ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”

МІЗІН Вадим Олександрович

УДК 622.232.83

ОБҐРУНТУВАННЯ СТРУКТУРИ І ПАРАМЕТРІВ СИСТЕМИ ПІДВІСКИ
ТЕЛЕСКОПІЧНОГО СТРІЛОПОДІБНОГО ВИКОНАВЧОГО
ОРГАНУ ПРОХІДНИЦЬКОГО КОМБАЙНА

Спеціальність 05.05.06 – Гірничі машини

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Гірничі машини" Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Семенченко Анатолій Кирилович,

Державний вищий навчальний заклад
“Донецький національний технічний університет”,

завідувач кафедри "Гірничі машини".

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Бойко Микола Григорович,

Державний вищий навчальний заклад
“Донецький національний технічний університет”,
завідувач кафедри "Енергомеханічні системи";

кандидат технічних наук, доцент

Крупко Валерій Григорович,

Донбаська державна машинобудівна академія,
завідувач кафедри “Підйомно-транспортні машини”

(м. Краматорськ).

Захист відбудеться 4 жовтня 2007 р. о 10:00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.05 у Донецькому національному технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, І навч. корпус, ВАЗ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, ІІ навч. корп.)

Автореферат розісланий 31 серпня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої

вченої ради Д 11.052.05

доктор технічних наук, професор В.П. Кондрахін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності підземного видобутку вугілля може бути забезпечено на основі впровадження прогресивних технологій і прискореного переозброєння шахт на базі створення і широкого використання високоефективних засобів комплексної механізації і автоматизації основних технологічних процесів очисних і прохідницьких робіт.

Магістральним напрямком сучасного розвитку вугільної галузі у світі є створення вугледобувних підприємств типу “лава-шахта”. Це означає концентрацію та інтенсифікацію видобутку вугілля з доведенням його до 10 і більше тисяч тонн на добу з очисного вибою. Інтенсифікація видобутку дозволяє забезпечити значне зниження собівартості вугілля, що добувається, за рахунок підвищення продуктивності праці, скорочення кількості шахт, зниження витрат як на підтримку їхньої структури (під'їзних колій, будинків, споруджень та ін.) так і на капітальні і транспортні витрати, а також підвищення безпеки ведення гірничих робіт.

На сьогодні спільними зусиллями вчених інституту “Дондіпровуглемаш” і машинобудівників України створені сучасні зразки добувної техніки, продуктивність і ресурс якої в 2-3 рази вище, ніж старої, широко використовуваної на шахтах до теперішнього часу.

Найважливішою умовою реалізації високих можливостей нової добувної техніки є забезпечення необхідного фронту робіт, тобто своєчасна підготовка очисних вибоїв - за період відпрацьовування лави повинна бути підготовлена і оснащена устаткуванням нова. Для виконання цієї вимоги необхідне створення і широке застосування сучасних прохідницьких комбайнів, що забезпечують темпи проходки гірничої виробки 600 і більш метрів на місяць. Тому подальше підвищення технічного рівня прохідницьких комбайнів на сьогодні є однією з актуальних проблем розвитку гірничого машинобудування.

Аналізуючи стан її рішення слід зазначити, що виконані останнім часом експериментальні й теоретичні дослідження спрямовані на пошук шляхів підвищення продуктивності й надійності прохідницьких комбайнів на основі рішення задач коректного завдання зовнішнього навантаження, що формується на виконавчому органі, обґрунтування параметрів систем його приводу і подачі.

У той же час, закономірності формування навантаження елементів системи підвіски виконавчого органу прохідницьких комбайнів виборчої дії при його роботі в різних режимах руйнування вибою мало вивчені. В даний час ми не маємо в достатньому обсязі експериментальних достовірних матеріалів про фактичне навантаження системи підвіски, що необхідно для обґрунтування вихідних даних для розрахунку її елементів на міцність і довговічність, а також оптимізації її параметрів. Слід також зазначити, що існуючі методики визначення раціональних параметрів системи підвіски не враховують особливостей процесу руйнування вибою, зумовлених наявністю зазорів у її елементах, і мають бути вдосконалені.

Тому подальший розвиток теоретичної бази обґрунтування раціональних структур і параметрів систем підвіски виконавчого органу прохідницьких комбайнів стрілоподібного типу, що забезпечують підвищення ресурсу цих машин, є актуальною науковою задачею, що має велике значення для народного господарства України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно науковому напрямку кафедри "Гірничі машини" Донецького національного технічного університету ? "Розробка теорії робочих процесів і методів підвищення технічного рівня гірничих машин", у рамках аспірантського плану науково-дослідної роботи, а також науково-дослідних робіт ДП “Дондіпровуглемаш”.

Метою дисертаційної роботи є підвищення ресурсу прохідницьких комбайнів із телескопічним стрілоподібним виконавчим органом шляхом обґрунтування раціональної структури і параметрів системи підвіски виконавчого органу на основі встановлених закономірностей формування його навантаження з урахуванням зазорів у сполученнях його елементів.

Задачі дослідження:

1. Обґрунтувати розрахункову схему і розробити математичну модель процесу руйнування вибою прохідницьким комбайном із телескопічним стрілоподібним виконавчим органом з урахуванням особливостей конструкції системи підвіски і розсувності виконавчого органу, що полягають у наявності в її рухливих з'єднаннях зазорів і їхньому зростанні в процесі функціонування машини.

2. Виконати шахтні експериментальні дослідження формування навантажень у системі підвіски виконавчого органу в представних умовах експлуатації прохідницьких комбайнів даного типу при наявності й відсутності компенсаторів зазору (на прикладі гідрозатискача) у механізмі телескопа для одержання статистичних характеристик навантажень і оцінки адекватності розробленої математичної моделі.

3. Установити закономірності впливу на ресурс елементів конструкції системи підвіски прохідницького комбайна стрілоподібного типу параметрів гідрозатискача і зазорів у ньому з урахуванням їх зростання в процесі функціонування комбайна.

4. Розробити математичну модель оптимізації за критерієм ресурсу і методику вибору раціональних структур і параметрів системи підвіски виконавчого органу прохідницького комбайна стрілоподібного типу.

Об'єктом досліджень є закономірності формування навантажень у системі підвіски телескопічного виконавчого органу прохідницького комбайна стрілоподібного типу.

Предметом досліджень є вплив зазорів у системі підвіски телескопічного виконавчого органу на формування навантаження і накопиченої пошкоджуваності її елементів.

Методи дослідження. Поставлені задачі вирішувалися на основі системного підходу з використанням методів планування експерименту, теорії імовірностей і математичної статистики, аналітичної геометрії, методів розрахунків деталей на втомленість при циклічному навантаженні, імітаційного математичного моделювання і математичного програмування. Навантаження силових систем прохідницького комбайна визначалося експериментальним шляхом у представних умовах експлуатації з використанням сучасних методів і засобів тензометричних досліджень.

Ідея роботи полягає в урахуванні впливу величини зазорів у системі підвіски виконавчого органу і їхньої компенсації на формування навантаження силових систем комбайна.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше теоретично встановлена і експериментально підтверджена перекладка зазорів у спряженнях елементів підвіски стрілоподібного телескопічного виконавчого органу прохідницького комбайна, що супроводжується значними ударними навантаженнями його силових систем в процесі руйнування гірничого масиву. Розроблена і використана при імітаційному моделюванні математична модель, яка адекватно описує робочий процес комбайна, яка відрізняється урахуванням впливу на навантаження комбайна величини, перекладки і компенсації зазорів у системі підвіски.

2. Вперше обґрунтовано критерій - відносна накопичена пошкоджуваність - оцінки впливу величини, перекладки і компенсації зазорів в системі підвіски стрілоподібного виконавчого органу прохідницького комбайна на ресурс елементів його конструкції, який відрізняється урахуванням зростання величини зазорів за період експлуатації комбайна.

3. Вперше встановлено, що підвищення ресурсу прохідницького комбайна з телескопічним стрілоподібним виконавчим органом забезпечується зниженням накопиченої пошкоджуваності в елементах конструкції комбайна шляхом компенсації зазорів у напрямних телескопа стріли. Теоретично і експериментально встановлено, що застосування гідрозатискачів забезпечує підвищення ресурсу до 2-х разів при руйнуванні порід контактною міцністю до 132 МПа і більш істотно – зі збільшенням контактної міцності породи, що руйнується.

Вище викладені наукові результати є теоретичною базою нового рішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає в обґрунтуванні, на основі виконаних досліджень, структури і параметрів системи підвіски стрілоподібного телескопічного виконавчого органу прохідницького комбайна, що забезпечують підвищення ресурсу цих машин.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій

Наукові положення, висновки й рекомендації обґрунтовані:

-

-

Вірогідність результатів досліджень забезпечується:

- представними для машин даного класу умовами проведення і достатнім обсягом реалізованого натурного експерименту;

- задовільною збіжністю результатів натурних і обчислювальних експериментів процесу руйнування вибою прохідницьким комбайном стрілоподібного типу, підтвердженою з довірчою ймовірністю не нижче 0,95 і граничною відносною помилкою не вище 0,2 (розбіжність порівнюваних параметрів не більш 20 %);

- позитивними результатами впровадження розроблених рекомендацій у конструкціях комбайнів П110, П220, КПД, КПУ і КПЛ.

Наукове значення отриманих результатів є в подальшому розвитку теорії робочих процесів прохідницьких комбайнів з телескопічним стрілоподібним виконавчим органом, що полягає в:

- урахуванні наявності зазорів і гідрозатискачів у рухливих з'єднаннях системи підвіски виконавчого органу при імітаційному моделюванні процесу руйнування вибою прохідницьким комбайном стрілоподібного типу;

- урахуванні впливу зростання зазорів у процесі функціонування комбайна при оцінці ресурсу елементів конструкції прохідницького комбайна;

- установленні закономірностей впливу величини зазорів у шарнірах системи підвіски і наявності гідрозатискачів у напрямних висування виконавчого органу прохідницького комбайна на ресурс його елементів конструкції.

Практичне значення отриманих результатів полягає в можливості використання при створенні прохідницьких комбайнів високого технічного рівня:

- математичного і програмного забезпечення для імітаційного моделювання процесу формування навантажень у силових системах виконавчого органу на стадії проектування машини і для їх адаптації до конкретних умов експлуатації;

- методики для оцінки відносної зміни ресурсу елементів конструкції прохідницького комбайна при зміні параметрів системи підвіски виконавчого органу і властивостей гірничого масиву, що руйнується, з урахуванням впливу зростання зазорів у процесі функціонування комбайна;

- методики вибору раціональних параметрів системи підвіски виконавчого органу прохідницького комбайна стрілоподібного типу;

- розробці конструкції системи підвіски виконавчого органу прохідницького комбайна стрілоподібного типу з гідрозатискачем у напрямних висування (новизна технічного рішення підтверджена патентами України №№ 656, 1722).

Реалізація результатів роботи. Основні результати наукових досліджень використані:

-

- Донецьким національним технічним університетом – в навчальному процесі.

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень отримані особисто автором. У роботі використані результати натурного експерименту на шахті “Добропільська”, виконаного під керівництвом автора на етапах планування, проведення експериментів і статистичної обробки їхніх результатів. Теоретичні дослідження виконані автором самостійно, включаючи основні ідеї роботи і методики теоретичних і експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи освітлені і були схвалені на: наукових симпозіумах “Тиждень гірника – 2001” (29 січня – 2 лютого 2001 року, Москва) і “Тиждень гірника – 2003” (27-31 січня 2003 року, Москва); міжнародних науково-практичних конференціях “Сучасні технології і устаткування для видобутку вугілля підземним способом” (7 вересня 2004 року і 5 вересня 2006 року, Донецьк); I промисловій міжнародній конференції “Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах” (19-23 лютого 2001 року, п. Славське Львівської обл.); міжнародній науково-технічній конференції “Гірнича електромеханіка і автоматика” (21-24 листопаду 2006 року, Донецьк).

Публікації. За результатами виконаної роботи автором опубліковано 10 наукових публікацій, з них 7 – у фахових виданнях ВАК України, отримано 2 патенти.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з наступних структурних елементів: вступ, п'ять основних розділів, висновки, список використаних джерел із 108 найменувань і чотири додатки. Робота викладена на 219 сторінках, у тому числі: 134 сторінки основного тексту, 40 рисунків і 22 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ дисертації “Актуальність питання, задачі и методика досліджень” присвячений аналізу стану актуальної наукової задачі обґрунтування раціональних параметрів і структур системи підвіски виконавчого органу (ВО) прохідницьких комбайнів (ПК) стрілоподібного типу.

Розробка високопродуктивних і надійних ПК, що відрізняються підвищеною енергооснащеністю, є складною науково-технічною проблемою багатокритеріального оптимального проектування. У цьому напрямку працювало ряд науково-дослідних, проектно-конструкторських інститутів, вищих навчальних закладів і заводів гірничого машинобудування, серед яких слід зазначити Дондіпровуглемаш, ДонВУГІ, ІГС ім. А.А. Скочинського (Росія), ЦНДІПідземмаш (Росія), Донецький національний технічний університет, Дніпропетровський національний гірничий університет, Московський, Тульський, Кузнецький, Карагандинський технічні університети, Горлівський, Новокраматорський, Ясинуватський і Копійський машинобудівні заводи. Значний внесок у рішення цих питань внесло багато видатних вчених і інженерів, серед яких академіки Поляков М. С., Потураєв В. М., Докукін О. В., Франчук В.П., доктори технічних наук Алейніков А.А., Альшиц Я. І., Барон Л. І., Бойко М. Г., Бреннер В. О., Верескунов М. Г., Верклов Б. А., Гетопанов В. М., Глатман Л. Б., Горбатов П. А., Гуляєв В. Г., Кантович Л. І., Картавий Н. Г., Кондрахін В. П., Коршунов О. М., Красніков Ю. Д., Лазуткін А. Г., Лаптєв А. Г., Малевич М. О., Позін Є.З., Рачек В. М., Сафохін М. С., Семенча П. В., Семенченко А. К., Солод В. І., Солод Г. І., Стаднік М.І., Топчієв А. В., Хорін В. М., Яцких В. Г. та інші, кандидати технічних наук Агранат А. Р., Афендиков М. Г., Болтян А. В., Бойко Є. М., Вороновський К. Ф., Дейниченко В. А., Зайков В. І., Ісачкін В. В., Казак Ю. М., Калюжний В. Г., Косарев В. В., Крупко В.Г., Кутовий В. І., Лукієнко В. Г., Лисенко М. М., Масович Ф. З., Меламед У. З., Модинов В. В., Мотін М. М., Нечепуренко М.С., Петрушкін Г. В., Пшеничний І. Д., Семенченко Д. А., Симонов І. О., Солодухін В. В., Старичнєв В. В., Тон В. В., Хіценко М. В., Шабаєв О. Е., Шевцов В. Г. та інші, а також інженери Данілов В. М., Демченко М. В., Гончарова Г. М., Локшинський С. Г., Мінічев В. І., Нагорний В.В., Пилипенко Ю. А., Полієнко В. М., Самсонов Г. М., Юргілевич В. О. і багато інших. Завдяки роботам цих вчених створена теоретична база проектування ПК. Як показав аналіз літературних джерел, наявні методики визначення раціональних структур і параметрів системи підвіски ВО в основному відносяться до очисних комбайнів і не враховують, повною мірою, особливості формування його навантаження, обумовлені наявністю зазорів у його елементах, а отже, мають бути вдосконалені.

У другому розділі “Розробка математичної моделі робочого процесу прохідницького комбайна з аксіальною коронкою” виконано обґрунтування структурної схеми ПК, прийнятих припущень і розроблена математична модель (ММ) процесу руйнування вибою ПК з аксіальними коронками.

Особливістю конструкції ПК виборчої дії стрілоподібного типу є наявність зазорів у напрямних висування ВО і шарнірних з'єднаннях підвіски стріли, що зумовлюють додаткове переміщення ВО під навантаженням (сумарний люфт – пружна деформація елементів ВО і перекладка зазорів). При цьому, як показали дослідження автора, частка люфту, обумовленого перекладкою зазорів, у сумарному люфті для існуючих комбайнів складає в межах від 10% до 75% і залежить від кінематичних параметрів ВО, ступеня зносу рухливих з'єднань і наявності гідрозатискачів у напрямних висування ВО.

Структура комбайна складається із систем металоконструкції, трансмісії і гідроприводу. Система металоконструкції (рис. 1) включає просторово переміщувані маси (ППМ) корпуса комбайна М1, турелі М2, стріли М3 і редуктора ВО М4. Корпус М1 базується на ґрунті виробки на чотирьох упорах У1..У4 по кутах твердої бази. Турель М2 закріплена на корпусі на циліндричних шарнірах повороту ВО Ш1 (верхній) і Ш2 (нижній), її поворот здійснюється гідроциліндрами Ц1 (лівий) і Ц2 (правий). Стріла М3 закріплена на турелі М2 на циліндричних шарнірах підйому ВО Ш3 (лівий) і Ш4 (правий), її підйом здійснюється гідроциліндрами Ц3 (лівий) і Ц4 (правий). На стрілі М3 у клиноподібних напрямних, що задаються упорами У5-У8 і гідрозатискачами ГЗЖ1 і ГЗЖ2, встановлений редуктор ВО М4. Висування редуктора М4 забезпечується гідроциліндрами Ц5 і Ц6. На редукторі М4 встановлені дві аксіальні коронки К1 і К2. Система трансмісії забезпечує обертання коронок К1 і К2, а система гідроприводу – подачу ВО і роботу гідрозатискачів.

Рис. 1. Структура металоконструкції ПК

Математична модель процесу руйнування вибою ПК була реалізована на основі системної уяви про ПК як про сукупність взаємозалежних функціонально завершених елементів (ФЗЕ), кожний з яких описується частковою ММ. В основу математичного опису елементів систем металоконструкцій, гідроприводу і трансмісії покладені ММ ППМ, вузлів їхньої взаємодії і внутрішнього збурювання, приведені в роботі. З урахуванням наявності зазорів у системі підвіски ВО, вперше розроблена ММ гідрозатискача із клиноподібними контактуючими поверхнями, а також дороблена ММ циліндричного шарніра з радіальним і осьовим зазорами як ФЗЕ. У цілому ММ процесу руйнування вибою ПК містить взаємозв'язані часткові моделі 55 ФЗЕ.

Гідрозатискач як ФЗЕ реалізує зв'язок двох ППМ через гідропатрон, корпус якого жорстко закріплено до ППМ 1, а шток взаємодіє з клиноподібною напрямною, жорстко закріпленою на ППМ 2 (див. рис. 2). На рис. 2 показані: - системи координат (СК), що задають напрямні площини (j=1,2), осі яких лежать на лінії їхнього перетинання, а вісь спрямована по зовнішній нормалі до j-тої напрямної площини; - одиничний вектор у напрямку висування штока; , - радіус-вектори крапок A і D у СК, жорстко зв'язаних відповідно з ППМ 1 і 2; s – зсув штока; h, hmax – конструктивні розміри. Математична модель ФЗЕ “гідрозатискач” має вигляд:

де - радіус-вектори крапки B у СК , і ; - матриця напрямних косинусів СК у СК , що жорстко зв'язана з ППМ 1; , - матриці напрямних косинусів СК і , жорстко зв'язаних із ППМ 1 і 2 відповідно, у СК , що жорстко зв'язана з вибоєм; , - радіус-вектори центрів мас ППМ 1 і 2 у СК ; - вектори швидкості крапки B у СК ,

і ; , - швидкості центрів мас ППМ 1 і 2 у СК ; - кутові швидкості ППМ 1 і 2 у СК і відповідно; , , - вектор швидкості крапки В відносно j-тої напрямної площині в СК і його проекції на осі і ; Rj – реакція на поверхні контакту штока з j-тою напрямною; с, в – жорсткість і коефіцієнт демпфірування сполучення напрямної і штока; - сумарна реакція в крапці В штока з боку j-тої напрямної площини в СК ; , - коефіцієнти тертя в парах “шток-напрямна” і “шток-корпус” відповідно; Fo, Fp – осьова і поперечна складові вектора сили, прикладеної до штока; , - сумарні сили тертя і рушійна, прикладені до штока уздовж його осі; - постійна сили тертя в парі “шток-корпус”; , Qi – тиск і витрата рідини в крапці i підключення гідропатрона; - жорсткість зсунутого гідропатрона; F, – активна площа і “мертвий” об’єм гідропатрона; m – маса штока; - приведений об'ємний модуль пружності порожнини з рідиною; , - реакції в гідрозатискачі, прикладені до ППМ 1 і 2 у СК ; - радіус-вектор крапки В в СК ; , - моменти реакцій у гідрозатискачу відносно крапок С1 і С2, прикладені до ППМ 1 і 2 у СК і відповідно.

У третьому розділі “Експериментальні дослідження навантаженості системи підвіски виконавчого органу прохідницького комбайна кпд” приведені результати експериментальних досліджень щодо встановлення закономірностей формування навантаження приводу і елементів системи підвіски ВО ПК КПД і оцінці ефективності застосування гідрозатискачів у напрямних висування ВО в умовах конвеєрного штреку корінної північної лави пласта k8 горизонту 450 м ділянки УПР2 ДВАТ “Шахта “Добропільська” ДХК “Добропільвугілля”.

Для проведення шахтних досліджень була розроблена методика, що передбачала фіксацію в різних режимах роботи комбайна з увімкненими і вимкнутими гідрозатискачами в напрямних висування стріли ВО наступних величин: потужність електродвигуна ВО Nд; тиск розпору (тиск у гідрозатискачах) Рр; тиск в поршневій і штоковій порожнинах гідроциліндра вертикальної подачі ВО Рв, Рн; тиск у поршневій і штоковій порожнинах лівого гідроциліндра горизонтальної подачі ВО Рп, Рл; зусилля в штоках передньої і задньої опор телескопа ВО Fп, Fз. Методикою передбачено руйнування ґрунту, покрівлі й вугілля у вибої ПК у режимах: зарубування, руйнування вліво, вправо, знизу нагору, зверху вниз при увімкнених і вимкнутих гідрозатискачах.

В результаті обробки результатів експерименту установлено:

1. При роботі ПК має місце перекладка зазорів у системі підвіски ВО, що супроводжується високими динамічними навантаженнями (рис.3), які необхідно враховувати при розрахунках елементів підвіски.

Рис. 3. Фрагмент осцилограми режиму зарубки ВО в породу ґрунту

2. Середні значення коефіцієнтів нерівномірності Км і варіації н навантажень силових циліндрів повороту (при бічному різі) і потужності приводного двигуна (у всіх досліджених режимах) зв'язані з її середнім рівнем ступеневою залежністю вигляду (див. рис. 4). Середні значення коефіцієнтів нерівномірності Км і варіації н зусиль у домкратах підйому в режимах фронтального зарубування, зарубування нагору і вниз складають, відповідно, 1.1 і до 0.07 і не залежать від середньої величини потужності, розвинутої приводом ВО.

Рис. 4. Залежності коефіцієнтів нерівномірності Км (а) і варіації н (б) від середніх значень потужності привода ВО для вертикальної і фронтальної зарубок при наявності і відсутності гідрозатискачів

3. Сумарна середня величина зусиль у домкратах повороту стріли Fпр + Fл підкоряється лінійній залежності від середнього рівня навантаження приводного двигуна ВО, причому при роботі гідрозатискачів постійна складова знижується з 48 кН до 24 кН, тобто на 50 %. На середню величину зусилля в домкратах підйому стріли при вертикальному різі рівень навантаження приводу ВО практично не впливає.

4. Застосування гідрозатискачів у напрямних висування ВО практично не позначається на значеннях Км, н і спектральної щільності потужності приводу ВО при бічному різі і забезпечує в режимі фронтального і вертикального зарубування зниження коефіцієнта нерівномірності на 17- 22 % (рис. 4а), коефіцієнта варіації на 37- 41 % (рис. 4б), а також зниження амплітуди низькочастотних навантажень у діапазоні від 0 до 10 Гц за рахунок стабілізації стружкоутворення. Застосування гідрозатискачів в напрямних висування ВО практично не позначається на величині середньоквадратичного відхилення у, коефіцієнтів нерівномірності Км у всіх режимах роботи ВО і приводить до зниження коефіцієнта варіації н навантажень циліндрів повороту при бічному різі на 25 -35 відсотків.

У четвертому розділі “Встановлення закономірностей впливу параметрів системи підвіски виконавчого органу на ресурс прохідницького комбайна” приведені результати теоретичних досліджень по встановленню закономірностей впливу параметрів системи підвіски ВО на ресурс ПК стрілоподібного типу, необхідних для обґрунтування перемінних проектування при розробці ММ оптимізації параметрів системи підвіски ВО.

Для проведення досліджень була використана розроблена в розділі 2 ММ процесу руйнування вибою ПК. Показано, що розбіжність оцінок математичних чекань і коефіцієнтів нерівномірності потужності приводного двигуна і зусиль на гідроциліндрах подачі ВО, отриманих при імітаційному моделюванні відрізняються від відповідних результатів шахтного експерименту не більш ніж на 20%; спектральний склад цих величин також збігається. При дослідженнях застосовувався метод імітаційного моделювання, що передбачає виконання ряду обчислювальних експериментів відповідно до розробленого плану з наступною обробкою результатів моделювання. План і методика проведення й обробки результатів обчислювального експерименту, враховували всі основні режими руйнування вибою і їхніх параметрів, схему обробки вибою ВО, міцність породи, що руйнується. Як кількісна оцінка ресурсу комбайна приймалася накопичена пошкоджуваність. Через те, що в процесі експлуатації внаслідок зносу в рухливих спряженнях машини відбувається збільшення зазорів, при дослідженні їхнього впливу на накопичену пошкоджуваність необхідно враховувати швидкість зносу. Як кількісна оцінка швидкості зносу була використана потужність сил тертя в рухливих елементах конструкції (шарніри, напрямні).

Повний робочий цикл обробки вибою містить у собі різні режими руйнування у визначеній послідовності, при цьому їхня питома вага по тривалості і по обсягу породи, що руйнується, різна. Накопичені пошкодження за цикл обробки вибою визначалися шляхом формування масиву реалізацій навантажень в елементах конструкції з урахуванням послідовності режимів руйнування вибою і наступною обробкою методом “дощу”. На рис. 5 приведений приклад сформованої реалізації у верхньому шарнірі повороту стріли за повний цикл обробки вибою (цифри – порядкові номери режимів руйнування вибою в повному циклі).

Рис. 5. Зміна реакції у верхньому шарнірі повороту за повний цикл руйнування вибою

У результаті теоретичних досліджень установлено:

1. Низькочастотна складова навантаження, викликана переходами з режиму в режим руйнування вибою, має визначний вплив на накопичену пошкоджуваність у більшості елементів конструкції (при показнику ступеня кривої втомленості m=9). Це дозволяє істотно спростити розрахунок накопиченої за цикл обробки вибою пошкоджуваності, тобто вести його по відомих максимальних і мінімальних значеннях навантаження в кожному режимі з обліком тільки їхньої послідовності при заданій схемі обробки вибою.

2. Міцність порід, що руйнуються, впливає на ресурс елементів конструкції ПК. Так, при збільшенні контактної міцності породи, що руйнується, з 132 МПа до 300 МПа ресурс ВО ПК знижується на порядок.

3. Збільшення зазорів у шарнірах системи підвіски від 0,2 мм до 1 мм приводить за інших рівних умов до зменшення ресурсу роботи машини як мінімум на 20% (незалежно від міцності породи, що руйнується) внаслідок збільшення накопиченої пошкоджуваності в більшості вузлів конструкції. Внаслідок відмінності схем руйнування вибою, для різних міцностей порід, що руйнується, вплив зазорів у шарнірах на накопичену пошкоджуваність по-різному для тих самих елементів конструкції. Зменшення величини зазорів у шарнірах у порівнянні із зазором 0,2 мм не приводить до істотної зміни накопиченої пошкоджуваності, тобто для даної машини величину зазору в шарнірах 0,2 мм можна вважати раціональної.

4. Бази шарнірів повороту стріли впливають на ресурс шарнірів повороту, а бази шарнірів підйому – на ресурс гідроциліндрів і шарнірів підйому стріли. При цьому підвищення ресурсу може бути забезпечене при збільшенні баз шарнірів, що повинно враховуватися при обґрунтуванні раціональних параметрів системи підвіски ВО ПК стрілоподібного типу.

5. При оптимізації параметрів системи підвіски ВО ПК за критерієм довговічності в якості перемінних проектування повинні розглядатися зазори в шарнірних з'єднаннях і напрямних висування ВО (наявність гідрозатискачів), а також бази шарнірів підйому й повороту стріли. При цьому необхідний облік низькочастотної складових навантажень, обумовленою зміною режимів руйнування вибою.

Як показали виконані дослідження, зміни конструкції системи підвіски ВО приводять до різних значень роботи сил тертя в рухливих сполученнях (шарніри, напрямні телескопа) елементів конструкції ПК, тому швидкість зносу сполучень також неоднакова. З урахуванням установленого факту, що накопичена за цикл обробки вибою пошкоджуваність також залежить від величини зазорів у сполученнях, був обґрунтований критерій оцінки впливу на ресурс прохідницького комбайна параметрів системи підвіски, дорівнює відношенню накопичених пошкоджень за період експлуатації комбайна:

,

де НПA(К), НПВ(К), , – залежності накопиченої за цикл руйнування вибою пошкоджуваності й потужності сил тертя в сполученнях системи підвіски від коефіцієнта збільшення зазору при варіантах конструкції А и В (коефіцієнт збільшення зазору дорівнює відношенню поточного значення зазору в рухливому спряженні елементів конструкції системи підвіски до його первісної величини при незношеному стані сполучення); КАМАХ, КВМАХ – граничні значення коефіцієнта збільшення зазору при варіантах конструкції А и В за той самий період роботи комбайна Т1.

З використанням обґрунтованого критерію встановлено, що при роботі ПК із гідрозатискачами в напрямних висування ВО ресурс його елементів збільшується до 2-х раз при руйнуванні порід із рк = 132 МПа і більш істотно – при руйнуванні більш міцних порід. Застосування гідрозатискачив, що виключають зазори в напрямних висування ВО, є обов'язковим і ефективним напрямком підвищення ресурсу елементів системи підвіски.

У п'ятому розділі “Підвищення ресурсу виконавчого органу прохідницького комбайна з аксіальними коронками” приведені ММ оптимізації і методика визначення раціональних параметрів системи підвіски ВО за критерієм ресурсу.

Показником зміни ресурсу елементів комбайна прийняте відношення накопичених пошкоджуваностей за цикл обробки вибою при оцінюваному і вихідному варіантах конструкції машини. Слід зазначити, що та ж сама зміна конструкції може привести до неоднакової зміни ресурсу різних елементів конструкції. Тому як цільову функцію слід використовувати інтегральний показник:

,

де m – кількість розглянутих вузлів комбайна; - ваговий коефіцієнт для j-го вузла, значення якого встановлюється методом експертної оцінки з урахуванням вартості й терміну служби відповідних елементів конструкції; , - значення накопичених пошкоджуваностей за цикл обробки вибою для j-го вузла при оцінюваному і вихідному варіантах конструкції машини.

Компоненти вектора перемінних проектування системи підвіски :

- зазори в шарнірах підйому і повороту стріли відповідно; - відстані між шарнірами (бази шарнірів) підйому і повороту стріли відповідно; - площі робочих порожнин першого і другого гідрозатискачів відповідно; ГЗ – перемінна, що приймає значення 1 при наявності гідрозатискачів і 0 – при відсутності.

Функціональні обмеження на перемінні проектування (стійкість двигуна приводу ВО, стійкість комбайна у виробці й ін.) враховані в ММ робочого процесу ПК. Параметричні обмеження на значення перемінних проектування призначаються: для зазорів у шарнірах: мінімальний – виходячи з їхнього функціонального призначення і технологічних можливостей виробництва; максимальний – за умовою забезпечення необхідного режиму змащення і досвіду експлуатації; для баз шарнірів максимальна величина – по габаритах машини з урахуванням можливостей конструктивної реалізації.

Показано, що підвищення жорсткості підвіски є одним із напрямків підвищення технічного рівня ПК за критеріями продуктивності й ресурсу. Раціональною є система підвіски з трьома ступенями свободи з розташуванням опорних підшипників поворотної турелі над і під конвеєром і оснащена гідрозатискачами.

На основі приведеної моделі й методу оптимізації була розроблена інженерна методика вибору раціональних параметрів системи підвіски, використовувана інститутом “Дондіпровуглемаш” при проектуванні ПК. Системи підвіски ВО ПК раціональної структури з оптимальними параметрами реалізовані на вітчизняних комбайнах, що серійно випускаються (КПЛ, КПЛ, П110 та ін.), їхня новизна захищена патентами.

Висновки

У дисертаційній роботі дане нове рішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає у встановленні закономірностей функціонування і обґрунтуванні раціональних параметрів системи підвіски виконавчого органу прохідницького комбайна з аксіальними коронками, що забезпечують підвищення ресурсу цих машин.

Використання результатів роботи дозволяє на стадії проектування прохідницьких комбайнів оцінити навантаженність і обґрунтувати раціональні параметри системи підвіски виконавчого органу.

Основні висновки, наукові й практичні результати, отримані автором у дисертаційній роботі, полягають у наступному:

1. Розроблено математичну модель процесу руйнування вибою прохідницьким комбайном стрілоподібного типу з аксіальними коронками як сукупності 52 функціонально завершених елементів, що описує динамічні процеси в системах приводу, підвіски і переміщення виконавчого органу при просторовому переміщенні корпусних елементів машини та враховує наявність зазорів у напрямних висування виконавчого органу і шарнірних з'єднань підвіски стріли, що обумовлюють додаткове переміщення коронок під навантаженням, порівнянне з товщинами стружок на різцях.

2. Експериментально встановлені закономірності формування навантажень у системах приводу і підвіски виконавчого органу:

- середні значення коефіцієнтів нерівномірності й варіації навантажень силових циліндрів повороту (при бічному різі) і потужності приводного двигуна (у всіх режимах) зв'язані із середніми рівнями цих величин ступеневою залежністю виду (із значеннями коефіцієнта детермінації R2=0,4-0,8);

- середні значення коефіцієнтів нерівномірності й варіації зусиль у домкратах підйому в режимах фронтальної зарубки, зарубки вгору і вниз складають, відповідно, 1.1 і до 0.07 і не залежать від їх середньої величини (R2=0.15-0.16 );

- сумарна середня величина зусиль у домкратах повороту стріли підкоряється лінійній залежності від середнього рівня навантаження приводного двигуна виконавчого органу (R2=0,56-0,6). На середню величину зусилля в домкратах підйому стріли при вертикальному різі рівень навантаження приводу виконавчого органу практично не впливає (R2=0,09).

3. Установлено, що при показнику ступеня кривої втомленості m=9 низькочастотна складова навантаження, викликана переходами з режиму в режим руйнування вибою, має визначний вплив на накопичену пошкоджуваність у більшості елементів конструкції прохідницького комбайна. Це дозволяє істотно спростити розрахунок накопиченої за цикл обробки вибою пошкоджуваності, тобто вести його за відомими максимальними і мінімальними значеннями навантаження в кожному режимі з урахуванням тільки їхньої послідовності при заданій схемі обробки вибою.

4. Теоретично встановлені закономірності впливу параметрів системи підвіски виконавчого органу прохідницького комбайна на формування накопиченої за повний цикл обробки вибою пошкоджуваності:

- збільшення зазорів у шарнірах системи підвіски від 0,2 мм до 1 мм призводить, за інших рівних умов, до зменшення ресурсу роботи машини як мінімум на 20%. Внаслідок відмінності схем руйнування вибою, для різних значень міцності породи, що руйнується, вплив зазорів у шарнірах на накопичену пошкоджуваність по-різному для тих самих елементів конструкції;

- зменшення величини зазорів у шарнірах у порівнянні із зазором 0,2 мм не призводить до істотної зміни накопиченої пошкоджуваності, тобто для даної машини величину зазору в шарнірах 0,2 мм можна вважати раціональною;

- бази шарнірів повороту стріли впливають на ресурс шарнірів повороту, а бази шарнірів підйому – на ресурс гідроциліндрів і шарнірів підйому стріли. При цьому підвищення ресурсу може бути забезпечене при збільшенні баз шарнірів.

5. Застосування гідрозатискачів, що компенсують зазори в напрямних висування виконавчого органу, є обов'язковим і ефективним напрямком підвищення ресурсу елементів силових систем комбайна:

- експериментально показано, що при бічному різі практично не змінюються значення коефіцієнтів нерівномірності й варіації й спектральної щільності потужності приводу виконавчого органу. У режимі фронтальної і вертикальної зарубки для потужності приводу виконавчого органу знижуються коефіцієнти нерівномірності на 17-22 %, коефіцієнти варіації на 37-41 %, а також амплітуди низькочастотних навантажень у діапазоні від 0 до 10 Гц за рахунок стабілізації стружкоутворення;

- теоретично встановлено, що ресурс елементів системи підвіски виконавчого органу комбайна збільшується до 2-х разів при руйнуванні порід із рк = 132 МПа і більш істотно – при руйнуванні більш міцних порід.

6. Розроблено математичну модель оптимізації параметрів системи підвіски виконавчого органу прохідницького комбайна з аксіальними коронками за критерієм довговічності, для чого обґрунтовані:

- цільова функція – сума відношень накопичених пошкоджуваностей за цикл обробки вибою при оцінюваному і вихідному варіантах конструкції у різних елементах конструкції машини з ваговими коефіцієнтами, що враховують їхню вартість і термін служби;

- перемінні проектування – зазори в шарнірних з'єднаннях і напрямних висування виконавчого органу (наявність гідрозатискачів), а також бази шарнірів підйому і повороту стріли.

Результати роботи можуть бути використані проектними й науково-дослідними інститутами гірничого машинобудування, а також машинобудівними заводами при створенні й модернізації прохідницьких комбайнів вибіркової дії з телескопічними виконавчими органами.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ іЗ ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні положення дисертації опубліковані у наступних роботах:

1. Семенченко А.К., Шабаев О.Е., Семенченко Д.А., Хиценко Н.В., Мизин В.А. Влияние режимов работы и формы забоя на формирование вектора внешних возмущения аксиальной коронки проходческого комбайна // Горный информационно-аналитический бюллетень, №11, 2001. - С. 235-237.

2. Мизин В.А. Первый опыт эксплуатации стреловидных проходческих комбайнов П110 и П220 на шахтах Украины и России // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ, 2002. – Вып. 38. – С. 125-134.

3. Мизин В.А. Анализ состояния и тенденций развития комбайнового способа проходки выработок на шахтах Украины // Уголь Украины. – 2003. - № 9. – С. 29.

4. Косарев В.В., Мизин В.А., Демченко М.В. Нагорный В.В. Опытный образец проходческого комбайна КПД на ш. “Добропольская” // Уголь Украины. – 2003. - № 9. – С. 32-34.

5. Мизин В.А. Оценка влияния зазоров в шарнирах направляющих исполнительного органа на ресурс проходческого комбайна // Наукові праці ДонНТУ. Серія: гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2006. - Вип. 104. - С. 140-148.

6. Семенченко А.К., Шабаев О.Е., Каплюхин А.А., Семенченко Д.А., Мизин В.А. К определению исходных данных для расчета элементов горной машины на выносливость // Наукові праці ДонНТУ. Серія: гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2006. - Вип. 104. - С. 176-182.

7. Семенченко А.К., Шабаев О.Е., Семенченко Д.А., Хиценко Н.В., Мизин В.А. Моделирование рабочего процесса проходческого комбайна с учетом зазоров в системе подвески исполнительного органа // Наукові праці ДонНТУ. Серія: гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2006. - Вип. 113. - С. 231-237.

8. Мизин В.А. Экспериментальные исследования нагруженности системы подвески исполнительного органа проходческого комбайна КПД // Наукові праці ДонНТУ. Серія: гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2006. - Вип. 113. - С. 192-198.

9. Косарев В.В., Мизин В.А. Новая проходческая техника Донгипроуглемаша для решения задач своевременной и качественной подготовки фронта очистных работ // Уголь. – 2006. – №7. – С. 8-11.

10. Мізін В.О., Лаптєв А.Г., Демченко М.В., Косарев В.В. Гірничопрохідницький комбайн. Патент України № 1722, кл. Е21С27/00; опубл. 15.04.2003; бюл. № 4, с. 5.11.

11. Мізін В.О., Пилипенко Ю.О., Лаптєв А.Г., Скудар Г.М., Большаков П.Я., Косарєв В.В., Письменний А.М., Толстов В.Л. Гірничопрохідницький комбайн. Патент України № 656, кл. Е21С27/24; опубл. 16.10.2000; бюл. № 5, с. 3.2.23-3.2.24.

12. Мизин В.А. Новая проходческая техника ГП “Донгипроуглемаш” // Тезисы докладов Международной научно-практической конференции “Современные технологии и оборудование для добычи угля подземным способом”. – Донецк, 2006. - С. 34.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих у співавторстві:

[1] – проведення досліджень і аналіз результатів; [4] – методика іспитів, аналіз результатів; [6] – методика визначення режимних параметрів блоку навантаження; [7] – розробка ММ гідрозатискача і циліндричного шарніра; [9] – висновки і рекомендації щодо застосування прохідницьких комбайнів з гідрозатискачами в напрямних телескопа виконавчого органа; [10] – пропозиція об’єднати раму і конвеєр в єдину несучу конструкцію з розташуванням опор над і під конвеєром; [11] – пропозиція встановити лижі