Обоснование и выбор параметров бункер – перегружателей в составе комплектов горно-проходческого оборудования
На правах рукописи
ФИЛОНЕНКО Александр Александрович
ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР
ПАРАМЕТРОВ БУНКЕР–ПЕРЕГРУЖАТЕЛЕЙ В
СОСТАВЕ КОМПЛЕКТОВ ГОРНО-ПРОХОДЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новочеркасск – 2010
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Носенко Алексей Станиславович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Ляшенко Юрий Михайлович
кандидат технических наук, доцент
Чефранов Валерий Васильевич
Ведущее предприятие – ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»
Защита состоится «24» декабря 2010 г. в 14 часов на заседании специализированного диссертационного совета Д 212.304.04 при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132. (гл. корпус, к. 107).
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета, с текстом автореферата – на сайте ЮРГТУ(НПИ): www.npi-ru.
Автореферат разослан «22» ноября 2010 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн. наук, профессор |  | В.С.Исаков |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Основным фактором повышения скорости проведения выработок является рациональная и четкая организация эксплуатации транспортных машин, используемых для своевременного перемещения горной массы и доставки в забой необходимого количества вспомогательных материалов. В определенных горно-геологических и горно-технических условиях возможно различное сочетание форм и методов организации транспортирования горной массы и вспомогательных грузов, обеспечивающих скоростное проведение горных выработок.
Анализ процесса транспортирования крепких крупнокусковых материалов с помощью существующих транспортных средств (ленточных, скребковых и пластинчатых конвейеров) выявил их недостаточную эффективность из-за конструктивных и технологических недостатков. В рамках решения проблемы призабойного транспорта разработаны, созданы и испытаны конструкции клиновых перегружателей и перегружателей с изменяемой высотой транспортирующих элементов, обеспечивающих непрерывную механизированную погрузку горной массы, образовавшейся за проходческий цикл.
Процесс погрузки и транспортирования горной массы в ряде случаев, в частности, в условиях рудников и тоннелей имеет существенное отличие – цикличность. Это связано с затратами времени на обмен транспортных средств периодического действия - автомобилей. При использовании небольшого парка автомобилей и значительной длине транспортирования горно-проходческая машина вынуждена простаивать в ожидании следующего автомобиля. Увеличение парка автомобилей приводит к увеличению себестоимости работ и не исключает непроизводственных потерь времени на маневровые операции при их обмене. Указанные особенности не позволяют эффективно использовать перегружатели в транспортной цепочке. Обеспечить непрерывность процесса погрузки и повысить эффективность производства работ возможно применением бункера-перегружателя, который во время ожидания автомобиля служит накопителем горной массы, поступающей от проходческого комбайна (погрузочной машины), а в процессе загрузки автомобиля является одновременно и накопителем, и перегружателем.
К настоящему времени известны бункер-перегружатели, предназначенные для обеспечения непрерывной работы комбайновых комплексов в составе доставочного оборудования периодического действия. Примером может служить бункер перегружатель БП-15 грузоподъемностью 15т, разработанный ОАО «Копейский машиностроительный завод». К недостаткам, можно отнести его ограниченную область применения по крепости транспортируемых материалов, относительно высокую металлоемкость и стоимость, что снижает эффективность использования.
Основой для бункер-перегружателя, в составе горнопроходческого оборудования при строительстве автомобильных тоннелей, могут служить конструкции перегружателей с возвратно-поступательным движением тягово-транспортирующего органа и изменяемой геометрией транспортирующих элементов. Однако, разработка конструкции и выбор его параметров возможны только на основе исследований рабочих процессов и закономерностей формирования производительности всех машин транспортной цепочки «проходческая машина – бункер-перегружатель – автомобиль».
Таким образом, разработка методики выбора параметров бункер-перегружателя в составе комплектов горно-проходческого оборудования, для использования его в сочетании с транспортными средствами периодического действия, является актуальной задачей.
Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа входит в состав научного направления: «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда» утвержденному ученым советом ЮРГТУ (НПИ) 25.01.01г. и выполнена в рамках темы П-53-767 – «Исследование рабочих процессов и совершенствование конструкций горнопроходческих машин», проводимой кафедрой «Сервис транспортных и технологических машин» Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ).
Цель работы. Повышение эффективности горно-проходческого оборудования путем применения бункер-перегружателя с возвратно-поступательным движением тягово-транспортирующего органа и изменяемой геометрией транспортирующих элементов, на основе синтеза его компоновочной схемы и выбора параметров по результатам исследований рабочих процессов всех элементов транспортной цепочки «проходческая машина – бункер-перегружатель – автомобиль».
Идея работы. Применение бункер-перегружателя в сочетании с автомобильным транспортом для согласования работы горно-проходческого оборудования и обеспечения непрерывности грузопотока.
Научные положения, разработанные лично соискателем:
- производительность шахтных погрузочных машин непрерывного действия и проходческих комбайнов избирательного действия подчиняется закономерностям формирования производительности их исполнительных органов; при этом, коэффициент неравномерности грузопотока на выходе машин kн зависит от крепости погружаемого материала f и описывается формулой kн 1+ 0,02f ;
- выбор горно-проходческого оборудования в составе комплектов, предусматривающих комбайновый или буровзрывной способ проведения выработки, наличие бункер-перегружателей и перемещение горной массы транспортом периодического действия, целесообразно осуществлять с учетом непрерывности грузопотока всей транспортной системы при обеспечении технической производительности не ниже заданной;
- критерием оптимальности параметров бункер-перегружателя с возвратно-поступательным движением тягово-транспортирующего органа и изменяемой геометрией транспортирующих элементов, определяющих как производительность перегружателя, так и его технологические возможности в составе комплектов горно-проходческого оборудования, служит минимальная удельная энергоемкость процесса транспортирования в установившемся режиме при заданной системе ограничений.
Новизна научных положений состоит в том, что:
- установленные закономерности формирования грузопотоков горно-проходческих машин отличаются тем, что учитывают их неравномерность в зависимости от крепости погружаемого материала и позволяют обоснованно выбирать параметры всех машин, входящих в комплект оборудования;
- вывод о целесообразности выбора горно-проходческого оборудования с учетом непрерывности грузопотока транспортной системы, получен в результате производственных исследований по изучению влияния горно-геологических, горно-технических и эксплуатационных факторов на формирование грузопотоков шахтных погрузочных машин непрерывного действия и проходческих комбайнов избирательного действия, при их совместной работе с транспортными средствами периодического действия;
- принятые критерий оптимальности и система ограничений параметров бункер-перегружателя отличаются тем, что учитывают конструктивные и технологические параметры всех машин транспортной цепочки «проходческая машина – бункер-перегружатель – автомобиль»: производительность на выходе проходческой машины, вместимость и производительность бункер-перегружателя при разгрузке, длину транспортирования горной массы, емкость кузова и количество автомобилей, вписываемость оборудования в выработку, а также конструктивно-компоновочные, силовые и кинематические ограничения.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных апробированных методов исследований: анализом научно-исследовательских работ по теме диссертации; применением статистических методов планирования и обработки экспериментов; использованием современных ЭВМ и программных продуктов для выполнения расчетов и обработки экспериментальных данных; оценками адекватности результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение расчетных и опытных данных в большинстве точек исследованной области не превышает 20%, что удовлетворяет данному типу исследований); достаточным объемом экспериментальных данных (при доверительной вероятности 0,9, коэффициент вариации не превышает 0,18).
В работе защищаются:
- экспериментально установленные закономерности формирования производительности погрузочных машин непрерывного действия, проходческих комбайнов избирательного действия и бункер-перегружателей с возвратно-поступательным движением тягово-транспортирующего органа и изменяемой геометрией транспортирующих элементов;
- основные положения методики и алгоритм выбора параметров бункера-перегружателя в зависимости от технологических условий его применения в составе комплектов горнопроходческого оборудования.
Значение работы. Научное значение работы состоит в установлении закономерностей формирования производительности и грузопотоков, как при работе отдельных горнопроходческих машин, так и в составе комплектов горнопроходческого оборудования, состоящих из проходческой машины, бункер-перегружателя и автомобильного транспорта.
Практическое значение работы заключается в том, что разработанная методика выбора параметров бункера-перегружателя в составе комплекта горно-проходческого оборудования, позволяет обоснованно производить их параметрическую оптимизацию на стадии проектирования по критерию минимальной удельной энергоемкости в заданной системе ограничений.
Реализация работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Тоннельдорстрой» и используются при разработке перспективных технологических схем для строительства тоннелей комбайновым и буровзрывным способами с применением бункер-перегружателя и автомобильного транспорта.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на симпозиумах «Неделя Горняка-2009, 2010», г. Москва; на VIII международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», г. Воркута (2010 г.); на научно-практических конференциях Шахтинского института ЮРГТУ (НПИ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемом научном журнале, рекомендуемом ВАК России.
Объём и структура диссертации. Работа изложена на 178 страницах с рисунками и таблицами. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, включая литературный обзор. Список цитированной литературы содержит 60 наименований.
Автор выражает признательность кандидатам технических наук Р.В. Каргину и В.Г. Хазановичу за оказанную поддержку и методические советы на различных этапах исследований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Первая глава посвящена изучению состояния вопроса и постановке задач исследований.
Вопросами совершенствования горно-проходческой техники занимались многие известные ученые: докт. техн. наук Г.В. Родионов, А.Д. Костылев, Я.Б. Кальницкий, С.С. Музгин, А.А. Соловьев, С.А. Полуянский, Л.И. Кантович, Г.С. Рахутин, В.И. Гетопанов, В.И. Солод, Г.И. Солод, Г.М. Водяник, Б.А. Верклов, В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, Н.И. Сысоев, Г.Ш. Хазанович, А.И. Деев, А.Н. Дровников, Ю.М. Ляшенко; канд. техн. наук О.П. Иванов, В.Г. Сильня, В.Д. Ерейский, В.Г. Хазанович и др.
Решению задачи выбора параметров транспортных средств, в том числе бункер-перегружателей, посвящены работы А.О. Спиваковского, И.Г. Штокмана, Б.А. Кузнецова, Л.Г. Шахмейстера, Д.М. Беленького, И.Д. Мариана, А.С. Логвинова, Р.В. Каргина и др.
Анализ литературных источников, посвященных изучению технологии проведения горных выработок, конструкций и рабочих процессов горно-проходческих машин, позволяет сделать следующие выводы.
1. На основании выполненных к настоящему времени исследований разработаны рекомендации по совершенствованию проходческих перегружателей путем применения тягово-транспортирующего органа с гидроприводом возвратно-поступательного действия и измененяемой высотой транспортирующих элементов в процессе работы. Исследования рабочих процессов и параметров предложенных конструкций перегружателей направлены на обеспечение непрерывности процесса погрузки горной массы в состав вагонеток в условиях угольных шахт и не учитывают цикличности процесса погрузки и транспортирования горной массы в условиях рудников и тоннелей в сочетании с автомобильным транспортом.
2. Изучены рабочие процессы взаимодействия с крупнокусковым сыпучим материалом погрузочных органов горно-проходческих комбайнов избирательного действия и шахтных погрузочных машин непрерывного действия. Однако полученные закономерности требуют уточнения с точки зрения неравномерности грузопотоков. Применение разработанных математических моделей к тягово-транспортирующему органу перегружателя, работающему внутри штабеля материала, затруднительно, из-за ряда особенностей рабочих процессов.
3. Отсутствуют научно обоснованные методы выбора параметров бункер-перегружателей с клиновым тягово-транспортирующим органом в составе комплектов горно-проходческого оборудования по критерию обеспечения непрерывности грузопотока.
На основании сделанных выводов для достижения поставленной цели диссертации были сформулированы следующие задачи.
1. Проведение экспериментальных исследований закономерностей формирования производительности и нагрузок в приводе горно-проходческих машин.
2. Моделирование работы комплектов горно-проходческого оборудования, включающих бункер-перегружатели с изменяемой высотой транспортирующих элементов и гидроприводом.
3. Разработка основных положений методики выбора параметров бункер-перегружателя для работы в составе комплектов горно-проходческого оборудования.
Вторая глава – экспериментальные исследования процессов формирования производительности и нагрузок в приводе шахтных погрузочных машин непрерывного действия, проходческих комбайнов избирательного действия и перегружателей с изменяемой высотой транспортирующих элементов и гидроприводом поступательного действия.
Для оценки конструктивных возможностей горно-проходческих машин предложено ввести и использовать понятия достигнутой мгновенной производительности машины и достигнутой пропускной способности ее конвейера. Первый показатель определяется как отношение максимального объема материала, находящегося на конвейере погрузочной машины, к времени прохождения груза по конвейеру, второй – как произведение максимальной площади поперечного сечения транспортируемого потока горной массы на скорость его перемещения.
Замеры технической и мгновенной производительности проведены применительно к погрузочным машинам ПНБ3Д2 и ПНБ3Д2М в условиях Джезказганского ГМК и ОАО «Тоннельдорстрой» г. Сочи. При проведении исследований, были использованы методика и оборудование, разработанные на кафедре «Горные машины и оборудование» Шахтинского института ЮРГТУ (НПИ). Один из вариантов размещения оборудования в выработке, месторасположение точек видео- и фотосъемки, приведен на рис. 1. На схеме показаны варианты расположения машины в забое при проведении экспериментов, а так же приведены точка видеосъемки при замерах производительности. Основные интегральные результаты исследований приведены в таблице 1, где указаны количество замеров по каждой из машин, время загрузки мерной емкости, значения паспортной и достигнутой технической производительности по результатам замеров. Погрузка материала осуществлялась в автосамосвалы типа МоАЗ на пневмошинном ходу с объемом кузова 12 м3.
Таблица 1
Результаты замеров технической производительности
| Наименование машины | Количество загруженных самосвалов | Время загрузки самосвалов, мин | Паспортная производительность, м3/мин | Техническая производительность, м3/мин |
| ПНБ-3Д2 (проходка) | 6 | 2,75 | 5,0 | 4,37 |
| ПНБ-3Д2М (проходка) | 8 | 1,51 | 5,8 | 7,2 |
| ПНБ-3Д2М (добыча) | 12 | 1,87 | 5,8 | 6,42 |
Интервал обработки составил 8-10с с частотой 0,5-1с, что соответствует времени прохождения груза по конвейеру; при этом значение объема материала, погруженного машиной отнесенное к времени замера соответствует достигнутой мгновенной производительности машины для данных условий. Максимальное значение площади поперечного сечения транспортируемого материала на конвейере, умноженное на фактическую скорость тяговой цепи соответствует достигнутой пропускной способности конвейера для данных условий. Сводная таблица результатов замеров производительности шахтных погрузочных машин ПНБ3Д2, ПНБ3Д2М приведены в таблице 2.
Таблица 2
Сводная таблица результатов замеров производительности шахтных
погрузочных машин
| Наименование параметра | ПНБ-3Д2 (проходка) | ПНБ-3Д2М (добыча) | ПНБ-3Д2М (проходка) |
| Паспортная техническая производительность, м3/мин | 5,0 | 5,8 | 5,8 |
| Техническая производительность, м3/мин | 4,37 | 6,42 | 7,2 |
| Максимальная достигнутая мгновенная производительность, м3/мин | 7,89 | 9,94 | 9,69 |
| Средняя достигнутая мгновенная производительность, м3/мин | 6,08 | 8,62 | 8,22 |
| Средняя достигнутая пропускная способность конвейера, м3/мин | 10,58 | 13,49 | 10,53 |
Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:
- производительность шахтных погрузочных машин непрерывного действия подчиняется закономерностям формирования производительности их рабочих органов;
- достигаемая мгновенная производительность погрузочных машин непрерывного действия при погрузке крепких пород и руды превышает их техническую производительность на 20-40 %, что свидетельствует о резервах, заложенных в конструкциях машин;
- коэффициент неравномерности грузопотока на выходе машин kн зависит от крепости материала f и описывается формулой kн 1+ 0,02f.
Анализ результатов моделирования режимов работы проходческих комбайнов избирательного действия типа ГПКС, КП21, КП25 позволил установить несбалансированность производительности погрузочного и исполнительного органов, что экспериментально подтверждено при проведении производственных исследований. Пределы изменения влияющих факторов, принятых к исследованию, приведены в таблице 3.
Таблица 3
Пределы изменения влияющих факторов
| Наименование влияющих факторов | Единицы измерения | Пределы измерения |
| Крепость пород и углей, | - | 2 – 5 |
| Угол поворота исполнительного органа в вертикальной плоскости, в | град | -15° - +15° |
| Средний размер куска, а | м | 0,08 - 0,25 |
| Коэффициент разрыхления материала, Кр | - | 1,3 - 1,7 |
| Угол естественного откоса, 0 | град | 25 - 45° |
| Начальная величина надвигания штабеля на питатель, SH0 | м | 0,1 - 0,35 |
Графическая интерпретация результатов экспериментальных исследований производительности комбайнов серии ГПКС приведена на рис. 2. Анализ результатов показал, что при увеличении крепости f с 2 до 5 ед. по шкале проф. М.М. Протодьяконова, производительность комбайна уменьшается с 3,24 до 2,04 м3/мин, т.е. в 1,6 раза, вследствие уменьшения глубины внедрения короны в забой и соответственно производительности разрушения. Производительность комбайна не зависит от направления перемещения короны в вертикальной плоскости и изменяется в зависимости от в. Угол в при проведении экспериментов варьировался в пределах от 0° до ±15°, что отражает реальные условия эксплуатации комбайна. Максимальная производительность реализуется при угле поворота в=0°, минимальная – при в = ±15°.
Производительность комбайна зависит от свойств разрушенного материала. Их влияние учтено крупностью разрушенного материала (средний размер куска а) и коэффициентом разрыхления горной массы Кр. Увеличение производительности при увеличении Кр незначительно: от 3,0 м3/мин до 3,24 м3/мин. Изменение крупности материала более существенно влияет на производительность комбайна, увеличивая ее с 3,0 до 3,78 м3/мин, т.е. в 1,26 раза.
 Рис. 2. Экспериментальные исследования производительности комбайнов |
Установлено, что у проходческих комбайнов, являющихся комплексом оборудования с конструктивными и технологическими связями между элементами, выполняющими одновременно операции разрушения и погрузки горной массы, необходимо оценивать производительность не количеством разрушенного материала, а величиной грузопотока формируемого в процессе погрузки горной массы. Проведенные экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы:
- производительность погрузочного органа недостаточна в отдельные периоды работы, из-за чего возможны остановки процесса разрушения и потери производительности комбайна в целом;
- средняя производительность погрузочного органа при горизонтальном резании, ниже производительности разрушения, что обуславливает необходимость повышения производительности погрузочных органов комбайнов;
- неравномерность грузопотока на выходе комбайна, при полной загрузке рабочего органа, подчиняется закономерностям, присущим погрузочным машинам непрерывного действия.
В ходе проведения экспериментов на проходческих перегружателях изучалось влияние высоты слоя материала над транспортирующими элементами (ТЭ) на формирование усилий в тягово-транспортирующем органе (ТТО) и объемов транспортирования на установке с изменяемой высотой ТЭ (рис. 3). Измерительным звеном служили датчики давления, подключенные к плате АЦП, установленной в персональный компьютер. Исследования сопротивлений внедрению и транспортированию проводились замерами усилий в гидроцилиндрах на холостом ходу и под нагрузкой, с послойной загрузкой перегружателя материалом по всей длине.
Рис. 3. Экспериментальная установка
Полученные результаты подтвердили наличие зависимости усилий в ТТО от высоты слоя транспортируемого материала и адекватность теоретических положений реальному процессу (рис. 4).
 |  |
Рис. 4. Графики зависимости усилий в ТТО:
а) процесс внедрения; б) процесс проталкивания
| Рис. 5. Формирование объемов транспортирования |
Исследования формирования объема единичного транспортирования проводились путем фиксации массы материала на выходе перегружателя при устойчивом грузопотоке. Исследования подтвердили адекватность теоретических положений, как по объемным, так и по массовым характеристикам (рис. 5), с расхождением не более 20%.
Третья глава посвящена моделированию работы комплектов горно-проходческого оборудования на основе бункер-перегружателей с изменяемой высотой транспортирующих элементов.
Отсутствие в настоящее время данных о возможности применения перегружателей для проведения горных выработок в условиях рудников и тоннелей в сочетании с транспортными средствами периодического действия, ставит задачу моделирования работы комплектов горно-проходческого оборудования, требующей в свою очередь: разработки технологических схем проведения подготовительных выработок с использованием бункер-перегружателя; выбора конструктивных схем бункер-перегружателя; разработки методики выбора его основных конструктивных параметров.
Создание бункер-перегружателя, адаптированного к многообразным изменяющимся условиям проведения выработок, представляет труднодостижимую задачу, и будет целесообразно и выполнимо для некоторого диапазона горно-геологических и горно-технических условий в увязке с применяемым призабойным оборудованием наиболее распространенных типов. При проведении подготовительных выработок в условиях тоннелей и рудников наибольшее распространение получили погрузочные машины непрерывного действия ПНБ3Д и ПНБ3Д2М, проходческие комбайны избирательного действия 1ГПКС, КП21 и автосамосвалы МоАЗ-7405-9586 и МоАЗ-7529.
Для осуществления загрузки горной массы в автосамосвал с помощью бункер-перегружателя могут быть реализованы следующие технологические схемы, учитывающие его особенности: расположение бункер-перегружателя по оси выработки с установкой его на монорельсе (рис. 6, а); расположение бункер-перегружателя по оси выработки с установкой его на раме (рис. 6, б); расположение бункер-перегружателя у стенки выработки с установкой его на раме (рис. 6, в).
Анализ технологических вариантов и предъявляемых к ним требований позволил установить, что выбор варианта размещения бункер-перегружателя в забое следует выполнять по условию вписывания проходческого оборудования в сечение выработки; при этом, горно-технические условия проведения выработки и технологическая схема размещения оборудования в забое оказывают влияние на выбор конструктивной схемы бункер-перегружателя.
Основой для бункер-перегружателя служат конструкции перегружателей с возвратно-поступательным движением ТТО и изменяемой, относительно желоба, геометрией транспортирующих элементов. Анализ рабочих процессов перегружателей показал, что использование гидропривода, и для возвратно-поступательного перемещения тягово-транспортирующего органа, и для управления высотой транспортирующих элементов, обеспечивает лучшие эксплуатационные показатели.
| а) | |
| б) | |
| в) |
Рис. 6. Варианты схем размещения бункер-перегружателя в забое
Поэтому, для дальнейших исследований в качестве конкурирующих вариантов, принимаем следующие конструктивные решения:
«А» - перегружатель с подвижным днищем, неподвижными клиновыми стопорными элементами и транспортирующими элементами, изменяющими свою высоту относительно днища (рис. 7,а);
«Б» - перегружатель с транспортирующими элементами, изменяющими свое положение относительно подвижных бортов (рис. 7,б);
«В» - перегружатель с изменяемой геометрией транспортирующих элементов и совмещением рабочего и холостого хода (рис. 7,в).
Основными параметрами для выбора конструктивной схемы перегружателя из условия нормального вписывания в выработку арочного сечения при выполнении основных операций проходческого цикла в комплекте с используемым призабойным оборудованием являются габаритные ширина Вп и высота перегружателя Нп.
| а) |  |
| б) |  |
| в) |  |
Рис. 7. Конкурирующие варианты конструктивных решений перегружателей
Ширина перегружателя Впmax принимается максимально возможной для данного сечения выработки из условий вписывания перегружателя и другого призабойного оборудования в сечение выработки и осуществления ими необходимых технологических и маневренных операций проходческого цикла.
При осевом расположении перегружателя:
- условие полной выгрузки штабеля 
, где Вв – ширина выработки в свету; ВПО – ширина погрузочного органа проходческого комбайна или погрузочной машины; lк – длина хвостовой секции конвейера проходческого комбайна или погрузочной машины; – угол поворота хвостовой секции конвейера в горизонтальной плоскости;
- условие вписывания оборудования в сечение выработки для выполнения маневровых операций в призабойной зоне 
, где b1 - минимально допустимый зазор между погрузочной машиной и стенкой выработки; b2 - минимально допустимый зазор между машиной и перегружателем.
При расположении перегружателя у стенки выработки:
- условие полной выгрузки штабеля 
, где С - расстояние от стенки выработки до перегружателя, достаточное для безопасного прохода людей;
- условие вписывания оборудования в сечение выработки для выполнения маневровых операций в призабойной зоне и в зоне загрузки автосамосвала 
, где Вкуз – ширина кузова автосамосвала.
Высота перегружателя Нп должна обеспечивать возможность его загрузки конвейером проходческого комбайна или погрузочной машины, с другой стороны, возможность загрузки кузова автосамосвала из условий вписывания перегружателя в сечение выработки. В общем виде габаритная высота перегружателя выглядит следующим образом 
, где Нб – высота бортов перегружателя; д– толщина днища; hпд – высота подднищевого пространства, необходимая для опускания транспортирующих элементов.
При загрузке перегружателя высота бортов бункера должна отвечать условию 
, где hразгр – высота разгрузки конвейера погрузочной машины или проходческого комбайна.
С другой стороны, высота бортов бункера должна обеспечивать накопление объема материала, поступающего в перегружатель во время обмена автосамосвалов 
, где Vб – объем бункера перегружателя; Вж – ширина желоба перегружателя; lб – длина бортов бункера.
При разгрузке перегружателя в автосамосвал должны выполняться следующие условия:
Рис. 8. Выбор технологической схемы размещения бункер-перегружателя
в забое и его конструктивной схемы
- при осевой загрузке автосамосвала 
, где Нв – высота выработки в свету; Нкуз – высота бортов кузова автосамосвала; С2 – расстояние от кровли выработки до перегружателя по правилам безопасности;
- при параллельной загрузке автосамосвала 
, где hт – высота разгрузочной течки.
Выполненный анализ условий вписывания призабойного оборудования в сечение выработки позволяют сформулировать принципы выбора технологической схемы размещения бункер-перегружателя в забое и его конструктивной схемы (рис. 8).
В четвертой главе осуществлено математическое моделирование и сформулированы основные положения методики выбора параметров бункер-перегружателей в составе комплектов горно-проходческого оборудования. Необходимость создания такой методики вызвана многовариантностью возможных сочетаний параметров при конструировании промышленных образцов.
В качестве научно-методической базы для решения поставленной задачи может быть принят такой аппарат исследования операции, при котором обеспечивается достижение экстремума некоторой целевой функции при заданной (обоснованной) системе ограничений.
Оптимизируемыми параметрами приняты: ширина желоба, высота бортов, длина става перегружателя, емкость (вместимость) бункера. Емкость бункера должна обеспечивать прием максимального кратковременного грузопотока, определяемого с учетом коэффициента неравномерности kн, значение которого установлено экспериментально, но не быть меньше объема кузова автосамосвала.
Целевой функцией принята удельная энергоемкость транспортирования, которая определяется как отношение средней работы за цикл ТТО к произведению среднего объема груза на выходе и длины перегружателя
awLп = Аср /(Vср Lп) min
Применительно к перегружателю с изменяемой высотой ТЭ численное значение Аср определяется произведением суммы полного сопротивления W на ход ТТО . Полное сопротивление ТТО W зависит от сопротивлений внедрению WВН и проталкиванию WПР, определяемых на основании теоретически полученных зависимостей, и сопротивлений холостого хода при внедрении
.
Объем материала на выходе перегружателя определяется объемом зоны выпора штабеля VЗ.В. и безразмерным коэффициентом Кхода, учитывающим ход ТТО и линейный размер зоны напряженного состояния в плоскости днища l.
.
Система ограничений представлена шестью группами: силовыми, геометрическими, горно-техническими, конструктивно-компоновочными, кинематическими и пропускными. Обобщенный анализ оптимизируемых параметров перегружателя, пределы их изменения и значения приведены в таблице 4.
Таблица 4
Пределы изменения и значения параметров перегружателя
| Наименование параметра | Обозначение | Пределы изменения | |
| min | max | ||
| Длина перегружателя, м | Lп | 7 | 52 |
| Угол трассы перегружателя, град | пер | 6 | 21 |
| Ширина желоба перегружателя, м | Вж | 0,6 | 2,4 |
| Ход ТТО, м | 0,8 | ||
| Угол заострения стопорного элемента, град | ст | 10 | |
| Высота стопорного элемента, м | hст | 0,1 | |
| Высота транспортирующего элемента, м | hтр | 0,2 | |
| Радиус закругления ТЭ, м | R | 0,8 | |
Задача поиска экстремума функции многих переменных, определяемой системой ограничений, решается на основании теоретически полученных математических моделей методом конечных приближений.
Результаты моделирования рабочего процесса показали, что значения удельных энергоемкостей awLп в заданной системе ограничений находятся в пределах 35-40кДж/(м3м). Для скребковых конвейеров при транспортировании крепких пород они составляют 68-81кДж/(м3м), а для клиновых – 42-55кДж/(м3м).
При увеличении ширины желоба перегружателя увеличивается масса подвижных частей, что приводит к повышению значений работы. В тоже время увеличивается объем материала на выходе перегружателя, поэтому повышения удельной энергоемкости не происходит. При увеличении ширины желоба и, соответственно, габаритной ширины перегружателя, необходимо пропорционально увеличивать ширину выработки.
В таблице 5 представлены результаты расчетов удельной энергоемкости для различных конструктивных схем перегружателей при оптимальных параметрах ТТО. В числителе указаны значения для осевого расположения бунке-перегружателя в выработке, в знаменателе – для расположения у стенки выработки.
Таблица 5
Оптимизация параметров перегружателя
| Схема бункер-перегружателя | Угол трассы перегружателя, пер, град | Длинна перегружателя, Lпер, м | Ширина желоба перегружателя, Вж, м | Ширина выработки, Вв, м | Высота выработки, Нв, м | Прогнозные значения удельной энергоемкости, аwLn, кДж/м3м |
| «А» | 10 | 12 | 0,9 | 8-14 5-7 | 5 6,5 | 35,4 |
| «Б» | 20 | 6 | 0,9 | 10-14 6-7 | 4 5,5 | 36,8 |
| «В» | 20 | 6 | 0,9 | 10-14 6-7 | 5 6,5 | 39,8 |
По разработанной методике, с учетом технологической схемы строительства автомобильного тоннеля в условиях объездной дороги Курортного проспекта в г. Сочи, выбраны рациональные параметры и спроектирован бункер-перегружатель емкостью 15 м3 в составе комплекта горнопроходческого оборудования, состоящего из проходческого комбайна КП-25 и автосамосвалов МоАЗ-7529 (рис.9). Ожидаемые производительность разгрузки и удельная энергоемкостью - 6,9 м3/мин и 35 кДж/м3м.
Рис. 9. Компоновочная схема бункер-перегружателя
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации решена актуальная научно-техническая задача - повышение эффективности работы горно-проходческого оборудования путем применения бункер-перегружателя с возвратно-поступательным движением тягово-транспортирующего органа и изменяемой геометрией транспортирующих элементов, на основе синтеза его компоновочной схемы и выбора рациональных параметров по результатам исследований рабочих процессов всех элементов транспортной цепочки «проходческая машина – бункер-перегружатель – автомобиль».
Основные научные выводы и практические результаты исследований заключаются в следующем.
1. Установлены факторы, не позволяющие эффективно использовать известные перегружатели в транспортной цепочке «проходческая машина – перегружатель – автомобиль», в частности - цикличность процессов погрузки и транспортировки материала. Для заданной технологии предложено применение бункер-перегружателя с возвратно-поступательным движением тягово-транспортирующего органа и изменяемой геометрией транспортирующих элементов, позволяющего обеспечить непрерывность грузопотока.
2. Выполнены производственные исследования процессов формирования производительности и нагрузок в приводе шахтных погрузочных машин непрерывного действия и проходческих комбайнов избирательного действия. Для оценки конструктивных параметров горно-проходческих машин введены понятия достигнутой мгновенной производительности и достигнутой пропускной способности конвейера.
3. В результате проведенных исследований установлено, что достигаемая мгновенная производительность шахтных погрузочных машин непрерывного действия при погрузке крепких пород и руды превышает их техническую производительность на 20-40 %, что свидетельствует о резервах, заложенных в конструкциях машин.
4. Экспериментально доказано, что производительность проходческих комбайнов избирательного действия, являющихся комплексами оборудования с конструктивными и технологическими связями между элементами, выполняющими одновременно операции разрушения и погрузки горной массы, необходимо оценивать не количеством разрушенного материала, а величиной грузопотока формируемого в процессе погрузки горной массы.
5. Выявлен ряд закономерностей формирования производительности горно-проходческих машин, заключающихся в неравномерности распределения производительности исполнительных, погрузочных и транспортирующих органов. Установлена зависимость коэффициента неравномерности грузопотока на выходе горнопроходческих машин kн от крепости погружаемого материала f, имеющая вид kн 1+ 0,02f.
6. Выбор горно-проходческого оборудования в составе комплектов, предусматривающих комбайновый или буровзрывной способ проведения выработки, наличие бункер-перегружателей и перемещение горной массы автомобильным транспортом, предложено осуществлять с учетом непрерывности грузопотока всей транспортной системы при обеспечении технической производительности не ниже заданной.
7. Обоснованы критерий оптимальности и система ограничений параметров бункер-перегружателя, учитывающие конструктивные и технологические параметры всех машин транспортной цепочки «проходческая машина – бункер-перегружатель – автомобиль»: производительность на выходе проходческой машины, вместимость и производительность бункер-перегружателя при разгрузке, длину транспортирования горной массы, емкость кузова и количество автомобилей, вписываемость оборудования в выработку, а также конструктивно-компоновочные, силовые и кинематические ограничения.
8. Математически формализована и разработана адекватная модель работы бункер-перегружателя в составе комплектов горнопроходческого оборудования. Создание бункер-перегружателя предложено рассматривать как многопараметрическую оптимизацию параметров, определяющих как производительность перегружателя, так и его технологические возможности, по критерию минимизации удельной энергоемкости процесса транспортирования в установившемся режиме при заданной системе ограничений.
9. Основные результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Тоннельдорстрой» и используются при разработке перспективных технологических схем строительства тоннелей комбайновым и буровзрывным способами, с применением бункер-перегружателя и автомобильного транспорта. Выбраны параметры и разработана конструкция бункер-перегружателя в составе горно-проходческого оборудования для строительства автомобильного тоннеля, производительностью разгрузки 6,9 м3/мин, емкостью бункера 15 м3 и удельной энергоемкостью 35 кДж/м3м. Ожидаемый экономический эффект от применения предложенной технологии составляет 300 тыс. руб. на один метр выработки, за счет снижения времени простоя транспортных средств и, как следствие, увеличения темпов проходки на 25 %.
Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях автора.
1. Филоненко А.А. Экспериментальные исследования формирования производительности шахтных проходческих машин / А.С.Носенко, В.Г.Хазанович, Р.В.Каргин, А.А.Филоненко // Горное оборудование и электромеханика. – 2010. – № 1. – С. 19-22.
2. Филоненко А.А. Средства призабойного транспорта для крепких сыпучих материалов / Р.В.Каргин, А.С.Носенко, В.Г.Хазанович, А.А.Филоненко // Горное оборудование и электромеханика. – 2010. – № 1. – С. 23-28.
3. Филоненко А.А. Моделирование работы перегружателей в составе комплектов проходческого оборудования для проведения горных выработок / А.С.Носенко, Р.В.Каргин, А.А.Филоненко // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 8-ой международной научно-практической конференции / Филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт». – Воркута, 2010. – С. 354-359.
4. Филоненко А.А. Разработка и создание погрузочно-транспортных машин с гидроприводом поступательного действия / А.С.Носенко, Р.В.Каргин, А.А.Филоненко // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 8-ой международной научно-практической конференции / Филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт». – Воркута, 2010. – С. 359-364.
5. Филоненко А.А. Актуальность оптимизации рабочих процессов, конструкций и параметров погрузочных органов проходческих комбайнов избирательного действия / В.Г.Хазанович, А.А.Филоненко // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. Ч. 2 / Шахтинский ин-т (филиал) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. – С. 318-321.
6. Филоненко А.А. Сервисное обеспечение эксплуатации горно-проходческих комбайнов / В.В.Носенко, А.А.Филоненко // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. Ч. 2 / Шахтинский ин-т (филиал) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. – С. 321-324.
7. Филоненко А.А. К вопросу о синтезе структурной логической схемы надежности сложной системы / В.И. Жигульский, А.А.Филоненко // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. Ч. 1 / Шахтинский ин-т (филиал) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. – С. 302-304.
8. Филоненко А.А. Состояние и перспективы дорожной науки / А.А.Домницкий, А.А.Филоненко // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. Ч. 1 / Шахтинский ин-т (филиал) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. – С. 304-308.
