Введение к работе
Актуальность работы. Высокие показатели работы очистных забоев с механизированными комплексами на пластах с благоприятными условиями послужили основанием для внедрения их в более сложных горно-геолопгческих условиях угольных и сланцевых шахт и широкого их применения при добыче фосфатов, калийных солей, марганца и урановых РУД.
Технический прогресс, расширение области применения механизированных комплексов ведет к их постояштому развитию, важнейшим моментом которого является создание новых и совершенствование существующих очистных комбайнов, выполняющих основные операции технологического процесса - отбойку и погрузку горной массы на забойный конвейер. Однако анализ показателей работы механизированных забоев показывает, что наряду с высокими результатами во многих случаях имеют место низкие технико-экономические показатели, основными причинами которых являются нелостаточньш уровень средств механизации и, в частности, выемочных комбайнов и усложняющиеся горно-технические условия их эксплуатации.
Основтгуто проблему при этом представляет отработка пластов, содержащих твердые включения и прослойки. Отработка таюгх пластов современными комбайнами характеризуется пониженной на 25-35% производительностью и повышенной энергоемкостью, которые влекут за собой переизмельчение полезного ископаемого и увеличение содержания пыли в атмосфере забоя. При отработке тагагх пластов удельный расход рабочего инструмента в 5-10 раз выше, а наработка его на отказ гагже в 1,5-1,7 раза, чем на пластах простого строения. При этом около половины времени простоев комбайнов связано с выходом из строя исполнительных органов. Увеличение энерговооруженности комбайнов не ведет к существенному повышению показателей работы выемочных комбайнов, а некоторые из них, такие как сортовой состав добываемого угля и пылеобразование, наоборот неуютонно ухудшаются. Расширение добычи угля механическими способами привело к значительному ухудшению его качества.
Не оспаривая преимуществ механизации добычи угля, отметим некоторые отрицательные последствия излишнего измельчения добываемых углей и повышенное содержание угольной пыли в атмосфере забоя. Вынужденное нерационатьнос использование угольной мелочи (удорожание операций обогащения, низкая стоимость) наносит предприятиям отрасли значительный экономический ущерб.
Увеличение запыленности атмосферы забоя требует дополнительных затрат на средства пылеподавления и способствует росту профессиональных заболевагаш. Очень напряженна и экологическая обстановка шахтерских городов. В частности, в Кузнецком бассейне около
12% всех валовых выбросов в воздушный бассейн принадлежит предприятиям угольной промышленности.
Необходимо отметить, что увеличение содержания угольного штыба класса 0-6 мм в сжигаемом топливе на 1% снижает КПД топки на 0,34% и увеличивает расход топлива на 8-14 г/кВт-ч, а затраты же на обогащение одной тонны угля мелких классов в 4-8 раз выше, чем затраты на обогащение одной тонны угля более крупных классов.
В связи с увеличением выхода угля мелких классов и в связи с повышением ,нагрузки на забой увеличивается и запыленность атмосферы забоя, которая превышает допустимые нормы.
Поэтому в настоящее время со всей остротой встала проблема разработки и, создания исполнительных органов выемочных комбайнов, улучшающих сортовой состав добываемого угля и снижающих запыленность атмосферы забоя.
, , Для решения данной проблемы необходимо иметь инструмент, позволяющий планировать и нормировать сортовой состав добываемого угля на всех стадиях технологического процесса, начиная со стадии проектирования исполнительных органов выемочных комбайнов.
Следовательно, настоящая работа непосредственно связана с важнейшими проблемами народного хозяйства - проблемами повышения качества добываемого угля и улучшения социальных условий труда рабочих в забое, .решению которых уделяется исключительное внимание.
Исследования выполнялись в рамках отраслевого плана НИР Минуглепрома. по головной теме 0105 «Разработать прогрессивную технологию и создать средства комплексной механизации и автоматизации очистных работ на пологих пластах (до 35) средней мощности (1,2-3,5 м) со сложными горно-геологическими условиями...»; программы работ ИГД им. ААСкочинского, ПНИУИ, КузПИ по теме 010310000 «Разработать разрушающие инструменты и исполнительные органы для выемки угольных пластов сложного строения с крепкими породными прослойками, включениями и присечкой боковых пород (Прігменение шарошечного инструмента для разрушения угольных пластов с крупными включениями и породными прослойками)»; плана НИР и ОКР предприятия п/я М-5703, утвержденного постановлением ВПК при председателе Совета Министров СССР от 22.01.81г; программой «Уголь Кузбасса», являющейся составной частью программы «Сибирь».
Лель работы -разработка и создание рабочих органов выемочных машин с дисковыми шарошками и резцами бокового скола, позволяющих улучшить сортовой состав добываемого угля и снизить запыленность атмосферы забоя.
Идея работы заключается в улучшении сортового состава
/добываемого угля и снижении пьшеобразования за счет создания и
применения исполнительных органов выемочных машин с клиновыми
рабочими инструментами, разрушающими забой крупным сколом, для
отработки пластов различного строения.
Задачи исследований
1. Исследовать, описать и проанализировать пронесе формирования кусковатости продуктов разрушения массива.
2.Выявить влияние формы передней грани разрушающего инструмента на гранулометрический состав продуктов разрушения и особенности формирования гранулометрического состава угля с учетом его структуры.
3.Оценить качественные и количественные связи между геометрическими параметрами инструмента, параметрами разрушения и гранулометрическим составом, разработать модели и методы прогнозирования гранулометрического состава при разрушении горного массива.
4. Разработать рекомендации по конструктивному оформлению исполнительных органов с клиновыми инструментами с учетом кинематических особенностей их работы с улучшенными эргономическими свойствами, обеспечивающих улучшение сортового состава и снижение запылегаюсти шахтной атмосферы.
5.Создать рабочие органы выемочных комбайнов, оснащенных клиновыми инструментами и оценить эффективность irx применения
Методы исследований. В процессе выполнения работы использовались как общенаучные, так и специальные методы исследований, включая научное обобщение, методы математической теории упругости, механики разрушения и численного моделирования с применением ЭВМ. При выполнении экспериментальных исследований были использованы методы:
теории планирования эксперимента;
электро- и тензометрирования;
математической статистики при обработке экспериментальных данных и построении комплекса регрессионных зависимостей;
методы параметрической идентификации созданных моделей с экспериментально полученной информацией.
При проектировании исполнительных органов применялись методы анализа и синтеза схем набора режущего инструмента с учетом кинематических особенностей работы каждого типа разрушающего инструмента.
Научные положения, выносимые па защиту: 1. Формирование гранулометрического состава продуктов разрушения в наибольшей степени зависит от типа разрушающего инструмента, определяющего напряженно-деформированное состояние массива под лезвием инструмента. Поверхности разрушения и объемы крупных элементов, получаемые в результате разрушения массива рабочим
инструментом с передней гранью в виде одностороннего клина при прочих равных условиях в 1,5-2 раза больше, чем для резцов с плоской передней гранью и гранью в виде двустороннего клина.
2.Гранулометрический состав продуктов разрушения определяется не только абсолютными значениями параметров разрушения (шаг резания tp и глубина h), но и их соотношением, которое с точки зрения рационального фракционного состава угля должно быть 1,5< tp/h <3,0.
3.Модель прогнозирования гранулометрического состава угля, учитывающая не только режимные параметры и параметры режущего инструмента, но и структуру разрушаемого угля.
^Работоспособность и эффективность разрушения дисковой шарошкой определяется критическими значениями соотношения усилий резания и подачи, определяющими условия ее вращения в зависимости от конструктивных параметров, коэффициента трения и угла установки шарошки.
5.Оценка схем набора разрушающего инструмента на рабочем органе и сортового состава продуктов разрушения, должна производиться с учетом коэффициента кинематической заблокированности резов, учитывающего соотношение центрального угла между разрушающими инструментами, расположенными в двух соседних линиях резания, и разности диаметров установки этих инструментов.
б.Расчет - сортового состава добываемого угля для конкретного очистного забоя необходимо . производить на основе модели формирования .нагрузок на рабочем органе, отличающейся тем, что в ней учитываются не. только физико-механические свойства разрушаемого пласта, но и расположение и мощность прослойков или твердых включений, и тем, что эта модель позволяет рационализировать схему набора разрушающего инструмента на рабочем органе.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций обеспечены корректной постановкой задачи по
исследованию процесса разрушения горного массива различными инструментами, учитывающей основные представления механики хрупкого разрушения; использованием моделей, адекватность которых реальны процессам подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований. При лабораторных исследованиях был применен стенд с бесконтактным тензометрическим динамометром, обеспечивающий регистрацию нагрузок на инструменте с высокой точностью. В шахтных условиях проводились сравнительные исследования серийных исполнительных органов с экспериментальными, что обеспечивало объективную оценку новых технических решений. Положительные результаты, полученные при опытной эксплуатации экспериментальных исполнительных органов в различных горногеологических ,и горно-технических условиях, подтверждающие правильность технических решений, научных положений, выводов и рекомендаций.
Научная новизна диссертации заключается:
в установлении основных закономерностей формирования
кусковатости отделяемых от забоя дисковой шарошкой, элементов
массива; .....' ""'
в разработке метода прогноза гранулометрического состава угля, основанного на моделях формирования кусковатости, при разрушении массива шнековыми исполнительными органами , с дисковыми шарошками и резцами бокового скола;
в установлении критических значений отношения усилий резания и подачи для условия вращения кутковой дисковой шарошки;
в оценке схем набора режущего инструмента через кинематический коэффициент заблокироватгости, который учитывает соотношение центрального утла между разрушающими инструментами в соседних линиях резания и разность диаметров их установки и влияет на сортовой состав продуктов разрушения;
в установлении закономерностей, позволяющих при моделировании нагрузки на исполнительном органе с дисковыми шарошками выбирать схему набора разрушающих инструментов, а также учесть физико-механические свойства разрушаемого массива, мощность "и расположение прослойков и твердых включений.
Личный вклад заключается в теоретическом обобщении и решении крупной научной проблемы, какой является разработка и создание исполнительных органов выемочных машин, улучшающих сортовой состав добываемого угля, и снижающих запыленность атмосферы забоя. В рамках отдельных разделов диссертации личный вклад автора заключается в разработке моделей формирования кусковатости разрушаемого дисковой шарошкой однородного массива; в построении модели формирования кусковатости угля при разрушении дисковой шарошкой, позволяющей учесть структурные особенности массива; в разработке метода прогноза гранулометрического состава угля при разрушении его исполнительными органами с дисковыми шарошками, который.дает возможность оценить влияние геометрических параметров инструмента, режимов разрушения и структуры массива; в исследовании и моделировании нагрузок, действующих на исполнительный орган; в установлении влияния мощности и местоположения твердых прослойков и схемы расположения инструмента на основные силовые характеристики работы испытательного органа в разработке основных принципов конструктивного исполнения рабочих органов с дисковыми шарошками и резцами бокового скола в установлении области эффективного применения рабочих органов, оснащенных клиновыми инструментами.
Практическое значение работы заключается:
в разработке рабочих органов с дисковыми шарошками и резцами бокового скола ИБС для различных горно теологических условий, улучшающих сортовой состав добываемого угля и снижающих запыленность атмосферы забоя;
в разработке метода прогноза сортового состава угля, добываемого новыми рабочими органами, и применении его на стадии проектирования шнеков, оснащенных дисковыми шарошками и резцами бокового скола;
в увеличении производительности выемочной машины за счет снижения удельных энергозатрат на разрушение и снижении времени простоев на замену инструментов;
'' '"" »в снижении затрат на рабочий инструмент при отработке угольных пластов с прослойками и твердыми включениями и пластовых месторождений песчано-глинистых руд.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
По результатам исследований разработаны при участии автора и утверждены техническим управлением Минуглепрома СССР технические задания' на * «ШнекЪвый исполнительный орган* и «Шарошечный инструмент х шнековому исполнительному органу для выемки пластов сложного строения».
Решением междуведомственной комиссии по результатам приемки опытного образца шнекового исполнительного органа с дисковыми шарошками' для очистного комбайна КМ-ЗМ Минуглепрому СССР рекомендовано принять к серийному производству шнеки с дисковыми шарошками для выемки пластов І-ІІ категорий по разрушаемости и 1-2 группы по сложности строения пласта (акт и протокол приемочных испытаний Na'108-Т*от 28.11.86г!).
:"-" Применение шнековых рабочих органов с дисковыми шарошками включено предприятием п/я М-5703 в проект отработки месторождения песчано-глинистых руд заказа 2206 с экономическим эффектом 140 тыс.рублей в год (в ценах 1990 года).
Методика расчета нагрузок на дисковой шарошке и шнековых рабочих органах, оснащенных дисковыми шарошками, утверждена предприятием п/я М-5703 и использована предприятием п/я А-1372 при проектировании и создании рабочих органов очистных и проходческих комбайнов.
Результаты исследований включены в рабочие программы учебного курса «Горные машины и комплексы» и «Эксплуатация и ремонт горных Машин» для студентов направления ТІ 8 «Технологические машины и оборудование».
По результатам исследований и их внедрения на шахтах АО «Кузнецкуголь», АО «Ленинскуголь» и предприятиях п/я А-1372 и Р-6210 экономический эффект составил 416,4 тысячи рублей ( в ценах 1990 года).
Апробация работы. Работа и ее отдельные части докладывались и получили одобрение на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Кемеровской области (г.Кемерово, 1977г.); на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (г.Караганда, 1978г.); на областной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (г.Кемерово, 1982, 1983гг.); на Всесоюзной научно-технической конференции молодых
ученых и специалистов угольной промышленности (г.Москва, Люберцы, ИГД им. А.А. Скочинского, 1983г.); на техническом совещании ордена Лешша ВПО «КуЗбассуголь» (г.Кемерово, 1984г.); технических советах предприятия п/я А-1372 (г. Навои, 1984, 1987, 1989гг.); техническом совете предприятия п/я М-5703 (г.Москва, 1985г.)"; V республиканской научно-техшгческой конференции молодых ученых и специалистов горной промышленности Грузии (г. Тбилиси, 1986г.); на научно-техническом совете СА НИИ ПТ (г.Ташкент, 1990г.); на научно-практическом семинаре «Проблемы и перспективы развития горного дела на северо-востоке СССР» (г.Якутск, 1990г.);на Международном семинаре «Проблемы и перспективы развития горной техники. Горные машины и оборудование» (г.Москва, 1994); на Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития технологии и средств бурения» (г.Кемерово, 1995), ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (г.Кемерово, 1980-1997 гг.).
Работа выполнена на кафедре горных машин и комплексов Кузбасского государственного университета, сотрудникам которой автор выражает глубокую благодарность,
Объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 7 разделов, заключения и списка литературы из 202 наименований изложенных на 340 страницах машинописного текста и содержит 119 рисунков и 29 таблиц.