УДК 622.002.5.001 Клементьева Инна Николаевна горный инженер, аспирант каф. ГМО Еленкин Владимир Федорович

УДК 622.002.5.001
Клементьева Инна Николаевна
горный инженер, аспирант каф. ГМО
Еленкин Владимир Федорович
к.т.н., проф.
Московский государственный горный университет
АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ КИНЕМАТИЧЕСКИХ И СИЛОВЫХ
ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗМА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОЧИСТНОГО
КОМБАЙНА
ANALYSIS OF THE BASIC KINEMATIC AND FORCE
PARAMETERS OF THE MECHANISM OF DISPLACEMENT
SHEARER
Траектории движения режущих элементов шнека очистного комбайна
представляются идентичными кривыми - трохоидами, расположенными в
плоскости рисунка 1, причем траектория – 2 образуется с опережением
траектории – 1. После прохода вооружения шнеков по всей дуге забоя, оно
отделит от последнего элемент угольного пласта, ограниченный линиями 1
и 2. При этом подача шнеков на один радиан составит:
S  W  , м/рад.
(1)
Здесь W ,  - скорость движения комбайна и угловая скорость
вращения шнека очистного комбайна м/с и рад/с соответственно.
Угол контакта витка шнека со слоем разрушаемого угля – φ0, рад,
равен [1]:


 0  arccos1 
2h 
 ,рад
D
(2)
где h , D – высота слоя разрушаемого угля и диаметр шнека
соответственно, м.
Для опережающего шнека высота слоя (см. рис. 1) равна его диаметру
h  D и угол его контакта со слоем угля составляет φ0 = π. Для отстающего
шнека высота слоя находится в пределах 0 ≤ h ≤ D и угол его контакта с
забоем соответственно составляет 0 ≤ φ0 ≤ π.
За угловую координату реакции слоя угля принимаем угловую
координату центра тяжести сечения стружки -  а (точка «А», см. рис. 1),
которая в соответствии с результатами, полученными в работе [2], при 2πS
< h составляет для опережающего шнека φа=2π/3, рад (3), а для
отстающего шнека определяется выражением φа=2φ0/3, рад (4).
Таким образом, рабочий процесс выемки угля очистным комбайном с
двумя шнеками (расположенными симметрично относительно корпуса)
осуществляется путем сочетания его поступательного движения со
скоростью – W (м/с) и вращательного движения шнеков с одинаковой
угловой скоростью – ±ω (рад/с) и представляется удлиненными
36
циклоидами (трохоидами), показанными на рис. 1 для опережающего и
отстающего шнеков на участке взаимодействия их с забоем.
а
б
Рис. 1 Схема сил на опережающем и отстающем шнеках очистного
комбайна при его движении: а – вдоль восстающего угольного
пласта; б – вдоль падающего угольного пласта.
Сумма сечений резов опережающего и отстающего шнеков в
горизонтальной плоскости – S г составит: S г  2
WB  1
h  2
 
 , м (5), где B
   D0 
– ширина захвата слоя угля, м.
Полная сила сопротивления движению комбайна при разрушении
угольного пласта мощностью H определится как алгебраическая сумма
проекций – на ось х (рис. 1) касательных и нормальных составляющих
реакций слоев угля с соответствующими угловыми координатами - φа i.
При движении очистного комбайна вдоль угольного пласта
(восстающего рис.1 а или падающего рис.1 б на угол – α) сумма
ортогональных проекций сил R – Fτ, Fn на ось х для опережающего и
отстающего шнеков составит:
Fоп, от = Fnsin φа+ Fτcosφа, Н
(6)
Величина тягового усилия подачи очистного комбайна – F∑ с учетом
выражения (6) и того, что Fn = ψ∙Fτ, (Н), составит:
F∑= Fτ [cos2π/3 + cosφа+ψ(sin2π/3+sinφа)]/ηх, Н
(7)
где
ψ – отношение нормальной к тангенциальной составляющей,
принимаемое для углей с пределом прочности σ = (8 – 25) 106 Па, равным
ψ = 0,9 [2]; ηх – общий КПД привода механизма перемещения очистного
комбайна, ηх = 0,85 [3].
37
Касательная составляющая – Fτ силы сопротивления разрушения угля
при одноосном сжатии в соответствии с результатами, полученными в
работе [2], определится как: F  S г , Н (8), где σ – прочность угля при
одноосном сжатии, Н/м2.
Уравнение (7) с учетом выражений (3), (4), (5) и (8) принимает вид:
F  2B
2
2 
W  1 kос h  
2
2

 
 cos
 cos 0    sin
 sin 0  ,Н
 х    0 D  
3
3
3
3 

(9)
где kос – коэффициент уменьшения прочности слоя угля при его
разрушении отстающим шнеком, учитывающий ослабление угольного
массива опережающим шнеком. Поскольку вращение отстающего шнека
всегда направлено против направления скорости движения комбайна – W,
то величина kос в соответствии с результатами, полученными в работе [5],
имеет величину kос = 0,75.
Полное тяговое усилие механизма перемещения очистного комбайна
– Fx рассмотрено нами как сумма сопротивлений движению от сил на
опережающем и отстающем шнеках и сопротивления движению комбайна
по наклонной траектории при выемке слоя угля:
Fx = [F∑ ±G(fк + sin αп)]k, Н
(10)
где G – сила веса очистного комбайна, Н; fк – относительное
сопротивление движению очистного комбайна по рештачному ставу; k –
коэффициент неравномерности тягового усилия в бесцепной системе
подачи (БСП) очистного комбайна, k = 1,43 [3]. Знак «+» в выражении (10)
соответствует движению очистного комбайна вдоль восстающего
угольного пласта (рис. 1 а), а знак «–» вдоль падающего угольного пласта
(рис.1 б).
Далее учитывая, что второй член суммы выражения (10) составляет
особенно для крепких хрупких углей не более 3…5% от сопротивления
движению очистного комбайна [1], то выражение (10) с большой степенью
точности и с учетом уравнения (9) можно записать в следующем виде:
Fх  2Bk
W



1   f k  sin  n  1  kос h cos 2  cos 20   sin 2  sin 20 , Н

0 D 
3
3

3
3 
(11)
Слой разрушаемого угля отстающим шнеком высотой – h, при
которой полное тяговое усилие механизма перемещения – Fx имеет
максимальное значение, определится из условия: dFx  0,9  (h) / dh  0 (12).
Моделированием уравнения (11) в диапазоне высоты слоя разрушаемого
угля 0  h  D для σmin = 10∙106, Па (рис.2 а), σmax= 25∙106, Па (рис.2 б); ψ =
0,9 при эксплуатации комбайна К600 (B = 0,8, м; D = 2, м; k = 1,43; fk =
0,05; Wmax = 1,4 м/мин;  = 3,573 рад/с; Wmax/ = 6 10-3, м/рад [4]) на
пологих αn = 0° и пластах с углом падения (восстания) αn = ± 10°
установлено, что величина полного тягового усилия механизма
перемещения – Fx очистного комбайна нелинейно зависит от высоты слоя
разрушаемого угля отстающим шнеком – h и достигает максимума при
высоте слоя равной h = 0,967 м (см. рис. 2) при движении вдоль как
38
восстающего (αn = 10°), пологого (αn = 0° ) так и падающего (αn= – 10°)
пластов.
б
αn = 10°
αn = 0°
αn = -10°
0,967
Высота слоя разрушаемого угля, м
Полное тяговое усилие механизма
перемещения очистного комбайна, кН
Полное тяговое усилие механизма
перемещения очистного комбайна, кН
а
0,967
αn = 10°
αn = 0°
αn = -10°
Высота слоя разрушаемого угля, м
Рис. 2 Зависимость полного тягового усилия механизма перемещения
очистного комбайна от высоты слоя разрушаемого угля отстающим
шнеком: а – для углей с пределом прочности σ = 10 106 Па; б – для
углей с пределом прочности σ = 25 106 Па
Причем отношение тягового усилия механизма перемещения
очистного комбайна при разрушении угольного слоя
только
опережающим шнеком – Fx h  0 к тяговому усилию при разрушении слоя
опережающим и отстающим шнеком – Fx h  2,0 при движении вдоль как
восстающего, пологого так и падающего
пластов равно
Fx h  0 / Fx h  2,0  1,308
(13). Это объясняется трохоидальной
траекторией движения вооружения шнеков, имеющих разнонаправленное
вращение независимо от того, выполняют ли они функцию опережающего
или отстающего шнека.
Литература.
1. Губенко А.А., Клементьева И.Н. Влияние технологических,
кинематических
и
силовых
параметров
на
техническую
производительность карьерного комбайна // Научный вестник МГГУ. –
2011. – №2 (11). – С. 23 – 27
2. Губенко А.А., Клементьева И.Н., Козлов С.В. Формирование
момента сопротивления вращению рабочего органа карьерного комбайна //
Научный вестник МГГУ. – 2011. – №2 (11). – С. 28 – 32
3. Смирнов С.Н. Обоснование и выбор параметров бесцепных
систем подачи очистных комбайнов. Канд. дисс.. – Тула: ТулПИ, 1983 –
303 с. с ил.
4. Морозов В.И., Чуденков В.И., Сурина Н.В. Очистные комбайны:
Справочник / Под общ.ред. В.И. Морозова. – М.: Изд-во МГГУ, 2006. –
650 с.: ил.
39
5. Солод В.И., Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и
конструирование горных машин и комплексов. Учебник для вузов. – М.,
«Недра», 1982, 350 с.
Аннотация.
Рассмотрены особенности формирования основных кинематических и
силовых параметров механизма перемещения очистного комбайна.
Определена зависимость полного тягового усилия механизма перемещения
очистного комбайна с двумя шнеками от высоты слоя разрушаемого угля
отстающим шнеком.
The features of the formation of the basic kinematic and force parameters
of the mechanism of displacement shearer. The dependence of the total traction
shearer moving mechanism with two screws on the height of the layer being
destroyed lagging coal auger.
Ключевые слова.
очистной комбайн, высота слоя разрушаемого угля, механизм
перемещения очистного комбайна
shearer, erodible coal bed height, a mechanism for moving the shearer
40