CC BY
2
17. Balovtsev S.V., Skopintseva O.V., Kolikov K.S. Management of aerological risks in preparatory workings of coal mines // Sustainable development of mountain territories. 2022. Vol. 14. No. 1. pp. 107-116. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-1-107-116.
18. Vasiliev P.V., Stas G.V., Smirnova E.V. Assessment of injury risk in mining // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2016. Issue. 2. Pp. 45-58.
19. Balovtsev S. V., Skopintseva O. V. Assessment of the impact of reused workings on aerological risks in coal mines // Mining information and analytical bulletin. 2021. No. 21. pp. 40-53. DOI: 10.25018/0236-1493-2021-21-0-40-53.
20. Research of rheological characteristics of the mixture as a way to create a new backfill material with specified characteristics / Ch. Kongar-Syuryun, A. Aleksakhin, A. Khayrutdinov, Y. Tyulyaeva // Materials To- day: Proceedings. 2021. V. 38. P. 2052-2054. DOI: 10.1016/J.matpr.2020.10.139.
УДК - 622-1/-9
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НАРУШЕНИЯ СХЕМЫ РАССТАНОВКИ РЕЗЦОВ ИЗ-ЗА ОТКАЗОВ РЕЗЦЕДЕРЖАТЕЛЕЙ НА СИЛОВУЮ УРАВНОВЕШЕННОСТЬ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ
В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ
КОМБАЙНОВ
Ю.Н. Линник, А.Б. Жабин, В.Ю. Линник
При работе угледобывающих комбайнов на пластах сложного строения, содержащих крупные твердые включения и крепкие породные прослойки, что характерно для шахт Кузбасса, велика доля отказов резцедержателей, приводящих к систематическим нарушениям схемы расстановки резцов на исполнительном органе. Это приводит к увеличению неравномерности нагруженности исполнительного органа, оцениваемого конструктивным коэффициентом вариации суммарной силы резания за один оборот шнека Уы, и повышенной динамической нагруженности комбайна в целом.
Экспериментально установлено, что по мере отказов резцедержателей и с увеличением скорости подачи комбайна имеет место нарастание размахов варьирования потребляемой электродвигателями комбайна мощности, что отрицательно сказывается на устойчивом электромагнитном моменте и устойчивой мощности двигателей. В результате моделирования процесса разрушения пласта при различном числе отсутствующих резцов предложены расчетные зависимости, позволяющие оценивать силовую уравновешенность исполнительного органа с учетом систематических нарушений схемы расстановки резцов из-за отказов резцедержателей при работе угледобывающих комбайнов в реальных условиях разрушения угольных пластов.
Ключевые слова: угледобывающий комбайн, исполнительный орган, отказ резцедержателей, неравномерность нагруженности, угольный пласт, устойчивая мощность электродвигателей, электромагнитный момент, неравномерность нагруженно-сти, коэффициент вариации силы резания.
Введение. Важнейшим аспектом повышения надежности угледобывающих комбайнов, особенно при выемке пластов сложного строения, со-
держащих крупные твердые включения и крепкие породные прослойки, является расчет элементов трансмиссий на усталостную прочность и выбор оптимальных для данных условий схем расстановки режущего инструмента, учитывающие величины действующих на исполнительный орган нагрузок и характеристик их неравномерности. Результаты выполненных ранее исследований [1 - 4] позволили получить расчетные зависимости, которые легли в основу отраслевого стандарта ОСТ 12.44.109-79 [4], позволившего существенно повысить точность определения спектров действующих нагрузок при выборе параметров угледобывающих комбайнов на стадии их проектирования. Однако практика применения расчетных методов при разработке современных высоконагруженных комбайнов, рассчитанных на большие скорости подачи (до 10 м/мин и более), выявила ряд неучтенных факторов, к которым относятся отказы резцедержателей. Последнее отрицательно сказывается не только на надежности угледобывающих комбайнов и погрузке угля на конвейер [5 - 8], но и на их элементах трансмиссий, что, в конечном счете, отрицательно сказывается на производительности комбайнов [9 - 11]. Так, исследованиями установлено [12 - 14], что при работе угледобывающих комбайнов на пластах сложного строения доля отказов резцедержателей в общей их структуре шнековых исполнительных органов составляет от 45 до 100 %, что приводит к систематическому нарушению схемы расстановки резцов и, как следствие, к нарушению устойчивой мощности электродвигателей комбайнов и неравномерности нагруженности шнеков. При работе угледобывающих комбайнов в условиях, когда удельное содержание в угольном пласте крупных твердых включений и крепких породных прослойков велико, что характерно для шахт Кузбасса, разрушение пласта сопровождается повышенной динамической нагруженностью исполнительного органа и комбайна в целом, и может достигать критических значений при отказах нескольких резцедержателей в одной линии резания. В связи с этим был выполнен комплекс экспериментальных и лабораторных исследований, направленных на оценку влияния нарушения схемы расстановки резцов при отказах резцедержателей на силовую уравновешенность исполнительных органов угледобывающих комбайнов.
Методика проведения исследований. Исследования влияния нарушения схемы для расстановки резцов из-за отказов резцедержателей (резцов) на неравномерность нагруженности исполнительных органов угледобывающих комбайнов проводились в шахтных и лабораторных условиях.
Увеличение неравномерности нагрузок при отказах резцедержателей в процессе разрушения угольного массива в шахтных условиях косвенно оценивалось по данным об изменении размаха варьирования мощности АР = Ртах - РтП (кВт) или относительного размаха варьирования
К = (Ртах - Рш;п)/ Рм, которые определялись по результатам записи мгно-
венной мощности потребляемой электродвигателями комбайна р (кВт) на
диаграммную ленту. Параллельно с записью р регистрировалось время t
и местоположение комбайна по длине лавы. Исследования проводились в различных горно-геологических условиях, сопротивляемость резанию пластов, в которых изменялась от 135 до 276 Н/мм. При отказах резцедержателей шаг резания увеличивался с 50 мм (шнек полностью оснащен резцедержателями) до 100 и 150 мм - при отказах 2-го и 4-го соседних резцедержателей соответственно.
При проведении лабораторных исследований для оценки изменений силовой уравновешенности исполнительных органов комбайнов была разработана специальная программа, позволившая моделировать систематические нарушения схемы расстановки резцов и рассчитывать необходимые параметры нагруженности шнеков. Для оценки влияния нарушения схемы расстановки резцов на силовую уравновешенность шнека были выбраны их базовые схемы для комбайнов, оснащаемых исполнительными органами диаметрами от 710 до 1800 мм. Расчеты для каждого из вариантов нарушения схемы расстановки резцов проводились при значениях угла охвата шнека забоем /охв = 90...180 0 с шагом 10 0.
Результаты исследований
1. Шахтные исследования влияния отказов резцедержателей на потребляемую комбайном мощность и размах варьирования мощности при различных скоростях подачи
Статистика шахтных наблюдений показала [12 - 14], что отказы шнеков очистных комбайнов происходят, как правило, не по какой-то одной из причин отказов конкретного узла или элемента, а в сочетании их различных вариантов. Так, испытания шнеков, оснащенных радиальными резцами 1Р080 (шнеки типа ШР) показали, что большинство их отказов связано с выходом их строя резцедержателей. Причем отказы по их поломкам составляют в среднем 36 %, а по износу гнезд - 49 %. Установлено также, что при разрушении пластов сложного строения, содержащих крупные твердые включения и крепкие породные прослойки, превалируют мгновенные (поломочные) отказы резцедержателей. Однако при работе на пластах простого строении наблюдаются постепенные (износовые) отказы гнезд резцедержателей, влияющие на эффективность закрепления в них резцов. Установлено, что в структуре отказов шнеков типа ШК, оснащенных поворотными тангенциальными резцами, в отличие от шнеков типа ШР, оснащенных радиальными резцами, имеют место отказы, вызванные износом корпусов резцедержателей, что связано с малым радиальным вылетом резцов и недостаточным развалом борозды при резании.
На рис. 1 приведены зависимости потребляемой комбайном мощности р и размаха варьирования мощности АР в функции от скорости
подачи V и числа отказавших резцедержателей n0T, которые демонстриру-
ют существенное влияние нарушения схемы резания из-за отказов резцедержателей на параметры мощности.
Из рис. 1 видно, что с увеличением скорости подачи комбайна и числа отказавших резцедержателей имеет место нарастание потребляемой мощности и размаха ее варьирования. При отказе двух и более резцедержателей практически во всем диапазоне изменения Уп имеет место значимое превышение значений АР относительно их уровня при разрушении пласта новыми исполнительными органами.
Аналогичные зависимости были получены и при проведении экспериментов с комбайнами, оснащенными различными типами шнеков и резцов. Во всех случаях характер зависимостей АР = /(¥п, пот) был аналогичен приведенным на рис. 1 графикам. Однако размах варьирования мощности АР при одинаковых значениях Уа и числе отказавших резцедержателе пот был другим. Он существенно зависел от ширины захвата шнека и
базового (предусмотренного конструкцией) числа резцов на нем. Последнее объясняется различной степенью влияния отказов резцедержателей на силовую уравновешенность исполнительных органов, отличающихся числом одновременно взаимодействующих с забоем резцов - чем больше резцов одновременно участвуют в разрушении забоя, тем он более уравновешен. Поскольку на исполнительных органах с большей шириной захвата (0,8 м) и меньшим диаметром (0,71 - 1,0 м) с установкой по 2 резца в линии резания обычно располагается на 8 - 12 резцов больше, чем на шнеках большего диаметра с меньшей шириной захвата (0,53 - 0,6 м). Поэтому и размах варьирования мощности на первых меньше, чем на вторых исполнительных органах.
Рис. 1. Зависимости мощности Рм, потребляемой электродвигателями комбайна (а), и размаха варьирования мощности АР (б) от скорости подачи комбайна Кп при работе
с полным комплектом резцедержателей, при отказе резцедержателей в одной и двух линиях резания (кривые 1, 2 и 3 соответственно)
Руст = Г." , кВт, (1)
Поскольку на неравномерность потребляемой мощности помимо других факторов, связанных с характеристиками разрушаемого угольного массива, влияют и отказы резцедержателей, то это обстоятельство необходимо учитывать в соответствующих расчетах, связанных с определением необходимой мощности двигателей комбайнов.
Влияние неравномерности потребляемой мощности, зависящей от неравномерности нагруженности исполнительного органа, на уровень устойчивой мощности электродвигателей комбайна, определяется по выражению
( Ча )
1950
где ида - частота вращения двигателя, об/мин; М - устойчивый момент
электродвигателя, Н м.
Для выбора двигателя комбайна и определения его устойчивой мощности необходимо определить допустимый крутящий момент на валу двигателя, являющийся одними из технических ограничений процесса разрушения угольного массива. Устойчивая мощность привода комбайна обеспечивается тогда, когда с принятой вероятностью отклонения электромагнитного момента двигателя не превышают его максимально возможной величины. При соблюдении такого принципа средний электромагнитный момент, обеспечивающий устойчивую работу двигателя в условиях шахты равен
Муст = сМтах - ^н - *у<у , (2)
где Мтах - максимальный стендовый электромагнитный момент (Н м), принимается по паспортным данным электродвигателя; Кн и Ку - относительные отклонения, принимаемые в зависимости от требуемой вероятности работы без опрокидывания двигателя; < и <г - средние квадратиче-
ские отклонения электромагнитного момента, вызываемые неравномерностью нагруженности исполнительного органа и неточностью управления машиной соответственно, Н м.
Коэффициент с в формуле (2) учитывает снижение максимального момента двигателя в условиях реальной шахтной электросети и определяется по следующему эмпирическому выражению
с =-1-. (3)
(1 + 0,000266Мтах) ( )
Исходя из предположения о нормальном распределении мощности двигателя [1], значение коэффициента Кн = 3, а значение коэффициент Ку
принимается равным 1,3 при ручном управлении комбайном и 1,8 - при автоматизированном .
Величины <гн и < при нормальном распределении мощности Рм
определяются по формулам
= 9750АР /6пдв; (4)
^у =УуМуст ■ (5)
где V - коэффициент вариации момента, определяемый неточностью
управления комбайном.
Практика эксплуатации очистных комбайнов показала, что значения V обычно составляют 0,08-0,1 при ручном управлении машиной и
0,03-0,05 - при автоматизированном.
Расчеты, выполненные по вышеприведенным формулам для различных типов комбайнов с различным числом отказавших резцедержателей, при применении их в различных условиях по разрушаемости пластов, показали следующее. Во всех случаях, по мере отказов резцедержателей, наряду с увеличением общей мощности Рм и размаха варьирования АР, наблюдается существенное возрастание среднего квадратического отклонения потребляемой мощности (в 1,2^1,5; 1,4^1,7 и 2,2^2,5 раза при отказе двух, четырех и шести резцедержателей соответственно в зависимости от типа комбайна и характеристик разрушаемости угольного пласта). Это повлекло за собой уменьшение устойчивого момента двигателя М и устойчивой
мощности Руст комбайна.
Объяснением полученных результатов является следующее. Увеличивается потребляемая комбайном мощность при отказах резцедержателей. Для правильно спроектированной схемы расстановки резцов нарушение прямолинейности зависимости Р = / (Уп) следует ожидать [15] при значениях скорости подачи
I т поб V > р р о , м/мин,
прдоп 100К, (6)
где I - радиальный вылет резца, см; т - число резцов в линии резания; поб - частота вращения шнекового исполнительного органа, об/мин; К -
коэффициент вылета резца.
Для исполнительного органа с двумя радиальными резцами в линии резания значение Кпрдоп находится в пределах 4,0...4,5 м/мин, что подтверждается экспериментальными данными (кривая 1 на рис. 1). При нарушении схемы расстановки за счет отказов резцедержателей (кривые 2 и 3) значения Кпрдоп уменьшаются, поскольку имеют место увеличение (вдвое-
втрое) расстояния между линиями резания и соответствующий рост межрезцового целика, о который трется лопасть шнека [1, 16]. Установленные значения скоростей подачи Кпрдоп являются предельно допустимыми для
данного типа комбайна при конкретном числе отказавших резцедержателей в определенных условиях эксплуатации.
2. Лабораторные исследования нарушения схемы расстановки резцов на силовую уравновешенность исполнительных органов
Для оценки силовой уравновешенности исполнительных органов при нарушении схемы расстановки резцов были приняты в качестве базовых следующие схемы для шнеков, оснащенных различным числом резцов и :
- диаметры 800, 1000 и 1250 мм с одним и двумя резцами в линии резания (ир =22 и ир = 33 соответственно);
- диаметры 1600 и 1800 мм с двумя резцами в линии резания (ир =40 и ир = 48 соответственно).
Алгоритм расчета предусматривал оценку конструктивного коэффициента вариации суммарной силы резания за один оборот шнека г1и [4]
и параметров схемы расстановки резцов q и дн при последовательном отсутствии от одного до пяти резцов.
Параметр д, характеризующий распределение усилий на резцах и определяемый как средний из к положений исполнительного органа при его вращении, рассчитывался по формуле
«=1 ^
к I =1
1
пр.р
Х^-, (7)
1=1
(X ^ )2
1=1
где усилие на I - резце, находящемся в у - положении исполнительного органа, число к, которых принималось от 1 до 24; п - число одновременно
режущих резцов.
Параметр схемы расстановки резцов дн, характеризующий распределение толщины стружки на резцах при его вращении,
к
1 к
ЧН = к ^
к I=1
1
(8)
1=1 ^
(X К )2
где Ну- толщина стружки на ¡-м резце в у-м положении исполнительного органа; щ - центральный угол между рассматриваемым ¡-м и предыдущим резцами в одной линии резания; щ - базовый (при отсутствии отказов резцедержателей) центральный угол между резцами в одной линии резания.
Местоположение отсутствующих резцов на базовых схемах их расстановки в зависимости от их числа п выбиралось согласно данным, приведенным в табл., где: В1, В2, В3, В4 - положение резцов в выемочной части шнека (ВЧ); К1, К2, К3, К4- положение резцов в кутковой части шнека
(КЧ);/ 2и /23 - центральный угол между первым и вторым и вторым и третьим резцами соответственно.
Изменение силовой уравновешенности исходной схемы расстановки резцов, вызванного отсутствием резца, оценивалось по средним из (пр -п) рассчитанных значений коэффициентов:
„(.п+х) (9)
К (п) — У1и . (9)
V
К(п) — ф
(п+1) (10)
Р (п)
ф )
К(п) _ Ф_
КрЬ (п)
Фг
(п+Х) (11)
Характеристики нарушений схемы расстановки резцов, _ вносимые в проектные (базовые) схемы_
Число отсут- Местоположение отсутствующих резцов при различных вариантах расчета
ствующих резцов п
1 2 3 4
1 В1. Завальная сто- В1. Середина ВЧ В1. Кутковая сто- К1. Сере-
рона ВЧ рона ВЧ дина КЧ
2 В1 + В2. Середина и В1 + В2. Середина и В1 + В2. Середина и В1 + К2.
завальная сторона кутковая сторона кутковая сторона Середина
ВЧ, /12 >90° ВЧ, /12 >90° ВЧ, /12 < 90° ВЧ и КЧ, /\2 >90°
3 В1 + В2 + Вз. Равно- В1 + В2 + Вз. В1 + В2 + Кз. Рав- -
мерно по окружно- /1.2 >90° номерно по окруж-
сти ности
4 В1 + В2 + Вз+ В4. В1 + В2 + Вз+ В4 В1 + В2 + Вз+ К4 -
Равномерно по /1.2 <90° /2.3 <90°
окружности
В выражениях (9) - (11) значения с индексом (п) являются характеристиками исходной схемы расстановки резцов. Значение п = 0 соответствует проектной схеме расстановки резцов, а (п +1) схеме, в которой в дополнении к исходной схеме (с полным комплектом резцов или с п отсутствующими резцами) произведено последовательное удаление еще одного резца.
На рис. 2 для шнеков различных типоразмеров с исходным числом резцов (пр) приведены зависимости коэффициента К(п) от конструктивного коэффициента вариации суммарной силы резания за один оборот шнека
при отсутствии от одного до пяти резцов относительно принятой базовой схемы (при п = 0).
Анализ зависимостей показывает, что увеличение базового (предусмотренного конструкцией шнека) числа резцов пр на исполнительном ор-
гане при одном и том же значении у1и в различных вариантах числа отсутствующих резцов приводит к уменьшению коэффициента к(п). Последнее свидетельствует о том, что систематические нарушения схемы расстановки резцов сильнее сказываются на силовой уравновешенности исполнительного органа, в котором число резцов, предусмотренное конструкцией шнека, меньше. Независимо от базового числа резцов на шнеках различных диаметров и числа отсутствующих резцов с ростом коэффициента вариации уы значение коэффициента к(уп) снижается, оставаясь больше единицы.
Рис. 2. Относительное увеличение конструктивного коэффициента вариации суммарной силы резания за один оборот шнека у1и, вызванное отсутствием резцов: а - одного; б - двух;
в- трех; г - четырех; д - пяти
Видно также, что при увеличении числа отсутствующих резцов диапазон изменения значений коэффициента К(уп) уменьшается от 2,5 -
1,05 (в зависимости от типоразмера шнека) при отсутствии одного резца и до 1,15 - 1,05 при отсутствии пяти резцов.
Расчеты показали, что значения коэффициентов К^ и К^, характеризующих распределение усилий на резцах и распределение толщины стружки при вращении шнека соответственно, вызванных нарушением схемы расстановки резцов, практически равнозначны по величине и инвариантны относительно числа отсутствующих резцов. Поэтому для оценки относительного изменения параметров д и д целесообразно использовать единый коэффициент, который при пр<33 оказался зависимым от угла охвата уохв Увеличение числа резцов на шнеках до пр = 40 приводит к снижению
коэффициента К , стабилизирующегося на уровне значения К =1,01 при дальнейшем увеличении числа резцов на исполнительном органе (рис. 3).
1,04 1,03 1,02 1,01
20 30 40 50 пр, шт
Рис. 3. Зависимость коэффициента К р,
характеризующегораспределение усилий на резцах при нарушении схемырасстановки резцов от базового числа резцов
на шнеках
Расчеты по оценке неравномерности нагруженности исполнительного органа, выполняемые по отраслевому стандарту ОСТ 12.44.109-79 [4], не учитывают систематические нарушения схемы расстановки резцов при работе угледобывающих комбайнов. В этой связи для выбора оптимальных параметров шнеков применительно к конкретным условиям эксплуатации необходимо учитывать отказы резцедержателей [17 - 19]. Для использования полученных результатов в расчетах неравномерности нагрузки на шне-ковых исполнительных органах необходимо учитывать то обстоятельство, что систематические нарушения схем расстановки резцов из-за отказов рез-
цедержателей накапливаются постепенно [13, 20]. Сделав допущение о равномерности потока отказов резцедержателей, что определяет равные продолжительности работы исполнительного органа с проектной схемой расстановки резцов, а также при отказах первого, второго, третьего и т.д. резцедержателей, были выполнены расчеты по определению эксплуатационных значений для конструктивного коэффициента вариации суммарной силы резания за один оборот шнека уЫэ по формуле
У1и.э
V
1 »в (12)
11X Ю2. 1
» + 1 к=0
в
где пв - максимальное число резцов, систематически отсутствующих на исполнительном органе; у^] - конструктивный коэффициент вариации суммарной силы резания за один оборот шнека при отсутствии к резцов на исполнительном органе.
На рис. 4 в качестве примера приведены расчетные зависимости у(к} = у (» ) при отсутствии четырех резцов (пв = 4).
Рис. 4. Зависимость эксплуатационного значения конструктивного коэффициента вариации суммарной силы резания за один оборот шнека у1и э от базового числа резцов на шнеке Пр при Пв= 4
Аналогичные по виду зависимости получены и для других чисел от-
сутствующих резцов, аппроксимация которых позволила преобразовать формулу (12) в следующее выражение:
^1и.э = к^1и > (13)
где уы - проектное значение конструктивного коэффициента вариации суммарной силы резания за один оборот шнека; ку - коэффициент, учитывающий влияние нарушения схемы расстановки резцов на исполнительном органе, зависящий от общего (базового) количества резцов на шнеке и числа резцов, систематически отсутствующих в реальных условиях эксплуатации угледобывающего комбайна.
Ниже приведены значения коэффициента ку для различных чисел отсутствующих резцов на шнеке пв:
- при Пв = 1
105'511- п (14)
К= —-(—>2,8^ и - 0,58; 4 '
" 26,9к 22
■' 1. и
- при пв = 2
ДО4*1 и п (15)
К= —-(—)3,2у1и - 0,79; ( )
* 16,2к 22 Хж
■' 1.и
- при пв = 3
1033у1-и п (16)
■' 1.и
- при пв = 4
1031у1.и п (17)
К= —-(—)3,5^1и -1,06; ' '
' 10,2к к22
1.и
- при пв = 5
1026^1.и п (18)
К=--(—)3,8^1и -1,12. ( )
' 8,9к 22 1и
1 и
На основании принятого допущения о равномерности потока отказов резцов значения параметров, характеризующих распределение усилий на них и распределение толщины стружки для реальных условий эксплуатации, определяются по формулам
Ч - 1 ^ К' • (19) Ч=ттг К';
(20)
Чъ, ' '
1 "в
-=^Чъ §К'
п +1 р-0
где д и дн -проектные значения параметров схемы расстановки резцов; Кгр -
коэффициент, учитывающий влияние систематических нарушений схемы расстановки резцов при /-м числе отказавших резцов (см. рис. 3).
Для проектных схем расстановки резцов, отобранных для анализа,
были определены изменения силовой уравновешенности при уменьшении ширины захвата исполнительного органа для значений угла охвата уохв = 180; 135 и 90 0. Данная часть расчетов имеет цель установить, имеет ли относительное изменение конструктивного коэффициента вариации суммарной силы резания за один оборот шнека у1и в / регулярный, подлежащий
формализации характер. В данном отношении: у1ив - коэффициент вариации суммарной силы при ширине захвата исполнительного органа В.
На рис. 5 приведены примеры обобщенных зависимостей у\и.в / у\и = /(уы) для исполнительных органов, оснащенных различным числом резцов пр, в которых увеличение коэффициента вариации уы при проектной для шнека ширине захвата определяется уменьшением угла
охвата у охВ.
Рис. 5. Зависимость относительного изменения конструктивного коэффициента вариации у1и в / \1м от коэффициента вариации
суммарной силы резания за один оборот шнека v1^l при различных значениях ширины захвата исполнительного органа с числом резцов Пр = 22 (а); Пр = 33 (б); Пр = 40 (в); Пр = 48 (г)
Очевидно, что уменьшение ширины захвата исполнительных органов, оснащенных различным числом резцов, неоднозначно влияет на их силовую уравновешенность. Так, если для шнеков с числом резцов пр < 40 уменьшение ширины захвата вызывает пропорциональный рост отношения у1ив / у1и (рис. 5, а, б, в), то для шнеков с числом резцов Пр = 48 (рис. 5, г) величина этого отношения снижается. Характер зависимости уы.в / У = /(У ) также существенно изменяется: при числе резцов пр < 33 увеличение коэффициента вариации у1и (с уменьшением угла охвата уохв) приводит к росту величины у1ив / у1и , в то время как для шнеков с большим числом резцов данное отношение с ростом у1ив / у1и уменьшается (рис. 5 в, г). Неоднозначность характера зависимости уы в / уы - /(уы ) от
числа резов на исполнительном органе не дает возможности с достаточной степенью общности и точностью формализовать их в виде удобном для практических расчетов. Поэтому влияние уменьшения ширины захвата исполнительного органа на его силовую уравновешенность целесообразно оценивать в каждом конкретном случае.
Выводы
1. Основной причиной отказов исполнительных органов угледобывающих комбайнов независимо от условий их эксплуатации являются отказы резцедержателей, которые приводят к нарушениям схемы расстановки резцов на шнеках.
2. Отказы резцедержателей оказывают существенное влияние на неравномерность нагруженности и скорость подачи комбайна. Снижение скорости подачи по мере отказов резцедержателей связано с уменьшением устойчивой мощности комбайна, обусловленной, наряду с общим ростом потребляемой мощности увеличением размаха варьирования мощности и конструктивного коэффициента вариации нагрузки на исполнительном органе.
3. Количественную оценку силовой уравновешенности исполнительного органа необходимо производить с учетом систематических нарушений схемы расстановки резцов из-за отказов резцедержателей при работе угледобывающих комбайнов в реальных условиях разрушения угольных пластов. При этом следует использовать полученные выражения для определения конструктивного коэффициента вариации суммарной нагрузки на исполнительном органе за оборот шнека и параметров, характеризующих распределение усилий на резцах и распределение толщины стружки.
Список литературы
1. Позин Е. З., Меламед В. З., Тон В. В. Разрушение углей выемочными машинами. М.: Недра, 1984. 288 с.
2. Позин Е.З., Головашкин Ю.В. Выбор эффективных схем расстановки резцов для шнековых исполнительных органов комбайнов. Уголь. 1978. № 2. С. 46-51.
3. Красников Ю.Д. Моделирование разрушения углей режущими инструментами. М.: Наука, 1981. 218 с.
4. Министерство угольной промышленности СССР. ОСТ 12.44.25884. Комбайны очистные. Выбор параметров и расчет сил резания и подачи на исполнительных органах. Методика. М.: Изд-во Министерства угольной промышленности СССР. 1985. 108 с.
5. Оценка влияния отказов резцов и резцедержателей на показатели эффективности работы угледобывающих комбайнов / Ю.Н. Линник, А.Б. Жабин, В.Ю. Линник, А.В. Поляков // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018; Вып. 2. С. 247-263.
6. Обоснование геометрических и режимных параметров шнековых исполнительных органов, обеспечивающих эффективность погрузки угля на забойный конвейер / В.В. Габов [и др.] // Уголь. 2018. № 2. С. 32-35.
7. Хорешок А.А., Цехин А.М., Борисов А.Ю. Влияние условий эксплуатации горных комбайнов на конструкцию их исполнительных органов/ Горное оборудование и электромеханика. 2012. № 6. С. 2-5.
8. Hoseinie Seyed Hadi, Ghodrati Behzad, Hosseini A. Availability analysis of drum shearer machine; A Case Study. Proc. 24th Int. Min. Congr. Turkey. IMCET 2015. С. 913-918.
9. Kumar C., Prakash A. Design methodology for cutting drum, power rating and operational control of surface miner under varied rock conditions—an approach // Journal of Mining Science. 2018. № 4(54). С. 582-590.
10. Kumar C., Prakash A. Experimental investigations on thermal behavior during pick-rock interaction and optimization of operating parameters of surface miner // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2020. 133 с.
11. Оценка производительности очистного комбайна при изменяющихся горно-технических и геомеханических характеристиках угольного пласта /А.А. Ордин , В.В. Окольнишнико , С.В. Рудометов, А.А. Метельков // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2019. № 1. С. 64 - 73.
12. Zich A., Linnik Yu. N., Linnik V. Yu. Verlangerung der Betriebsdauer von Meiselhalterungen an schneidenden Kohlegewinnugsmaschinen / Gluckauf. 2017. № 53. С. 474-479.
13. Линник Ю.Н., Линник В.Ю. Анализ структуры отказов шнеков очистных комбайнов // Уголь. 2021. № 4. С. 20-25.
14. Шабаев О.Е., Бредун И.И. Техническая диагностика резцового исполнительного органа проходческого комбайна // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. С. 94-101.
15. Определение спектра нагруженности угледобывающих машин. Ю.Н. Линник, В.Ю. Линник, А.Б. Жабин, Е.А. Аверин // Уголь. 2021. № 5. С. 37-41.
16. The effect of geometries and cutting parameters of conical pick on the characteristics of dust generation / W.D. Zhou [and others] // Experimental investigation and theoretical exploration. Fuel Processing Technology. 2020.198.106243. (doi:10.1016/j. fuproc.2019.106243).
17. Rostamsowlat I., Richard T., Evans B. An experimental study of the effect of back rake angle in rock cutting // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018. Vol. 107. P. 224-232.
18. Jiang H.X, Meng D.G. 3D numerical modelling of rock fracture with a hybrid finite and cohesive element method. Engineering Fracture Mechanics. 2018. 199. Р. 280-293.
19. Liu W., Zhu X., Jing J. The analysis of ductile-brittle failure mode transition in rock cutting // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2018. 163. Р. 311 - 319.
20. Liu Xiaohui, Geng Qi. Effect of contact characteristics on the self-rotation performance of conical picks based on impact dynamics modelling // Royal Society Open Science. 2020. No. 5(7), article 200362. DOI: 10.1098/rsos.200362.
Линник Юрий Николаевич, д-р техн. наук, проф. ylinnik@rambler. ru, Россия, Москва, Государственный
Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., zhabin. [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Линник Владимир Юрьевич, д-р экон. наук, доц., проф. [email protected], Россия, Москва, Государственный университет управления,
университет управления
EVALUATION OF THE INFLUENCE OF DISTURBANCE OF THE PATTERN OF CUTTER ARRANGEMENT OF CUTTERS DUE TO TOOLHOLDER FAILURES ON POWER EQUILIBRIUM OF ACTUATORS IN THE PROCESS OF OPERATION OF COAL
COMBINES
Yu.N. Linnik, A.B. Zhabin, V.Yu. Linnik
When coal-mining combines work on complex seams containing large hard inclusions and strong rock layers, which is typical for mines in Kuzbass, the share of toolholder failures is high, which leads to systematic violations of the cutter arrangement scheme on the actuator. This leads to an increase in the unevenness of loading of the executive body, estimated by the design coefficient of variation of the total cutting force for one turn of the auger v_1i, and increased dynamic loading of the combine as a whole. It has been experimentally established that as the toolholders fail and with increasing feed rate of the combine harvester there is an increase in the spread of variation of the power consumed by the electric motors of the combine
harvester, which adversely affects the steady electromagnetic torque and steady power of the motors. As a result of modeling of the process of coal seam destruction at different number of missing cutters, calculation dependences are proposed, which allow to estimate the force equilibrium of the executive body taking into account systematic violations of the cutter arrangement scheme due to failures of cutter holders when operating coal-mining combines in real conditions of coal seam destruction.
Key words: coal-mining combine, executive body, toolholder failure, unevenness of loading, coal seam, steady power of electric motors, electromagnetic moment, unevenness of loading, coefficient of variation of cuttingforce.
Linnik Yuri Nikolaevitch, doctor of technical sciences, professor, professor, ylin-nikarambler. ru, Russia, Moscow, State University of Management
Zhabin Alexandr Borisovitch, doctor of technical sciences, professor, , [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Linnik Vladimir Yurievitch, doctor of economic sciences, docent, , [email protected], Russia, Moscow, State University of Management,
Reference
1. Pozin E. Z., Melamed V. Z., Ton V. V. Destruction of coal by mining machines. Moscow: Nedra, 1984. 288 p.
2. Pozin E.Z., Golovashkin Yu.V. The choice of effective schemes for cutting cutters for screw executive bodies of combines. Coal. 1978. No. 2. pp. 46-51.
3. Krasnikov Yu.D. Modeling of coal destruction with cutting tools. M.: Nauka, 1981. 218 p.
4. Ministry of Coal Industry of the USSR. OST 12.44.258-84. Combine harvesters. Selection of parameters and calculation of the reaction and feed forces on the executive bodies. Methodology. M.: Publishing House of the Ministry of Coal Industry of the USSR. 1985. 108 p.
5. Assessment of the impact of failures of cutters and tool holders on the performance indicators of coal mining combines / Yu.N. Linnik, A.B. Zhabin, V.Yu. Linnik, A.V. Polyakov // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2018; Vol. 2. Pp. 247-263.
6. Substantiation of geometric and operating parameters of screw executive bodies ensuring the efficiency of loading coal onto a downhole conveyor / V.V. Gabov [et al.] // Coal. 2018. No. 2. pp. 32-35.
7. Khoreshok A.A., Tsekhin A.M., Borisov A.Yu. The influence of the operating conditions of mining combines on the design of their executive bodies/ Mining equipment and electromechanics. 2012. No. 6. pp. 2-5.
8. Hosseini Seyed Hadi, Godrati Behzad, Hosseini A. Analysis of the availability of a drum harvester machine; a case study. 24th part. Congress. Turkey. IMCET, 2015. pp. 913918.
9. Kumar S., Prakash A. Methodology of cutting drum design, rated power and operation control of a tunneling combine in various mining conditions — approach // Journal of Mining Science. 2018. No. 4(54). pp. 582-590.
10. Kumar S., Prakash A. Experimental studies of thermal behavior in the interaction of a pickaxe with a rock and optimization of the working parameters of a sinker // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2020. 133 p.
11. Evaluation of the productivity of a cleaning combine with changing mining, technical and geomechanical characteristics of a coal seam /A.A. Ordin , V.V. Okolnishniko , S.V. Rudometov, A.A. Metelkov // Physico-technical problems of developing useful minerals. 2019. No. 1. pp. 64-73.
12. Zikh A., Linnik Yu. N., Linnik V. Yu. Investigation of the state of children's health in the conditions of Maiselhalterungen and schneidenden / / Glucauf. 2017. No. 53. pp. 474-479.
13. Linnik Yu.N., Linnik V.Yu. Analysis of the structure of failures of shne-cov cleaning combines / Coal. 2021. No. 4. pp. 20-25.
14. Shabaev O.E., Bredun I.I. Technical diagnostics of the cutting executive body of the tunneling combine // Mining information and analytical bulletin. 2017; No. 9. pp. 94-101.
15. Determination of the load spectrum of coal mining machines. Yu.N. Linnik, V.Yu. Linnik, A.B. Zhabin, E.A. Averin // Ugol. 2021. No. 5. pp. 37-41.
16. The influence of geometry and cutting parameters of a conical knife on the characteristics of dust formation / U.D. Zhou [et al.] // Experimental and theoretical studies. Fuel processing technology. 2020.198.106243. (doi:10.1016/j. fuproc.2019.106243).
17. Rostamsov L. I., Richard T., Evans B. Experimental study of the influence of the rear forward angle of inclination when cutting rocks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018. Volume 107. pp. 224-232.
18. Jiang H.H., Meng D.G. Three-dimensional numerical modeling of rock fracture using the hybrid method of finite and cohesive elements. Engineering mechanics of destruction. 2018. 199. pp. 280-293.
19. Liu W., Zhu H., Jing J. Analysis of the transition from plastic-brittle fracture to fracture during rock cutting // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2018. 163. p. 311 - 319.
20. Liu Xiaohui, Geng Qi. The influence of contact characteristics on the self-rotation characteristics of conical picks based on impact dynamics modeling // Royal Society Open Science. 2020. No. 5(7), Article 200362. DOI: 10.1098/rsos.200362.
