Современное состояние и перспективы развития конструкций очистных комбайнов со шнековыми исполнительными органами

Запасы твердого топлива в Европе, расположенные на глубине не более 1200 м, эквивалентны глобальному потреблению Европой энергетического топлива более чем на 500 лет. Преимущество угля как основы энергетики то, что он залегает в земле в концентрированном виде.

Если все количество мировых энергоресурсов приравнять к 100%, то на долю каменного угля приходится 70%, нефти - 18%, газа - 7%, гидроэнергетики - 5%.

В последние годы экономика топливно-энергитических ресурсов, в частности углей, в европейской части России не улучшилась, а при подземной их разработке - ухудшилась. При подземных разработках себестоимость угля зависит, в основном, от затрат на рабочую силу. Рост производительности не смог компенсировать повышение материальных затрат, заработной платы и социальных расходов, европейский уголь становится одним из самых дорогих источников энергии [1].

Мировой опыт свидетельствует, что подземная выемка угля только до 40-60% запасов с оставлением поддерживающих целиков (то есть потери заведомо планируются) во многом упрощает подземную угледобычу, особенно на пластах мощностью 1,5 м и выше, и делает ее в несколько раз экономичнее и безопаснее. Производительность труда растет в 2-4 раза. При этом необходимы принципиально новые решения по вскрытию пластов с целью резкого сокращения сети подземных выработок (в частности, предложен способ разработки эксплуатационными блоками) и новая технология и техника для очистных работ. Такая мера резко сократит сроки окупаемости капитальных затрат и эксплуатационные затраты на добычу угля [2].

Существующие технологии подземной добычи угля позволяет вынимать уголь, практически не нарушая поверхности земли и ее экологии. В будущем подземному способу добычи коксующегося угля не будет альтернативы.

В ближайшие 10-15 лет добыча угля будет производиться на тонких, пластах средней мощности и мощных пластах, где комбайновый способ добычи станет превалирующим как по объему добычи, так и по качеству добываемого угля.

Подземный способ добычи угля в настоящее время ориентирован на использование очистных механизированных комплексов, в которых очистной комбайн - это машина, отделяющая механическим путем уголь от массива пласта, дробящая его до кусков транспортабельного размера и наваливающая уголь на забойный конвейер.

От совершенства конструкции очистного комбайна зависит эффективность и экономичность подземной выемки угля. В забое около 70 % энергии, расходуемой на добычу угля, связано с работой очистного комбайна.

В настоящее время существует ряд различных схем комбайнов со шнековыми исполнительными органами, нашедшими применение, как в Российской Федерации, так и за рубежом.

Так схема комбайна с одним шнеком, рассчитанным на полную мощность пласта и расположенным стационарно и несимметрично относительно корпуса комбайна, показана на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Очистной комбайн с одним шнеком

Рис. 2. Схема выемки угольного пласта комбайном с одним

шнеком

Регулирование по мощности пласта осуществляется за счет сменных шнеков различного диаметра, регулирование по гипсометрии пласта – подъемом или опусканием комбайна. Эта машина одностороннего действия, однако, возможно обеспечение ее челноковой работы с помощью переставляемых зачистных устройств. Основными достоинствами данной схемы являются ее малые габаритные размеры по длине, предельная простота конструкции, возможность челноковой работы. Недостатки схемы – отсутствие плавного регулирования шнека по мощности пласта и невозможность полной выемки лавы. Подобную схему имеют комбайны KSV-60 (Чехия), EW 60-G, EW 100-G (ФРГ), SE-IV (ФРГ), SL 250 (США) и другие, получившие ограниченную область распространения.

Схема комбайна с одним шнеком, установленным на качающейся рукояти, показана на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Очистной комбайн с одним шнеком на качающейся рукояти

Рис. 4. Схема выемки угольного пласта комбайном с одним шнеком на качающейся рукояти

Эти очистные комбайны имеют двустороннюю схему работы. При прямом ходе комбайна его шнек вынимает: – верхнюю пачку пласта, а при обратном ходе – нижнюю. Комбайны с подобной компоновкой просты по конструкции. Основными недостатками этой конструктивной схемы являются: невозможность одновременной выемки угля по всей мощности пласта и необходимость в наличии одной ниши в конце лавы. Эти недостатки сказываются на производительности всего комплекса оборудования. Подобную схему имеют комбайны KSV – 33 (Чехия), KWB (Польша), EW 130 – L (ФРГ) и другие. Такие машины также получили весьма ограниченное применение.

В комбайнах с тремя шнеками (см. рис. 5 и 6) два нижних шнека стационарно закрепляются на корпусе комбайна, а один – верхний шнек – размещается на качающейся рукояти. Трехшнековые комбайны обеспечивают выемку угля по всей мощности пласта. Основными достоинствами такой схемы являются возможность самозарубки комбайна и при необходимости получение ступенчатой формы забоя, увеличивающей устойчивость последнего. Из-за своего недостатка – затрудненность доступа в зону между нижними шнеками – схема распространения не получила (комбайны типа К58).

Рис. 5. Очистной комбайн с тремя шнеками

Рис. 6. Схема выемки угля комбайном с тремя шнеками

Симметричная схема комбайна с четырьмя шнеками, попарно расположенными по концам машины (см. рис. 7 и 8), обеспечивает выемку угля по всей мощности пласта, а также самозарубку комбайна (комбайны 4К52, К105, К120).

Рис. 7. Очистной комбайн с четырьмя шнеками

Рис. 8. Схема выемки угольного пласта комбайном с четырьмя

шнеками

Недостатками подобной схемы являются: сложная конструкция комбайна и затрудненный доступ в зону между шнеками. Машины, как правило, применяются на пластах средней мощности и мощных.

Наибольшее распространение имеют комбайны с двумя шнековыми исполнительными органами (см. рис. 9 – 16).

Шнеки могут располагаться несимметрично или симметрично относительно корпуса комбайна. При несимметричном расположении один из шнеков может быть закреплен стационарно на корпусе, а другой – на качающейся рукояти, обеспечивающей регулирование по мощности пласта, как показано на рис. 9 и 10 – комбайны 2K52M, EHW 100–G (ФРГ).

Рис. 9. Очистной комбайн с несимметрично расположенными двумя шнеками

Рис. 10. – Схема выемки угольного пласта очистным комбайном с несимметрично расположенными двумя шнеками

Возможно закрепление обоих шнеков на качающихся рукоятях, например, как у комбайна 1К101 (см. рис. 11 и 12).

Рис. 11. Очистной комбайн с несимметрично расположенными двумя шнеками, закрепленными на качающихся рукоятях

Рис. 12. Схема выемки комбайном с несимметрично расположенными двумя шнеками, закрепленными на качающихся рукоятях

При такой схеме обеспечиваются хорошая отработка угля по всей мощности пласта, челноковая схема работы, хорошие условия для погрузки угля. Однако на одном конце лавы требуется ниша.

Несимметричная схема комбайна с двумя шнеками показана на рис. 13 и 14.

Рис. 13. Очистной комбайн с двумя несимметрично расположенными шнеками

Рис. 14. Схема выемки угля комбайном с двумя несимметрично расположенными шнеками

Оба шнека расположены на качающихся рукоятях. Шнеки сближены, благодаря чему обеспечивается меньшая длина незакрепленной полосы в зоне самозарубки, и смещены к одному из концов машины. В отличие от схемы 10 шнеки обращены в разные стороны. При такой компоновке машины на одном конце лавы требуется ниша. Подобную схему имеют комбайны КШ1КГ, КШ3М и др. Широкого применения эта схема не получила.

На рис. 15 и 16 показан комбайн с двумя шнеками, расположенными симметрично относительно корпуса комбайна на качающихся рукоятях [3].

Рис. 15. Очистной комбайн с двумя симметрично расположенными шнеками

Рис. 16. Схема выемки угля комбайном с двумя симметрично расположенными шнеками

В этом случае комбайн работает по челноковой схеме и вынимает уголь на всю мощность пласта – комбайны AT-1, К103, 1ГШ68, K128П, KWB-6 (Польша), KSW-200(Чехия), DTS-300 (Франция), AB16/200 (Англия), EDW-300L (ФРГ) и др.

Практика подтвердила оптимальность и перспективность симметричной схемы расположения органов выемки по концам корпуса машины. Такая схема комбайна имеет большие возможности для высокой степени унификации функциональных узлов (сборочных единиц) комбайна: электродвигателей, основных редукторов режущей части, поворотных редукторов-рукоятей, шнековых органов выемки, механизмов подачи с колесными движителями цевочно – реечного типа, блоков управления, опорно-направляющих механизмов, механизмов подъема и опускания шнеков, создания на их основе унифицированного ряда оригинальных конструкций двух шнековых машин, которые охватывают весь диапазон (по мощности) разрабатываемых пластов угля.

На основе получивших наибольшее распространение в РФ и за рубежом угольных комбайнов с двумя шнеками, расположенными симметрично относительно корпуса комбайна, в ОАО «ОМТ» («Гипроуглемаш») разработан ряд таких комбайнов.

Угольный комбайн К500 конструкции ОАО «ОМТ» (см. рис. 17) является машиной, выполненной по перспективной блочно-модульной схеме (см. рис. 18) с поперечным расположением всех электродвигателей, исключающей применение конических зубчатых передач в редукторах блоков приводов шнеков и редукторах безцепных механизмах подачи [4].

Рис. 17. Очистной комбайн К500 конструкции ОМТ

Рис. 18. Блочно-модульная схема очистного комбайна (основные узлы и механизмы).

Комбайн предназначен для механизированной выемки угля в длинных очистных забоях пологих и полого-наклонных пластов мощностью 1,6 - 3,5 м при работе по простиранию с углом падения до 35° при сопротивляемости угля резанию до 360 кН/м. Впервые в отечественном выемочном комбайне применены: - в поворотных рукоятях вращающиеся погрузочные щиты с гидромеханическим управлением; -гидроуправляемые верхние оградительные щиты, а также высоконапорное орошение. В блоке привода шнеков установлены торсионные валы, снижающие низкочастотные колебания нагрузки и одновременно являющиеся предохранительными элементами.

Нижегородский завод ОАО «НМЗ» изготовил первый опытный образец комбайна в 1996 г. который прошел полный объем стендовых испытаний на Малаховском экспериментальном заводе, был принят приемочной комиссией и направлен для эксплуатационных испытаний на шахту «Западная» ПО «Интауголь». Испытания проводились в 1997 г. на пласте мощностью 1,6-1,7 м с углом залегания до 19° в составе комплекса 3КМ138И.

В результате проведенных испытаний полностью подтвердились преимущества конструктивной схемы комбайна с поперечным расположением электродвигателей, которая обеспечивает доступ к оборудованию со стороны выработанного пространства, а также ряд основных технических решений.

После проведения испытаний Гипроуглемашем была произведена корректировка чертежей. Кроме упрочнения деталей ряда узлов на модернизированном комбайне была установлена новая аппаратура управления – КУУК500, созданная Тульским машзаводом под руководством заведующего отделом АиЭ Гипроуглемаша Г.Д. Мисаилова. Модернизированный комбайн был приобретен в 2000 г. шахтой «Воргошорская» и прошел промышленные испытания. После чего комбайн оставлен на шахте для дальнейшей эксплуатации. Приемочная комиссия рекомендовала комбайн К500, систему управления КУУК500 и все электротехнические изделия к промышленному производству. Последующие комбайны этой серии, изготовленные по заказам шахт Нижегородским машзаводом, эксплуатируются в Печорском угольном бассейне и постоянно совершенствуются Гипроуглемашем и заводом.

ОАО «ОМТ» совместно с ООО «Юргинский машзавод» разработал рабочий проект комбайна К500. Впоследствии Юргинский завод принял решение заниматься комбайном самостоятельно и первый опытный образец комбайна своего производства К500Ю (см. рис. 19) направил в 1997 г. на шахту «Зыряновская» в г. Новокузнецк.

За последние годы в российском угольном машиностроении произошли существенные изменения, в результате которых изменился объем и номенклатура выпускаемого очистного оборудования.

Рис. 19. Очистной комбайн К500Ю конструкции Юргинского машзавода

Производство машин становится индивидуальным, учитывающим конкретные горно-геологические и горнотехнические условия эксплуатации. На современных высокопроизводительных угольных предприятиях проявилась тенденция к концентрации горных работ, уменьшению количества добычных забоев вплоть до организации работ по системе «шахта-пласт» или «шахта-лава». Осуществление этой идеи невозможно без увеличения производительности угледобывающих комплексов, а, следовательно, и отдельных машин, в том числе угледобывающих комбайнов.

Изучение требований эксплуатационников на передовых предприятиях показало необходимость создания отечественного комбайна в первую очередь для пластов средне мощности и мощных, обеспечивающих стабильную нагрузку на уровне 10 тыс. тонн в сутки и способных конкурировать по техническому уровню, надежности и цене с комбайнами ведущих зарубежных фирм.

На основе вышеизложенного ОАО «ОМТ» в 2003 г. приняло решение о создании новой модели комбайна для отработки пластов мощностью 2,2 – 4,3 м – К600.

При разработке комбайна К600 (см. рис. 20) использовался опыт создания комбайна К500 блочно-модульной компоновки, находящегося в производстве на Нижегородском и Юргинском машиностроительных заводах. При создании комбайна Гипроуглемашем использовался также опыт эксплуатации в России комбайнов иностранных фирм: – JOY; – Eickhoff и других.

Сегодня поставщиком комбайна К600 является ОАО «ОМТ». Все комплектующие узлы и детали поступают в г. Киселевск, где на заводе горно-шахтного оборудования «ОМТ» осуществляется сборка комбайна, и проводятся стендовые испытания узлов и машины в целом. Первый образец комбайна К600 был изготовлен в 2005 г.

Рис. 20. Очистной комбайн К600 конструкции ОМТ.

Следующий экземпляр доработки конструкции комбайна К600 – очистной комбайн К700 (см. рис. 21). Очистные комбайны типа К700/1140 ОМТ предназначены для отработки угольных пластов мощностью 1,8…4,2 м с углами наклона до 35° по простиранию и до 10° по восстанию и падению, с сопротивляемостью угля резанию до 420 кН/м, опасных по пыли и газу. Комбайны оснащены механизмами подачи с электроприводом на базе электромагнитных тормозов. Редукторы резания и подачи защищены от динамических нагрузок.

Комбайны имеют блочную конструкцию основных узлов, местное и дистанционное управление по радиоканалу, аппаратуру управления, обеспечивающую:

• -    контроль питающего напряжения и правильность чередования фаз;

• -    диагностику механизмов и режимов работы комбайна;

• -    хронологическую информацию (по кодовому запросу) о режимах работы;

• -    фиксирование аварийных режимов в блоке “Черный ящик”.

Рис. 21. Очистной комбайн К700/1140 конструкции ОМТ.

В январе 2012 г. в Киселевском филиале ОАО «Объединенные машиностроительные технологии» состоялась презентация нового очистного комбайна К800/3300 (см. рис. 22), разработанного, сконструированного и изготовленного на этом заводе. Уникальность очистного комбайна К800/3300 заключается в том, что здесь применяется напряжение 3300 В, которое позволяет повысить надежность работы коммутационного электрооборудования за счет снижения токовых нагрузок. Данный образец был доставлен для последующего использования на шахту в Ростовской области.

Рис. 22. Очистной комбайн К800/3300 конструкции ОМТ.

Совершенствование выемочной техники и создание необходимых для угольной промышленности РФ производственных мощностей машиностроения позволит на базе уже разведанных ресурсов обеспечить технический прогресс в области техники и технологии подземной разработки угольных месторождений, а также уменьшить техногенное воздействие горного производства на окружающую среду.

очистной комбайн, шнековый исполнительный орган, симметричная схема расположения органов выемки shearer, auger, coal seam, a symmetrical arrangement of excavation