CC BY
75
УДК 622.23.05
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ И ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
З.Э. Керимов
Одним из перспективных способов разрушения горных пород повышенной крепости признан механический удар, уступающий по энергоемкости разрушения только взрыву и обеспечивающий, высокую концентрацию нагрузки на локальном участке забоя. Поэтому последние годы все шире стало развиваться относительно новое направление в технике - гидравлические машины ударного действия. Отражены различные промышленные области их практического применения. Рассмотрены конструкция и компоновка таких исполнительных органов и некоторые их технические характеристики. Приведены названия фирм, занимающихся созданием гидравлических машин ударного действия, а также результаты экспериментальных исследований по разрушению горных пород их исполнительными органами. Рассмотрены преимущества и недостатки таких машин. Отдельно представлены типы ударных инструментов и анализ их конструкции.
Ключевые слова: разрушение горных пород, машины ударного действия, ударный инструмент, гидроударник, исполнительный орган, проходческий комбайн, манипулятор, производительность.
Область практического применения машин ударного действия, в которых используется прерывистый (импульсный) режим силового воздействия (ударом) на объект разрушения достаточно широкая. Зарубежными фирмами и отечественными организациями разработано значительное количество мобильных, стационарных и универсальных машин ударного действия [1] для:
- дробления негабаритов;
- рыхления грунтов, пород и разрушения строительных материалов и конструкций;
- оформления кровли и стен выработок;
- ремонта, расширения и проведения горных выработок и тоннелей.
Кроме того, машины ударного действия могут успешно использоваться:
- в металлургической промышленности на вспомогательных операциях при разрушении футеровки печей, ковшей и шлаков;
- при бестраншейной прокладки трубопроводов в условиях городского строительства;
- при проведении магистральных трубопроводов под водными преградами, транспортными коммуникациями и т. д.
Особое место среди машин такого типа занимают проходческие комбайны и щиты с ударно-скалывающим рабочим органом для проходки выработок в породах средней и выше средней крепости [1].
481
В качестве ударно-скалывающих исполнительных органов в конструкциях машин используются мощные гидроударники (молоты), устанавливаемые на манипуляторах (стрелах) большой несущей способности, имеющих до 7 степеней свободы, и предназначенные для преобразования энергии потока рабочей жидкости в механический импульс.
Приводные гидравлические (насосные) станции машин такого класса имеют установленную мощность до 110 кВт, которая обеспечивает рабочее давление в гидросистеме до 20 МПа и расход рабочей жидкости до 180 дм3/мин [1].
Проходческие машины и комбайны с ударно-скалывающим исполнительным органом (рис. 1) в принципе состоят из следующих основных функциональных узлов: механизма перемещения базовой машины 1, ударного устройства 2 с инструментом, стрелы-манипулятора 3, электрогидравлического привода 4 и системы управления [1]. Проходческие комбайны оборудованы еще одним функциональным устройством - погрузочным органом (на рис. 1 не показан).
4
Рис. 1. Схема проходческой машины с ударно-скалывающим исполнительным органом: 01 - поворот стрелы в обе стороны; ф1 - подъем и опускание стрелы; Х1 - телескопическое выдвижение; ю - вращение ударного устройства вокруг оси стрелы; ф2 - опускание ударного устройства;
Х2 - поворот ударного устройства в обе стороны;
02 - подача ударного устройства на забой
Одни комбайны выпускаются серийно и эксплуатируются в горнодобывающей промышленности, другие изготовлены в виде опытных и экспериментальных образцов для проведения научно-исследовательских работ и апробации конструктивных решений.
В числе производителей таких машин следует упомянуть фирмы «Зальцгиттер», «Кленкер-Бекорит», «Хаусхерр» (Германия); «Галлик Добсон», «Майнинг Дивелопментс», «Эймко» (Великобритания); «Секо-ма», «Монтабер» (Франция) [2-7].
Среди отечественных разработчиков комбайнов с ударными исполнительными органами необходимо отметить ученых и конструкторов проблемной научно-исследовательской лаборатории «Силовые импульсные системы» Орловского государственного технического университета им. И.
482
С. Тургенева, возглавляемой докт. техн. наук, проф. Л.С. Ушаковым. Некоторые сотрудники этой ведущей научной школы в РФ ранее начинали свою деятельность в этом направлении в Карагандинском политехническом институте.
Сотрудники лаборатории на основании проведенных исследований разработали конструкции машин с ударными органами МГГ-1 (рис. 2) и ММГ-2 (рис. 3).
Горная машина МГГ-1 [1] предназначена для проведения горных выработок сечением вчерне от 8 до 17 м2 по породам крепостью до /= 10 по шкале проф. М.М. Протодьяконова. Машина состоит из гидроударника 1, смонтированного на манипуляторе, включающем платформу 2, каретку 3, кронштейн 4, механизм поворота 5, направляющую 6, установленную на турели 7 ходовой части 8 комбайна ПК-3Р, на которой имеется кольцевой цепной погрузчик 9.
1 2 3 4 5 6
9 в
Рис. 2. Схема горной машины с гидравлическим ударно-скалывающим исполнительным органом
Горная машина МГГ-2 «Кварц» предназначена для проведения и ремонта горных выработок сечением до 35 м2 по породам крепостью / = 5 - 7 с твердыми включениями до / = 10 [1].
Рис. 3. Схема горнопроходческой машины МГГ-2 «Кварц»
с гидроударником
Одной из последних разработок этой лаборатории является гидравлическое ударно-скалывающее устройство в составе планетарного исполнительного органа технологической машины [8]. Конструктивно-кинематическая схема такого ударно-скалывающего исполнительного органа (рис. 4) состоит из планшайбы 1, основания 2 и размещенных в корпусе 4,5 отбойных устройств таранного типа 3, установленных аксиально направленно относительно друг друга. За счет вращения с заданными уг-
483
ловыми скоростями (юп) планетарного исполнительного органа многоточечное, распределенное по площади забоя, воздействие ударной нагрузкой инструмента обеспечивает обработку всей груди забоя проводимой выработки.
Технической задачей является расширение области применения механического способа разрушения ударным способом для реализации непрерывной технологии возведения подземных сооружений без нарушения целостности вмещающих пород, например, трещин, образующихся при взрывной проходке выработок.
Для реализации предложенной конструктивно-кинематической схемы планетарного ударно-скалывающего исполнительного органа было разработано гидравлическое ударно-зажимное устройство (рис. 5) [8].
а б
Рис. 4. Планетарный ударно-скалывающий исполнительный орган горнопроходческого комплекса: а - схема; б - модель
Рис.5. Гидравлическое ударно-скалывающее устройство
(продольный разрез)
Гидравлическое ударно-скалывающее устройство состоит из направляющего блока 1, установленного на турели 2; механизма подачи 3 с подшипниками 4 и стопорными кольцами 5; энергетического модуля 6 с инструментом ударного действия типа «таран» 7. В энергетический блок входит камера обратного входа 8 (камера взвода), заполненная плотной, податливой средой 9, например, гидравлическим маслом и пневмо-аккумулятор 10 (камера прямого действия), заполненный газом.
484
Имеющиеся в технической литературе сведения об испытаниях и эксплуатации проходческих машин ударного действия приведены во многих работах.
Как показывает предыдущий опыт, главным фактором, влияющим на объемы и область применения проходческих машин ударного действия, является предел прочности разрушаемых пород.
Herrmann [9], рассмотрев результаты эксплуатации проходческих машин ударного действия, установил зависимость (рис. 6) производительности Q от показателя прочности пород на сжатие и энергии удара. Аналогичную зависимость представляют и специалисты фирмы «Indeco» (Италия) [1]. Исходя из этого, область применения таких машин при энерговооруженности исполнительного органа 4000 Дж ограничивается прочностью вмещающих пород 40 - 100 МПа при проведении выработок вслед за лавой. В этом случае скорость проведения выработки будет соответствовать темпам подвигания очистного забоя.
Ос*, МПа 1000070003500 |
700 : 0+0
Рис. 6. Зависимость производительности отбойки от прочности пород на сжатие и энергии удара
Котов В.П. [10], проведя сравнение производительности машин ударного действия и проходческих комбайнов в отечественной угольной промышленности (рис. 7), определил область применения машин во вмещающих породах прочностью от 50 до 89 МПа при проведении пластовых выработок вслед за лавой сечением более 8 м2, протяженностью более 250 м.
Bourne [11], основываясь на производственных показателях проходки горных выработок в угольных шахтах Великобритании, полагает, что гидравлическими машинами ударного действия можно разрушать породы всех типов при соответствующей энергии удара, которая определяет производительность.
Анализ результатов применения проходческих машин ударного действия [1] при проведении выработок позволяет выделить их преимущества по сравнению с комбайнами избирательного действия: разрушают более крепкие породы; снижают энергозатраты, в том числе из-за большого выхода крупных фракций пород; вызывают меньшую запыленность воздуха в забое; снижают себестоимость проходки 1 п.м. горной выработки.
485
т—I—I—т—!—I—I—т—!—I-!—I—I—г-
2 4 6 8 10 12 14 Q.mVM
<Зт,м3/мин
\ 1 V \ 2
3 ч
\ 4
О 250 500 750 1000 Р,, МПа
Рис. 7. Зависимость производительности комбайнов от контактной прочности пород: 1 - для ГПКС; 2 - для 4ПП-2;
3 - для ударной машины «Импакт Риппер» с А = 4140 Дж, п = 10 Гц;
4 - для ударной машины РУН с А = 4140 Дж, п = 6,7 Гц
К недостаткам машин ударного действия можно отнести более высокую их стоимость, увеличение затрат на обслуживание и ремонт оборудования. Даже и в этом случае - снижение себестоимости проходки одного погонного метра выработки, по данным немецких специалистов, достигает 25% [1].
Исполнительные органы проходческих комбайнов ударного действия в зависимости от условий и режимов работы могут оснащаться различными видами сменного инструмента, различающимися в основном формой наконечника, взаимодействующего с обрабатываемым материалом. Сменный инструмент ударного исполнительного органа [12] не является самой дорогой деталью, но в значительной мере определяет его эксплуатационную надежность и производительность. Форма рабочего конца инструмента определяет его назначение и в некоторой степени влияет на производительность исполнительного органа. Однако, так как отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по применению инструментов, то они используются на основе практического опыта эксплуатации [1]. Использование сменного инструмента возможно на различных видах работ: разрушение прочных материалов, уплотнение насыпного грунта, забивки в грунт столбов, свай, стоек. Инструмент для разрушения материалов бывает в форме пики, зубила, клина (рис. 8) [13].
Пика является наиболее универсальным инструментом. Конструктивно пики по форме конца инструмента выполняются с круглым конусом, либо пирамидой с несколькими гранями (рис. 8, б) или в виде плоского долота (см. рис. 8, в) [12]. Наибольшей популярностью среди производителей пользуется пика с четырехгранной пирамидой, а не с круглым конусом. Данное обстоятельство связано не только с желанием повысить производительность ударного исполнительного органа, сколько снизить трудоемкость изготовления сменного инструмента. Однако преимущества граненой пики перед конической по мере износ ребер и вершины пирамиды постепенно утрачивается - конец пики приобретает форму, похожую на сферу. Тем не менее, инструмент в виде пики рекомендуется для разрушения горных пород с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодья-конова 5 - 8.
а б в
Рис. 8. Сменный инструмент: а - тупое долото для применения на скальных породах и разбивки негабаритов; б - острая пика (кирка) для универсального применения; в - плоское долото для применения на скальных породах
Геометрические размеры рабочего инструмента определяют из условия сохранения продольной устойчивости при действии статической и динамической нагрузки, которые создают соответственно механизм под-жатия инструмента к забою и поршень-боек в момент удара.
Исследованиями в области влияния формы контактных поверхностей для различных видов инструментов на энергоемкость процесса разрушения занимались Ж.А. Алиев, Л.А. Шрейнер, Р.И. Эйгелес , А.П. Федосеев, С. А. Брылов, Ш.Б. Багдасаров, А. А. Вихляев, В.В. Каменев, А.И. Федулов.
В результате анализа результатов работ этих ученых было установлено, что с изменением угла заострения инструмента незначительно изменяются производительность отбойки, а также несколько значительнее энергоемкость процесса.
Следует отметить, что все эти исследования проводились при разрушении негабаритов и при вдавливании инструмента в породу в лоб забоя или в блокированных условиях.
Применительно к проходческим комбайнам более реалистичной является схема разрушения, заключающаяся в скалывании стружки ударником определенной глубины. Результаты исследований по влиянию угла заострения инструмента, который установлен в соответствии с этой схемой, на объем разрушенного материала при ударе приведены в работе [1].
Авторы установили, что угол заострения инструмента практически не влияет на процесс разрушения массива, поскольку характерный размер разрушенного материала при ударе намного превосходит размер области, в пределах которой существенно влияние угла заострения инструмента. Более того, эти результаты исследований подтвердили ранее профессора А.Ф. Кичигин [13, 14], И.А. Янцен [15, 16], Б.В. Войцеховский [17], А.Г. Лазуткин [18] в части того, что угол заострения не вносит существенных изменений в процесс разрушения горных пород ударным исполнительным органом с большой энергией единичного импульса.
487
Таким образом, создание техники, обеспечивающей требуемую производительность и безопасность работ при проведении горных выработок в современных горно-геологических условиях, связано с реализацией механического способа разрушения горных пород повышенной прочности ( асж > 60 МПа) без увеличения массы и габаритов комбайнов, разрабатываемых до настоящего времени с применением взрыва.
Одним из перспективных способов разрушения этих пород признан механический удар, уступающий по энергоемкости разрушения (17 - 25 Дж/см2) только взрыву (6 Дж/см2) [1] и обеспечивающий высокую концентрацию нагрузки на локальном участке забоя, который при современном гидроприводе горных машин реализуется с использованием гидравлических устройств ударного действия (гидроударников).
Список литературы
1. Ушаков Л.С., Котылев Ю.Е., Кравченко В.А. Гидравлические машины ударного действия. М.: Машиностроение, 2000. 416 с.
2. Циферблат В. Л., Смирнов О.В. Горные машины с гидро- и пнев-моударниками за рубежом: Обзор. Информ. Сер. Горное дело. М.: ЦНИ-ЭИуголь, 1979. Вып. 6. 48 с.
3. Бузинник В.Н., Епифанцев Ю.К., Нешитин В.М., Коняшин Ю.Г. Проведение горных выработок машинами ударного действия: Обзор. М.: ЦНИЭИуголь, 1976. 34 с.
4. Шрайман А.А., Заяц И.Е. Опыт применения проходческих машин с ударными рабочими органами за рубежом: Экспресс-информация. М.: ЦНИЭИуголь, 1978. 14 с.
5. Филатов Л. А., Витер В.Г., Кнезьян Г.С. Проведение горных выработок комбайнами ударного действия. Обзор. М.: ЦНИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома УССР, 1982. 28 с.
6. Нашшег new system MEC. Italy: Jndeco, 1990. 12 с.
7. Hokes I. High-Energy Impact Нашшег. Underground Mining Methods. Handbook. W.A. Hustrulid. New-Yo^ 1982. P. 1404 - 1408.
8. Климов В.Е., Ушаков Л.С. Патент РФ на изобретение № 2652730 от 21.12.2016. Гидравлическое ударно-скалывающее устройство. Бюл. № 13 от 28.04.2018.
9. Hermann A. Schlaqkopf-Maschinen // Bergbau, 1981. № 4. P. 169 -
174.
10. Котов В.П. Исследование и установление параметров исполнительных органов ударного действия для проходческих комбайнов: дис. ...канд. техн. наук. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1981. 126 с.
11. Bourne. Schlaqkopfmaschinen fur Vortrieb und Nachreibarbaite: Vortrag auf der Informationstagung in Luxemburg. 28-30.11.1973.
12. Дмитриев Ю.И. Сменный инструмент гидромолота // Основные средства, 2010. № 4. С. 20 - 23.
13. Кичигин А.Ф. Изыскание эффективных способов механического разрушения пород применительно к некоторым исполнительным органам очистных и проходческих комбайнов: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Днепропетровск: ДГИ, 1967. 30 с.
14. Кичигин А.Ф., Янцен И.А. Эффективность применения затупленного инструмента при разрушении горных пород ударом // Труды КарПТИ, 1965. Вып. 5. С. 185 - 188.
15. Ешуткин Е.Д., Смирнов Ю.М., Цой В.И., Исаев В.Л. Высокопроизводительные гидравлические ударные машины для прокладки инженерных коммуникаций. М.: Стройиздат, 1990. 171 с.
16. Янцен И.А. Изыскание оптимальных параметров разрушения горных пород ударом с использованием больших энергий на базе исполнительного органа с гидропневматическим аккумулятором: дис. . канд. техн. наук. Кемерово, 1965. 203 с.
17. Войцеховский Б.В., Войцеховская Ф.Ф. Разрушение крепких горных пород ударами высокой энергии при проходке и бурении. Новосибирск: Наука: Сиб. Отд-ние, 1992. 110 с.
18. Научные основы создания выемочных горных машин с гидроп-невмоударными исполнительными органами: дис. ... д-ра техн. наук. М.: МГИ, 1979. 293 с.
Керимов Захит Эльдарович аспирант, k-zahit94amail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
HYDRA ULIC MACHINES OF IMPACT ACTION AND THEIR PRACTICAL APPLICATION
Z.E. Kerimov
One of the promising ways for destruction of hard rocks is a mechanical impact, which is inferior in energy intensity of destruction only to explosion. It provides a high concentration of load on the local site of the excavation site. Therefore, in recent years, this relatively new direction in mining technology, namely hydraulic impact machines, has become increasingly developed. The paper represents various industrial areas of their practical application. It also considers the design and layout of such cutterheads and some of their technical characteristics. The names of companies engaged in the creation of hydraulic impact machines, as well as the results of experimental studies on the destruction of rocks by their cut-terheads are given. Advantages and disadvantages of such machines are considered. Types of percussion instruments and analysis of their construction are presented separately.
Key words: destruction of rocks, impact machines, impact tool, hydraulic hammer cutterhead, roadheader, manipulator, productivity.
Kerimov Zahit Eldarjvich, postgraduate, k-zahit94a mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
