ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

НЕЧЕПАЄВ ВАЛЕРІЙ ГЕОРГІЙОВИЧ

УДК 622.232.72.

НАУКОВІ ОСНОВИ СТВОРЕННЯ ВИСОКОПРОДУКТИВНИХ ШНЕКОВИХ CИСТЕМ ВИВАНТАЖЕННЯ ВУГІЛЛЯ ОЧИСНИХ КОМБАЙНІВ

Спеціальність 05.05.06 – “Гірничі машини”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Донецьк – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Гірничі машини” Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор

Семенченко Анатолій Кирилович,

Донецький національний технічний університет,

професор кафедри “Гірничі машини”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Франчук Всеволод Петрович,

Національний гірничий університет

Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ,

завідувач кафедри “Гірничі машини”;

доктор технічних наук, професор

Гребьонкін Сергій Семенович,

Донецький національний технічний університет

Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк,

професор кафедри “Розробка родовищ корисних копалин”;

доктор технічних наук, професор

Фінкельштейн Зельман Лазаревич,

Донбаський гірничо-металургійний інститут Міні-

стерства освіти і науки України, м. Алчевськ,

професор кафедри “Енергомеханіка і устаткування”.

Провідна установа:

Донецький державний науково-дослідний, проектно-конструкторський і експериментальний інститут комплексної механізації шахт (ДОНДІПРОВУГЛЕМАШ), відділ створення і дослідження устаткування: очисних комплексів, підземного транспорту і шахтного підйому Міністерства палива і енергетики України, м. Донецьк.

Захист відбудеться 6 грудня 2002 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 у Донецькому національному технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, І уч. корп., ауд. 201.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, ІІ уч. корп.)

Автореферат розісланий “ 30 ” __жовтня__ 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05

д.т.н., проф. Шевцов М.Р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Основою паливно-енергетичного комплексу України є кам'яне вугілля, розвідані запаси якого оцінюються в 110 млрд. т. При цьому 83 % промислових запасів вугілля зосереджено в дуже тонких і тонких положистих пластах, значна частина яких відрізняється неспокійною гіпсометрією й іншими особливостями, що практично виключають можливість виїмки їх стругами й агрегатами. На найближчі роки потреба народного господарства України у вугіллі оцінюється в 150...180 млн. т. у рік. У той же час в останнє десятиліття річний видобуток знаходиться на рівні 80 млн. т.

Ситуація, що склалася в паливно-енергетичному комплексі, визначає потребу якнайшвидшого удосконалювання серійних і створення нових очисних машин для ефективного і рентабельного відпрацьовування тонких і дуже тонких положистих пластів. Причому, з огляду на сучасне економічне становище, підвищення технічного рівня парку очисних машин доцільно забезпечити при мінімальних витратах на їхню модернізацію. Створенню високопродуктивних комбайнів для виїмки тонких положистих пластів зі шнековими виконавчими органами, що одержали переважне поширення, перешкоджає недостатня їхня навантажувальна здатність. У той час як потрібний рівень навантажувальної здатності постійно зростає в зв'язку з ростом енергооснащеності і швидкості переміщення комбайнів, відомі шляхи і методи її підвищення практично вичерпали себе. Унаслідок цього дефіцит навантажувальної здатності істотно лімітує продуктивність виїмки в умовах тонких пластів, а відповідно, перешкоджає нарощуванню обсягу вуглевидобутку до рівня, обумовленого сучасними потребами народного господарства України.

До числа ефективних, але невикористовуваних резервів удосконалювання виконавчих органів очисних комбайнів як транспортуючих систем, відноситься гідродинамічний потенціал рідини, що подається в їхню робочу зону для боротьби з пилоутворюванням. Практично не знаходять застосування і методи структурно-параметричної оптимізації систем вивантаження зруйнованого вугілля. Викладене свідчить про актуальність і важливість для вугільної промисловості України проблеми створення на цій основі високопродуктивних систем активного вивантаження очисних комбайнів, основ теорії їхнього функціонування і синтезу. Рішення цієї проблеми допоможе, при мінімальних витратах і в короткий термін, забезпечити підвищення технічного рівня машин для виїмки тонких положистих пластів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проведені відповідно до наукового напрямку Донецького національного технічного університету “Розробка й удосконалювання параметрів, режимів роботи і технології виробництва гірничих машин і комплексів високого технічного рівня” у рамках тем Х 81-92 (№ ДР 81048852), Х 82-92 (№ ДР 01826048241), Х 86-121 (№ ДР 01860087271), Х 90-123 (№ ДР01900061051), Г 18-95 (№ ДР 0195U020409), Г 7-99 (№ ДР 0199U001149), Г 2-01 (№ ДР 0101U001105). Автор дисертації брав участь у виконанні зазначених тем в якості наукового керівника (Г 18-95, Х 86-121) і відповідального виконавця (Х 81-92, Х 82-92, Х 90-123, Г 7-99, Г 2-01).

Мета роботи. Розробка наукових основ, способів і засобів створення високопродуктивних шнекових систем вивантаження вугілля для підвищення продуктивності очисних комбайнів при виїмці дуже тонких і тонких положистих вугільних пластів.

Поставлена мета реалізована шляхом рішення наступних основних задач.

1. Встановити загальні закономірності процесу вивантаження вугілля шнековими виконавчими органами очисних комбайнів для тонких положистих пластів і на основі їхнього аналізу розробити методологічні принципи і підходи до дослідження і моделювання робочих процесів.

2. Обґрунтувати напрямки розвитку структури систем вивантаження вугілля, що забезпечують активацію їхніх робочих процесів.

3. Розробити частинні моделі функціонування основних підсистем і модулів систем активного вивантаження (формування опору у вікні вивантаження; формування тиску в переміщуваному потоці вугілля; гідродинамічного впливу потоку рідини на потік вугілля, що вивантажується, керованого технологічного впливу на процес вивантаження й ін.).

4. Розробити інтегральну (загальну) математичну модель робочого процесу систем активного вивантаження вугілля очисних комбайнів.

5. Розробити математичну модель структурно-параметричної оптимізації систем активного вивантаження, виконати синтез шнекових механо-гідродинамічних систем активного вивантаження вугілля.

6. Провести експериментальні дослідження з метою оцінки адекватності розроблених моделей реальним системам і встановлення ефективності створених механо-гідродинамічних систем активного вивантаження вугілля.

7. Встановити показники якості шнекових механо-гідродинамічних систем активного вивантаження вугілля з властивістю оптимальної адаптації до умов експлуатації комбайнів і розробити конструктивні і технологічні методи і засоби їхнього забезпечення.

8. Розробити і впровадити програмні комплекси, методики розрахунку і вибору параметрів високопродуктивних систем вивантаження вугілля очисних комбайнів.

Об'єкт дослідження – робочі процеси шнекових очисних комбайнів для виїмки тонких положистих пластів.

Предмет дослідження – робочі процеси шнекових механо-гідродинамічних систем активного вивантаження вугілля.

Методи досліджень. Досягнення поставленої мети забезпечено раціональним сполученням теоретичних і експериментальних методів досліджень. Теоретичні дослідження виконані на базі двох основних методологічних принципів: системного представлення об'єкта досліджень і комплексного геометро-кінематико-силового підходу до аналізу його функціонування. При розробці й аналізі математичних моделей використані методи механіки (статика і динаміка) сипучого середовища, гідродинаміки (задачі взаємодії рідких напірних струменів з перешкодою), множинної нелінійної регресії, а також чисельні методи рішення диференціальних рівнянь. Адекватність математичних моделей реальним системам установлювалася на основі порівняння результатів натурних і обчислювальних експериментів з використанням критерію Фішера, а також шляхом їхнього порівняльного аналізу. Експериментальні дослідження проведені на повномасштабних зразках систем активного вивантаження очисних комбайнів у стендових, максимально наближених до виробничих, умовах з використанням сучасних методів електричних вимірів. Обробка результатів експериментальних досліджень виконана на ЕОМ з використанням методів теорії імовірності і математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше теоретично встановлена й експериментально підтверджена наявність у робочому циклі шнекових систем вивантаження трьох спільномірних по тривалості фаз, які послідовно чергуються протягом обороту шнека і характеризуються різними значеннями і законом зміни опору потоку вугілля, що вивантажується:

а) фаза перемінного безупинно зменшуваного опору;

б) фаза постійного стабільно високого опору;

в) фаза постійного незначного опору.

При цьому вивантаження вугілля в системах без активації робочого процесу відбувається переважно в період останньої фази, що складає приблизно тільки 30 % часу робочого циклу (робочий простір шнека використовується нераціонально).

2. Теоретично й експериментально вперше встановлений закономірний взаємозв'язок: співвідношення значень тиску в потоці, що вивантажується, і тиску опору вікна вивантаження - основні параметри робочого процесу (момент початку і тривалість періоду вивантаження вугілля протягом робочого циклу й ін.). При цьому на тонких положистих пластах домінуючий вплив на формування опору у вікні вивантаження робить зруйноване вугілля, розташоване між розвантажувальним торцем шнека і забійним конвеєром.

3. Вперше установлено, що системи активного вивантаження характеризуються безупинним зростанням у напрямку вивантаження (по експоненціальному закону) тиску, який формується в міжлопатевому просторі шнека на забійній його стороні. Значення цього тиску визначається конструктивними і режимними параметрами систем вивантаження, а також фізико-механічними властивостями зруйнованого вугілля. Підпір потоку вугілля, що вивантажується, у міжлопатевому просторі шнека за рахунок додаткового силового розподіленого впливу на нього дозволяє забезпечити приріст тиску в зоні вивантаження, у 6-8 разів перевищуючий тиск підпору.

4. Теоретично й експериментально обґрунтована висока ефективність активації процесу вивантаження вугілля за допомогою додатка до його потоку, що вивантажується, розподіленого гідродинамічного впливу напірних струменів рідини (води). Розроблена механо-гідродинамічна шнекова система активного вивантаження вугілля, що використовує як джерело нагнітання рідини насосну установку нині застосовуваних систем зрошення очисних комбайнів, забезпечує підвищення продуктивності вивантаження в 2 рази і зниження її питомих енерговитрат у 1,8 рази в порівнянні з існуючими системами вивантаження без активації.

5. Вперше обґрунтований метод вибору оптимальної структури і параметрів механо-гідродинамічних шнекових систем вивантаження вугілля очисних комбайнів стосовно до виїмки тонких положистих пластів, що базується на комплексному використанні: активації робочого процесу, мінімізації витрат усіх видів застосовуваної енергії, оптимальної адаптації до розглянутих умов експлуатації комбайнів.

6. Вперше отримано адекватний опис функціонування механо-гідродинамічних шнекових систем активного вивантаження вугілля очисних комбайнів за допомогою розробленої інтегральної математичної моделі, що включає узгоджено взаємодіючі частинні моделі: формування тиску в потоці вугілля, яке вивантажується; формування тиску опору у вікні вивантаження; гідродинамічного впливу напірних струменів рідини на вугілля, що вивантажується; керованого технологічного впливу на робочі поверхні шнеків.

Вищевикладені наукові положення і результати є теоретичною основою створення і вибору параметрів механо-гідродинамічних систем активного вивантаження вугілля очисних комбайнів для виїмки тонких положистих пластів. Вони дозволяють у короткий термін і при мінімальних витратах створювати високоефективні системи вивантаження для очисних комбайнів нового технічного рівня.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці:

- способів і засобів реалізації принципів активного вивантаження, які забезпечують усунення обмеження продуктивності очисних комбайнів по фактору дефіциту навантажувальної здатності при одночасному підвищенні сортності вугілля, що добувається, за рахунок зменшення його здрібнювання, а також зменшення утворювання пилу;

- конструктивних схем і конструктивних рішень високопродуктивних механо-гідродинамічних систем активного вивантаження вугілля шнекових очисних комбайнів;

- математичного і програмного забезпечення для моделювання робочих процесів механо-гідродинамічних систем активного вивантаження вугілля при

створенні шнекових очисних комбайнів високого технічного рівня;

- методів розрахунку, вибору й оптимізації конструктивних і режимних параметрів шнекових механо-гідродинамічних систем активного вивантаження вугілля і встановленні на цій основі значень параметрів, що забезпечують дворазове підвищення навантажувальної здатності очисних комбайнів для тонких положистих пластів;

- способів і засобів регульованого технологічного впливу на продуктивність механо-гідродинамічних систем активного вивантаження вугілля шнекових очисних комбайнів для

тонких положистих пластів.

Реалізація результатів роботи. Основні висновки і рекомендації роботи використані провідними промисловими підприємствами галузі - ЗАТ “Ново-Краматорський машинобудівний завод”, ЗАТ “Горлівський машинобудівник”, ВАТ “Рутченківський завод ГІРМАШ” - при виборі перспективних проектних рішень і раціональних конструктивних схем і параметрів, проектуванні і модернізації високопродуктивних шнекових виконавчих органів очисних комбайнів (для дуже тонких і тонких положистих пластів) і інших транспортуючих пристроїв, а також при розробці прогресивних методів і технологічних процесів відновлення очисних комбайнів. Очікуване значення прибутку (за даними ДонВУГІ) у розрахунку на один очисний вибій, оснащений комбайном з механо-гідродинамічною системою активного вивантаження вугілля, складає 8,45 млн. гривень. Наукові і практичні результати роботи використовуються ДонНТУ в навчальному процесі при підготовці фахівців конструкторського і технологічного профілів для підприємств і проектно-конструкторських інститутів гірничого машинобудування.

Особистий внесок здобувача в одержання наукових результатів включає: постановку і формулювання наукової проблеми, мети і задач роботи; розробку нового методологічного підходу для підвищення технічного рівня очисних комбайнів; розробку теоретичних основ функціонування, аналізу, визначення параметрів і проектування систем активного вивантаження вугілля. Теоретичні дослідження, що ввійшли в дисертацію, виконані автором самостійно, йому належать основні ідеї роботи і методики теоретичних і експериментальних досліджень. Використані в роботі матеріали експериментальних досліджень проведені колективом співробітників ДонНТУ при особистій участі автора як відповідального виконавця.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку більш ніж на 30-ти симпозіумах, конференціях і семінарах різних рівнів, серед яких: міжнародний симпозіум “Магдебурзькі Дні машинобудування ” (м. Магдебург, Німеччина, 1999 р.); VI міжнародна конференція "Сучасні технології, якість, реструктуризація С.T.K.R.2000" (м. Яси, Румунія, 2000 р.); міжнародна конференція "Сучасні промислові технології СІTА-2001" (м. Бухарест, Румунія, 2001 р.); XXIX міжнародна наукова конференція "Сучасні технології XXI століття" (м. Бухарест, Румунія, 2001 р.); міжнародний науковий симпозіум “Тиждень гірника-2000” (м. Москва, Росія, 2000 р., 2001 р.); IV міжнародна науково-технічна конференція “Якість машин“ (м. Брянськ, Росія, 2001 р.); 3-й і 4-й міжнародні симпозіуми українських інженерів-механіків (м. Львів, Україна, 1997 р., 1999 р.); міжнародний семінар “Високі технології, моделювання, оптимізація, діагностика” (м. Харків, Україна, 1996 р.); міжнародна науково-технічна конференція “Машинобудування і техносфера на рубежі XXI століття“ (м. Севастополь, Україна, 1997-2001 р.); науково-практична конференція “Донбас 2020: наука і техніка - виробництву” (м. Донецьк, Україна, 2002 р.); науково-технічні конференції ДонНТУ (з 1985 по 2002 р.).

Публікації. З питань досліджень систем вивантаження очисних комбайнів автором опубліковано більш 100 наукових праць, у тому числі отримано 28 авторських свідоцтв на винаходи і 2 патенти. Ключові положення дисертації представлені в 48 наукових працях, у тому числі: 30 статей у наукових фахових виданнях ВАК України, 7 авторських свідоцтв і 2 патенти, 9 тез доповідей на конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, семи розділів і загальних висновків; містить 373 сторінки, у тому числі 262 сторінки машинописного тексту, 114 рисунків, 17 таблиць, список використаних джерел з 324 найменувань і 7 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі виконаний аналіз сучасного стану теорії функціонування і шляхів удосконалювання виконавчих органів очисних машин як транспортуючих пристроїв. Показано, що сучасні дослідження в цій області є логічним продовженням робіт вітчизняних і закордонних учених: А.В. Докукіна, В.Н. Потураєва, О.О. Алєйнікова, Я.І. Альшица, А.І. Берона, М.Г. Бойка, В.О. Бреннера, В.М. Гетопанова, П.А. Горбатова, С.С. Гребьонкіна, В.Г. Гуляєва, Л.І. Кантовича, А.Ф. Кичигіна, В.П. Кондрахіна, А.Н. Коршунова, Ю.Д. Краснікова, А.Г. Лаптєва, В.І. Нестерова, Є.З. Позіна, В.М. Рачека, .К. Семенченка, В.І. Солода, В.В. Тона, А.В. Топчієва, З.Л. Фінкельштейна, В.П. Франчука, А.Г. Фролова, В.М. Хоріна, З.Я. Хургіна, В.Г. Яцкіх, А.Р. Аграната, Г.В. Андрєєва, М.Г. Афендікова, Г.Г. Бойка, Є.М. Бойка, О.В. Болтяна, К.Ф. Вороновського, Б.М. Геллера, О.Д. Грідіна, В.А. Дейніченка, О.В. Козлова, В.В. Косарєва, Ф.В. Костюкевича, В.І. Кутового, В.І. Лелеки, Г.А. Литвинова, С.Г. Локшинського, М.М. Лисенка, Г.В. Малєєва, Ф.З. Масовича, О.О. Мельниченка, В.І. Мінічева, В.В. Модінова, М.М. Мотіна, В.І. Нестерова, І.Д. Пшеничного, Г.В. Петрушкіна, В.Г. Потапова, Г.Н. Самсонова, В.І. Тарасевича, О.Є. Шабаєва, В.Г. Шевцова, М.О. Шуріса, В.А. Юргилевича та інших.

Виконані дослідження дозволили створити високоефективні шнекові виконавчі органи для очисних комбайнів, використовуваних у пластах середньої потужності і потужних. Фізична картина вивантаження зруйнованого вугілля в цьому випадку характеризується переміщенням його в робочому просторі шнека в ненапруженому стані.

Вивантаження ж комбайнами, що використовуються в тонких положистих пластах, супроводжується формуванням напруженого стану вугілля. Дуже специфічна фізична картина робочого процесу в цьому випадку обумовлює практичну неможливість використання результатів досліджень, виконаних раніше без обліку напруженого стану вугілля.

Початок дослідженню робочих процесів виконавчих органів очисних комбайнів, з урахуванням специфіки їхньої експлуатації в умовах тонких і дуже тонких пластів, покладено в роботах, виконаних під керівництвом Г.В. Малєєва і Я.І. Альшица. У них уперше розглянуті негативні явища, що супроводжують об'ємний напружений стан вугілля при його вивантаженні. В.Г. Тарасевичем установлена наявність пауз у робочому циклі вивантаження шнекових виконавчих органів, запропоновані заходи для скорочення їхньої тривалості на основі удосконалювання конструкції шнеків. У роботах автора дисертації в цьому напрямку на основі інструментальних досліджень напруженого стану вугілля, що вивантажується, обґрунтована доцільність застосування шнеків з перемінним кроком навантажувальних лопатей, розроблена методика визначення їхніх раціональних параметрів.

Найбільш широке і методично доскональне узагальнення і розвиток теоретичних уявлень про функціонування виконавчих органів традиційної структури різних типів в умовах тонких пластів виконано в роботах М.Г. Бойка, які характеризуються обліком багатьох аспектів напруженого стану вугілля, що вивантажується. Вперше запропоноване математичний опис циркуляції вугілля, що вивантажується, як наслідок формування його напруженого стану, показаний вплив коефіцієнта циркуляції на продуктивність вивантаження. На підставі розробленої “силової” теорії розвиті і створені нові методи розрахунку і вибору параметрів шнекових і барабанних виконавчих органів для очисних комбайнів, що працюють в умовах тонких положистих пластів: геометричних параметрів робочих органів; характеру зміни і значень кутів підйому навантажувальних лопатей; тривалості паузи при вивантаженні вугілля з робочого простору; раціонального сполучення частоти обертання робочого органа і кутів підйому навантажувальних лопатей і ін. Дослідження В.Г. Шевцова в розглянутій області присвячені детальному вивченню формування напруженого стану вугілля, що вивантажується, у зоні розвантажувального торця шнека, в основному, з неробочої його сторони. А.В. Болтян розробив заходи для підвищення навантажувальної здатності і зниження питомих енерговитрат вивантаження вугілля барабанних виконавчих органів. У роботах Є.М. Бойка досліджений вплив напруженого стану вугілля, що транспортується, на продуктивність фронтальних агрегатів.

Я.М. Хором уперше вказано на негативний вплив вугілля, розташованого перед вікном вивантаження, на навантажувальну здатність шнекових комбайнів із традиційним компонуванням (корпус комбайна розташований на конвеєрі). Стосовно до комбайнів зі зміщеним в уступ вибою корпусом (комбайни серії EDW, К103, УКДЗ, УКД200, УКД300 і ін. машини для виїмки тонких пластів), цей негативний вплив істотно зростає.

Як показав проведений ретроспективний пошук по темі й узагальнення потенціалу сучасних технічних засобів удосконалювання очисних машин, подальший прогрес, що забезпечує кардинальне рішення проблеми дефіциту навантажувальної здатності шнекових виконавчих органів і інтенсифікацію на цій основі виїмки тонких положистих пластів до необхідного в сучасних умовах рівня, можливо на базі активації процесу вивантаження за рахунок надання додаткового силового впливу на зруйноване вугілля. Важливою передумовою такого висновку з'явилися роботи по створенню активуючих пристроїв, виконані в ДонНТУ автором дисертації. Дослідження в цьому напрямку раніше практично не проводилися. Насамперед це відноситься до розвитку структури систем вивантаження вугілля очисних комбайнів, до питань моделювання їхніх робочих процесів при наявності додаткового активуючого впливу на вугілля, що вивантажується, до моделювання гідродинамічного впливу напірних струменів рідини і керованого технологічного впливу на процес вивантаження, постановці і рішенню задачі оптимізації структури і параметрів систем активного вивантаження.

У другому розділі обґрунтована методологічна база аналізу і синтезу шнекових систем вивантаження вугілля очисних комбайнів для тонких пластів, розроблений новий напрямок їхнього удосконалювання.

Конструктивні особливості шнекових комбайнів для тонких положистих пластів обумовлюють ряд обставин, що істотно ускладнюють функціонування їхніх виконавчих органів як транспортуючих пристроїв:

- несприятливе співвідношення обсягу вугілля, що руйнується за цикл вивантаження, і відповідного обсягу робочого простору шнека;

- наявність значного обсягу зруйнованого вугілля в просторі між розвантажувальним торцем шнека і забійним конвеєром (l 0,4 м) у результаті засування конвеєра і реалізації процесу вивантаження (рис.1);

- наявність навантажувального щита у виді корпуса комбайна, що виключає можливість залишення на ґрунті пласта значної кількості вугілля.

Для здійснення процесу вивантаження потік вугілля, переміщуваний лопатями шнека в напрямку розвантажувального торця, у зоні вікна вивантаження повинний перебороти опір, обумовлений наявністю зруйнованого вугілля, розташованого між розвантажувальним торцем шнека і забійним конвеєром.

Рівень тиску в потоці вугілля, що вивантажується (рис.1), недостатній для подолання опору вікна протягом більшої частини робочого циклу вивантаження. Вугілля, яке не перебороло опір у вікні вивантаження, переміщається лопатями при їхньому обертальному русі на незабійну сторону шнека і стискується в замкнутому просторі, утвореному лопатями, що переміщаються в осьовому напрямку, корпусом поворотного редуктора привода шнека, корпусом комбайна, бортом забійного конвеєра і ґрунтом пласта. Стиск вугілля в замкнутому просторі приводить до формування його об'ємного напруженого стану, здрібнюванню, додатковому створюванню пилу й іншим негативним явищам, що обумовлюють значні непродуктивні витрати енергії.

На основі виконаного аналізу робочих процесів обґрунтований висновок про те, що удосконалювання виконавчих органів, яке забезпечує необхідний рівень інтенсифікації виїмки тонких пластів, визначає необхідність здійснення додаткового силового впливу на вугілля, що вивантажується - активації процесу вивантаження. Розроблено новий напрямок удосконалювання шнекових виконавчих органів (активне вивантаження), який передбачає активацію робочого процесу шляхом надання додаткового силового впливу на вугілля, що переміщується. Передбачається два шляхи його реалізації: підвищення здатності потоку вугілля, що вивантажується, до подолання опору вікна вивантаження за рахунок збільшення тиску в потоці в зоні розвантажувального торця шнека; зменшення опору вікна вивантаження за рахунок впливу на вугілля, розташоване між розвантажувальним торцем шнека і бортом забійного конвеєра.

Для розвитку обох шляхів розроблений ряд виконавчих органів (А.С. СРСР № 1624124, А.С. СРСР № 1537803, А.С. СРСР № 1320408, А.С. СРСР № 1300148, А.С. СРСР № 13117132, патент України №37854А, патент України № 37855А й ін.).

Запропоновані виконавчі органи передбачають значний розвиток традиційної структури – вони доповнюються значною кількістю нових конструктивних елементів (ролики, струменеформуючі пристрої й ін.). Функціонування таких органів забезпечується, поряд з механічною, іншими видами енергії – гідравлічною, пневматичною і т.д., а також визначається взаємодією з забійним конвеєром, ґрунтом пласта, вибоєм, покрівлею пласта і т.д. Розглянута нова сукупність конструктивних елементів при зв'язках, що ускладнилися, і додаткових видах використовуваної енергії є складною системою, дослідження якої доцільно робити із системних позицій. Як об'єкт досліджень прийнята система активного вивантаження вугілля, яка включає у свій склад: шнек; поворотний редуктор привода виконавчого органа; пристрої, що здійснюють додатковий активуючий вплив; навантажувальний щиток, чи конструктивні елементи, що виконують його функції й ін. У складі розглянутої системи виділені 3 підсистеми і 5 модулів, які мають певну функціональну самостійність.

Визначено особливості зовнішніх зв'язків між розглянутою системою і зовнішнім середовищем. Як зовнішнє середовище природного характеру виступає розроблювальний гірничий масив, а як середовище технічного характеру - забійний конвеєр. Подальша схематизація системи передбачає виділення п'яти модулів: руйнування вугілля; заповнення шнека вугіллям; транспортування вугілля; формування вікна вивантаження; додаткового впливу.

Системне представлення досліджуваного об'єкта дозволило розробити його структурно-функціональну схему, на якій взаємозв'язки між окремими елементами системи доповнені взаємозв'язками між математичними моделями (ММ), що описують функціонування як системи в цілому, так і її окремих модулів: ММ1 надходження вугілля в шнек; ММ2 формування об'єму робочої камери шнека; ММ3 формування тиску в потоці вугілля, що вивантажується; ММ4 формування сили опору у вікні вивантаження; ММ5 керованого технологічного впливу; ММ6 додаткового активуючого впливу. Сукупність одночасно взаємодіючих у часі і просторі частинних моделей ММ1-ММ6 описує функціонування систем активного вивантаження вугілля як транспортуючого пристрою і є інтегральною моделлю її робочого процесу. Виконане системне представлення і розроблена структурно-функціональна схема дозволили:

- розділити системи вивантаження на раціональне число підсистем і модулів з метою коректного опису їхнього функціонування;

- установити необхідну кількість частинних і інтегральних математичних моделей, що коректно описують функціонування відповідних модулів, підсистем і систем у цілому;

- розкрити прямі і непрямі взаємозв'язки між частинними і між частинними й інтегральною математичними моделями.

В третьому розділі розроблені частинні математичні моделі, що описують функціонування механо-гідродинамічних систем активного вивантаження вугілля.

Уведено поняття “робоча камера” шнекового виконавчого органа, під якою розуміється частина міжлопатевого простору шнека, фактично використовувана при вивантаженні в конкретних умовах експлуатації (рис.2). Відповідно, об'єм вугілля, що вивантажується лопаттю шнека за робочий цикл, дорівнює об'єму його робочої камери . Зміна об'єму робочої камери , як функція кута повороту шнека для шнеків з перемінним по ширині захвату кроком навантажувальних лопатей, представлена у вигляді:

(2)

де Dл і dc - відповідно діаметри лопаті і маточини шнека; bз - ширина захвату шнека; bд - ширина відрізного диска шнека; - рівняння гвинтової лінії лопаті шнека, для якої розглядається процес вивантаження вугілля; - рівняння гвинтової лінії відстаючої по напрямку обертання лопаті; k - конструктивний коефіцієнт.

З аналізу залежностей (2), що є основою моделі формування обсягу робочої камери шнека, випливає:

- максимальне значення об'єму робочої камери шнекового виконавчого органа систем активного вивантаження має місце при значенні кута повороту шнека =0 , а систем пасивного вивантаження – при значенні кута повороту шнека = ;

- максимальне значення об'єму робочої камери шнекового виконавчого органа систем активного вивантаження істотно (на величину до 2 разів) більше цієї величини для систем пасивного вивантаження при рівних конструктивних параметрах, а теоретична (максимально можлива при оптимальному значенні параметрів) продуктивність вивантаження шнекових систем активного вивантаження приблизно в два рази вище теоретичної продуктивності шнекових систем пасивного вивантаження.

Модель формування тиску в потоці вугілля, який вивантажується, установлює зміну тиску в переміщуваному потоці як функцію кута охоплення шнека, конструктивних і режимних параметрів системи, а також фізико-механічних характеристик вибою, що руйнується, і вугілля, що транспортується. При розробці моделі прийняті наступні основні допущення: вугілля, що вивантажується шнеком, - суцільне сипуче середовище; переміщуване виконавчим органом вугілля, що знаходиться на забійній стороні шнека, - нестисливе сипуче середовище; тиск, що здійснюється на зруйноване вугілля, яке розташоване у робочій камері шнека очисного комбайна, постійний в межах перерізу, нормального до лопатей шнека.

В основу фізичної моделі (рис.3) формування тиску покладено сипуче тіло, утворене розташованим у замкнутому об'ємі робочої камери шнека зруйнованим вугіллям, що рівномірно рухається в напрямку вивантаження, і перебуває в стані квазістаціонарної рівноваги під впливом прикладених до нього сил: сили бічного тиску pR з боку вибою, що руйнується, і дотичної сили, обумовленої цим тиском; сили бічного тиску pr з боку маточини шнека і дотичної сили, обумовленої цим тиском; сили тиску pл із боку лопаті і дотичної сили, обумовленої цим тиском; сили тиску pок, обумовленої опором вікна вивантаження; сили тиску pгд розподіленого впливу напірних струменів; дотичних сил м1,м2, обумовлених застосуванням механічних активуючих пристроїв.

Модель формування опору у вікні вивантаження встановлює зміну тиску у вікні вивантаження в залежності від: кута охоплення вікна вивантаження в прийнятій системі координат; конструктивних параметрів системи активного вивантаження; фізико-механічних характеристик зруйнованого вугілля; сили додаткового активуючого впливу на вугілля, розташоване у просторі між розвантажувальним торцем шнека і забійним конвеєром.

При розробці моделі прийняті наступні основні допущення:

- підпір потоку вугілля, який вивантажується, у вікні вивантаження визначається тиском опору переміщенню тіла волочіння, що утворюється в масиві насипного вугілля, розташованого в просторі між розвантажувальним торцем шнека і бортом забійного конвеєра. Опором тієї частини вікна вивантаження, перед якою немає масиву насипного вугілля, можна зневажити;

- переміщення тіла волочіння здійснюється рівномірно, прискоренням при його переміщенні можна зневажити.

Як вихідне рівняння для складання моделі прийняте

(8)

де - сума сил опору переміщенню тіла волочіння; - поточне значення площі вікна вивантаження; - поточне значення кута охоплення вікна вивантаження.

. (9)

(10)

де Sв - площа перерізу тіла волочіння по вікну вивантаження; - довжина тіла волочіння; - густина насипного вугілля; - прискорення вільного падіння; - коефіцієнт тертя вугілля по вугіллю.

, (11)

де - площа бічної грані тіла волочіння; - бічний тиск у тілі волочіння, що транспортується.

(12)

де - нормальний тиск у тілі волочіння, що транспортується (рис.5); - коефіцієнт бічного тиску.

Величина визначена з рівняння

(13)

де ( - динамічний кут укосу переміщуваного потоку вугілля).

Остаточно вираз (8) перетворюється до вигляду:

(14)

де - сила активуючого впливу на масив насипного вугілля.

Моделі додаткового гідродинамічного впливу установлюють функціональний зв'язок між силою гідродинамічного впливу напірних струменів рідини активуючих пристроїв систем активного вивантаження і їх конструктивними та режимними параметрами. Розроблене сімейство поліноміальних чотирьохвимірних лінійних і нелінійних моделей множинної регресії 1...6 порядків представлено у вигляді:

, (15)

де - сила гідродинамічного впливу незатопленого струменя рідини на перешкоду; - початковий діаметр струменя; - відстань від насадка до перешкоди; - початковий тиск струменя рідини; - коефіцієнти рівняння множинної регресії ( ); - показники ступеня при незалежних перемінних рівняння регресії; - число членів рівняння регресії.

Моделі керованого технологічного впливу установлюють функціональний зв'язок між значеннями кінематичного коефіцієнта тертя вугілля, що вивантажується, по робочих поверхнях шнеків і параметрами систем активного вивантаження. Розроблене сімейство поліноміальних чотирьохвимірних лінійних і нелінійних моделей множинної регресії 1...4 порядків представлено у вигляді:

, (17)

де f - кінематичний коефіцієнт тертя вугілля, що вивантажується, по робочих поверхнях шнеків; - параметр шорсткості робочих поверхонь шнеків; - тиск вугілля на робочі поверхні шнеків; - вологість вугілля, що вивантажуються; - коефіцієнти рівняння множинної регресії (); - показники ступеня при незалежних перемінних рівняння регресії.

В четвертому розділі розроблена інтегральна модель функціонування систем активного вивантаження очисних комбайнів для тонких положистих пластів і встановлені на основі її аналізу основні закономірності робочих процесів таких систем.

Інтегральна модель функціонування систем активного вивантаження вугілля утворена сукупністю математичних моделей ММ1-ММ6, узгоджена взаємодія яких у часі і просторі дозволяє симулювати робочий процес систем активного вивантаження очисних комбайнів з метою їхнього аналізу і синтезу.

Адекватність моделей установлена шляхом порівняння значень основних параметрів моделей у натурних і обчислювальних експериментах. Відносна погрішність моделювання в дослідженому діапазоні зміни параметрів не перевищує: ММ3 – 22,1 %; ММ5 – 0,9 %; ММ6 – 0,5 %; інтегральна – 11,8 %.

Розроблена методика аналізу функціонування систем активного вивантаження передбачає визначення, протягом робочого циклу, співвідношення значень тиску pно в потоці вугілля, що вивантажується, і тиску опору у вікні вивантаження pвік у функції кута охоплення шнека (кута охоплення вікна вивантаження) з прив'язкою до кута повороту шнека . На основі аналізу цього співвідношення встановлюється наявність (відсутність) переміщення потоку вугілля, що вивантажується, у вікні вивантаження в поточний момент часу, момент (кут) початку переміщення потоку у вікні, тривалість цього переміщення й ін. для заданих конструктивних і режимних параметрів розглянутої системи й умов її функціонування. Сукупність цих даних дозволяє визначити продуктивність процесу вивантаження для заданого сполучення параметрів системи й умов її експлуатації. Вони використовуються також при оптимальній адаптації системи і рішенні інших задач її аналізу і синтезу.

Установлено, що протягом робочого циклу (обороту шнека) мають місце три порівняні по тривалості фази (рис. 8), які послідовно чергуються протягом обороту і відрізняються значенням і характером зміни величини pвік: фаза перемінного опору, що характеризується зниженням його рівня від максимального до стабільно високого; фаза приблизно постійного опору, що характеризується стабільно високим його рівнем; фаза приблизно постійного опору, що характеризується низьким його рівнем.

Протягом кожної з фаз робочий процес (вивантаження вугілля) має істотно різну фізичну картину.

1. Фаза перемінного опору вікна вивантаження . Відповідає діапазону зміни значень кута повороту шнека (рис.8, 9а), де - кут охоплення шнека, що відповідає висоті тіла волочіння, утвореного зруйнованим вугіллям, розташованим у просторі між торцем шнека і забійним конвеєром. Умова вивантаження вугілля протягом цієї фази:

. (20)

2. Фаза приблизно постійного опору вікна вивантаження Відповідає діапазону зміни значень кута повороту шнека . Умова вивантаження протягом цієї фази має вигляд:

. (21)

Для системи пасивного вивантаження (рис.9б, крива 1) умова (21) не виконується, вивантаження не здійснюється. У випадку додатка активуючого впливу, тиск у потоці, що вивантажується, зростає (крива 2), умова (21) виконується при опорі вікна (крива 4). Для подолання опору вікна (крива 5) необхідне збільшення тиску в потоці до (крива 3).

Тривалість вивантаження, що почалася протягом другої фази, складає

, , .

Об'єм робочої камери шнека в цьому випадку складає відповідно

, , .

Необхідна тривалість імпульсу додаткового активуючого впливу для здійснення повного вивантаження всього обсягу вугілля, розташованого в робочій камері об'ємом , складає

, , .

3. Фаза приблизно постійного рівня опору вікна вивантаження Відповідає діапазону зміни значень кута повороту шнека (рис. 8, 9б). Опір вікна протягом цієї фази істотно нижче, ніж протягом двох попередніх, оскільки в цей період часу перед вікном відсутнє насипне вугілля. Це визначає можливість вивантаження без активуючого впливу. Тривалість вивантаження в цьому випадку дорівнює , а .

На основі обчислювальних експериментів установлено, що робочий процес для систем пасивного вивантаження реалізується переважно протягом третьої фази робочого циклу. Тривалість робочого процесу в цьому випадку складає (30 % тривалості обороту шнека), що визначає використання лише незначної частини міжлопатевого простору шнека для вивантаження вугілля.

Теоретично обґрунтовано, що реалізація активуючого впливу необхідного рівня і тривалості дозволяє “включити” у робочий процес усі фази робочого циклу і за рахунок цього істотно, у кілька разів, збільшити тривалість вивантаження протягом обороту шнека. Необхідне значення сили (тиску) і тривалості додаткового активуючого впливу у системах активного вивантаження визначається заданою продуктивністю вивантаження. Необхідне значення тривалості додаткового активуючого впливу протягом обороту шнека в залежності від заданої продуктивності дорівнює тривалості другої фази робочого циклу (чи її частини), або сумарної тривалості першої фази (чи її частини) і другої фази.

Установлено також, що системи активного вивантаження характеризуються відсутністю екстремальних зон оптимуму для продуктивності як функції тиску додаткового активуючого впливу , коефіцієнта тертя вугілля по робочих поверхнях шнека і кута підйому лопатей .

В п'ятому розділі виконаний синтез шнекових систем активного вивантаження очисних комбайнів для тонких положистих пластів.

З урахуванням установлених закономірностей функціонування об'єкта досліджень задача структурно-параметричної оптимізації трактується як задача оптимальної адаптації шнекових систем активного вивантаження до конкретних умов експлуатації очисних комбайнів. Задача синтезу сформульована в наступному виді: знайти простір оптимальних значень структури, параметрів і режимів роботи системи вивантаження, при яких цільова функція (теоретична продуктивність очисного комбайна) досягає максимального значення при використанні машини в заданій області гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов експлуатації й обліку впливу обмежуючих факторів на можливу величину перемінних параметрів проектування системи вивантаження.

В шостому розділі наведені результати комплексних експериментальних досліджень, спрямованих на рішення двох основних груп задач:

- підтвердження адекватності розроблених математичних моделей і одержання даних для створення моделей множинної регресії;

- встановлення ефективності і підтвердження працездатності синтезованих механо-гідродинамічних систем активного вивантаження вугілля.

Експериментальні дослідження виконані в умовах спеціальних стендів, з використанням натурних зразків і повнорозмірних моделей основних конструктивних елементів систем вивантаження.

Повнорозмірний стенд для дослідження гідродинамічного впливу струменів рідини на перешкоду включає: струменеформуючі пристрої, високонапірну насосну установку; гідроблок керування; вимірювальний комплекс та ін. Дослідження виконані в діапазоні зміни параметрів: подача води 50...120 л/хв; тиск 1...5 МПа; відстань від насадок до перешкоди 0…0,5 м; початковий діаметр струменя 1…2,5 мм.

Стенд для дослідження кінематичного коефіцієнта тертя включає: токарський верстат C8D (Болгарія); систему переміщення; тензометричний вимірювальний комплекс. Дослідження виконані в діапазоні зміни параметрів: параметр шорсткості Ra = 1...125 мкм; швидкість переміщення насипного вантажу v = 0,5…2,5 м/с; тиск насипного вантажу p = 0...0,03 МПа; вологість = 0…7 %.

Стенд для комплексних досліджень механо-гідродинамічних систем активного вивантаження вугілля (габаритні розміри 500050001200 мм) складається з 4-х модулів - базового, переміщення, формування гідродинамічного впливу, вимірювального. Основою базового модуля є рамна конструкція, у якій монтуються повнорозмірні моделі шнеків діаметром 0,5-0,71 м. Крутний момент створюється електродвигуном (=30 кВт, n =1475 об/хв). Модуль переміщення утворений спеціальним рухливим бункером і лебідкою ЛВД-32 (Fтяг=16,7 кН, vк =15 м/хв). Модуль формування гідродинамічного впливу включає високонапірну насосну установку, комплект натурних струменеформуючих пристроїв, елементи керування й ін. Прийнята гідравлічна схема забезпечує плавне регулювання подачі води в діапазоні 8...120 л/хв і тиску в діапазоні 0,5...5 МПа. Апаратурний комплекс дозволив одночасно вимірити і зафіксувати сукупність параметрів, які диференціально й інтегрально характеризують функціонування механо-гідродинамічних систем вивантаження. Комплексні експериментальні дослідження функціонування синтезованих систем активного вивантаження виконані стосовно до схеми компоновки очисного комбайна К-103, що здійснює виїмку пласта потужністю 0,6 м.

Показниками, що інтегрально характеризують ефективність