CC BY
45
УДК 622.23272:622.26 Ю.М. Карташов
ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ПЛАНЕТАРНЫЙ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ОРГАН ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА
Семинар № 20
Процесс проведения подготовительных выработок в подземном способе добычи угля занимает около 60 % основных фондов [1] .В последние годы объемы проведения горных выработок, число подготовительных забоев и скорости проходки систематически снижаются. Увеличение объема подземной угледобычи невозможно осуществить без использования прогрессивных технологий и высокопроизводительной, надежной проходческой техники.
Опыт использования зарубежного проходческого оборудования на шахтах России подтвердил его преимущество по сравнению с отечественными аналогами, главным образом в части ресурса работы и надежности. Однако увеличение ресурса на 25-30 % не окупается разницей в цене (в 10-15 раз и более). В связи с этим целесообразно на базе ранее достигнутых результатов НИОКР создание отечественной высокопроизводительной проходческой техники, способной обеспечить безопасную подготовку и своевременное воспроизводство очистного фронта.
В 1953 г в механическом цехе шахты «Байдаевская» в Кузбассе был изготовлен экспериментальный образец горнопроходческого комбайна ПКГ 1 конструкции Я.Я. Гуменника [2]. Первые же дни испытания комбайна показали большие преимущества новой машины. В отдельные смены
проходилось до 30 м бремсберга с углом подъема от 12 до 25 градусов. А после доводочных работ комбайн на шахте «Абашевская 3-4» прошел за сутки 102 м бремсберга .Успешное применение комбайна ПКГ-1 обеспечили планетарнороторный исполнительный орган и гусеничный ход особой конструкции.
Во время шахтных испытаний комбайна ПКГ-1 КузНИУИ выполнил большой объем комплексных исследований. Замеры расхода энергии двигателями комбайна ПГК-1 показали, что обший удельный расход энергии при работе комбайна в угольном забое колеблется в пределах 0,54:1,12 кВтч/м3, а расход энергии на разрушении угольного массива - 0,31:0,8 кВтч/м3. Средняя потребляемая мошность двигателями росла в 1,5 раза медленнее, чем увеличение скорости подачи комбайна на забой.
Наибольшая скорость подачи комбайна на забой составила 14,6 м-час.
При диаметре забоя 2,0 м выход угля с 1 пог.м выработки составил 3,14 м3.
Объем угля, разрушаемого зубками планетарной части исполнительного органа составил 1,567 м3 (50 %), забурник диаметром 0,47 м разрушал 0,244 м3 (8 %). Остальные 1,329 м3 (42 %) угольного массива были разрушены клеваками.
Определена длина пути зубков планетарной части исполнительного органа в контакте с забоем. Установлено, что рабочая часть траектории зубка составляла от 21 % до 26,3 % обшей ее длины и только зубки, наиболее удаленные от центра водила, проходили в контакте с горным массивом 35,4 % своей траектории.
Износ зубков комбайна ПКГ-1 был минимальным. Комбайн проходил километры выработок с одним комплектом зубков. Если исключить поломки зубков при встрече с включениями колчедана, то расход зубков составил всего 0,02 зубка на 1 пог. м проходки.
Испытания показали, что гусеничный ход вполне обеспечивает при весе комбайна 6 т необходимое напорное усилие на забой2, которое не превышало 0,5 т на 1 м плошади забоя.
В 1956 г. на шахте «Байдаевская» комбайном ПКГ-2 за 18 рабочих суток были пройдены бремсберг, два ходка, конвейерный и параллельный штреки обшей протяженностью 1130 м, а максимальная суточная производительность комбайна достигнута 121 м, при этом машинное время работы комбайна составило всего 46,3 %.
Еше более разительных успехов добилась в 1967 г. бригада Н. Рез-ницкого, которая комбайном ПКГ-3 с аналогичным исполнительным органом за 31 рабочий день прошла 3116 м подготовительных выработок, а максимальная суточная производительность составила 135 м. Такой высокой производительности комбайна не достигалось еше ни в России, ни за рубежом.
Опыт показал, что проходимые комбайном выработки значительно устойчивее, чем те, которые проходятся с помошью буро-взрывных ра-
бот. Это является следствием аркообразного сечения выработок, а также ненарушенностью окружающего выработку массива от проходческих работ. Ввиду сравнительно небольшого срока службы выработок, пройденных комбайном, крепление их, как правило, не производилось. Крепь устанавливалась только в местах геологических нарушений, на сопряжении выработок и в зонах, где проводились взрывные работы для разрушения колчеданов, в общей сложности это составило 4-5 %.
Во время установления мирового рекорда комбайн ПКГ-3 прошел без капитального ремонта более 30 км горных выработок при норме 6 км.
В 1977 г. проведены шахтные испытания экспериментального образца проходческого комплекса ППГ на шахте им. Ворошилова в Кузбассе [3]. Комбайн комплекса с планетарнороторным исполнительным органом проходил скважины диаметром 765 мм длиной 90 м в крутом (68 градусов) пласте, имеющем крепкие породные включения, со скоростью 20-42 м в час, при этом обеспечивались комфортные и безопасные условия труда рабочих, главным образом, за счет высокоэффективного способа пыле-подавления и газоудаления из тупикового забоя 4.
Опыт эксплуатации комбайнов типа ПКГ и комплекса ППГ-Э показал, что горные комбайны с планетарными исполнительными органами, разрушающими горный массив по принципу ударного скола, имеют значительные преимущества перед применяемыми до сих пор в промышленности проходческими комбайнами с исполнительными органами, разрушающими горный массив по принципу резания.
Однако исполнительный орган комбайнов типа ПКГ имеет ряд суще-
ственных недостатков, основной из которых состоит в наличии забурника, разрушающего горный массив по принципу резания при постоянном контакте резцов с забоем. Забурник разрушает 7,5 % площади забоя, при этом он берет на себя около 40 % мощности электродвигателя исполнительного органа, а постоянный контакт резцов с забоем приводит: к значительному выходу из забоя в разрушенной горной массе труднообогати-мых мелких классов (размером менее
6 мм), к высокой степени запыленности атмосферы в призабойном пространстве (в 5-30 раз превышающие ПДК) и к нагреванию резцов забурника до температуры, способной воспламенить газ метан и угольную пыль при проведении выработок на пластах с крепкими породными включениями.
Вторым важным недостатком конструкции планетарно-роторного исполнительного органа является и то, что она неприемлема для проведения подготовительных выработок диаметром больше 2,2 м. С увеличением суммарной длины рабочих барабанов свыше 2,2 м изменяется траектория движения резцов. При этом на периферии проводимой выработки скорость резания значительно увеличивается, в то время как в центральной ее части резцы исполнительного органа имеют малую скорость резания. С ростом момента инерции исполнительного органа происходит рост динамических нагрузок на привод, что приводит к его поломкам. Подобрать оптимальное соотношение скоростей резания на периферии и в центральной части забоя проводимой выработки сечением более 3,8 квадратных метра практически невозможно.
Столь существенные недостатки не позволили машиностроителям при-
ступить к серийному производству высокопроизводительных проходческих комбайнов типа ПКГ.
Однако достигнутые технико-экономические показатели на комбайнах типа ПКГ с планетарно-роторными исполнительными органами указывают на необходимость продолжения комплексных исследований работы различных конструкций планетарных исполнительных органов с тем, чтобы выявить все их возможности, после чего оснастить горные комбайны планетарными исполнительными органами, разрушающими горный массив в забое по принципу ударного скола, что позволит: существенно повысить производительность труда рабочих, улучшить гранулометрический состав разрушаемой породы или угля, уменьшить на 40-50 % удельный расход энергии на разрушение горного массива, снизить запыленность призабойного пространства при проходке, повысить устойчивость проводимых выработок и значительно снизить себестоимость проходки горных выработок.
Выше указанные недостатки планетарно-роторного исполнительного органа комбайна типа ПКГ удалось преодолеть в конструкции беззабур-никового исполнительного органа, разработанного в 1991 г. отраслевым временным творческим коллективом «Горслой». Новый планетарный исполнительный орган (ПИО) предназначен для оснащения проходческих комбайнов при проведении горизонтальных и наклонных выработок сечением в проходке 7,7 квадратных метров и более по горным породам с /<6 (по шкале проф. М. М. Протодъя-конова), а также по угольным пластам с присечкой до 20 % пород с = 8,5.
В основу при разработке ПИО проходческого комбайна положены следующие принципы:
Рис. 1. Кинематическая схема планетарного исполнительного органа проходческого комбайна: ЦРГ - центральная режущая головка; ПРГ1 и ПРГ2 - периферийные режущие головки; Б1 и Б2 - рабочие барабаны с зубками центральной режущей головки; РБ1 и РБ2 - рабочие барабаны с зубками периферийных режущих головок; Д - двигатель исполнительного органа; П - сменная проставка; К - корпус исполнительного органа; РП1 и РП2 - редуктор периферийных режущих головок; ПО - планетарная передача исполнительного органа; ДП - дифференциальная коническая передача; ПЦГ - планетарная передача центральной режущей головки; ДЦГ - дифференциальная коническая передача центральной режущей головки
- разрушение горных пород по всей площади забоя ударным скалыванием;
- равные условия работы всех зубков исполнительного органа как по объемам разрушаемой каждым инструментом породы или угля, так и по скорости движения относительно забоя;
- возможно меньшее число зубков одновременно соприкасаюшихся с забоем и сосредоточение на них всей мошности привода исполнительного органа и напорного усилия комбайна.
Новый ПИО проходческого комбайна (рис. 1, 2) содержит центральную (ЦРГ) и две периферийных ре-жуших головки (ПРГ1 и ПРГ2), объе-
Рис. 2. Вид от забоя иа планетарный исполнительный орган: ЦРГ - центральная режушая головка; ПРГ1 и ПРГ2 - периферийные режушие головки; Б1 и Б2 - рабочие барабаны с зубками центральной режушей головки; РБ1 и РБ2 - рабочие барабаны с зубками периферийных режуших головок; Б 1 и Б 2 - плошади выработки, разрушаемые бермовыми фрезами
диненных в единый исполнительный орган, в котором оснашенные зубками рабочие барабаны врашаются одновременно в двух плоскостях -вокруг центрального вала 1 (переносное движение) и вокруг собственных осей барабанов РБ1 и РБ2, а также барабанов Б1 и Б2 (относи-
тельное движение). В результате сложения этих движений зубки исполнительного органа движутся по сложным пространственным кривым. В конечном итоге на режушем инструменте рабочих головок ЦРГ, ПРГ1 и ПРГ2 суммируются следую-шие движения:
а) на центральной режущей головке вращение инструмента вокруг валов барабанов Б1 и Б2 от дифференциальной передачи ДЦГ с относительной угловой скоростью 0>1отн,
вращение инструмента вокруг вала 6 с переносной угловой скоростью ®2пер. и вращение инструмента вокруг центрального вала 1 вместе со всем режущим механизмом с переносной угловой скоростью а>зпер.;
б) на периферийных режущих головках вращение инструмента вокруг валов барабанов РБ1 и РБ2 с относительной угловой скоростью а>2отн. и вращение инструмента вокруг центрального вала 1 вместе со всем режущим механизмом с переносной угловой скоростью а>зпер.-
При вращении исполнительного органа и подаче комбайна на забой происходит ввинчивание ПИО в разрушаемый массив, а зубки, установленные на рабочих барабанах с «разводом» (подобно зубьям пил), вгрызаются в горный массив и разрушают его по принципу ударного скола с минимальным (до 10 %) выходом нежелательных для технологии обогащения классов размером менее 6 мм.
Все три рабочих головки жестко прикреплены к корпусу К исполнительного органа комбайна (рис. 1). ЦРГ производит вруб в центральной части забоя зубками барабанов Б1 и Б2, которые смещены относительно барабанов РБ1 и РБ2 в сторону забоя, а ПРГ1 и ПРГ2 разрушают остальную кольцеобразной формы площадь забоя выработки.
Для сообщения барабанам РБ1 и РБ2 одновременного вращения вокруг центральной оси 1 исполнительного органа комбайна и вокруг собственных осей этих барабанов используются две планетарные зуб-
чатые передачи, одна из них цилиндрическая ПО и вторая коническая ДП.
Центральную режушую головку вокруг оси 6 врашают цилиндрические планетарные передачи ПО и ПЦГ, а вокруг собственных осей барабанов Б1 и Б2 - коническая дифференциальная передача ДЦГ, размешенная в корпусе водила ЦРГ.
ПИО работает следуюшим образом (рис. 1).Поток мошности от двигателя Д через центральный вал 1 на солнечном колесе 2 разветвляется на два потока М и Н. Поток М через шестерни-сателлиты, обкатываюшиеся по венцу с внутренним зацеплением планетарной передачи ПО, идет на врашение водила 3 относительно центрального вала 1 , а следовательно и всего исполнительного органа. Второй поток мошности Н передается по центральному валу 1 на коническое колесо 4 передачи ДП, где он разветвляется на три потока Н1, Н2 и Н3. Потоки Н1 и Н2 идут на боковые конические шестерни передачи ДП, через которые посредством редукторов РП1 и РП2 передается врашение на барабаны РБ1 и РБ2. Третий поток мошности Н3 передается от центрального вала 1 на муфту внутреннего зацепления 5, вал 6 и солнечное колесо 7, где еше происходит разветвление мошности на два потока Н'3 и Н''3. Поток Н'3 идет от колеса
7 на сателлиты и неподвижный венец с внутренним зацеплением планетарной передачи ПЦГ, которые врашают водило центральной режушей головки. А поток мошности Н'3 через вал 6 поступает на колесо 8, далее через редуктор идет к дифференциальной передаче ДЦГ на конические шестерни, врашаюшие барабаны с зубками
Бі и Б2.
Периферийная режушая головка ПРГ1 функционирует от боковой ко-
нической шестерни передачи ДП, вращающей вал 9, шестерню 10, муфту внутреннего зацепления 11 и через редуктор РП1 вращение передается на оснащенные зубками рабочие барабаны РБ1
Аналогично функционирует и режущая головка ПРГ2, которая работает от другой конической шестерни ДП.
Рабочие барабаны Б1 и Б2 центральной режущей головки и рабочие барабаны РБ1 и РБ2 периферийных режущих головок, совершая относительные и переносные движения, разрушают всю площадь забоя проводимой выработки по принципу ударного скола на щебнеподобные куски с минимальным выходом мелких классов, а наличие опережающего центрального вруба с односторонним вращением барабанов периферийных режущих головок исключает случаи заклинивания исполнительного органа, что в конечном счете обеспечивает повышение производительности проходческого комбайна и повышает его ресурс при проведении подготовительных выработок большого сечения.
При работе этого исполнительного органа образуется (рис. 2) выработка круглого сечения диаметром 3,0 м и более. Бермовые фрезы вынимают уголки (Эх и Э2) в нижней части проводимой выработки и ее сечение становится подковообразным аналогично как у комбайнов типа ПКГ.
Изменение сечения проводимой выработки осуществляется за счет изменения размера сменных проставок П каждой ПРГ и соответствующих длин сменных зубчатых втулок 12, а также длины рабочих барабанов РБ1 и РБ2.
При проведении выработок по более крепким (слабым) породам заме-
няют пары шестерен редукторов РП1 и РП2, которые позволяют достигнуть оптимальных скоростей резания, обеспечивающих высокие скорости проходки при минимальном расходе энергии. Такой ПИО позволяет разрушать горный массив с высокой скоростью резания (до 10 м в сек) и не требует при этом значительных напорных усилий на забой, что позволяет использовать его в проходческих комбайнах легкого (ГПКС) или среднего (4ПП-2) типов. Оснащение их высокопроизводительными ПИО даст возможность в короткие сроки (за 3-4 года) и с минимальными затратами решить сложную проблему - своевременно и качественно подготовить очистной фронт в угольной и горнорудных отраслях.
В связи с резким увеличением темпов и большим удешевлением проходческих работ на пластах пологого или наклонного падения появится возможность применения новых более эффективных систем разработки, например, камерно-столбовой, которая может оказаться весьма эффективной.
Использование комбайнов с ПИО позволит создать экологически чистые высокоэффективные и безопасные технологии ведения горнопроходческих и очистных работ при разработке пластовых полезных ископаемых.
Учитывая высокие скорости проходки комбайнов с ПИО, появится возможность для жизнеобеспечения попавших в аварию людей, доставки спасателей и средств спасения в зону завала и тем самым обеспечить скорейший вывод рабочих из аварийной зоны.
По мере накопления опытных данных будет возможно создание эффективных проходческих комбайнов нового поколения с ПИО для проведе-
ния горных выработок любого требуемого сечения (с двумя, тремя или пятью рабочими головками).
Потенциальными потребителями проходческих комбайнов с ПИО мо-
1. Ляшенко И.В., Нильва Э.Э., Легоньких В. П. Основные результаты системных исследований проблемы интенсификации процессов проведения горных выработок. - Техника и технология открытой и подземной разработки месторождений: Науч. Сообшения ИНЦГП- ИГД им. А. А. Ско-чинского.- Вып. 316.-М.,2000.-С. 35-47.
2. Проходческий комбайн конструкции Якова Гуменника. Под ред. А. С. Ар-
гут быть все горнодобывающие отрасли, а также отрасли, где проходят транспортные тоннели, метро и другие подземные сооружения большого сечения.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
хангельского. - М.: Углетехиздат, 1956.- 57 с.
3. Карташов Ю.М., Петров А.И. Шахтные испытания комплекса ППГ и перспективы его использования. - Уголь, 1980,
- № 2, с. 39-41.
4. Карташов Ю.М. Способ борьбы с пылью и газом метаном на угольных шахтах.
- Горный информ.-аналит. Бюллетень №8, 2004. -С. 271-276. Изд. Московского государственного горного университета. ШИЗ
— Коротко об авторах
Карташов Ю.М. - кандидат технических наук,
------------------------------------------- ИНФОРМАЦИЯ
Дана H.H. Стефановой в том, что в Горном информационно-аналитическом бюллетене № 5 2003 г. на с. 144, с 146 в статье «Направления повышения эффективности работ факсимильно-гравировальных станков», № 10, 2004 г. на с. 307, с. 310 в статье «Определение технологических параметров при растворном гравировании», № 5 2005 г. с. 308, с. 311 в статье «Анализ временных составляющих рабочего и обратного перемещений якоря электромеханического преобразователя», № 4 2006 г. в статье «Математическое моделирование прямого и обратного ударного перемещения режущего инструмента» на с. 252 в сведениях об авторе напечатано Н.С. Стефанова и по-разному указано место работы. Следует читать H.H. Стефанова и место работы - ГГУ Св. Иван Рилски, Болгария.
