К вопросу назначения отдельных параметров нагребающих звезд погрузочных органов проходческих комбайнов

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/16099192-2021-5-90-93

Н.Б. Афонина¹, А.В. Отроков¹, Г.Ш. Хазанович² ¹ Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова, г. Новочеркасск, Российская Федерация ² Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация Горная Промышленность №5 / 2021 стр. 90-93

Резюме: Современные проходческие комбайны избирательного действия в большинстве своем оснащаются погрузочными органами с нагребающими звездами, имеющими более простую конструкцию привода и повышенную надежность. В результате проведенных экспериментальных исследований в ЮРГПУ (НПИ) установлено, что при определенных условиях возможен перевод крупнокускового материала штабеля в псевдосжиженное состояние, что уменьшает энергоемкость погрузки материала. Увеличение количества лучей нагребающей звезды снижает влияние остальных параметров погрузочного органа. Анализ процесса взаимодействия луча нагребающей звезды с бортом приемного конвейера показал, что для исключения заклинивания нагребающей звезды куском материала с реализацией высоких динамических нагрузок необходимо устанавливать нагребающие лучи под углом не менее 60° против вращения.

Ключевые слова: проходческий комбайн, погрузочный орган, нагребающие звезды, математическая модель, текучесть материала

Для цитирования: Афонина Н.Б., Отроков А.В., Хазанович Г.Ш. К вопросу назначения отдельных параметров нагребающих звезд погрузочных органов проходческих комбайнов. Горная промышленность. 2021;(5):90–93. DOI: 10.30686/16099192-2021-5-90-93.

Информация о статье

Поступила в редакцию: 11.09.2021

Поступила после рецензирования: 01.10.2021

Принята к публикации: 05.10.2021

Информация об авторах

Афонина Наталия Борисовна – кандидат технических наук, доцент кафедры технологий горного производства, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова, г. Новочеркасск, Российская Федерация, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Отроков Александр Васильевич – кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологий горного производства, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова, г. Новочеркасск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Хазанович Григорий Шнеерович – доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Центра научных компетенций, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация; e-mail: e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Погрузочные органы с нагребающими звездами широко применяются в составе подземных погрузочных машин и горнопроходческих комбайнов избирательного действия.

Такие погрузочные органы отличают простота конструкции и повышенная надежность в сравнении с более традиционными погрузочными органами с нагребающими лапами с приводом от кривошипно-кулисного или кривошипно-рычажного механизмов.

Однако многообразие конструкций погрузочных органов с нагребающими звездами выпускаемых проходческих комбайнов и непрерывно ведущиеся научные исследования в России и за рубежом [1–6] подтверждают важность разработки инженерной методики проектирования таких погрузочных органов.

В результате проведенных в ЮРГПУ (НПИ) исследований [7] разработана инженерная методика [8] выбора основных параметров погрузочных органов с нагребающими звездами. Но в разработанной методике не обоснован выбор количества лучей нагребающих звезд и угла их установки. От этих параметров значительно зависит разгрузочная способность нагребающих звезд на приемный конвейер и, следовательно, производительность погрузки горной массы.

Одной из задач при назначении параметров является снижение вероятности заклинивания куска погружаемого материала между бортом приемного конвейера и лучом нагребающей звезды с возникновением высоких динамических нагрузок. Производители проходческих комбайнов подтверждают наличие этой проблемы, но в отсутствии соответствующих методик увеличивают межосевое расстояние нагребающих звезд и/или устанавливают нагребающие звезды с загнутыми назад (против направления вращения) лучами. Данное решение снижает погрузочную способность погрузочного органа и приводит к непроизводительному перемещению части захваченного и не переданного на конвейер материала вслед за движением лучей нагребающей звезды.

Таким образом, вопрос выбора оптимального сочетания конструктивных и кинематических параметров погрузочных органов с нагребающими звездами является актуальным.

Математические модели производительности и нагрузок

Математическая модель [9] содержит зависимости производительности и крутящего момента на валу нагребающей звезды от частоты вращения нагребающей звезды n, ее диаметра d_gs, длины l, эквивалентной высоты hd луча, количества лучей Z, угла установки лучей Θ, глубины внедрения погрузочного органа, зависящей от номера черпания или оборота звезды N и представляет собой сложные регрессионные зависимости. Причем степень влияния высоты луча, угла его установки и количества лучей учитывается через соответствующие эмпирические зависимости [9].

Математическая модель взаимодействия нагребающей звезды с приемным конвейером

В результате проведенных исследований [10] разработана математическая модель взаимодействия отдельного выделенного куска материала одновременно с конвейером, лучом нагребающей звезды и бортом конвейера (рис. 1). В модели принято допущение, что на кусок материала воздействуют только сила собственного веса, движущие силы конвейера и луча нагребающей звезды, а также силы трения скольжения и сила лобового сопротивления от лежащего выше по конвейеру материала.

Рис. 1 Силовое взаимодействие куска материала с лучом нагребающей звезды и бортом приемного конвейера
Fig. 1 Force interaction of a lump of material with gathering-star’s beam and conveyor’s side edge

При принятых допущениях условием заклинивания куска материала является следующее соотношение [10]:

где F_с – сила взаимодействия скребка приемного конвейера с куском материала, Н; F_b – сила взаимодействия луча нагребающей звезды с куском материала (F_b^(y) и F_b^(x) ее проекции на оси y и x, соответственно; F_b^(N) – проекция на нормаль к лучу нагребающей звезды), Н: F_f.c – сила трения между куском материала и днищем конвейера (или между куском материала и слоем материала, находящегося на конвейере), Н; m – масса куска материала, кг; g – ускорение свободного падения, м/с²; α – угол наклона питателя погрузочного органа, град.; Fp – сила сопротивления расположенных выше на конвейере кусков на рассматриваемый кусок материала, Н; F_f.b – сила трения скольжения между куском материала и лучом нагребающей звезды, Н; N_b – сила реакции луча нагребающей звезды на воздействие куска материала, Н; F_f.c.s – сила трения скольжения между куском материала и бортом конвейера, Н; f – коэффициент сопротивления скольжения куска материала по стали.

Принимая, что движущая сила конвейера всегда больше сил сопротивления движению куска материала по конвейеру, и решая неравенство (1) относительно f, окончательно получаем [10]:

Угол ξ определен (рис. 2) как сумма углов β и Θ, при этом угол β положителен (направление отсчета совпадает с направлением вращения нагребающей звезды), а угол Θ отрицателен.

Рис. 2 Кривые изменения коэффициентов сил на луче нагребающей звезды при различных углах установки лучей
Fig. 2 Curves of the forces' coefficients changing on gathering-star beam with different angles of their installation

Выбор рациональных параметров

Как показали исследования процесса взаимодействия нагребающих звезд со штабелем горной массы [7; 9; 11], и это учтено в математических моделях при увеличении количества лучей, наступает момент, когда материал начинает «течь» к приемному конвейеру. Это происходит вследствие того, что при внедрении очередного луча нагребающей звезды материал перед ним начинает смещаться, часть его выталкивается вверх, а часть увлекается лучом и выносится из штабеля. После прохода луча звезды происходит обрушение материала. На первой стадии материал штабеля в активной зоне работы луча падает вертикально, а на второй стадии материал сползает по линиям скольжения, при этом снижается сцепление кусков материала друг с другом. Если в этот момент материал захватывается очередным лучом звезды, то проявляется эффект «текучести» материала в активной зоне штабеля, что приводит к снижению момента сопротивления для нагребающей звезды. Для установления степени влияния данного эффекта на выбор параметров погрузочных органов с нагребающими звездами необходимо определить целевую функцию и систему ограничений.

В качестве целевой функции выбрана удельная энергоемкость погрузки горной массы.

Систему ограничений можно разбить на комплексы геометрических, кинематических и силовых соотношений.

К геометрическим традиционно относят ширину и угол установки питателя, расстояние от скребкового конвейера до передней кромки питателя, ширину приемного конвейера. Кроме этого, целесообразно ввести дополнительные параметры: площади «мертвых зон» и направление вектора потока погружаемого материала, которые характеризуются углами «встречи» лучей нагребающей звезды с конвейером и с передней кромкой штабеля [8]. Силовые и энергетические ограничения учитывают максимальные и средние моменты сопротивлений на валах нагребающих звезд и энерговооруженность привода погрузочного органа.

Результаты

В процессе поворота нагребающей звезды (увеличения угла β) увеличивается угол ξ, что приводит к увеличению прижимающей силы F_b^(x), а значит, к увеличению силы трения F_f.c.s. Одновременно с этим возрастает продольная составляющая силы трения F_f.b^(y), что увеличивает вероятность заклинивания куска материала. При этом при повороте нагребающей звезды расстояние до точки пересечения луча с бортом приемного конвейера увеличивается, что приводит к уменьшению угла λ, а следовательно, к снижению негативного влияния вышеперечисленных сил.

Однако изменение угла λ в меньшей степени влияет на вероятность заклинивания куска материала по сравнению с углом β при прочих равных условиях. Таким образом, проверка коэффициента трения по (8) должна проводиться для наиболее удаленной точки луча нагребающей звезды, т.е. при l = r_gs.

С использованием оригинальной программы было получено графическое представление решения (8) для различных сочетаний параметра Θ и угла поворота нагребающей звезды (рис. 2). Расположение кривых ниже линии fк.м = tg(μ) свидетельствует о нарушении условия (8) и повышенной вероятности заклинивания куска материала.

Очевидно, что практикуемое производителями проходческих комбайнов увеличение расстояния от борта конвейера до оси вращения нагребающей звезды Lgs.c приводит к поднятию кривых изменения коэффициентов сил над уровнем коэффициента трения fк.м, обеспечивая стабильность работы, но при этом снижается эффективность разгрузки нагребающих звезд.

Влияние эффекта «текучести» материала на эффективность погрузочного органа в зависимости от количества лучей и углов их установки на нагребающей звезде показано на рис. 3.

Рис. 3 Соотношение удельной энергоемкости E и производительности Q погрузки нагребающей звездой с разным количеством лучей z и углов их установки Θ
Fig. 3 The ratio of the specific energy consumption E and the performance Q of loading by a gathering-star with a different number of beams z and angles of their installation Θ

Из рис. 3 видно, что увеличение количества лучей существенно (практически в два раза) увеличивает производительность погрузочного органа, снижая при этом удельную энергоемкость погрузки. Угол установки лучей на производительность и энергоемкость погрузки влияет незначительно.

Заключение

1. Качественные и количественные характеристики взаимодействия современных погрузочных органов с нагребающими звездами со штабелем горной массы существенно отличаются от характеристик взаимодействия с материалом традиционных, хорошо изученных, нагребающих лап.

2. Комплекс экспериментальных и теоретических исследований подтвердил эффект перехода погружаемого материала в текучее состояние в рабочей зоне многолучевых нагребающих звезд.

3. В качестве целевой функции при выборе рациональных параметров целесообразно принять энергоемкость процесса погрузки, а производительность отнести к ограничениям.

4. При проектировании погрузочных органов с нагребающими звездами следует устанавливать не менее четырех лучей с углами установки Θ > –90°, обеспечивающих лучшие показатели разгружаемости на приемный конвейер проходческого комбайна и перевод материала рабочей зоны в псевдосжиженное состояние, что снижает энергоемкость погрузки.

5. Разработанная математическая модель позволяет изучать влияние геометрических параметров на эффективность функционирования погрузочных органов с нагребающими звездами.

Список литературы

1. Li X.-H., Liu C.-H. Dynamics research on star wheel loading machine based on ANSYS. Journal of Liaoning Technical University. 2007;(S2).

2. Xu Z., Mao J. Research and confirmation structure size for star wheel loading machanism of roadheader. Coal Mine Machinery. 2009;(10).

3. Li J. Analysis and research of how to raise loading efficiency that stellated loader owns. Coal Mine Machinery. 2011;(03).

4. Liang X.-D., Li X.-H. Determination of star wheel loading mechanism's lowest rotating speed of road-headers which don't jam. Journal of Liaoning Technical University. 2006;(S2).

5. Хиценко Н.В., Хиценко А.И., Борисов Е.В. Моделирование производительности питателя с погрузочными звездами. Вестник Донецкого национального технического университета. 2011;(1):166–172. Режим доступа: http://ea.donntu.edu.ua/bitstream/123456789/8909/1/статья4.pdf

6. Носенко А.С., Исаков В.С., Домницкий А.А., Зубов В.В. Разработка погрузочно-транспортных модулей в составе тоннелепроходческого оборудования. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018;(4):189–196. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2018-4-0-189-196

7. Отроков А.В., Хазанович Г.Ш., Афонина Н.Б. Исследования погрузочных органов с нагребающими звездами на физической модели. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2015;(2):111–117.

8. Отроков А.В., Хазанович Г.Ш., Афонина Н.Б. Инженерная методика выбора основных параметров погрузочных органов с нагребающими звездами. Известия вузов. Горный журнал. 2015;(3):101–110.

9. Афонина Н.Б. Математическое моделирование рабочих процессов погрузочных органов с нагребающими звездами. Современные проблемы науки и образования. 2013;(5):125. Available at: https://science-education.ru/ru/article/view?id=10528

10. Otrokov A.V. Mathematical model of the influence of the gathering-stars loading organ's parameters on the choice of the tunnelling machine conveyor speed. In: 2018 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon), Vladivostok, Russia, 3–4 Oct. 2018. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/FarEastCon.2018.8602770

11. Otrokov A.V., Khazanovich G.S., Afonina N.B. The impact of design parameters on the efficiency of loading organs with gathering-stars of the roadheaders. In: Proceedings of the 4th International Conference on Industrial Engineering. ICIE 2018. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer; 2019. P. 401–410. https://doi.org/10.1007/978-3-319-95630-5_44