Выбор и расчет горных машин и оборудования комплексной механизации проходческих работ в заданных горно-геологических условиях шахты

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

В настоявшее время когда энергетические ресурсы поглощаются промышленностью и рядовыми гражданами в огромных размерах перед учеными стоит вопрос о открытии новых перспективных источников энергии и тепла, но в данный момент новые разработки находятся в состоянии «прототипов», а имеющееся на сегодняшний день энергоресурсы стремительно истощаются. Единственным топливом добыча которого налажена является уголь.

В 2003 году в России было добыто 275,6 миллиона тонн угля. Добыча открытым способом составила 181,5 миллиона тонн (или 65,8%). По производству угля Россия занимает пятое место в мире после Китая, США, Индии и Австралии. Энергетической стратегией России намечается увеличить добычу угля в 2005 г. до 280 млн т, в 2010 г. - до 340 млн т и в 2020 г. - до 450 млн т. В угольной промышленности России практически завершилась структурная перестройка, и к управлению угледобывающими компаниями пришли частные владельцы.

Для выполнения этой стратегической задачи в указанный период потребуется обеспечить двукратный прирост производственных мощностей предприятий отрасли как за счет модернизации действующих, так и строительства новых предприятий по добыче угля и других полезных ископаемых. Рост мощностей в период до 2010 г. будет происходить за счет технического перевооружения, а в период 2011-2020 гг. - за счет коренного изменения технического уровня горного производства.

Концентрация горного производства на перспективных шахтах угольной отрасли за счет технического переоснащения очистных комплексов требует значительных изменений в ведении подготовительных работ. И в первую очередь это касается прогрессивного комбайнового способа.

Российские компании активно сотрудничиствуют с компаниями стран ближнего зарубежья.

Примером плодотворного сотрудничества российских и украинских машиностроителей является торгово-промышленная компания «Укруглемаш», созданная в феврале 2000 года и являющаяся лидером украинского рынка горношахтного оборудования. «Укруглемаш» координирует производство и сбыт продукции пяти машиностроительных предприятий Украины (Дружковский, Горловский и Новгородский машиностроительные заводы, «Донецкгормаш», Донецкий энергозавод) и двух российских машиностроительных заводов (Каменского и Шахтинского). 3а четыре года наработан громадный и уникальный опыт - «под ключ» оборудовано более 120 лав Украины и России. «Укруглемашем» охвачен полный цикл работ: от изучения особенностей конкретного угольного предприятия, разработки техники под конкретного заказчика, изготовления оборудования на заводе до постгарантийного обслуживания. Совместно с «Донгипроуглемашем» разработано более 40 видов нового угледобывающего оборудования, по производительности и ресурсу соответствующего мировым образцам.

За последние три года в Украине показатели объемов проведения всех выработок не только стабилизировались (на уровне 685-695 км в год, в том числе вскрывающие и подготавливающие - 535-545 километров), но даже наметился их некоторый рост. Хотя, по сравнению с 1995 годом, годовой объем проведения всех выработок сократился в 1,45 раза, а вскрывающих и подготавливающих - в 1,38 раза. В то же время объемы проведения выработок проходческими комбайнами выросли с 231 км в 1998 г. до 256 км в 2003 г. Начиная с середины 90-х годов уровень проведения выработок проходческими комбайнами постоянно повышался, увеличившись с 31,1% в 1995 году до 45,5% в 2003 году. Положительная тенденция увеличения объемов проведения выработок проходческими комбайнами должна сохраниться, составив к 2005 году 340-350 км (53-55% от общего объема).

На сегодняшний день парк проходческих комбайнов в угольной отрасли РФ составляет около 360 штук (порядка 240 из них находятся в Кузбассе). Основе этого парка являются комбайны типа ГПКС производства Копейского машиностроительного завода (по Кузбассу, например, 97%). Анализ состояния проходческих комбайнов указывает на неуклонное снижение парка новых машин. Износ комбайнов по основным угольным компаниям является настораживающим фактором в возможностях обеспечения необходимого объема подготовительных работ в угольных компаниях.

Сейчас в России, вместо ранее выпускавшихся заводами СССР для нужд угольной промышленности, других горнодобывающих отраслей и подземного строительства шести моделей комбайнов весом от 12 до 80 т, на потоке единственный массовый комбайн 1ГПКС (масса 24т) и ставится на промышленное производство базовая модель комбайна среднего класса КП-25 (масса 52 т) и комбайн КП-21.

В то же время подготовленные к производству четыре типа новых современных комбайнов - КП-15 (масса 15 т), КП-20Б (масса 28 т), КП-25Н для проходки уклонов и модели с оборудованием для механизации анкерования - КП-25А (масса 58 т), а также проходческодобычной комбайн ПДКА по типу комбайна фирмы «Джой» (масса 65 т) - не освоены производством из-за отсутствия господдержки по финансированию. Машиностроительный завод по выпуску комбайнов среднего класса (масса 40 т) и тяжелых проходческих комбайнов типа 4ПП-2М и 4ПП-5 (масса 45-80 т) остался на Украине, где было организовано производство новых проходческих комбайнов П-110, П-220, КСП-32. Отсутствие отечественных проходческих комбайнов во всем диапазоне мощности и массы (от 8-10 до 80-100 т.) было восполнено импортом комбайнов западных зарубежных фирм и производства машиностроительных заводов Украины.

В настоящее время в России из-за отсутствия господдержки не освоены в производстве целый ряд новых российских моделей проходческих комбайнов. Однако в период с 1990 по 2004 г. ни один из импортных комбайнов не окупился в эксплуатации. Темпы их работы не превышают темпы проходки отечественными комбайнами, стоимость производства которых значительно ниже стоимости комбайнов зарубежных.

Важными факторами, обеспечивающими эффективную работу проходческих комбайнов является внедрение новых технических решений , необходимо сосредоточить научные исследования на создании исполнительных органов проходческих комбайнов для разрушения крепких пород, для чего использовать последние достижения в области гидроструйной технологии, вибрационной техники и других физических процессов. Целесообразно сосредоточить деятельность по созданию проходческих комплексов на базе отечественных комбайнов, прежде всего циклического (избирательного) действия, обеспечивающих повышение темпов проходки в 3-4 раза при доведении коэффициента надежности конструкции до 0,9 и соблюдении требований безопасности горных работ.

Основной задачей курсового проекта является выбор и расчет горных машин и оборудования комплексной механизации проходческих работ в заданных горно-геологических условиях шахты (f-по углю=4 сечение выработки 9 темпы проведения выр-ки 800 пог.метров/мес). В данном курсовом проекте использованы современные методы проведения подготовительных выработок, а также выбора оптимальных режимов работы с использованием ЭВМ.

1. Краткая характеристика горно-геологических и горнотехнических условий эксплуатации проходческого комплекса

Выбор и расчет оборудования для механизации проходческих работ будет производится для проведения выработки арочного сечения площадь которой ровна 9 м2. Вид забоя угольный Форма Угол наклона проводимой выработки выработки ±10 град. Коэффициент крепости угля по шкале М.М. Протодьяконова равен f=4.

Абразивность породы 6мг. темпы проведения выработки 800 погонных метров в месяц.

Данная шахта взрывобезопасна по внезапным выбросам угля и газа, поэтому газоносность не ограничивает темпы проведения выработки по условиям ведения безопасных работ. Каких либо специфических условий и факторов не имеется. Влажность и водообильность умеренная.

2. Требования, предъявляемые к функциональным машинам горнопроходческого комплекса

Сложные и разнообразные горно-геологические условия, в которых работают современные проходческие машины, технологические особенности систем разработки и методов организации работ обусловливают многообразие жестких, а порой противоречивых требований к конструкции машин, их надежности, мобильности и т. п. Основные группы требований, предъявляемых к горнопроходческим машинам, приведены в работах

Конструктивные. Как и все горные машины, проходческая техника должна быть небольших габаритов и веса, обладать достаточной прочностью, надежностью и долговечностью в работе, технологичностью в изготовлении, ремонтопригодностью. К современным машинам предъявляются также повышенные требования эстетичности, удобства управления, включая возможность дистанционного управления и автоматизированной работы. Последние условия определяют перспективность конструкции. Большинство их можно удовлетворить, если соблюдать общеизвестные принципы и методы конструирования.

Энергетические. Разрушение горных пород, их последующая отработка и транспортирование требуют больших затрат энергии. Поэтому горнопроходческая машина должна иметь привод повышенной мощности, регулируемый в широких пределах. Общий коэффициент полезного действия (КПД) энергосистемы машины складывается из КПД двигателя, трансмиссии, исполнительных органов, ходовых устройств и других вспомогательных систем. Полезная мощность, определяющая производительную работу машины, должна быть максимально использована при работе машины в различных режимах нагрузок. За показатель энерговооруженности однотипных проходческих машин при их сравнении друг с другом может быть принята удельная мощность на единицу веса или обратная величина -- металлоемкость на единицу мощности.

Другим показателем может служить энергоемкость на единицу работы (энергоемкость разрушения 1 м3 горной породы, погрузки 1 т угля и т. п.). Его применяют для сравнительной оценки способности машины выполнять заданные функции при ограниченном энергопотреблении.

Требования безопасности должны удовлетворяться в нескольких аспектах. Во-первых, общая безопасность применения машины в условиях шахт и рудников -- взрывобезопасность (искробезопасность) машины относительно рудничной атмосферы.

Во-вторых, безопасное ведение работ в условиях шума, вибрации, пыли, выхлопных газов, в отношении электро- и механических травм.

В-третьих, безопасная эксплуатация машины в условиях горного давления, повреждения обрушившимися блоками породы, влагозащищенности привода, наличия требуемых правилами безопасности зазоров между движущимися объектами и т. п.

Экономические. К ним относятся требования, связанные с необходимостью достижения достаточно высокой эффективности работы машины. Это -- производительность во времени (м/ч, т/мин); производительность труда рабочего (т/выход), скорость проведения выработки (м/месяц), трудоемкость отдельных процессов и себестоимость продукции.

Обобщенная эффективность, рассчитанная или полученная в результате наблюдений, сравнивается с плановой (заданной), что позволяет дать оценку уровня качества работы машины.

Требования, связанные с уровнем адаптации машины к горно-геологическим условиям производства, с оценкой ее управляемости, мобильности, приспособленности к изменению структуры технической системы и технологии работ.

Эти требования возникают в производственных условиях постоянно и должны учитываться при проектировании, чтобы обеспечить наиболее эффективное функционирование отдельной машины в сложной системе при комплексной механизации проходческих работ.

C учетом вышеизложенных требований разрабатывается структурная схема механизации проходческих работ, структура, обеспечивающего рациональное использование машин и механизмов применительно к заданным условиям.

3. Разработка структурной схемы механизации проведения горных выработок

Для исходных данных предлагаемых мне для выбора и расчёта оборудования комплекса для механизации проходческих работ(, угольном виде забоя, крепость угля f=4, абразивность породы равна 6 и темпах проведения выработки 800 пог.метров в месяц без каких либо дополнительных условий) проведение проходческих работ производится с помощью проходческих комбайнов. При проведении выработок в породах средней крепости и крепких преобладает буровзрывной способ проходки.

Комбайновый способ проходки применяется в основном в сравнительно мягких породах, а в перспективе можно ожидать его применения на породах средней крепости (f<8).

Как правило, выработки со смешанным забоем с коэффициентом крепости f4 проводятся комбайнами со стреловидным исполнительным органом, оснащенным режущим инструментом для разрушения угля. При крепости f<6 комбайны со стреловидным исполнительным органом оснащаются специальным режущим инструментом. Выработки с породным забоем с f<8 проводятся комбайнами с исполнительным органом бурового или комбинированного ударно-скалывающего действия, а также буровзрывным способом. Выработки с породным забоем с f>8 проводятся только буровзрывным способом исключение составляет комбайн «Союз-19»

Для угольных и породоугольных забоев с коэффициентом крепости пресекаемых пород f<6 в объеме до 70% площади забоя целесообразно применять комбайновый способ проходки, в породных забоях -- в основном буровзрывной способ.

Проанализировав первичные данные составляем структурную схему проведения проходческих работ.

Процесс проведения горной выработки состоит из трех основополагающих процессов процессов:

- отделение горной массы от массива;

- погрузка и транспортировка;

- крепление кровли; в процессе проведения выработки существуют еще много не маловажных процессов которые зависят друг от друга.

Каждому из данных процессов соответствует определенный класс машин.

При проходке выработки такой площади и с данными горно-геологическими условиями целесообразно применять комбайновый способ проведения горной выработки.

Для проходки комбайновым способом возможно применение агрегатов, полуагрегатов, а также индивидуальных машин. Существуют большое количество разнообразных структурных схем с различным сочетанием функциональных машин и различными связями межу ними, а также с вырождением одного из элементов.

Рассмотрев различные видамы (способы) проведения вспомогательных горных выработок, а также с современным оборудованием и технологией их провидения выбираем совмещенную структурообразующую схему (О*У-К). Данный вид связи представляет из себя- проходческий комбайн связанный конструктивно с погрузочной машиной и с индивидуальной крепеустановочной машиной (*)-конструктивная связь, (-)-технологическая связь.

Проходческий комбайн (О) конструктивно соединен с погрузочной машиной и перегружателем (У) с помощью кроторого отбитая горня масса будет перемещатся до транспортирующего устройства, и технологически с крепеустановочной машиной (К) предвижение которой непосредственно зависит от комбайна.

Альтернативой для комбайна избирательного действия является комбайны роторного непрерывного действия (роторные) например комбайн ПК- 8.

В заданных условиях возможно использование комбайна как с буровыми, так и со стирательными исполнительными органами. Но проходческие комбайны с буровым исполнительным органам имеют большой недостаток - строго задана площадь сечения выработки. Так комбайн ПК-8М не удовлетворяет заданным условиям из-за возможной площади сечения выработки Sсеч=8-9 м2. Аналогично и комбайн «Урал-10КС» имеет максимально возможную Sсеч=10,2 м2, комбайн «Урал-20КС» - Sсеч=15,3 м2 и Sсеч=17,9 м2, что так же не обеспечивает требующуюся Sсеч=16 м2.

Важнейшим недостатком комбайнов с роторным буровым исполнительным органом, делающим невозможным использование этих комбайнов в заданных условиях, является то, что их применяют по углю и слабым породам с f?4 и абразивностью менее 4 мг.

4. Выбор функциональных машин горнопроходческих систем

Для того чтобы обеспечить высокие темпы проведения выработки (800 пог.метров/месяц необходимо произвести тщательный анализ имеющегося оборудования и выбрать наиболее подходящее для данных условий (f=4, забой угольный, сечение выработки арочное S=9м).

Соответствие выбранного оборудования данным условиям обеспечат высокие технико-экономимические показатели. Обязательно при выборе оборудования необходимо учитывать современные типоразмеры оборудования и руководствоваться современными тенденциями.

- Применение проходческого оборудования небольших габаритов и веса что позволяет повысить манёвриность машины.

- Обладание высокой надёжностью и долговечностью в работе, ремонтопригодностью что позволяет увеличить срок эксплуатации и уменьшить время на ремонт.

- переход к оборудованию с высокими требованиями эстетичности, удобства управления, включая возможность дистанционного управления и автоматизированной работы.

- Горнопроходческая машина должна иметь привод повышенной мощности, регулируемый в широких пределах, обеспечивать высокий КПД.

- Применение машин с более высокими экономическими показателями.

- А также отвечать современным требованиям по безопасности.

Как правило, выработки со смешанным (угольным) забоем с коэффициентом крепости f4 проводятся комбайнами со стреловидным исполнительным органом, оснащенным режущим инструментом для разрушения угля. Произведя предварительный анализ выбираем необходимое оборудование удовлетворяющее выше перечисленным факторам и заданным условиям.

Для наглядного сравнения некоторых типов проходческих комбайнов, а также некоторых комплексов с данными по сравнению некоторых функциональных параметров, что в последствие поможет нам с выбором комбайна.

Комбайн ПК-3Р Проходческий комплекс КНК-6

Таблица 1. Проходческий комбайн ЧЕГ (СРПК) проходческий комбайн ГПКС

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Таблица 5

Таблица 6

Подробным образом изучив и проведя тщательный анализ данных представленных в таблице можно сказать что наиболее эффективными средствами проведения данного типа выработки являются комплексы КН-5Н и КНК-6, а также созданные их базе проходческие агрегаты Ап-1, АП-2, АП-4, однако данный вид разработанного оборудования имеется только в экспериментальных образцах, а некоторое оборудование не обеспечивает заданную форму проводимой выработки (арочная) например комплексы КНК- 6, КН-5Н, АП, а применение зарубежных аналогов экономически не целесообразно. Однако в данных таблицах предложен не весь перечень существующего на сегодняшний день проходческого оборудования. В данных условиях также возможно применение таких марок комбайнов как 4-ПП-2М и 4-ПП5 или КП-25 выпушенный в 1991 г. Специально чтобы заменить данные виды комбайнов.

При проходке выработки с данными по проекту условиями возможно применение комбайнов КП-25 и ГПКС парк которых представлен довольно в большом количестве.

Таблица 7. Техническая характеристика наиболее подходящих проходческих комбайнов

Произведем предварительный расчет потребной мощности оборудования необходимого для проходки данной выработки.

П

Рассчитав предварительно потребную производительность технологического оборудования и сравнив её с рассчитанной в последствии с помощью ЭВМ теоритической, применяемых комбайнов можно сказать что данные проходческие комбайны способны обеспечить необходимые темпы проведения выработки.

Для окончательного выбора комбайна необходимо привести расчет нагруженности исполнительного органа с параметрами комбайна в состоянии заводской поставки с помощью ЭВМ.

Многообразие областей применения, технических решений и конструктивных исполнений проходческих комбайнов избирательного действия стрелового типа с исполнительным органом в виде резцовой коробки порождает необходимость решения задач, связанных с оптимизацией конструктивных и режимных параметров на стадиях проектирования и эксплуатации. Критерием оптимизации принята скорость боковой подачи резцовой коронки при технических ограничения процесса резания и технологических ограничениях по силовым и энергетическим параметрам приводов. Большой объем вычислений даже по одному варианту обусловливает применение ПЭВМ.

Для обеспечения главных требований, предъявляемых к математическим моделям (адекватности, экономичности, универсальности), в основу расчета нагруженности резцовой коронки положена отраслевая методика по ОСТ 12.44.258-84, а математическая формулировка технологических ограничений выполнена с учетом требований ГОСТ 183-74 и ГОСТ 16565-71.

Использование данной разработки предполагает выполнение следующих видов расчета:

· Определение возможной производительности резцовой коронки при обработке угольного забоя с различными характеристиками разрушаемости;

· Выбор комбайнов для заданных условий эксплуатации

· Исследование влияния различных параметров комбайна, резцовой коронки и инструмента на эффективность процесса разрушения.

Расчет нагруженности исполнительного органа подразумевает расчет нагрузок на резцах при резании угля. ЭВМ выполняет этот расчет в соответствие с методикой, приведенной в ОСТ 12.44.258-84. К основным параметрам рассчитываемых в этой методике относятся:

Схему расстановки резцов на коронке:

Рис. 1

Сила резания Z, H, на затупленном резце:

,

где f = 0,38…0,40 - коэффициент сопротивления пласта резания.

Сила подачи Y, H, на затупленном резце:

,

где Сп - коэффициент пропорциональности между силами подачи на затупленном и остром резцах.

SЗ - проекция площадки затупления резца на плоскость резания, см2.

Сила резания на остром резце при кинематическом заднем угле k10o.

,

Сила подачи на остром резце при k10o.

,

Сила подачи на остром резце k=10o.

,

Сила резания на остром резце при кинематическом заднем угле k=10o:

.

4. Расчет эксплутационной нагруженности и производительности с помощью ПВЭМ, выбор оптимальной схемы расстановки резцов

Для выравнивания нагрузки на коронке в течении одного оборота необходимо обеспечить одинаковые условия работы линейных резцов в целях формирования на них равной нагрузки, что может быть достигнуто за счет соблюдения равного линейного шага при равном числе резцов в линии резания . при этом угловой шаг установки резцов небходимо определять, исходя из требования о том, что величина момента на коронке должна оставаться постоянной при любом значении угла её поворота, т.е. должно соблюдаться условие:

Выравнивание же нагрузки по условиям требует соблюдения постоянной плотности резцов на поверхности контакта коронки с забоем при любом значении угла .

Неравномерность нагружения коронки при различных вариантах оценивается коэффициентом вариации:

;

где -математическое ожидание, -среднеквадратичное отклонение.

5. Краткое описание конструкции комбайна и технологической схемы работы

Комбайн КП-25 состоит из исполнительного органа 1, погрузочного органа (питателя) 2, скребкового конвейера 3, ходовой части 4, гидросистемы 5, электрооборудования 6, пульта управления 7, системы пылеподавления 8, крепеподъёмника 9.

Исполнительный орган состоит из телескопической стрелы с резцовой коронкой, рамы и редуктора с двигателем типа ЭКВ5110/55-4/8У5(двускостной). Исполнительный орган смонтирован на поворотной турели и посредством силовых гидроцилиндров может перемещаться в горизонтальной и вертикальной плоскостях при обработке забоя.

Двигатель приводит во вращение через редуктор выходной вал стрелы, на котором крепится с помощью забурника резцовая коронка с приваренными к её корпусу кулаками для установки резцов. Коронка представляет собой сборную конструкцию, состоящую из литого корпуса с полостью для подачи воды в зону разрушения с помощью форсунки.

Рис. 2

Погрузочный орган (питатель) состоит из рамы с закрепленными на ней двумя кинематически связанными редукторами нагребающих лап. Привод редукторов осуществляется от скребковой цепи конвейера. За счёт установки сменных уширителей можно увеличить ширину захвата.

Рис. 3

Скребковый конвейер состоит из последовательно соединённых между собой секций промежуточной рамы стола и секций концевой с установленным на ней приводом скребковой цепи. Концевая часть конвейера может перемещаться гидроцилиндрами в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Тяговый орган представляет собой круглозвенную цепь с установленными на ней штампованными скребками.

Рис. 4

Ходовая часть представляет собой самоходную гусеничную тележку и предназначена для передвижения, поворотов и разворотов комбайна. Она состоит из рамы, привода, поворотной турели с гидроцилиндрами исполнительного органа, буфера с опорными гидродомкратами. Рама посредством балансиров с катками опирается на гусеничные цепи, приводимые от звезд редуктора.

Привод гусеничных цепей осуществляется от двигателя через редуктор с двумя рабочими и двумя тормозными фрикционами.

Натяжение траковых цепей осуществляется винтами.

Рис. 5

6. Технология проведения подготовительной выработки

Технологическая схема обработки забоя следующая.

горнопроходческий комбайновый забой

Рис. 6

Комбайн устанавливается по оси горной выработки и с помощью опорных гидроцилиндров распирается в почву. Включается исполнительный орган, который направляется в левый или правый нижний угол забоя; с помощью гидроцилиндров телескопического перемещения резцовая коронка внедряется в горный массив на глубину 350…500 мм (в зависимости от крепости горных пород) и затем, перемещая исполнительный орган, забой обрабатывается по всей площади. Горная масса погружается нагребающими лапами питателя на скребковый конвейер или в вагонетки.

После обработки забоя исполнительный орган устанавливается в исходное положение и цикл повторяется.

Рис. 7

Комбайн работает 3 смены по 6 часов. За смену необходимо проходить 8,8 пог.м. Работы ведутся в 3 цикла. За один цикл комбайн проходит 3 пог.м., добывая при этом 43 м3 . Распределение времени происходит следующим образом: работа комбайна -112 мин, обслуживание комбайна -40 мин, обслуживание конвейера -60 мин, крепление выработки - 85 мин, наращивание конвейера - 20 мин, устройство водосточной канавки - 30 мин, прочие вспомогательные работы - 60 мин.

Размещено на Allbest.ru