достаточно
иметь возможность генерировать три потока случайных чисел, подчи
ненных экспоненциальному, экспоненциально-степенному и логариф
мически-нормальному законам распределения, причем для потока отка
зов рекомендуется принимать к исследованию экспоненциально-
степенной закон (распределение Вейбулла) с показателем степени к =
0,8...1,5, для потока восстановлений, кроме экспоненциального, воз
можно применение и логарифмически-нормального закона распределе
ния;
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным применением современных методов исследований: анализа научно-исследовательских работ, посвященных исследуемому вопросу; апробированных методов графоаналитического исследования предельно напряженного состояния сыпучей среды; статистических методов планирования и обработки результатов экспериментов, проведенных на экспериментальных образцах погрузочных машин; выполнением расчетов на ПЭВМ; адекватностью теоретических моделей реальному процессу (расхождение расчетных и опытных данных в большинстве случаев не превышает 10%); достаточностью объема экспериментальных данных при доверительной вероятности 0,9 и коэффициенте вариации не превышающем 0,18.
Новизна научных положений заключается:
в разработке и обосновании нового сочетания критериев эффективности и функций ограничений, обеспечивающих выбор параметров шахтных погрузочных машин, отвечающих требованиям минимизации удельных затрат потребителя на момент отработки установленного ресурса и достижения производительности для принятого технического решения на уровне не ниже заданного;
в уточнении математических моделей формирования сопротивлений внедрению клиновых нагребающих элементов в штабель сыпучего материала, учитывающих ограниченность длины, форму и траекторию
движения элемента, а также взаимное расположение зон обрушения и выдавливания материала коэффициентами, полученными в результате проведения теоретических исследований графоаналитическим методом интегрирования уравнений предельного напряженного состояния сыпучей среды и подтверждения комплексом экспериментальных исследований на полноразмерных образцах шахтных погрузочных машин;
в универсальности разработанных эквивалентных динамических схем и математических моделей работы гидроприводов погрузочных машин, позволяющих производить качественную и количественную оценку переходных процессов на этапе проектирования и оптимизации параметров с учетом реальных ожидаемых режимов нагружения для принятых технических решений;
в определении отличительных признаков и конкретной номенклатуры показателей надежности, необходимой и достаточной для проведения исследований и прогнозной оценки эффективности шахтных погрузочных машин по критерию минимальных затрат к моменту отработки ресурса;
в определении конкретной принадлежности законов распределения случайных чисел потокам отказов и восстановлений узлов и деталей шахтных погрузочных машин.на основе экспериментально полученных данных.
Значение работы. Научное значение заключается в формулировании и уточнении основных принципов выбора параметров шахтных погрузочных машин, общих и частных критериев оптимизации на каждом из последующих этапов расчета и получении исходных данных для математического моделирования нагрузок, формирующихся при взаимодействии исследуемых механизмов с сыпучей средой, переходных процессов в гидравлических приводах и потоков отказов и восстановлений, с последующим определением ожидаемых удельных затрат при эксплуатации машины к моменту отработки ресурса.
Практическое значение состоит в том, что ее результаты использованы при оценке технического уровня шахтных погрузочных машин массового производства (1ПНБ2, 2ПНБ2, МПНБ,ПНБЗД2М, МПКЗ), со-
вершенствования экспериментальных и опытных образцов машин с гидравлическими приводами (МПЮОООТ, КП20), а инженерные методики расчета, алгоритмы и программное обеспечение легли в основу создания, изготовления и испытания шахтной погрузочной машины непрерывного действия с клиновыми нагребающими лапами и гидроприводом поступательного действия МПНК как объекта нового технического уровня.
Внедрение результатов диссертационной работы.
Результаты исследований нашли отражение:
в "Методике выбора параметров погрузочных органов с клиновыми нагребающими элементами", утвержденной ОАО " Копейский машиностроительный завод" (КМЗ) и использованной при разработке проекта, изготовлении и испытании опытно-экспериментального образца гидро-фицированной погрузочной машины МПНК;
в "Методике выбора рациональных параметров погрузочной машины типа ПНБ с гидрофицированным рабочим органом " и "Исходных требованиях и данных на проектирование экспериментального образца погрузочной машины с гидрофицированным рабочим органом ", утвержденных Ясногорским машиностроительным заводом (ЯМЗ) и институтом ВНИПИРудмаш;
в "Методике экспериментального определения мгновенной производительности шахтных погрузочных машин типа ПНБ", утвержденной и принятой к использованию заводом ЯМЗ, институтами ВНИПИРудмаш и ДжезказганНИПИцветмет;
в "Методике организации сбора и анализа информации об эксплуатационных качествах проходческого оборудования в условиях Российского Донбасса", утвержденной и принятой к использованию ОАО "Ростовуголь", ОАО Туковуголь" и ОАО "КМЗ";
при разработке, создании и испытании ОАО "КМЗ" опытно-экспериментальных образцов погрузочных машин (1ПНБ2к, МПНК, МПК1000Т) и проходческих комбайнов избирательного действия (КП20) с клиновыми нагребающими элементами;
при модернизации отдельных узлов и деталей серийно выпускае-
мых погрузочных машин (МПНБ) и проходческих комбайнов (ГІЖС).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы нашли отражение и получили одобрение на заседаниях Советов НТО Копейского и Ясногорского машиностроительных заводов (1983 - 1999 г.г.), на научно-практических конференциях Шахгинского института ЮРГТУ (НПИ) (1983 - 1999 г.г.), на научных семинарах кафедр "Горные машины и оборудование", "Подъемно - транспортные машины" ЮРГТУ (НПИ) (1984 - 1999г.г.), на научном семинаре кафедры "Горные машины и комплексы" Московского горного института (1989 г.), на семинарах лаборатории буровзрывных проходческих комплексов ИГД им. А.А.Скочинского (г. Люберцы,1985 - 1989 г.г.), на научно - технических семинарах институтов ВНИПИРудмаш и ДжезказганНИПИцветмет (г.г. Кривой Рог, Джезказган, 1990 - 1992 г.г.), на техническом совещании отдела новой техники Норильского ГМК (1989 г.), на семинарах Северо - Кавказского горно-металлургического института (г. Владикавказ, 1989 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции молодых специалистов угольной промышленности - система "Человек - машина - среда" (г.Москва, 1990 г.), на втором семинаре по угольному машиностроению Кузбасса (г. Кемерово, 1991г.), на межотраслевом семинаре "Горноподготовительные работы на шахтах - состояние, проблемы, перспективы развития" (г. Гуково, 1995 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 54 научные работы, в том числе 1 монография, 31 статья, получено 12 авторских свидетельств и патентов, оформлено 10 отчетов по результатам НИР.
Объем работы. В диссертации, изложенной на 414 страницах машинописного текста с рисунками и таблицами, содержится введение, шесть глав, заключение и список использованных источников из 171 наименования и оформленные отдельным томом приложения.
Автор выражает признательность докт. техн. наук Г.Ш.Хазановичу, а так же коллективу кафедры "Горные машины и оборудование" ШИ ЮРГТУ (НПИ) за оказанную поддержку и методические советы на различных этапах исследований.