Экспериментальные исследования влияния ширины захвата шнекового исполнительного органа комбайна на эффективность процесса погрузки

Постановка проблемы

Основным энергетическим ресурсом Донецкого региона является каменный уголь, запасы которого по данным ДонУГИ составляют порядка 6,84 млрд т. Основная часть этих запасов (порядка 83,2 %)

сосредоточена в пастах мощностью 0,55–1,2 м [1].

Практически все шахтопласты Донбасса имеют неблагоприятные горно-геологические и горнотехнические условия залегания. Они характеризуются неспокойной гипсометрией, наличием породных прослойков и твердых включений в угольном массиве [1]. Эти факторы практически полностью исключают

возможность выемки угля с использованием струговых и агрегатных комплексов, что и обуславливает широкое применение очистных комбайнов со шнековыми исполнительными органами в составе механизированных комплексов [1–5]. Все ранее сказанное говорит о необходимости исследований в области проектирования и конструирования очистных комбайнов нового поколения, способных эффективно работать в условиях тонких пологих пластов.

Процесс добычи угля из пластов мощностью 0,55–1,2 м очистными

комбайнами можно охарактеризовать как высокоэнергоемкий [2, 3]. Это обусловлено малой погрузочной способностью шнековых исполнительных органов, которая ограничивает скорость подачи комбайна в пределах 2–5 м/мин и, как следствие, приводит к низкой производительности очистного комбайна [2, 3]. Для интенсификации добычи угля из шахтопластов мощностью 0,55–1,2 м необходимо повысить эффективность процесса погрузки, что может быть, в частности, обеспечено на основе выбора оптимальных параметров шнекового исполнительного органа очистного комбайна.

Анализ исследований и публикаций.

Вопросом создания высокоэффективного очистного оборудования занимались ученые [2 - 22]. Вопросы, рассмотренные в [2, 3], касаются проектирования узкозахватных очистных комбайнов, работающих в условиях тонких пологих пластов. В работе [4] изложены принципы проектирования механизмов перемещения очистных комбайнов. В работе [5] приведены общие задачи и принципы проектирования и конструирования горных машин и комплексов нового технического уровня. Установлено [6 - 13], что шнековые

Ж ГОРНЫЕ НАУКИ и ТЕХНОЛОГИИ

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY исполнительные органы, которыми оснащаются очистные комбайны для работы в условиях тонких и весьма тонких пластов, обладают большей производительностью по разрушению, чем по погрузке разрушенной горной массы. Авторы работ [14–22] занимались решением задачи оптимизации процесса погрузки шнековыми исполнительными диаметрами путем определения рациональных значений геометрических параметров шнеков и режимными параметрами работы комбайна. Работы [23–26] направлены на решение проблем автоматизации добычи угля очистными комбайнами. В [27–36] изложен опыт в применении импульсных струй рабочей жидкости при разрушении горного массива. При этом не существует достоверных данных о закономерностях изменения энергетических параметров работы очистного комбайна в условиях тонких пологих пластов в зависимости от ширины захвата шнекового исполнительного органа. Наиболее достоверным путем получения фактических значений энергетических параметров работы выемочной техники являются экспериментальные исследования в реальных условиях эксплуатации.

Цель (задачи) исследования

Целью настоящей работы является установление закономерностей влияния параметров шнекового исполнительного органа на энергетические показатели процесса погрузки угля в условиях тонких пологих пластов.

Изложение материала и результаты

Для достижения поставленной цели в качестве объектов исследования были выбраны очистные комбайны нового технического уровня УКД400 и УКД200-500, эксплуатирующиеся в представительных условиях шахт «Красный партизан» ГП «СВЕРДЛО-ВАНТРАЦИТ» пласта k ¹ «Должанский» и «Терновская» ПАО «ДТЭК ПАВЛОГРАД-УГОЛЬ» пласта C^B соответственно. Краткие технические характеристики рассматриваемых очистных комбайнов приведены в табл. 1.

На рис. 1 представлены схемы разрушения и структуры шахтопластов в условиях проведения экспериментальных исследований комбайнов УКД400 и УКД200-500.

Рис. 1. Схемы разрушения горного массива комбайнами УКД400 ( а ) и УКД200-500 ( б )

Fig. 1. Schematics of rock mass loosening by UKD400 ( a ) and UKD200-500 ( b ) shearers

Ж ГОРНЫЕ НАУКИ и ТЕХНОЛОГИИ

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Технические характеристики рассматриваемых очистных комбайнов

Таблица 1

Technical specifications of the considered shearers

Параметры	Тип комбайна
	УКД400	УКД200-500
Тип электродвигателя привода исполнительного органа	ЭКВ4-200В	SG7W490L-4
Номинальная мощность приводов резания P ном , кВт	2×200	2×250
Номинальный ток электродвигателя I ном , А	129	155
Коэффициент мощности cos φ, от.ед.	0,837	0,880
Диаметр исполнительного органа D ио , м	0,9
Ширина захвата B з , м	0,7	0,8
Угол подъема лопасти шнека (по лопастям) α п , град	15°38ʹ	13°54ʹ
Угловая скорость шнека ω, с -1	8,17	8,31

t, с

Рис. 2. Фрагмент записи значений токов двигателей опережающего I _опер и отстающего I _отст приводов исполнительных органов очистного комбайна УКД400

Fig. 2. A fragment of recording the values of motor currents of leading and lagging behind drives of UKD400 shearer operating devices

Таблица 2

Данные проведения экспериментальных исследований работы выемочных комбайнов УКД400 и УКД200-500

Data of the experimental studies of UKD400 and UKD200-500 shearers operation

Параметр	Тип комбайна
	УКД400			УКД200-500
Шаг дискретизации Δ t , с	0,05			0,2
Количество участков n	3			4
Длина мерного участка l , м	1,5			6,0	7,5
Длительность прохождения мерного участка t j , мин	0,400	0,330	0,283	1,500	1,800	1,700	1,180
Скорость подачи Vn , м/мин	3,75	4,50	5,30	4,00	4,20	4,40	6,40
Значение тока холостого хода электродвигателя согласно экспериментальным данным I хол.ход , А	45			65
Среднее за период замера значение тока двигателя опережающего исполнительно органа I ср.опер , А	73,6	129,5	114,2	166,1	190,1	183,2	190,9
Среднее за период замера значение тока двигателя отстающего исполнительно органа I ср.отст , А	50,1	64,0	57,9	7,9	10,1	9,3	7,3

Ж ГОРНЫЕ НАУКИ и ТЕХНОЛОГИИ

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Согласно [41] нагрузка на исполнительных органах очистных комбайнов определяется с учетом сопротивляемости угля резанию A . Поэтому показатели крепости раз-

рушаемого массива приводились к значению A на основе данных, содержащихся в работах [1, 37].

Средневзвешенное значение сопротивления угля резанию при разрушении каждым k- м исполнительным органом, кН/м,

в [39], фактическое значение мощности разрушения и погрузки горной массы на каждом k- м двигателе привода исполнительного органа может быть определено из выражения, кВт:

ср. k     хол.ход

P k   Р ном      j       cosy.

ном

Согласно условиям эксплуатации очистных комбайнов для тонких пологих пластов

mk

AH ii

— i=1________ р,k

^Hk .ио

,

где A_i , H_i – сопротивление угля резанию и мощность i- й пачки массива, разрушаемого k- м исполнительным органом;

H – вынимаемая мощность массива, разрушаемого k- м шнеком;

m_k – число разрушаемых пачек, разрушаемых k- м исполнительным органом.

В ходе проведения экспериментальных исследований работы очистного комбайна проводилась регистрация с использованием многоканального регистратора-анализатора качества энергии [38] средних действующих значений токов электродвигателей каждого привода резания комбайна с шагом A t . Забой условно делился на n участков, отличающихся по длине l , м. При этом фиксировалась длительность прохождения каждого участка t j , с ( j — 1.. n ).

В качестве примера на рис. 2 приведен фрагмент записи значений токов двигателей приводов исполнительных органов очистного комбайна УКД400 при прохождении участка забоя равного 1,5 м со скоростью 4,5 м/мин.

Результаты предварительной обработки данных экспериментальных исследований приведены в табл. 2.

Очистные комбайны нового технического уровня имеют индивидуальный двигатель привода каждого исполнительного органа. Тогда, согласно методике, предложенной

со шнековым исполнительным органом опережающий шнек разрушает пачку угля, прилегающую к почве пласта и осуществляет погрузку отбитой массы, а отстающий шнек выполняет в основном функцию разрушения оставшейся пачки угля (см. рис. 1). С учетом этого, значение мощности разрушения на опережающем шнеке Р может быть определено исходя из значений мощности на отстающем шнеке Р с учетом разрушения

массива различной средней сопротивляемости угля резанию, коэффициентами охвата шнека забоем и ослабления угольного массива, [кВт],

P рез.опер

отст

.от ст.ио

к к осл /.охв

.опер.ио

где k – коэффициент ослабления угольного

массива; k _Y _ _охв - коэффициент охвата шнека забоем.

Тогда значение мощности погрузки на опережающем исполнительном органе Р _{погр.опер} может быть найдено из выражения, кВт:

р = р погр.опе р      опер

—

р ре з.опе р ,

Определение значения удельных энергозатрат требует определения фактической производительности выемки за рассматриваемый период. Производительность k- го исполнительного органа можно определить из выражения, т/мин:

Q k = Н к._ио в з V n P ,

где В – ширина захвата исполнительного органа очистного комбайна, м;

Ж ГОРНЫЕ НАУКИ и ТЕХНОЛОГИИ

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

• V – скорость подачи очистного комбайна, м/мин;

• р - плотность угля, т/м³.

С учетом этого значение удельных энергозатрат на k- м шнеке можно определить как:

W k =

P HoM C I cp k^I xo^xog ^cos f

60 1 ном H  В 3 V Р

, [кВт ч/т].

Исходя из отмеченных выше особенностей технологической схемы работы современных комбайнов для тонких пластов,

удельные энергозатраты разрушения на от-

стающем шнеке W могут быть определены

как, кВт ч/т

w разр

W A отст р.отст.ио

к к у .охв осл

,

.опер.ио

а удельные энергозатраты погрузки на опережающем шнеке W , кВт ч/т

W = W - W _ погр      опер     разр

погр.опер

.

Q опер • 60

Параметры эффективности работы очистных комбайнов УКД400 и УКД200-500, полученные в результате обработки экспериментальных исследований, приведены в табл. 3.

ности на погрузку ( R ² р_тт = 0 , 91 ) исследуемых комбайнов:

Р пог ( V , В з ) = 3,612 В з е ^0,619 В ³ V , [кВт].

График зависимости мощности и удельных энергозатрат на погрузку с учетом ширины захвата исследуемых очистных комбайнов представлен на рис. 3.

Анализ приведенных зависимостей (рис. 3) показывает, что мощность на погрузку и удельные энергозатраты с увеличением ширины захвата шнека возрастает тем интенсивнее, чем выше скорость подачи очистного комбайна. Так, при У_п = 4 м/мин увеличение ширины захвата исполнительного органа с 0,7 до 0,8 м приводит к росту мощности с 14 до 21 кВт, т.е. в 1,5 раза, и удельных энергозатрат погрузки с 0,07 до 0,09 кВт ч/т, т.е. в 1,3 раза. Скорость подачи V = 6 м/мин приводит к росту мощности с 34 до 56 кВт, т.е. в 1,7 раза и удельных энергозатрат погрузки с 0,11 до 0,16 кВт ч/т, т.е. в 1,5 раза. Этот рост обусловлен началом процесса циркуляции разрушенной горной массы, при этом, чем больше ширина захвата шнека, тем раньше этот процесс начинается и интенсивнее становится.

На основе данных в табл. 3 получены уравнения регрессии для определения мощ-

Таблица 3

Результаты обработки экспериментальных данных работы очистных комбайнов УКД400 и УКД200-500

The findings of processing of the experimental data on UKD400 and UKD200-500 shearers operation

Параметр	Тип комбайна
	УКД400			УКД200-500
Скорость подачи, м/мин:	3,75	4,5	5,3	4,0	4,2	4,4	6,4
Производительность, т/мин:
опережающий шнек	3,307	3,969	4,675	4,032	4,234	4,435	6,451
отстающий шнек	1,139	1,367	1,61	0,672	0,706	0,739	1,075
Удельные энергозараты, кВт ч/т
опережающий шнек	0,187	0,461	0,320	0,593	0,699	0,63	0,462
отстающий шнек	0,125	0,390	0,227	0,506	0,613	0,537	0,290
на погрузку горной массы	0,062	0,071	0,093	0,087	0,086	0,093	0,172
Мощность на погрузку, кВт	12,28	16,73	26,19	21,14	21,92	24,77	66,39

Ж ГОРНЫЕ НАУКИ и ТЕХНОЛОГИИ

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Рис. 3. График зависимости мощности и удельных энергозатрат на погрузку с учетом ширины захвата исполнительного органа и скорости подачи

Fig. 3. Plot of power and specific energy consumption for loading as function of operating device effective width and feed rate

Для оценки влияния ширины захвата шнекового исполнительного органа на эффективность работы очистного комбайна для тонких пластов на основе предложенной методики [39] была построена номограмма, приведенная на рис. 4. Номограмма построена для следующих горно-геологических и горнотехнических условий: средняя мощность вынимаемого пласта 1,0 м; длина лавы 200 м; плотность разрушенного угля 1,41 т/м3; сопротивляемость угля резанию в неотжатом массиве 220 кН/м; показатель степени хрупкости пласта при резании 1,65. Схема набора резцов принималась для комбайна УКД200-500 и корректировалась с учетом ширины захвата.

На рис. 4 приведены зависимости: мощности на разрушение и погрузку опережающим исполнительным органом Р , полученные с использованием регрессионных зависимостей на погрузку и на разрушение[40]; зависимости удельных энергозатрат на разрушение и погрузку на опережающем исполнительном органе W , определенные как от- ношение мощности разрушения и погрузки на опережающем шнеке к его теоретической производительности; техническая производительность Qтех .

На основе анализа парка очистных комбайнов нового технического уровня, предназначенного для добычи угля из тонких пологонаклонных пластов, мощность привода резания находится на уровне 200 кВт, что, с учетом КПД редуктора привода шнекового исполнительного органа, составляет порядка 160 кВт на шнеке.

Исходя из принятого значения мощности на исполнительном органе очистного комбайна при помощи номограммы были определены оптимальные значения ширины захвата шнека, находящиеся в диапазоне 0,6…0,7 м, обеспечивающие максимальную производительность при минимальных удельных энергозатратах (по сравнению с большими значениями ширины захвата снижение удельных энергозатрат находится на уровне 15…30 %).

Ж ГОРНЫЕ НАУКИ и ТЕХНОЛОГИИ

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Рис. 4. Номограмма выбора рациональной ширины захвата шнека

Fig. 4. The findings of processing of the experimental data on UKD400 and UKD200-500 shearers operation

Ж ГОРНЫЕ НАУКИ и ТЕХНОЛОГИИ

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Таким образом, целесообразной представляется задача определения оптимальных значений ширины захвата шнека по критерию минимальных энергетических параметров работы комбайна для конкретных горногеологических и горнотехнических условий, что позволит существенно повысить эффективность работы очистных комбайнов для тонких пологонаклонных пластов со шнековым исполнительным органом с учетом возможных ограничивающих факторов по скорости перемещения комбайна.

Выводы и направление дальнейших исследований

• 1.    Предложена адаптивная под горногеологические условия работы методика определения удельных энергозатрат разрушения и погрузки очистных комбайнов для тонких пластов в реальных условиях эксплуатации на основе фиксации значений токов двигателей приводов резания.

• 2.    На основе обработки экспериментальных данных исследований работы очистных комбайнов УКД400 и УКД200-500, рабо-

• 3.    Установлено, что удельные энергозатраты на разрушение и погрузку угля шнековым исполнительным органом могут быть существенно снижены путем выбора рациональной ширины захвата шнека для рассматриваемых горно-геологических и горнотехнических условий с сохранением заданной технической производительности.

тающих в представительных условиях, была получена зависимость мощности на погрузку горной массы от скорости подачи и ширины захвата исполнительного органа вида Р _поr( V _n, В X = 3,612 В₃е ^0,619 В ³ V п. С увеличением ширины захвата шнека мощность и удельные энергозатраты на погрузку возрастают тем интенсивнее, чем выше скорость подачи очистного комбайна. Это обусловлено началом процесса циркуляции разрушенной горной массы, при этом, чем больше ширина захвата шнека, тем процесс циркуляции интенсивнее и наступает при меньших значениях скорости подачи очистного комбайна.

Ж ГОРНЫЕ НАУКИ и ТЕХНОЛОГИИ

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Ж ГОРНЫЕ НАУКИ и ТЕХНОЛОГИИ

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Ж ГОРНЫЕ НАУКИ и ТЕХНОЛОГИИ

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Ж ГОРНЫЕ НАУКИ и ТЕХНОЛОГИИ

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY