Автореферат Климова


УДК  622.285:621.868.68                                                        На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КЛИМОВ АНДРЕЙ ЮРЬЕВИЧ

 

 

Повышение эффективности работы привода передвижки

механизированного угледобывающего комплекса

 

 

 

 

 

 

05.05.06 – Горные машины

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2008

 

 

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева

 

 

 

Научный руководитель:     докт. техн. наук, профессор Крупник Л. А.

 

 

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

                                              Бексалов Е.Б.

доктор технических наук, профессор

Жетесова Г.С.

 

 

Ведущая организация: Институт горного дела им.Д.А.Кунаева

 

 

 

 

 

Защита состоится    7 мая 2008 г. в 1430    на заседании диссертационного совета Д14.61.23 в Казахском национальном техническом университете им. К.И. Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева 22, конференц – зал НК.

Телефон: 8 (727) 2929049, факс: 8(727) 2926437.

 

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета им. К.И. Сатпаева по адресу:       г. Алматы, ул. Сатпаева 22.

 

 

 

 

Автореферат разослан «____»_________2008 г.

 

 

 


Ученый секретарь

диссертационного совета                                               Столповских И.Н

 

 

Введение

 

Актуальность работы. Добыча полезного ископаемого в современных угольных шахтах производится в основном с использованием механизированных комплексов, включающих высокопроизводительные узкозахватные комбайны или струговые установки, передвижные призабойные конвейеры и механизированные гидрофицированные крепи. Однако высокие технико-экономические показатели можно получить только в том случае, если параметры оборудования, во-первых, соответствуют горно-геологическим и горнотехническим условиям разработки полезного ископаемого, и, во-вторых, если составные части оборудования, входящего в комплекс, не будут сдерживать работу друг друга.

Однако при работе современных механизированных комплексов по добыче угля в подземных условиях наблюдается существенное отставание передвижки линейных секций крепи и секций конвейера на новую дорогу вслед за движущимся комбайном.

Гидропривод крепи работает от насосной станции СНТ-32, имеющей производительность 90 л/мин и обеспечивающей давление 32 МПа. Однако, как показывает практика, эти параметры насосной станции не обеспечивают достаточной скорости передвижки крепи и конвейера, что приводит к увеличению времени на их передвижку, к простоям очистного комбайна и к снижению производительности механизированного комплекса в целом.

Цикл работы механизированной крепи  включает основные рабочие операции: разгрузку, передвижение и распор, причем наиболее трудоемкой из них является передвижка.

Таким образом, повышение эффективности работы привода передвижки секций крепи и призабойного конвейера за счет снижения времени на их передвижку является актуальной задачей.

Цель работы. Повышение эффективности работы механизированного угледобывающего комплекса за счет сокращения продолжительности цикла передвижки крепи и конвейера.

Идея работы. Сокращение продолжительности цикла передвижки секций крепи и призабойного конвейера достигается путем использования генераторов импульсов расхода и мультипликаторов давления рабочей жидкости.

Методы исследований. В работе использовались методы теоретической механики, механики жидкостей и газов, теории массового обслуживания и математического моделирования с применением ПЭВМ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

–  увеличение расхода рабочей жидкости за счет использования генераторов импульсов обеспечивает повышение эффективности работы привода при групповой передвижке секций конвейера;

–  при передвижке (подтягивании) секции крепи эффект достигается за счет одновременного использования генератора импульсов и мультипликатора, повышающих как расход, так и давление рабочей жидкости;

–  эффективность передвижки механизированного угледобывающего комплекса в целом может быть определена путем моделирования привода передвижки с использованием в качестве математической схемы смешанной системы массового обслуживания с ожиданием, с ограниченной очередью и накопителем требований и потоков Эрланга порядка m.

        Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается сочетанием теоретических и экспериментальных исследований с использованием математической модели, проведением хронометражных наблюдений за работой механизированных комплексов в производственных условиях, адекватностью математической модели реальному объекту моделирования, что подтверждено достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

        Личный вклад автора состоит в: постановке задач исследования; проведении хронометражных наблюдений за работой крепей механизированного комплекса в шахтных условиях; разработке методики моделирования насосно-аккумуляторного привода передвижки крепи и группового перемещения секций конвейера, проведении машинных экспериментов; разработке методики оценки эффективности насосно-аккумуляторного привода передвижки механизированного комплекса с использованием теории массового обслуживания для челноковой и уступной схем выемки угля.

        Научная новизна. Получены аналитические зависимости перемещения секции конвейера и подтягивания секции крепи при ее передвижке с применением насосно-аккумуляторного привода; разработаны математические модели насосного и насосно-аккумуляторного приводов передвижки секций крепи и группового перемещения секций конвейера с использованием программы «ADAMS 2003» и проведены машинные эксперименты; выполнено обоснование параметров аккумуляторов и мультипликатора; разработана на основе теории массового обслуживания математическая модель механизированного комплекса и произведена оценка эффективности насосно-аккумуляторного привода передвижки.

        Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении зависимостей для перемещения элементов крепи при ее передвижке с использованием насосно-аккумуляторного привода; в выборе и обосновании параметров гидропневмоаккумуляторов и мультипликатора; в определении эффективности насосно-аккумуляторного привода передвижки крепи методом моделирования; в использовании в качестве математической схемы работы механизированного комплекса смешанной системы массового обслуживания с ожиданием, с ограниченной очередью и накопителем требований и потоков Эрланга порядка m.

        Практическое значение работы заключается в разработке гидравлической схемы насосно-аккумуляторного привода передвижки секции крепи с использованием гидропневмоаккумуляторов и мультипликатора; в разработке методики моделирования насосно-аккумуляторного привода передвижки крепи и группового перемещения секций конвейера в среде программы «ADAMS 2003» на макроуровне; в разработке методики оценки эффективности насосно-аккумуляторного привода передвижки механизированного комплекса при челноковой и уступной схемах выемки угля с использованием теории массового обслуживания на метауровне.

        Реализация результатов исследований. «Методика расчета эффективности привода передвижки механизированных комплексов» и «Методика выбора гидравлической схемы и параметров насосно-аккумуляторного привода передвижки механизированных комплексов» переданы для использования ТОО «Институт Гипроуглегормаш» и заводу «РГТО» УДАО «Arcelor mittal temirtau».

        Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Второй Международной научно-практической конференции «Горное дело и металлургия в Казахстане. Состояние и перспективы» (Казахстан, Алматы, 2006), на Третьем Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (Россия, Орел, 2006), на Международной научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовании и науке» (Казахстан, Зыряновск, 2006), на Научном симпозиуме «Неделя горняка» (Россия, Москва, 2007), на Шестой Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Россия Казахстан, Москва Караганда, 2007).

        Диссертация в целом докладывалась на кафедре «Транспортные и горные машины» КазНТУ им. К.И.Сатпаева (Алматы, 2007).

        Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 научных статей, из них 4 в виде докладов на Международных научных конференциях и симпозиумах.

        Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 100 страницах машинописного текста, включает 45 рисунков, 12 таблиц, библиографию из 80 наименований и приложения.

 

Основное содержание работы

 

        В последние годы достигнуты большие успехи в области создания и совершенствования отдельных составляющих оборудования механизированных комплексов, однако, сдерживающим фактором на пути дальнейшего повышения производительности добычи угля является недостаточная скорость крепления выработки вслед за комбайном. Скорость крепления и, в частности, передвижки линейной секции крепи определяется характеристикой гидропривода, т.е. параметрами насосной станции.

        Большой вклад в создание и исследование механизированных крепей и их гидроприводов внесли Альтер И.М., Богатырев Н.Т., Докукин А.В., Ермеков Т.Е., Жетесов С.С., Жетесова Г.С., Кантович Л.И., Каштанова В.Я., Коваль П.В., Коровкин Ю.А., Красников Ю.Д., Мамонтов С.В., Мышляев Б.К., Пономаренко Ю.Ф., Фирстов В.Д., Хорин В.Н., Шахмейстер Ю.Л., Шеин Ю.Г. и др.

        Анализ литературных источников и практики работы угольных предприятий показал, что механизированная крепь для очистных выработок является сложной горной машиной, входящей в состав механизированного комплекса, и предназначена для закрепления и ограждения лавы в зоне выработки угля, а также самопередвижения в пласте по мере его отработки. Эта машина эксплуатируется в условиях стесненного рабочего пространства, запыленной атмосферы, обводненности. На механизированную крепь действуют большие нагрузки в разных направлениях, обусловленные взаимодействием с боковыми породами и вызванные работой выемочной машины, забойного конвейера и других узлов, для которых крепь является опорой или средством передвижения.

        Функциональное назначение всех механизированных крепей в основном одинаково, и состав рабочих операций в крепи обычно существенно не зависит от ее конструктивного исполнения. Поэтому системы гидроприводов всех механизированных крепей предназначены для выполнения одних и тех же рабочих операций, а цикл работы механизированной крепи в целом совпадает с циклом работы ее гидропривода. При этом особенности конструкции крепи приводят к тому, что, хотя общее число рабочих операций невелико, они повторяются в каждой секции и это приводит к сложной схеме управления. Цикл работы гидросистемы секции – это определенная последовательность некоторой совокупности рабочих движений гидростоек и гидродомкратов.

        Разгрузка, передвижение и распор – основные рабочие операции в секциях механизированной крепи. Но кроме них во многих крепях предусмотрено выполнение дополнительных рабочих действий. Они могут совершаться параллельно с одной из основных операций или отдельно. Наиболее трудоемкими рабочими операциями являются операции по передвижке секции конвейера и по подтягиванию секции крепи.

        В работах предшествующих исследователей достаточно подробно изучены условия работы механизированных крепей, их конструктивные особенности. Однако ряд моментов остался вне поля зрения исследователей, что не позволяет повысить эффективность работы их привода.

        Для повышения эффективности работы привода при перемещении крепи необходимо провести исследования и решить следующие задачи:

        - провести хронометражные наблюдения за работой механизированных угледобывающих комплексов с целью установления статистических характеристик продолжительностей рабочих операций по перемещению крепи и конвейера;

        - исследовать работу гидравлической системы привода передвижки крепи на новую дорогу и разработать новую усовершенствованную схему насосно-аккумуляторного привода;

        - составить и решить дифференциальные уравнения движения секций крепи и конвейера при их передвижке;

        - разработать математические модели и провести моделирование в среде программы «ADAMS 2003» насосного и насосно-аккумуляторного приводов передвижки крепи и конвейера с целью выявления преимуществ нового привода и обоснования параметров аккумуляторов и мультипликатора;

        - выполнить оценку эффективности применения насосно-аккумуляторного привода передвижки крепи и конвейера механизированного угледобывающего комплекса с привлечением математического аппарата теории массового обслуживания.

        В качестве объекта исследований принят комплекс «Пиома-25/45-03» как один из наиболее типичных представителей современных механизированных комплексов, применяемых на мощных пологих пластах угольных шахт.

Показателем, в наибольшей степени отражающим производительность механизированного угледобывающего комплекса, является длительность цикла работы механизированной крепи Тц. С уменьшением затрат времени на цикл работы крепи повышается вероятность увеличения числа циклов в смену и роста производительности. Продолжительность цикла работы механизированной крепи Тц – это сумма затрат времени на выполнение всех рабочих операций главным образом в гидросистеме, поэтому этот показатель в наибольшей степени отражает влияние особенностей гидропривода на техническую и экономическую эффективность комплекса и является наиболее приемлемым критерием качества для оценки вариантов решений гидропривода.

        Выбор Тц в качестве критерия качества имеет еще и то преимущество, что позволяет учитывать вероятностный характер процессов, происходящих в системе «механизированный комплекс – вмещающие породы». При работе крепи и комплекса длительность цикла и длительность рабочих операций в секциях будут величинами переменными, подчиняющимися случайным законам распределения как в разных секциях, так и разных циклах, несмотря на постоянство основного комплекса условий (т.е. конструктивных параметров). Параметры случайных законов распределения Тц определяются на основе обобщения результатов хронометражных наблюдений за работой механизированных крепей.

        Можно выделить две группы слагаемых общего времени Тц: затраты времени, зависящие от работы механизированной крепи, и затраты времени, не зависящие от нее. К первой группе относятся величины Тс, Тк, Ток, ко второй – остальные. Таким образом, цикл работы гидропривода механизированной крепи определяется зависимостью

 

Тцг = Тс + Тк + Ток ,                                             (1)

 

где Тс – суммарная продолжительность передвижек всех секций; Тк – несовмещенное с передвижкой секций время передвижения конвейера; Ток – суммарное время остановок, связанное с уменьшением скорости или простоями при передвижении конвейера.

        На этапе определения рациональной последовательности работы гидропривода необходимо также учитывать ограничение

 

t1mt2n ,

 

где t1m – длительность выемки угля на участке перед m-й секцией; t2n – суммарная длительность всех операций по передвижению п-й секции.

        Расстояние между секциями m-й и п-й определяется допустимой величиной площади незакрепленной кровли. Это ограничение отражает степень соответствия скорости крепления скорости выемки. Косвенно это ограничение также отражает влияние работы гидропривода механизированной крепи на производительность комплекса.

        Если перемещение конвейера совмещено по времени с передвижкой секции крепи, как это делается в современных механизированных крепях, то зависимость (2) примет вид

 

Тцг = Тс = Т1кз + Т2кз + Т1шп + Т2шп + Т1гс + Т2гс + Т1гп + Т2гп ,            (2)

 

где Т1кз и Т2кз – соответственно продолжительность опускания и распора козырька перекрытия; Т1шп и Т2шп – соответственно продолжительность опускания и распора шарнирной части перекрытия; Т1гс и Т2гс – соответственно время, затрачиваемое на разгрузку и распор гидростоек крепи; Т1гп и Т2гп – соответственно время, затрачиваемое гидродомкратом на передвижку секций конвейера и подтягивание секции крепи.

        Как показывают хронометражные наблюдения, основную долю временных затрат на выполнение всех рабочих операций в цикле работы крепи (до 50%) составляют два последних слагаемых в выражении (2), а именно передвижка секций конвейера и подтягивание крепи. Поэтому уменьшение потерь времени на работу гидродомкрата передвижки крепи может значительно снизить время цикла работы крепи, а, следовательно, повысить производительность механизированного комплекса в целом.

        В связи с этим, нами было предложено оснастить каждую крепь двумя генераторами импульсов (гидропневмоаккумуляторами), один из которых подключен к поршневой, а другой – к штоковой полостям гидродомкрата передвижки. Это позволяет за счет обеспечения аккумуляторами дополнительного расхода рабочей жидкости увеличить скорость передвижки и сократить время рабочих операций при передвижке крепи. Эффект может быть достигнут при обеспечении соответствующих параметров гидропневмоаккумуляторов.

        На рисунке 1 представлена разработанная нами гидравлическая схема насосно-аккумуляторного привода передвижки механизированной крепи, включающая два генератора импульсов и мультипликатор, обеспечивающие дополнительный расход рабочей жидкости и необходимое давление при выполнении рабочих операций по передвижке.

На схеме приняты следующие обозначения: ГД – гидродомкрат передвижки; m1 и m2 – соответственно массы секции конвейера и крепи; ГИ1 и ГИ2 – генераторы импульсов, работающие при передвижке секции конвейера и подтягивании секции крепи, соответственно; КИ – импульсный клапан; МП – мультипликатор; ЗР1 и ЗР2 – гидрораспределители для управления поршневой и штоковой полостями гидродомкрата, соответственно.

        Для исключения потерь времени на подготовку мультипликатора к работе, заключающуюся в заполнении рабочей жидкостью его штоковой полости, эту операцию можно совместить с рабочей операцией по передвижке секции конвейера, для чего штоковая полость гидродомкрата передвижки соединяется со штоковой полостью мультипликатора, а поршневая полость мультипликатора сообщается со сливом.

 

 

Рисунок 1 – Гидравлическая схема насосно-аккумуляторного привода

передвижки крепи

 

Для исследования динамики работы гидродомкрата передвижки составлены и решены дифференциальные уравнения движения его рабочих элементов. Рабочими элементами гидродомкрата являются: в период передвижки секций конвейера – шток-поршень, а в период подтягивания крепи – гидроцилиндр. В результате определены:

скорость рабочих элементов

 

x¢ = {-exp [(-bi / аi) x] [bi2 fi + аi (2 аi сi + bi di)] (1/bi3) + [bi2(сi x2 + fi) +

+ (2 аi сi + bi di) (аi - bi x)] (1/bi3)}1/ 2 ;                             (3)

ускорение рабочих элементов

 

x² = exp [(-bi / аi) x] [bi2 fi + аi (2 аi сi + bi di)] (1/2 аi bi2) +

+ (2bi сi x - 2 аi сi - bi di) (1/2bi2)                                   (4)

                                                   

 и продолжительность выполнения рабочих операций по передвижке

 

                                                       (5)

 

где    аi = 0,5 mi ;   bi = ζ i ;   сi = Sпп pнi (1-e i-n)1/l2 ;   di = 2 Sпп pнi (1- e i-n)1/l ;   fi =

= Sпп pнiFмсiSшп pслi ; mi – масса подвижных элементов; ζ i – приведенные гидравлические сопротивления; Sпп , Sшп – соответственно площади поршневой и штоковой полостей гидродомкрата передвижки; pнi – начальное давление аккумулятора; e i – степень сжатия газа в аккумуляторе; п – показатель политропы; l – ход гидродомкрата; Fмсi – сила механических сопротивлений движению подвижных частей; pслi – давление слива; i = 1 при выполнении рабочей операции по передвижке секции конвейера ; i = 2 – при подтягивании секции крепи. При определении x¢  и x²  для рабочей операции по подтягиванию секции крепи в коэффициентах сi , di  и fi площади Sпп и Sшп меняются местами.

Выбор и обоснование параметров аккумуляторов для крепи типа «Пиома-25/45-03» осуществлялись путем моделирования работы насосно-аккумуляторного привода передвижки в среде программы «ADAMS 2003».

        В процессе моделирования работы гидропривода передвижки использовались две модели: одна – упрощенная модель для передвижки (подтягивания) секции крепи, в которой секции крепи и конвейера были представлены блоками, имеющими соответствующие массы; другая – модель для групповой передвижки секций конвейера.

При моделировании рассматривались две технологические схемы работы комплекса. Помимо челноковой схемы, при которой выемка угля комбайном из массива производится на полную вынимаемую мощность, передвижка (подтягивание) секций крепи выполняется вслед за комбайном, а групповая передвижка секций конвейера осуществляется с некоторым отставанием, исследовалась также уступная, при которой комбайн при прямом ходе вынимает верхнюю полосу угля, оставляя уступ у почвы, а при обратном ходе вынимает оставшийся уступ с зачисткой почвы. При уступной схеме при прямом ходе комбайна происходит подтягивание секций крепи, а передвижка конвейера не осуществляется, а при обратном ходе вслед за комбайном осуществляется одновременная передвижка группы секций конвейера.

Исходные данные при моделировании были следующие: ход гидродомкрата – 0,63 м; диаметр цилиндра гидродомкрата передвижки 135 мм; диаметр штока 85 мм; масса секции крепи – 16000 кг; масса секции конвейера – 500 кг; коэффициенты трения покоя и движения соответственно – 0,7 и 0,3; номинальный расход рабочей жидкости, обеспечиваемый насосом, 90 л/мин; номинальное давление насоса 32 МПа; давление мультипликатора 40 МПа.

        Для достижения эффекта снижения времени передвижки секции крепи в этом случае, очевидно, необходимо повысить давление зарядки аккумулятора или, что то же самое, давление, создаваемое аккумулятором, до требуемой величины путем передачи рабочей жидкости из аккумулятора в штоковую полость гидродомкрата передвижки через мультипликатор, как это показано на рисунке 1. С этой целью в гидросистему введен мультипликатор, позволяющий увеличить давление зарядки аккумулятора, подключенного к штоковой полости гидродомкрата, до 40 МПа.

На рисунке 2 приведены результаты моделирования процесса передвижки (подтягивания) секции крепи с использованием мультипликатора. При этом выходные параметры насосно-аккумуляторного привода сравнивались с аналогичными параметрами насосного привода.

 

 

1, 4, 7 – соответственно расход, давление жидкости и перемещение штока при насосном приводе; 2, 5, 8 и 3, 6, 9 – соответственно расход, давление жидкости и перемещение штока при насосно-аккумуляторном приводе для полезного объема аккумулятора, равного 0,5 и 1,0 от объема штоковой полости гидродомкрата.

 

Рисунок 2 – Изменение расхода, давления и перемещения штока

при передвижке (подтягивании) секции крепи.

 

Исследования показали, что при использовании насосно-аккумуляторного привода с мультипликатором удается уменьшить время передвижки (подтягивания) секции крепи на 0,7 с, т.е. на 11,5%, при полезном объеме аккумулятора, равном 0,5 объема штоковой полости гидродомкрата (кривая 2), и на 1,0 с, т.е. на 16,4%, при полезном объеме аккумулятора, равном объему штоковой полости (кривая 3), за счет увеличения расхода рабочей жидкости по сравнению с расходом насоса (прямая 1). При этом давление жидкости в штоковой полости гидродомкрата составляет 26 МПа при насосном приводе (прямая 4), а при насосно-аккумуляторном приводе изменяется от 32 МПа в начале движения до 27 МПа в конце рабочего хода (кривая 5) и от 33 МПа до 28 МПа (кривая 6).

Исходя из результатов моделирования установлено, что при расчете геометрических параметров аккумулятора необходимо полезный объем аккумулятора принимать равным штоковой полости гидродомкрата, так как при этом может быть получен наибольший выигрыш во времени.

Моделирование работы привода групповой передвижки отличается тем, что в этом случае происходит одновременная работа нескольких гидродомкратов передвижки, осуществляющих перемещение сразу нескольких секций конвейера (7-10 штук). Модель взаимодействия гидродомкратов с конвейером при одновременной передвижке группы секций для челноковой и уступной технологических схем выемки показана на рисунке 3.

 

 

а – первый этап передвижки; б – второй этап передвижки;

1-15 – порядковые номера секций конвейера.

Рисунок 3 – Модель групповой передвижки конвейерной линии.

 

Согласно рисунку 3 перемещение конвейерной линии осуществляется в два этапа. На первом этапе передвижки участвуют семь крайних секций конвейера при одновременном включении семи гидродомкратов (секция 8 остается неподвижной). На втором этапе передвижки к источникам питания подключаются гидродомкраты всех остальных секций кроме пятнадцатой, которая остается неподвижной. В дальнейшем циклы передвижки секций конвейера повторяются до полного перемещения конвейерной линии на новую дорогу.

        На рисунках 4 и 5 приведены характеристики насосного и насосно-аккумуляторного приводов в 1 и 8 гидроцилиндрах, т.е. на первом и втором этапах передвижки конвейерной линии.

 

 

1, 4 – расход жидкости; 2, 5 – давление; 3, 6 – перемещение цилиндра соответственно для гидродомкратов секций 1 и 8.

 

Рисунок 4 – Изменение характеристик гидродомкратов секций 1 и 8

при насосном приводе.

 

Сравнение работы гидродомкратов 1 и 8 при насосном приводе показывает, что расход в гидродомкрате секции 1 (кривая 1) выше, чем в гидродомкрате секции 8 (кривая 4), поскольку поток жидкости от насоса распределяется на первом этапе передвижки между семью гидродомкратами, а на втором и последующих этапах – между четырнадцатью. Снижение расхода жидкости на втором этапе передвижки приводит к росту продолжительности этой операции, о чем свидетельствует увеличение угла наклона линии перемещения цилиндра секции 8 (кривая 6) по сравнению с кривой 3 (секция 1). Давление жидкости в поршневой полости домкрата 8 выше (кривая 5), чем в домкрате 1 (кривая 2), что также объясняется увеличением сопротивления перемещению дополнительного числа домкратов на втором этапе передвижки.

 

 

1, 4 – расход жидкости; 2, 5 – давление; 3, 6 – перемещение цилиндра соответственно для гидродомкратов секций 1 и 8.

 

Рисунок 5 – Изменение характеристик гидродомкратов секций 1 и 8 при насосно-аккумуляторном приводе.

 

При насосно-аккумуляторном приводе характеристики домкратов секций 1 и 8 также отличаются друг от друга в связи с обслуживанием разного количества домкратов на первом и втором этапах передвижки.

        Так, расход жидкости (кривая 1) в домкрате секции 1 больше, чем в домкрате секции 8 (кривая 4), что приводит к росту времени передвижки с 7,8 с до 8,2 с. В процессе работы домкрата секции 8 поддерживается более высокое давление в системе, чем при работе домкрата секции 1, что обусловлено повышением сопротивления перемещению секций конвейера на втором этапе передвижки из-за увеличения количества передвигаемых секций.

        Второй этап передвижки при насосном приводе завершается за 48,2 с (рисунок 4, кривая 6), что и определяет продолжительность передвижки группы секций на втором этапе, т.е. при установившемся процессе групповой передвижки. Использование насосно-аккумуляторного привода позволяет уменьшить время передвижки на втором этапе до 8,2 с за счет увеличения суммарного расхода жидкости из насоса и аккумулятора (рисунок 5, кривая 6). Это приводит к снижению продолжительности операции передвижки на 83%.

Как известно, механизированный комплекс состоит из нескольких (до 100 и более) линейных и двух концевых секций крепи. Поскольку цикл работы крепи и рабочие операции, выполняемые приводом крепи в цикле, являются величинами случайными, то и цикл работы механизированного комплекса в целом будет также случайным.

Хронометражные наблюдения за работой крепей четырех механизированных угледобывающих комплексов, проведенные на трех шахтах Карагандинского угольного бассейна, показали, что длительности рабочих операций по передвижке подчиняются произвольным законам распределения, и позволили установить математические ожидания продолжительностей этих операций.

При этом установлено, что независимо от типа механизированного комплекса наиболее затратными по времени являются операции по передвижке (подтягиванию) секции крепи и групповому перемещению секций конвейера.

Как показал Б.А.Севастьянов, в дальнейшем исследовании можно использовать математический аппарат теории массового обслуживания, основанный на показательном распределении времени обслуживания, но при этом средние значения времени обслуживания (длительностей рабочих операций) соответствующих произвольного и показательного законов распределения должны быть равны между собой. 

Так как входящий поток по предположению является пуассоновским с интенсивностью λ, то вероятность того, что за время t в систему поступит k требований,

 

                                               (6)

 

Здесь различные состояния определяются так: 0 – в системе нет ни одного требования и, стало быть, все приборы свободны; k – в системе находится k требований и все они обслуживаются, k = 1, 2, …, n; n + s – в системе находится n + s требований, из них n обслуживаются, а s стоят в очереди в ожидании обслуживания.

Составив и решив дифференциальные уравнения вероятностей для всех этих возможных состояний системы массового обслуживания, получим

 

                                       (7)

 

Здесь q = n + s – предельное число требований, находящихся в системе;         α = λ/µ; µ – интенсивность обслуживания.

Величину р0 определяем из условия нормировки  и полученных формул (7) для pk, k = 1, 2, …, q.

Важнейшей характеристикой качества обслуживания в рассматриваемой системе является вероятность отказа pq

 

                                                  (8)

 

Связь между интенсивностью обслуживания крепи µ и интенсивностями обслуживания отдельных рабочих операций µν устанавливается с помощью математической схемы потоков, известной как обобщение потоков Эрланга порядка m.

Технологическая схема выемки угольного пласта при челноковой схеме с групповой передвижкой конвейерной линии может быть представлена как система массового обслуживания с приборами разной производительности и с накопителем требований. При этом поток требований и его источник – требованиеобразующий орган очистного комбайна остаются прежними.

В рассматриваемой схеме поток требований последовательно обслуживается двумя приборами разной производительности, одним из которых является крепильщик, осуществляющий передвижку секции крепи за исключением операции по передвижке секции конвейера, а другим – передвижщик, выполняющий групповую передвижку конвейерной линии.

Поставленная задача может быть решена в два этапа. На первом этапе определения статистических характеристик системы используется подход, рассмотренный выше, а на втором этапе при обслуживании системы вторым прибором используется система с накопителем требований.

При этом вероятность отказов pr при групповом обслуживании конвейерной линии определяется по формуле

 

                                                (9)

 

где αgr = λ/μgr; μgr – интенсивность обслуживания конвейерной линии;              r – предельное количество требований в накопителе.

Особенность работы системы при челноковой схеме выемки состоит в том, что два прибора разной производительности обслуживают поступившие требования параллельно и независимо друг от друга, поэтому в расчет должна приниматься наибольшая из двух вероятностей отказов, рассчитанных по формулам (8) и (9), так как в этом случае меньшая вероятность отказов не оказывает влияния на выходные статистические параметры. Последнее замечание не относится к уступной схеме, так как при ней передвижки крепи и конвейера производятся в разных циклах выемки угля.

С учетом формулы (8) найдены значения вероятностей отказов при передвижке крепи, которые при средней скорости подачи комбайна 4 м/мин оказались равными 0,067 и 0,049 соответственно для насосного и насосно-аккумуляторного приводов. Аналогичные показатели при групповой передвижке конвейера для тех же приводов, рассчитанные по формуле (9), оказались равными соответственно 0,018 и 0,0086.

        На рисунке 6, а представлена картина изменения статистических характеристик передвижки крепи для челноковой схемы и при прямом ходе комбайна для уступной схемы выемки, а на рисунке 6, б – групповой передвижки конвейерной линии при челнокой схеме и обратном ходе комбайна при уступной схеме выемки от средней скорости подачи комбайна.

 

 

1, 2 – вероятность того, что все каналы свободны; 3, 4 – вероятность возникновения очереди; 5, 6 – вероятность отказа.

 

Рисунок 6 – Изменение вероятностей  p от средней скорости подачи

комбайна vn при передвижке крепи (а) и конвейера (б) для

насосного (1, 3, 5) и насосно-аккумуляторного (2, 4, 6) приводов.

 

        Верхние пределы изменения средней скорости подачи комбайна для челноковой схемы и при прямом ходе комбайна для уступной схемы (рисунок 6, а), а также для уступной схемы при обратном ходе комбайна    (рисунок 6, б), обусловлены энерговооруженностью исполнительного органа комбайна SL 300.

        Расчет экономической эффективности показал, что сумма общих издержек за единицу времени соответственно для насосного и насосно-аккумуляторного приводов при челноковой схеме оказалась равной 9,357×103 тенге и 7,681×103 тенге, а при уступной схеме – 1,115×104 тенге и 5,624×103 тенге. Снижение издержек при насосно-аккумуляторном приводе по сравнению с насосным за смену соответственно для челноковой и уступной схем составляет 6,033×105 тенге и 1,989×106 тенге.

Чистый дисконтированный доход при использовании насосно-аккумуляторного привода передвижки крепи и конвейера составил: для челноковой схемы выемки – 278185105 тенге; для уступной схемы выемки – 986751684 тенге, а дисконтированный период окупаемости оказался равным: для челноковой схемы выемки – 3,9 мес.; для уступной схемы выемки – 1,2 мес.

 

Заключение

 

        Диссертационная работа является квалификационной научной работой и содержит новые научно обоснованные результаты, использование которых обеспечивает решение важной прикладной проблемы по повышению эффективности работы механизированного угледобывающего комплекса за счет сокращения продолжительности цикла передвижки.

1. Общий недостаток всех современных крепей – их невысокая скорость передвижки, что является следствием недостаточной производительности насосной станции СНТ-32, которой оснащено большинство применяемых комплексов. Наиболее длительными рабочими операциями являются операции по передвижке секции крепи и по групповому перемещению секций конвейера, выполняемые гидродомкратом передвижки, что служит основным сдерживающим фактором увеличения производительности комплекса.

2. Разработанная гидравлическая схема насосно-аккумуляторного привода передвижки секций крепи и конвейерной линии с использованием генераторов импульсов и мультипликатора позволяет повысить расход и давление рабочей жидкости в приводе передвижки.

3. Сравнительный анализ установленных расходных характеристик насосного и насосно-аккумуляторного приводов передвижки секций крепи и конвейера, дал возможность определить значения объемов аккумуляторов генераторов импульсов, при которых обеспечиваются рациональные режимы работы насосно-аккумуляторного привода механизма передвижки.

4. Разработаны математические модели процессов передвижки секций крепи и группового перемещения секций конвейера в среде программы «ADAMS 2003». По результатам моделирования уточнены рациональные геометрические и режимные параметры аккумуляторов и мультипликатора.

5. Проведенными хронометражными наблюдениями времени обслуживания крепей механизированных комплексов «Фазос 12/28», 2ОКП70К, «Фазос 24/53» и «Пиома 25/45-ОЗ» на шахтах им. Ленина, им. Кузембаева и «Саранская» УДАО «Arcelor mittal temirtau» установлено, что длительности отдельных рабочих операций в цикле передвижки крепи и при групповом перемещении секций конвейерной линии являются величинами случайными и подчиняются произвольным законам распределения.

6. Оценка эффективности применения насосно-аккумуляторного привода выполнена с использованием математического аппарата теории массового обслуживания путем замены произвольных законов распределения длительностей отдельных операций показательным законом распределения, но с тем же средним временем обслуживания. При этом параметры показательных законов распределения определены как величины, обратные математическим ожиданиям длительностей рабочих операций.

7. Определены значения вероятностей отказов по причине простоя очистного комбайна из-за отставания крепления выработки и из-за отставания передвижки конвейерной линии при использовании насосного и насосно-аккумуляторного приводов передвижки, которые для средней скорости подачи комбайна 4 м/мин оказались соответственно равными – 0,067; 0,049; и 0,018; 0,0086. Чистый дисконтированный доход при использовании насосно-аккумуляторного привода передвижки крепи и конвейера составил: для челноковой схемы выемки – 278185105 тенге; для уступной схемы выемки – 986751684 тенге, а дисконтированный период окупаемости оказался равным: для челноковой схемы выемки – 3,9 мес.; для уступной схемы выемки – 1,2 мес.

 

Список опубликованных работ по теме диссертации

 

1. Насосно-аккумуляторный привод передвижки крепи механизирован-ного комплекса / Ю.И.Климов, Н.А.Дрижд, А.Ю.Климов и др. // Горное дело и металлургия в Казахстане. Состояние и перспективы. Тр. Второй Межд. науч.-практ. конф., Алматы, КазНТУ, 2006, С. 249-253.

2. Моделирование насосно-аккумуляторного привода передвижки крепи механизированного комплекса / Ю.И.Климов, Н.А.Дрижд, А.Ю.Климов и др. // Ударно-вибрационные системы, машины и технологии. Тр. Третьего Межд. научн. симп., Орел, ОрелГТУ, 2006, С. 250-255.

3. Крупник Л.А., Климов А.Ю. Модернизация привода передвижки механизированной крепи // Инновационные технологии в образовании и науке. Тр. Межд. науч.-методич. конф., Зыряновск, ВКГТУ, 2006, С. 67-68.

4. Климов А.Ю. Эффективность работы привода передвижки механизи-рованного комплекса // Тр. КарГТУ № 2, Караганда, КарГТУ, 2007, С. 55-57.

5. Крупник Л.А., Климов А.Ю. Хронометражные наблюдения за рабочими операциями крепей механизированных комплексов// Горный журнал Казахстана № 5, 2007, С. 15-19.

6. Айдарханов А.М., Климов А.Ю. Моделирование работы механи-зированного комплекса при групповой передвижке секций призабойного конвейера// Тр. КарГТУ № 3, Караганда, КарГТУ, 2007, С. 73-76.

7. Крупник Л.А., Климов А.Ю. Эффективность насосно-аккумуляторного привода передвижки механизированного комплекса// Горное оборудование и электромеханика № 9, М., 2007, С. 17-21.

8. Исследование и перспективы развития гидроприводов механи-зированных комплексов/Ю.И.Климов, Н.А.Дрижд, А.М.Айдарханов, А.Ю.Климов//Матер. Шестой Межд. конф. «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр», РУДН (Москва) – КарГТУ (Караганда), 2007, С. 261-262.

ТҮЙІН

 

Механикаландырылған кешеннің бекітпесін жылжытатын жетектің 

жұмыс істеу тиімділігін жоғарылату

 

Негізгі зерттеудің объектісі көмірді өндіру үшін бекітпелердің жылжытатын секцияларының гидравликалық жетегі және забой жанындағы механикаландырылған кешеннің конвейері болып табылады.

Жұмыстың мақсаты қозғалту циклінің ұзақтылығын қысқарту есебімен маникаландырылған кешен бекітпесінің жылжыту жетегінің тиімді жұмыс істеуін жоғарылатудан тұрады.

Жұмыста теоретикалық механика, сұйықтар және газдар механикасы, жалпылық қызмет көрсету теориясы және ЖЭЕМ қолданумен математикалық моделдеу қолданылды. Сонымен қатар Қарағанды көмір бассейіні үш шахтасында төрт типті механикаландырылған кешендерді жылжыту кезіндегі жұмыс операцияларын хронометраждық бақылаулар бойынша эксперименталдық зерттеулер жүргізілді. Бақылаулардың нәтижелерін статистикалық өңдеу арнайы программаны қолданумен ЭЕМ орындалды.

Диссертацияны орындау процесінде келесі нәтижелер алынды:

1. Сараптау барысында келесілер анықталды: –  барлық бекітпелердің жалпы кемшілігі – олардың жылжытудың төмен жылдамдығы, бұл қолданылатын кешендердің  көпшілігі жабдықталған СНТ-32 сору станциясының жеткіліксіз өнімділіктілігінің әсері болып табылады. Бұл жағдайлар қазіргі тазарту комбайндарының мүмкіндігін ұстап тұрады және көмір өндіру бойынша кешендердің өнімділігін шектейді. Ең ұзақ жұмыс операциялары бекітпелер секциясын жылжыту бойынша операциялар және конвейерлер секциясын топтап орын ауыстыру бойынша операциялар болып табылады, олар кешеннің өнімділігін жоғарылатуын тежейтін негізгі фактордың қызметін атқарады.

2. Жылдамдықтың мәнін қою үшін, цилиндрдің жылжыу уақытын жылдамдатуына және өзгертуге  мүмкіндік беретін, сондай-ақ жылжыту цикліндегі гидродомкрат штогының, бектіпенің және конвейердің секциясының жылжытатын гидродомкратының қоғалуының  дифференциалдық теңдеуін шешудің нәтижесімен дәлелденген. Бекітпелер секциясын жылжытатын сорғыштық-аккумуляторлық жетектің және импульстер генераторлары мен мультипликаторларды қолданумен конвейерлік желілерді жылжыту жетектерінің гидравликалық сұлбасы жасалған.

3. Бекітпелердің және конвейерлердің секцияларын жылжытудың  сорғыштық және сорғыштық-аккумулятролық жетектері шығындық сипаттамасының салыстырмалы сараптамасы, цилиндрлер және гидродомкрат  штогымен жылжытуда жұмысты орындау және импульстік генераторлар аккумуляторларының пайдалы көлемінің қажетті мәнін қою кезінде  аккумуляторлар мен сорғыштардың біріккен жұмыс істеу уақытының мәнін анықтауға мүмкіндік берді.

4. «ADAMS 2003» програмасының көмегімен бекітпелер секцияларын жылжытудың және конвейерлер секцияларын топтық ауыстыру процестерінің моделі жасалды және машиналық эксперименттердің нәтижесінде сорғыштық жылжытумен салыстырғанда сорғыштық-аккумуляторлық жылжыту артықшылығы анықталды, ол бектпені жылжыту ұзақтылығын 16,4  % және конвейерлер секциясын топпен жылжыту ұзақтылығын 83  % төмендетумен қорытындыланады. Моделдеудің нәтижелері бойынша аккумуляторлар мен мультипликаторлардың режимдік және рационалдық геометриялық параметрлері анықталған. 

5. «Arcelor mittal temirtau» КД АҚ «Саран» және Күзембаев атындағы, Ленин атындағы шахталарында жүргізілген «Фазос 12/28», 2ОКП70К, «Фазос 24/53» және «Пиома 25/45-ОЗ» механикаландырылған кешендерінің бекітпелеріне қызмет көрсету уақытының хронометраждық бақылауы, бектіпелерді жылжыту циклінде жеке жұмыс операцияларының ұзақтылығын белглеуге мүмкіндік береді және конвейерлік желілер секциясының топтық орын ауысуы кезінде кездейсоқ шамаға және бөлудің кез келген заңына бағынады, олардың математикалық күтулерін анықтау болып табылады. Барлық кешендер үшін ең көп уақыт шығыны бекітпелер секциясын жылжыту және конвейерлер секциясын топтық орын ауыстыру (циклдің жалпы уақытында 40-50 % дейін) операциялары болып табылады

6. Сорғыштық-аккумуляторлық жетекті қолдану тиімділігін бағалау, қызмет көрсетудің орташа уақытында жалпы қызмет көрсету теориясының математикалық аппаратын қолдану мен бөлудің кез келген заңын бөлу заңдарының жеке операциялар көрсеткіштерінің ұзақтылығына ауыстыру жолымен орындалған. Бұл кезде бөлудің көрсеткіш заңдарының параметрлері жұмыс операциялары ұзақтылығының шамасы, кері математикалық күтілулері ретінде анықталған.

7. Комбайнның 4 м/мин ілгерілеу орташа жылдамдығы үшін 0,067; 0,049; және 0,018; 0,0086 сәйкес тең болған жылжытудың сорғыштық және сорғыштық-аккумуляторлық жетектерін қолдану кезінде конвейерлік желілерді жылжытудың артта қалып қалуынан және өңдеу бекітпелерінің арта қалуынан тазарту комбайнінің тұрып қалуы себептері бойынша істен шығу мүмкіндіктерінің мәні анықталған. Жаңа жетекті қолданудың жылдық эконмикалық тиімділігі көмірді алудың кертпештік және челноктік сұлбалары үшін 434,4 млн. теңгені және 1 млрд. 432 млн. теңгені құрады, бұл алулардың кертпештік және челноктік сұлбалары кезінде көмірді өндіруді жылына  150 мың тоннаға және 500 мың тоннаға  көбейтуге тең.

Бізбен әзірленген «Механикаландырылған кешендердің жылжыту жетектерінің тиімділігін есептеудің әдістемесі» Қарағанды қаласының «Гипроуглегормаш институты» ААҚ және «Тау-кен машиналары» (Қарағанды қ.) заводына қолдану үшін берілді.

 

 

Summary

 

Increasing Efficiency of Powered Complex Support Movement

Drive Operation

         

The object of the present studies has been a hydraulic drive of support sections and face conveyer of powered coal mining complexes movement.

The purpose of the work has been in increasing the efficiency of powered complex support movement drive operation at the expense of decreasing the movement cycle duration.

In the work there have been methods of theoretical mechanics, mechanics of liquids and gases, theory of mass service and mathematical modeling using PC. Besides, there have been carried out experimental studies in chronometric observing the working operations in four types powered complexes movement at three mines of the Karaganda coal basin. Statistical processing of the observation results has been carried out on PC using a special program.

In the process of the dissertation performing there have been obtained the following results:

1. The analysis has determined that the general disadvantage of all the supports is their low movement speed, which is a consequence of insufficient productivity of the pump station SNT-32 with which most of the used complexes are equipped. This fact limits the possibilities of modern cutter-loaders and productivity of coal mining complexes. The longest working operations are a support section movement and group movement of the conveyer sections carried out by the movement hydraulic jack, which serves as a main limiting factor of increasing the complex productivity.

2. There has been worked out a hydraulic scheme of the pump-and-accumulator drive of support sections  and conveyer line movement using pulse generators and multiplier which permits to increase the rate and pressure of working fluid in the movement drive, which has been confirmed by the results of differential equations solution for the movement hydraulic drive permitting to determine the values of speeds,  accelerations and time of the hydraulic jack cylinder and stock movement for a moving cycle.

3. The comparative analysis of the rate characteristics of the pump and pump-and-accumulator drives of the support sections and conveyer movement gave the possibility to determine the values of the pumps and accumulators joint operation time in the cylinder and stock working stroke and to obtain the necessary values of pulse generators accumulators useful volumes.

4. There have been worked out the models of the support sections movement and group movement of the conveyer sections in the medium of “ADAMS 2003” program and in the result of the machine experiment there has been stated the advantage of the pump-and-accumulator drive in comparison to the pump one, which consists in 16,4 %  decrease of the duration of the support movement and 83 % decrease of the conveyer sections group movement. As a result of the modeling there have been verified the parameters of accumulators and multiplier. 

5. The chronometric observations of the powered complexes supports  “Fazos 12/28”, 2OKP70K, “Fazos 24/53” and “Pioma 25/45-O3” service time carried out at Lenin mine, Kuzembauev mine and “Saranskaya” mine of JSC Arcelor mittal temirtau permitted to set up that the durations of individual working operations in the cycle of the support movement and in the conveyer line sections group movement are random values and subordinate the random laws of distribution, as well as to determine their mathematical expectations. The most time consuming for all the complexes there appeared the operations of the support sections movement and conveyer sections group movement (up to 40-50 % of the total cycle time).

6. The estimation of the efficiency of using the pump-and-accumulator drive has been carried out using the mathematical apparatus of the mass service theory by means of substituting the random laws of distribution with the demonstrative law of distribution, but with the same average time of service. Besides, the parameters of the demonstrative laws of distribution have been determined as values reverse to the mathematical expectations of the working operations duration.

7. There have been the values of possible failures by the reason of the cutter-loader idle time due to the delay of the working supporting and due to the delay of the conveyer line movement when using the pump and pump-and-accumulator drives, which for  the  average  speed  of  the  cutter-loader  movement 4 m/min appeared to be equal to 0,067; 0,049 and 0,018; 0,0086. The yearly efficiency of using the new drive calculated taking into account possible failures counted for the shuttle and bench schemes of mining 434,4 mln tenge and 1 mlrd 432 mln tenge, relatively, which is equal to the mining increase 150000 t and 500000 t per year, relatively.

“Methods of calculating efficiency of powered complexes movement drive” worked out by us has been given for use to LLC “Institute Giprouglegormash” (Karaganda) and to “Mining machines” shops (Karaganda).