W,

КВт ч т

Р,

кВт

200

100

300

1,0

0,5

1,5

100

200

300

Q,

т/ч

V_п,

м/мин

ПВ,%

40

80

1

2

3

4

5

Р(S4),

кВт

0

Q_конв

Q_т

Q_э

Q_ПВ

Р

W

V_пкр

Р_у

Рисунок 2.1 – Пример номограммы для выбора режима работы комбайна.

Ограничения скорости перемещения :

- по устойчивой мощности электродвигателя.

- по вылету резца.

- по скорости крепления.

- по предельному значению V_п.

- по производительности конвейера.

Возможен также упрощенный подход к определению зависимости нагрузки на валу двигателя в функции скорости подачи комбайна. При использовании упрощенного подхода мощность на валу двигателя при i-й скорости резания исполнительного органа описывается следующим уравнением:

Р = а_i + b V_п, (2.1)

где а_i – условная мощность нагрузки двигателя приV_п=0, кВт;

b– приращение мощности двигателя при увеличенииV_пна 1 м/мин, кВт · мин /м.

Значение a_i может быть определено по следующей формуле:

, (2.2)

где n_рр − количество резцов исполнительного органа, одновременно контактирующих с забоем;

η – к.п.д. передаточного механизма.

Для шнековых исполнительных органов

, (2.3)

для вертикального барабана

. (2.4)

Коэффициенты αиβв формуле (2.2), учитывающие марку угля, принимаются по данным табл. 2.2.

Таблица 2.2.- Характеристика углей

Марка угля	α	β
Ж, К, КЖ, ОС, Т	46	0,27
Г, Д	70
А, ПА	120

Значение b в формуле энергетической характеристики (2.1) определяется по следующему выражению:

(2.5)

где δ − коэффициент, учитывающий хрупко-пластические свойства угля, для вязких углей δ = 0,095, а для хрупких и весьма хрупких δ = 0,06;

К вязким следует относить все угли и антрациты при А > 300 Н/мм, а также угли марок Г и D при А > 90 Н/мм.

К весьма хрупким следует относить антрациты при А < 60 Н/мм, а также угли К, Ж, ОС, Т при А < 120 Н/мм.

К хрупким относятся остальные угли: антрациты А = 60 … 300 Н/мм, угли марок К, Ж, ОС, Т при А = 120 … 300 Н/мм, Г и Д при А < 90 Н/мм.

Для современных комбайнов (УКД300, УКД400, КДК400, КДК500) со шнековыми исполнительными органами, каждый из которых приводится во вращение отдельным электродвигателем, в формулах (2.3) и (2.5) следует принимать H_p=D_и , то есть энергетическую характеристику следует определять только для опережающего исполнительного органа Р_оп=f(V_п).

В этом же квадранте помещается график зависимости допускаемой тепловой мощности электродвигателя в повторно-кратковременном режиме Р (S₄)отПВ. Расчетное определение численных значений осуществляется по выражению

где Р_н(S₁), Р_н(S₄)– номинальная мощность электродвигателя соответственно в режимахS₁ иS₄ приПВ=60%, причем при наличии двухдвигательного привода (комбайны 1ГШ68, К103М) следует принимать общую мощность обоих двигателей;ПВ– относительная продолжительность включения электродвигателя, %.

В нижнем квадранте номограммы приводятся зависимости Q_т = f₃ (V_п)иQ_э = f₄ (V_п),гдеQ_т иQ_эсоответственно теоретическая и эксплуатационная производительности комбайна:

Q_т = 60 γ Н_р В_з V_п, (2.6)

Q_э = Q_т К_э, (2.7)

Для комбайнов с индивидуальным приводом шнеков (УКД300, УКД400, КДК400, КДК500) производительность следует определять только для опережающего исполнительного органа

Q_т.оп = 60 γ D_и В_з V_п .

Q_э.оп = Q_т.оп К_э,

Здесь К_э – коэффициент непрерывности работы очистного комбайна, определяемый по формуле

γ– плотность угля, т/м³;L– длина лавы, м;К_г– коэффициент готовности комбайна (0,8…0,9);Т_мо, Т_ко, Т_зи, Т_оп – отнесенные к одному циклу затраты времени соответственно на маневровые, концевые, на замену инструмента, а также на организационные и другие причины, не связанные с комбайном, мин.

Значения Т_мо, Т_ко, Т_зииТ_опопределяются следующим образом:

Т_мо = L/V_пmax – при односторонней схеме работы комбайна;

Т_мо = 0 – при челноковой схеме работы комбайна;

T_зu = Н_р В_з L Z γ t_p; Т_ко = (15…20) мин;Т_оп = (25…30) мин,

где V_{п max}– максимальная скорость подачи комбайна;

Z – удельный расход режущего инструмента (см. табл. 2.3)

t_p– время на переустановку одного резца (0,5 - 2) мин.

Таблица 2.3 – Удельный расход режущего инструмента

Сопротивляемость угля резанию, Н/мм	0-60	60-120	120-180	180-240	240-300
Удельный расход резцов Z10^–3,шт/т	5,3-5,7	8,3-9,8	12,2-16,3	19,1-21,1	25,5-33,8

В нижнем квадранте приводится зависимость среднечасовой производительности по условию отсутствия перегрева электродвигателя Q_ПВi=f₂(V_п), определяемая графоаналитическим путем для каждой из рассматриваемых скоростей резания:

Q_ПВi = Q_т ПВ/100.

Ход графического определения Q_ПВi при различных значениях относительной продолжительности включения электродвигателя показан на рис. 2.1.

Для контроля следует произвести построение указанных кривых по следующим аналитическим зависимостям:

Q_ПВi = Q_т при V_п<[P_н(S₁) –α_i] ,

. (2.8)

При наличии двухдвигательного привода (комбайны 1ГШ68, К103М) в формуле (2.8) следует принимать общую мощность обоих двигателей.

Максимальная (без учета ограничений) производительность комбайна соответствует точке пересечения построенных кривых Q_э и Q_ПВi (см. рис. 2.1).

Используя полученные данные по нагрузке двигателя и теоретической производительности комбайна, определяются удельные энергозатраты на выемку – W_i, кВтч/т, для каждой из скоростей резания:

- для комбайнов с общим приводом шнеков

W_i = P/Q_т = (α_i + b V_п)/Q_т. (2.9)

- для комбайнов с индивидуальным приводом шнеков (УКД300, УКД400, КДК400, КДК500) удельные энергозатраты следует определять только для опережающего исполнительного органа

W_i = P_оп/Q_т.оп = (α_i + b V_п)/Q_т.оп .

Результаты определения удельных энергозатрат при различных значениях скорости подачи комбайна в виде графиков приводятся в верхнем квадранте.

Результаты вычислений представляются в виде табл. 2.4.

Таблица 2.4 - Результаты вычислений (пример)

Vп, м/мин	Р, кВт	Qт, т/ч	Кэ	Qэ, т/ч	W, кВт ч/т
1,0	67,5	74	0,66	48,8	0,9
2,0
3,0
4,0
5,0

Следующим этапом определения рационального режима работы комбайна является учет вышеприведенных параметров ограничений. Часть из них (V_пmax, Q_конв) находится из технических характеристик комбайна и конвейера.

Целью выявления ограничения скорости подачи V_nк по производительности забойного конвейера является обеспечение его допускаемой загрузки при работе очистного комбайна по условию Q_т ≤ (0,7…0,8)·Q_конв, где Q_конв – теоретическая производительность конвейера по данным его характеристики, т/ч.

Значение скорости V_nк может быть установлено по формуле:

. (2.10)

Целью учета ограничения скорости подачи комбайна значением V_пкрявляется соблюдение требования по обеспечению допускаемой горно-геологи-ческими условиями площади обнажаемой кровли вслед за работающим комбайном.

Ограничение скорости подачи комбайна по креплению забоя механизированной крепью производится по зависимости:

V_пкр = К L_кр/t_кр, (2.11)

где К = 0,4…0,9 – коэффициент, учитывающий горно-геологические условия;

L_кр – шаг установки секций крепи по длине лавы, м;

t_кр - норматив времени на переустановку одной секции крепи;

t_кр = (0,2…0,3) мин.

Целью определения скорости подачи по вылету режущего инструмента l_р является выполнение требования отсутствия недопустимого контактирования с неразрушенным массивом угля резцедержателей работающего исполнительного органа с учетом его конструктивных особенностей.

Для наиболее распространенных комбайнов, имеющих шнековые или барабанные исполнительные органы:

, (2.12)

где n_и.о – частота вращения исполнительного органа, об/мин;

n_рл – число резцов в одной линии резания;

l_р –радиальный вылет резца, см.

Цель определения скорости подачи комбайна по условию Р_у≥Р – обеспечить работу комбайна без опрокидов его двигателя. Для определенияV_Рунеобходимо установить расчетное значениеР_упо зависимости:

Р_у = М_у n_у / 9550, (2.13)

где М_у – устойчивый момент двигателя, Нм;

n_у – частота вращения ротора двигателя, соответствующая устойчивому моменту, об/мин. В первом приближении принимается равной номинальной частоте вращения.

Устойчивый момент двигателя определяется по зависимости

(2.14)

где М_мф – максимальный вращающий момент электродвигателя в условиях его питания от реальной шахтной сети, Нм. В первом приближении М_мф=0,72М_к. Здесь М_к – максимальный вращающий момент электродвигателя в условиях его питания номинальным напряжением, Нм;

К_упр – коэффициент управления, учитывающий качество управления по поддержанию нагрузки на заданном уровне. Принимается при автоматическом управлении 0,9, а при «ручном» – 0,8;

К_нч=1,1…1,5 – коэффициент, учитывающий отношение амплитуды низкочастотной слагающей максимальной нагрузки и среднему ее значению;

К_вч = 0,3…0,4 – коэффициент, учитывающий отношение амплитуды высокочастотной слагающей нагрузки к максимальному значению низкочастотной составляющей;

К_д – коэффициент выравнивания высокочастотной слагающей нагрузки. К_д = 0,1…0,3 – для однодвигательного привода; К_д = 0,5…0,8 – для двухдвигательного привода исполнительного органа.

При двухдвигательном приводе (комбайны К103М, 1ГШ68) полученное значение устойчивого момента одного двигателя следует умножить на коэффициент 1,9, учитывающий возможное несовпадение механических характеристик двигателей.

Численные значения ограничивающих параметров отражаются на номограмме в (см. рис. 2.1) виде соответствующих линий.

Рациональные значения скорости подачи V_прац и скорости резания V_ррац определяют исходя из условия обеспечения максимальной эксплуатационной производительности (Q_э → max) при минимальных удельных энергозатратах (W→ min) с учетом всех рассмотренных ограничений. Так, например, согласно данным рассматриваемого числового примера (см. рис. 2.1), в качестве рациональной принимается скорость подачи V_прац=V_пкр=3,75 м/мин. Выбранный режим работы комбайна следует выделить.

С учетом полученного значения подачи определяется величина сменной эксплуатационной производительности комбайна

,

где Т_см – продолжительность смены, ч;

t_пз = 2(0,15…0,25) – затраты времени на подготовительно-заключительные операции, ч.

В заключении работы формулируется соответствующий вывод. При низких технико-экономических показателях работы очистного забоя необходимо предложить возможные пути их повышения.

3 МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМБАЙНА С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРА

3.1 Общие положення

Для более точного, чем изложено в разделе 2, построения графика энергетической характеристики очистного комбайна, представляющего собой отрезок прямой Р = a_i + b_i V_п, необходимо расчетным путем с использованием ЭВМ определить значения мощности электродвигателя (или электродвигателей) подсистемы привода исполнительных органов для двух произвольно принятых значений скорости перемещенияV_пмиV_пб (например, можно принятьV_пм= 2 м/мин иV_пб= 5 м/мин). При этом учитывается, что

Р = Р_рез + Р_погр + Р_под , (3.1)

где Р_рез– мощность на резание;

Р_погр– мощность на погрузку;

Р_под– мощность на подачу (перемещение).

Для комбайнов с вынесенной системой подачи или с отдельным приводом подачи Р = Р_рез + Р_погр, а для комбайнов, используемых на пластах крутого падения, -Р=Р_рез.

В случае, если конструкция комбайна предусматривает возможность получения двух скоростей вращения исполнительных органов и соответственно двух скоростей резания, расчет следует произвести для обоих исполнений машины.

Значения коэффициентов а_iиb_iдляi- й скорости резания определяются по выражениям:

;

где Р_бi,P_мi– значения нагрузки электродвигателя комбайна, полученные по выражению (3.1) дляi– й угловой скорости вращения соответственно при скоростях перемещенияV_пбиV_пм.

3.2 Определение мощности электродвигателя комбайна, обеспечивающей процесс резания и погрузки угля

Определение слагаемых Р_резиР_погрдля построения энергетической характеристики при двух значениях скорости подачи производится на ЭВМ с использованием программы вычислений NAGROST. Прикладная программа NAGROST разработана на кафедре «Горные машины» ДонНТУ под руководством проф. д.т.н. Гуляева В.Г. и проф., д.т.н. Горбатова П.А. для автоматизации вычислений нагрузки на шнековых исполнительных органах очистных комбайнов. Алгоритм вычислений базируется на материалах руководящего нормативного документа КД 12.10.040-99 [2].

Программа NAGROST работает в среде MS-DOS и позволяет определить значения проекций главного вектора и главного момента сил, действующих на шнековые исполнительные органы очистного комбайна, в каждом из nположений органов по углу поворота (), а также усредненные значения указанных параметров за один оборот шнека и мощность электродвигателя. Для удобства пользования программой разработана библиотека исходных данных, соответствующая основным типам исполнительных органов.

Как правило, очистные комбайны имеют два шнековых исполнительных органа. При этом P_рез = P_рез1 + Р_рез2 и P_погр = P_погр1 + Р_погр2 , где индексы 1 и 2 соответствуют первому (опережающему) и второму (отстающему) органу. В таблице 3.1 приведены данные для основных типов исполнительных органов очистных комбайнов, оснащенных резцами ЗР4-80.

Перед началом работы с программой следует создать каталог, в который скопировать исполняемый файл rasch.exe, а также файлы с исходными данными шнеков (табл. 3.1). Расчеты целесообразно проводить в такой последовательности: сначала для опережающего шнека при скоростях подачи V_пб и V_пм , а затем повторить те же расчеты для отстающего шнека.

Таблица 3.1 – Основные параметры шнековых исполнительных органов.

Название файла с параметрами шнеков	Диаметр, м	Ширина захвата, м	Кол-во резцов в линии резания	Применяемость на очистных комбайнах
63_80_1	0,63	0,8	1	К103М
71_80_1	0,71	0,8	1	К103М, 1К101У
80_80_1	0,80	0,8	1	К103М, 1К101У
80_80_2	0,80	0,8	2	К103М, 1К101У
80_63_2	0,80	0,63	2	1К101У
100_63_2	1,0	0,63	2	РКУ-10
112_63_2	1,12	0,63	2	РКУ-10, 1ГШ68
125_63_2	1,25	0,63	2	РКУ-10,1ГШ68,РКУ13
140_63_2	1,40	0,63	2	1ГШ68, РКУ13

Для начала работы с программой следует запустить файл rasch.exe. Программа предлагает выбрать название варианта расчета (можно нажать клавишу ENTER) и выбрать способ ввода параметров шнека. Следует выбрать опцию 1 и после запроса программы ввести название файла из таблицы 3.1 (например, 63_80_1).

На предложение «Наберите номер нужного Вам режима» сначала следует выбрать опцию 2 (ввод с клавиатуры). В дальнейшем при расчете удобнее вводить исходные данные из файла (опция 1), который создается программой при ее выполнении, предварительно изменив, например, с помощью встроенного редактора Dos Navigator значение скорости подачи, коэффициента ослабления и др. параметров. По запросу программы вводятся следующие исходные данные, см. табл.3.2.

Таблица 3.2 - Исходные данные для расчета

№	Наименование и размерность	Значение
1	Сопротивляемость пласта резанию, Н/мм	См. задание
2	Мощность пласта, м	См. задание
3	Коэффициент сопротивления резанию	См. формулу (3.2)
4	Коэффициент способности угля к измельчению	Вводится значение 0
5	Коэффициент степени хрупкости	См. пояснение ниже
6	Скорость подачи комбайна , м/мин	Произвольное значение Vпб ( Vпм)
7	Направление движения комбайна	1 (слева направо)
8	К.п.д. редуктора привода шнека	См. формулу (3.3)
9	Расстояние между опорами вала, м	1
10	Расстояние от крайней линии резания…	0.5
11	Число расчетных положений шнека	18
12	Частота вращения шнека, об/мин	См. табл.П-1
13	Направление вращения шнека	См. пояснения ниже
14	Схема расположения шнека	1- у почвы, 2 –у кровли
15	Тип шнека	1- опережающий, 2- отстающий
16	Коэффициент ослабления массива	См. пояснения ниже
17	Наличие погрузочного щитка	1-нет, 2- есть
19	Наличие подпора погружаемого угля	1-нет, 2- есть (для опережающего шнека комбайна К103М)
20	Высота погрузки, м	См. формулу (3.4)

Коэффициент сопротивления пласта (п.3 табл. 3.2) причем меньшие значения принимаются для пластов высокой сопротивляемости резанию. Так как диапазон изменения сопротивляемости пластов резанию составляет примерноА_р = 35…360 Н/мм, для определения можно рекомендовать зависимость

(3.2)

Значение показателя степени хрупкости угля Е принимается с учетом следующих предельных значений: вязкие угли Е = 1,3…2,1; хрупкие угли Е = 2,1…3,5; весьма хрупкие угли Е = 3,5…8,4.

КПД редуктора привода исполнительного органа (п.8 табл. 3.2) определяется по формуле

(3.3)

где z_п – количество зубчатых передач в кинематической цепи от электродвигателя до исполнительного органа, которое определяется по кинематической схеме комбайна.

Направление вращение исполнительного органа (п.13 табл. 3.2) следует принимать в соответствии с рис. П-1 (см. Приложение). При вращении органа по ходу часовой стрелки вводится значение 1 (шнек правый), в противном случае – 2 (шнек левый).

Коэффициент ослабления (п. 16 табл. 3.2) для опережающего шнека принимается равным 1, за исключением специальных случаев (например, при нагнетании воды в угольный пласт коэффициент ослабления принимается равным 0,8…0,9). Для отстающего шнека значение коэффициента ослабления К_ос зависит от схемы разрушения. В случае, если массив ослаблен впереди идущим верхним органом, при движении резцов в зоне резания от почвы к кровле К_ос = 0,72…0,77, а при движении резцов от кровли к почве – 0,85…0,9. Схемы разрушения пласта для основных типов очистных комбайнов приведены в Приложении на рис. П-2.

Высота погрузки (п. 20 табл. 3.2) принимается 0 при погрузке с уступа, равного высоте конвейера или большего его высоты (характерно для опережающих исполнительных органов). Для остальных случаев высота погрузки

H_погр= H_p – D – h_конв, (3.4)

где H_p – мощность пласта,

D – диаметр шнека,

h_конв – высота рештачного става конвейера со стороны погрузки, значение которой приведены в [1,3].

После ввода всех параметров программа предлагает сохранить введенные параметры путем записи в текущий каталог. Целесообразно выбрать опцию 1 и после запроса ввести сначала наименование блока параметров (например, КОМБАЙН РКУ), а затем имя файла с исходными данными (например, input1).

Программа производит вычисления и запрашивает режим выдачи результатов. Целесообразно выбрать опцию 2 (запись результатов на диск) и после запроса ввести имя файла с результатами (например, rez1). На запрос «Для оформления приложения к расчету нажмите клавишу с буквой r , для выхода из программы – букву q» следует выбрать выход из программы, так как приложение содержит данные об изменении нагрузки за оборот шнека, которые не используются при построении энергетической характеристики.

Используя средства DOS Navigator или другой аналогичной оболочки, следует просмотреть файлы с исходными данными и результатами расчетов и, если в исходных данных ошибок нет, вывести их на печать. Для дальнейших расчетов используются полученные значения мощности на резание и погрузку, а также математическое ожидание (с учетом знака) горизонтальной составляющей R_b усилия, действующего на шнек.

После этого следует изменить в созданном программой файле исходных данных (например, в файле input1) значение скорости подачи, повторить расчет и напечатать его результаты.

Для расчета мощности и нагрузки на отстающем шнеке следует в файле исходных данных изменить параметры, соответствующие пунктам 8 (для комбайна 1К101У), 13 (для всех комбайнов кроме 1К101У), 14 - 17, 19, 20. Как уже отмечалось, и для отстающего шнека расчеты выполняются для двух принятых значений скорости подачи.

3.3 Определение мощности электродвигателя, обеспечивающей процесс перемещения комбайна.

В процессе перемещения очистного комбайна необходимо преодолевать следующие усилия, действующие в направлении подачи:

• усилия подачи на исполнительных органах Y_п = - (R_b1+ R_b2),

где R_b1, R_b2– значения математического ожидания горизонтальных (в направлении перемещения) составляющих усилий соответственно на опережающем и отстающем органе, полученные в результате вычислений по программе NAGROST;

- составляющую собственного веса машины G,

- трение машины о раму конвейера (почву пласта),

- неровности пути (стык рештаков конвейера и т.д.).

Необходимое тяговое усилие определяется по зависимости

Y = K_f [ G(fcos_п sin_п ) + Y_п ],Н, (3.5)

где _п - угол падения пласта,

f - коэффициент трения, (0,18…0,25 при движении по рештакам конвейера, 0,3…0,4 – при движении по почве);

K_f- коэффициент, учитывающий дополнительные сопротивления (1,3…1,5).

Для рассматриваемой задачи в формуле (3.5) следует принимать знак + , соответствующий движению комбайна снизу-вверх.

Мощность электродвигателя, обеспечивающая процесс перемещения комбайна определяется по выражению:

(3.6)

где _мп – к.п.д. механизма перемещения, ориентировочно можно принимать _мп =0,7.

Как уже отмечалось, расчет по формулам (3.5) и (3.6) следует выполнить для двух принятых значений скорости перемещения комбайна V_пб и V_пм.

Требования к графической части курсового проекта

В графической части (как правило на листе формата А1) приводится схема размещения всего горного оборудования, входящего в состав механизированного комплекса, с учетом механизмов, располагающихся на откаточном и вентиляционном штреках. В более крупном масштабе вычерчивается конструктивная схема взаиморасположения очистного комбайна с забойным конвейером и механизированной крепью (схема увязки оборудования комплекса), а также виды поперечных сечений по откаточному и вентиляционному штрекам на участке их сопряжения с лавой. При формировании данной схемы и указанных сечений рекомендуется использовать справочное пособите [1], в которомпредставлены конструктивные схемы увязки практически всех серийных отечественных очистных комбайнов с современными скребковыми конвейерами и щитовыми механизированными крепями, а также конструктивно-компоновочные схемы трех видов крепей сопряжения (КС, УКС, МКС) разработки ГП Донгипроуглемаш.

На основании результатов расчетов, выполненных в пояснительной записке по вышеприведенной методике, на листе строится номограмма для установления рационального режима работы очистного комбайна в составе механизированного комплекса в заданных горно-геологических и горнотехнических условиях. Кроме этого на листе также приводится схема обработки забоя исполнительными органами комбайна и таблица с основными исходными данными и выходными результатами курсового проекта.

Возможный вариант компоновки графического листа приведен в приложении.