Введение к работе
Актуальность работы. В последние десятилетия при строительстве различных горных выработок за счет применения комплексов оборудования на базе проходческих комбайнов усиливаются процессы концентрации производства, растет производительность труда, повышается качество, мощность и надежность оборудования, в все большей степени удается обеспечивать бесперебойность производственных процессов, улучшать условия труда и технику безопасности.
Научно-исследовательские, проектно-конструкторские организации и вузы — ННЦ-ГП ИГД им. А.А. Скочинского, ЦНИИПодземмаш, КузНИУИ, МГГУ, ЮРГПУ(НПИ), ТулГУ и другие ведут работы по исследованию процессов разрушения горных пород проходческими комбайнами избирательного действия. При этом значительно меньшее внимание уделяется изучению процесса взаимодействия погрузочного органа с разрушенным материалом, повышению его эффективности, несмотря на то, что исполнительный и погрузочный органы комбайна обладают кинематическими и конструктивными связями.
Нагребающие элементы, устанавливаемые на комбайне, имеют различную погрузочную способность. Применяются одногребковые или многогребковые лапы с приводом от кривошипно-кулисного или кривошипно-рычажного механизмов. В последнее время в мировом и отечественном комбайностроении широкое распространение находят погрузочные органы, выполненные в виде двух вращающихся звезд и отличающиеся большим разнообразием конструктивного исполнения. Такие погрузочные органы отличает простота конструкции и повышенная надежность.
В то же время особенности взаимодействия погрузочных органов с нагребающими звездами со штабелем погружаемого материала недостаточно изучены. Физические процессы погрузки горной массы погрузочными органами с нагребающими лапами и нагребающими звездами существенно различаются. Известные математические модели, описывающие процесс погрузки материала погрузочным органом с нагребающими лапами, не учитывают особенностей формирования штабеля горной массы погрузочными органами с нагребающими звездами — в первую очередь, из-за различия в траекториях движения и геометрии нагребающих элементов — лап и звезд. Не разработана и не используется в практике проектирования проходческих комбайнов методика определения параметров погрузочных органов проходческих комбайнов с нагребающими звездами.
Таким образом, изучение рабочих процессов погрузочных органов проходческих комбайнов, оптимизация их параметров является необходимой частью работы по дальнейшему повышению эффективности работы комбайна, скорости проведения выработки, и является актуальной научно-технической задачей.
Соответствие диссертации плану работ ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НИИ) им. М.И. Платова и целевым комплексным программам. Диссертационная работа входит в состав исследований по научному направлению «Теория и принципы построения робототехнических и мехатронных систем и комплексов», выполнена в рамках госбюджетной темы П-53-767 - «Исследование рабочих процессов и совершенствование конструкций горнопроходческих машин», а также в соответствии с соглашением с Минобрнауки РФ №14.В37.21.2103 от 14.11.2012 о предоставлении гранта в форме субсидии на проведение научных исследований в рамках целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013г.г. по теме «Разработка высокоэффективного горнопроходческого оборудования нового технического уровня».
Целью работы является повышение эффективности применения проходческих комбайнов избирательного действия с погрузочными органами с нагребающими звездами путем обоснования и выбора их рациональных параметров для заданных условий эксплуатации на основе исследований процессов взаимодействия с разрушенной горной массой.
Идея работы. Использование экспериментально установленных закономерностей и описывающих их математических моделей формирования производительности и нагрузок погрузочных органов с нагребающими звездами проходческих комбайнов избирательного действия со штабелем горной массы для разработки научных основ их расчета и выбора рациональных параметров.
Объект исследования — погрузочный орган проходческого комбайнов избирательного действия в виде двух вращающихся звезд.
Предмет исследования — процесс взаимодействия погрузочного органа со штабелем погружаемого материала.
Методы исследований. Реализация поставленной цели осуществлялась на основе комплекса современных методов, включающих анализ литературных источников, экспериментальные исследования на физической модели и натурном объекте, методы имитационного компьютерного моделирования рабочих процессов, анализа и обработки результатов наблюдений с использованием математического аппарата теории вероятности и математической статистики.
Методологическую и теоретическую базу исследований представляют методы экспериментальных и теоретических исследований погрузочных органов с нагребающими лапами и роторных, разработанные в трудах докторов наук Кальницкого Я.Б., Тихонова Н.В., Верклова Б.А., Водяника Г.М., Хазановича Г.Ш., Дровникова А.Н., Кравченко П.Д., кандидатов наук Гонтаря Н.В., Мариана И.Д., Иванова О.П.„, Рюмина И.Ф., Максимова В.П., Сильня В.Г., Крисаченко Е.А., Турушина В.А., Васильева Ю.А., Ерейского В,Д., Лоховинина С.Е., Хазановича В.Г. и др. Теоретической базой исследований физики процесса взаимодействия являются элементы теории сыпучих тел, разработанные применительно к процессам погрузки сыпучих и кусковых материалов в трудах отечественных ученых, кроме упомянутых, докторов наук Ляшенко Ю.М., Носенко А.С., кандидатов наук Гагина О.Д., Каргина Р.В. и др. Для методического обеспечения проекта экспериментальной модельной установки погрузочного органа использованы основы теории подобия. При разработке программы опытов применена теория планирования эксперимента.
Положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Особенности физических процессов взаимодействия погрузочного органа с нагребающими звездами различной геометрической конфигурации со штабелем погружаемого материала, позволяющие с качественных позиций объяснить формирование объема единичного захвата отдельным лучом и погрузочным органом в целом в течение очередного оборота звезды.
-
Экспериментально установленные количественные закономерности формирования объема зачерпывания отдельным лучом и в целом нагребающей звездой, и влияние на них основных конструктивных и режимных факторов: диаметра звезды, количества лучей, угла установки лучей в плоскости нагребающей звезды, высоты луча, угловой скорости вращения звезды и глубины внедрения ее в штабель, являющиеся исходной базой для разработки математических моделей производительности погрузочного органа.
-
Установленные в результате экспериментальных исследований средних за очередной оборот и максимальных значений крутящих моментов сопротивлений на валу нагребающей звезды в зависимости от основной группы влияющих конструктивных и режимных факторов, позволяющие разработать математические модели нагрузок и энергетических затрат при захвате порции материала погрузочным органом.
-
Разработаны базирующиеся на результатах исследований основные положения методики выбора рациональных параметров погрузочных органов с нагребающими звездами для проходческих комбайнов избирательного действия, позволяющие решать задачи модернизации существующих и проектирования новых погрузочных органов.
Научная новизна диссертационной работы:
-
Отличительными особенностями физических процессов взаимодействия нагребающей звезды со штабелем погружаемого материала (в сравнении с аналогичными процессами при работе парных нагребающих лап) являются: возрастающая подвижность сыпучего материала вблизи поверхности откоса с увеличением числа лучей, что приводит к динамическому характеру формирования, снижению количества материала, попадающего между соседними лучами и объема захвата порции материала очередным лучом из штабеля, находящегося в неуравновешенном состоянии, а также к уменьшению сопротивлений движению луча в штабеле; перемещение в плоскости питателя части материала штабеля из зоны действия одной звезды к другой и образование «мертвой зоны», что снижает эффективность погрузки.
-
Регрессионная математическая модель массы груза, захватываемого и передаваемого на конвейер лучами за очередной оборот нагребающей звезды, которая с учетом частоты вращения и числа звезд определяет возможную производительность погрузочного органа, представляет собой нелинейную многофакторную зависимость, отличающуюся тем, что наряду с влиянием факторов, характерных для погрузочного органа с нагребающими лапами - площади захвата, высоты гребка, объема горной массы в активной зоне, учитывается количество лучей и угол их установки в плоскости нагребающей звезды, причем масса груза, захватываемая отдельным лучом, при количестве лучей больше трех, растет медленнее количества лучей, а с ростом угла установки лучей масса единичного захвата лучом возрастает по экспоненциальному закону.
-
Математические модели среднего значения момента сопротивления вращению за полный оборот нагребающей звезды в штабеле погружаемого материала и удельной энергоемкости погрузки по структуре представляют собой многофакторные регрессионные зависимости от той же группы влияющих факторов, что и зависимость массы захватываемого груза, причем с увеличением количества и угла установки лучей момент сопротивлений черпанию растет быстрее, чем масса груза, захватываемая звездой за один оборот.
-
Алгоритм выбора рациональных параметров погрузочного органа с нагребающими звездами при проектировании или модернизации проходческого комбайна определяется видом целевой функции, системой функций-ограничений и совокупностью параметрических ограничений, отличающийся тем, что с использованием математических моделей объемов захвата, среднего момента сопротивлений и энергоемкости позволяет решать задачи поиска максимальной производительности при заданной предельной энерговооруженности привода и необходимой производительности при минимальном значении удельных энергозатрат.
Теоретическая значимость работы состоит в установлении закономерностей формирования нагрузок в трансмиссии погрузочного органа, формировании произво-
дительности комбайна и в разработке методики выбора рациональных параметров погрузочного органа с нагребающими элементами в виде двух вращающихся звезд.
Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты - математические модели производительности и нагрузок в приводе, алгоритм выбора параметров погрузочного органа с нагребающими звездами и программное обеспечение расчета основных показателей приняты заводом горного машиностроения для использования при проектировании отечественных комбайнов избирательного действия.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных апробированных методов исследований:
анализом научно-исследовательских работ по теме диссертации;
проведением комплекса экспериментальных исследований на физической модели погрузочного органа с соблюдением критериев подобия, использованием современных средств измерений;
статистическими методами обработки результатов исследований и планирования вычислительных и физических экспериментов, выполненных с использованием современных ЭВМ и программных продуктов;
достаточным объемом наблюдений за эксплуатацией горно-проходческих комбайнов с погрузочными органами с нагребающими звездами и экспериментальных исследований на модельной установке.
Адекватность математических моделей реальному процессу подтверждается максимальным расхождением расчетных и экспериментальных данных, которое в большинстве случаев не превышает 12 %; ошибка в определении средних значений опытных данных составляет не более 15 % при доверительной вероятности 0,85.
Реализация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Копейский машиностроительный завод», ООО «Шахтоуправление «Садкинское», 000 «Управление механизации тоннельдорстрой», ЮРГПУ(НПИ) им.М.И. Платова.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены: на симпозиумах «Неделя горняка» г. Москва (2012-2013 гг.); на IV-й Международной и 62 Всероссийской научно-практической конференции, апрель 2013, г. Шахты «Перспективы развития Восточного Донбасса»; на Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности», 31 января 2013 г., г. Тамбов; на I Международной научной конференции «Приоритеты мировой науки: эксперимент и научная дискуссия», 29-30 сентября 2013 г., г. Санкт-Петербург - North Charleston, SC, USA.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ объемом 6,1 п.л., в том числе 3 статьи (2,6 п.л.) в изданиях из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, утвержденного ВАК, получено 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы из 81 наименования, содержит 65 рисунков, 11 таблиц. Общий объем диссертации составляет 182 страницы.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Хазановичу Г.Ш.
