Угледобывающие фронтальные агрегаты - машины будущего

УЛК 622.232

© Ё.И. Кантович, И.Ё. Пастоев, 2014

Л.И. Кантович, И.Л. Пастоев

УГЛЕДОБЫВАЮЩИЕ ФРОНТАЛЬНЫЕ АГРЕГАТЫ — МАШИНЫ БУДУЩЕГО

Изложены преимущества фронтальных агрегатов по сравнению с механизированными комплексами. Указывается, что причиной высокой аварийности агрегатов на пологих пластах является их неуправляемость по гипсометрии пласта. Отмечается, что проблема управляемости практически решена в агрегате Ф-1. Излагаются новые технические решения, примененные в агрегате, приводятся основные результаты промышленных испытаний агрегата на шахтах Кузбасса. Ключевые слова: фронтальные агрегаты, управляемость, плоскость пласта, гипсометрия пласта, база агрегата, система поддержания прямолинейности, следящий гидропривод, устройство, принцип действия, приемочные испытания, результаты испытаний.

Исследования средств механизации добычи угля подземным способом, проведенные Московским горным институтом (МГИ) [1] показали, что совершенствование механизированных комплексов неизбежно приведет к созданию автоматизированных фронтальных агрегатов. Основанием такого вывода явились существенные преимущества агрегатной выемки угля.

Фронтальные агрегаты имеют самую совершенную схему обработки забоя. Если очистной комбайн в механизированном комплексе обрабатывает забой линией (полосой), то агрегат обрабатывает сразу всю плоскость забоя. В схеме работы агрегата отсутствуют конечные операции, в то время как в работе комплекса по концам лавы имеются концевые операции (зарубка комбайна на новую дорожку косым заездом). Исключить эти концевые операции из схемы работы комплекса путем автоматизации или другим способом не представляется возможным.

В рабочем процессе агрегата все технологические операции в очистном забое можно совмещать во времени. что позволяет достичь высокой производительности труда. При достаточной надежности агрегата его техническая производительность будет приближаться к теоретической.

411

В очистных комплексах совмещение во времени технологических операций в забое невозможно, что ограничивает их производительность.

Структура агрегата отличается от структуры комплекса значительной простотой. В агрегате задающим звеном является его база, а крепь является ведомым звеном и движется в координатах последней. В связи с этим агрегаты для автоматизации более приспособлены. Для обеспечения направленного передвижения агрегата по пласту, необходимо и достаточно управлять движением только одного элемента — базы.

Кинематика агрегата позволяет увязать в автоматический цикл все операции по выемки угля, что позволяет производить добычу угля без постоянного присутствия людей в забое.

В агрегатах исполнительный орган вместе с забойным конвейером подается на забой фронтально. При осуществлении бесцикличного передвижения механизированной крепи будет осуществляться поточная добыча угля.

Перечисленные свойства угледобывающих агрегатов обусловливают возможность решить крупную социальную задачу в угольной промышленности — сделать труд шахтера квалифицированным, более безопасным и высокопроизводительным [2].

Этим объясняется то обстоятельство, что конструкторы многих стран работали над созданием угледобывающих агрегатов.

В конце прошлого века в Европе и в Советском Союзе было разработано и испытано значительное количество различных типов угледобывающих агрегатов для различных горно-геологических условий.

В Англии, например, были испытаны опытные образцы агрегатов типа «конвейер-майнер», в ФРГ — типа «шремкайль-анлге» и «аббау-атомат».

В Советском Союзе было разработано более 30 типов агрегатов для пологих и крутых пластов. В серийное производство были запущены только агрегаты для крутых пластов. Это агрегаты типа АНЩ и АК-3.

Из агрегатов для пологих пластов наиболее полные промышленные испытания прошли струговые агрегаты типа А2 (разработчик Гипроуглемаш) и типа СА (разработчики Узловский машзавод п.о. «Кран» и МГИ).

412

Все агрегаты на пологих пластах в том числе и А2 и СА отличались плохой управляемостью и, как следствие, имели высокую аварийность функциональных машин. При передвижении по пласту полезного ископаемого они имели постоянную тенденцию всплывать на земник и уходить в кровлю.

Проблема управляемости агрегатов остро встает при выводе оператора из очистного забоя.

Кафедра горных машин и оборудования МГИ выполнила значительный объем исследований при создании агрегата СА и проведении промышленных испытаний 5 опытных образцов на шахтах Подмосковного угольного бассейна. Положительными результатами испытаний агрегатов СА явилось подтверждение возможности выемки угля без постоянного присутствия людей в забое с высокой производительностью труда (83,7 т/вых. по забою и 53,5 т/вых. по участку) [3].

Обобщение результатов этих исследований позволило обосновать способы и средства направленного передвижения автоматизированного агрегата по угольному пласту, которые были в дальнейшем использованы при разработке фронтального агрегата Ф-1.

В струговом фронтальном агрегате Ф-1 (рис. 1) проблема управляемости была практически решена.

Агрегат Ф-1 относится к средствам выемки угля без постоянного присутствия людей в очистном забое и предназначен для отработки пологих пластов мощностью 1,6-2,25 м с углом падения до 18° с сопротивлением угля резанию до 200 кН/м.

Разработчиками агрегата Ф-1 являются МГИ и ГПКТИ ПТМ п.о. «Кран».

Агрегат состоит из следующих взаимоувязанных машин и систем: исполнительного органа, механизированной крепи, лавного конвейера, крепей сопряжения, системы поддержания прямолинейности, системы управления по гипсометрии пласта, аппаратуры автоматического контроля и дистанционного управления.

В агрегате Ф-1 применены новые прогрессивные технические решения, делающие эффективной выемку угля без постоянного присутствия людей в забое.

Исполнительный орган кольцевого типа замкнутый в вертикальной плоскости имеет трубчатые верхние и нижние направляющие, по которым движутся струговые каретки на катучих опорах. При-

413

Рис. 1. Общий вид агрегата Ф-1: 1 — верхние направляющие исполнительного органа; 2 — струговая каретка; 3 — катучие опоры каретки; 4 — тяговая цепь; 5 — механизированная крепь; 6 — забойный конвейер

менение катучих опор является новым техническим решением, которое значительно снижает силы трения и затрачиваемую мощность на холостой ход.

Каретки связаны между собой свободно провисающими отрезками круглозвенной цепи, что значительно облегчает запуск привода, поскольку каретки начинают движение последовательно.

Нижние направляющие закреплены на ставе забойного конвейера, а верхние на перекрытии базовых секций крепи и могут перемещаться в вертикальной плоскости, изменяя вынимаемую мощность пласта.

Для натяжения цепи исполнительного органа применены гидроцилиндры с фиксацией положения поршней и установкой на сливе предохранительных клапанов, настроенных на давление, соответствующее допустимому усилию в цепи. Совместная работа этих гидроцилиндров с предохранительными гидромуфтами в приводе исполнительного органа надежно защищает тяговую цепь от порыва. При экстренном торможении струговых кареток срабатывают предохранительные клапаны, приводы исполнительного органа начинают смещаться в лаву, а за это время гидромуфты приводов успевают

414

уйти на щадящий режим, обеспечивающий минимальный крутящий режим на приводных звездочках.

Поскольку направленность движения агрегата по пласту обеспечивает его база, в агрегате для обеспечения его управляемости была обоснована структура базы.

Под базой понимается совокупность конструктивно увязанных и одновременно передвигаемых на забой элементов, обеспечивающих направленность движения агрегата по угольному пласту [4]. База агрегата имеет сложный состав. Обязательными элементами ее являются проложенная по лаве балка и конструктивно связанные с ней опорные элементы. В качестве балки обычно используется став забойного конвейера, а в качестве опорных элементов — базовые (забойные) секции крепи, связанные с конвейером шарнирами. Балка базы обеспечивает направленность движения агрегата в плоскости пласта, задает необходимую линию забоя и положение агрегата относительно штреков. Опорные элементы необходимы для обеспечения направленности движения по гипсометрии пласта и статической устойчивости исполнительного органа.

В агрегате Ф-1 в качестве балки используется став конвейера, а для индикации его положения применена управляющая линейка, расположенная на завальной стороне конвейера.

В качестве опорных элементов базы в агрегате Ф-1 применены базовые секции крепи специальной конструкции. Эти секции выполнены узкими (250 мм), расположены между лавными секциями, спрятаны под их перекрытия и контактируют с кровлей только козырьками. Благодаря этому равнодействующая вертикальных сил, действующих на базу, расположена ближе к забойному краю базы и эта сторона базы легко вдавливается в почву, и агрегат приобретает направление движения вниз.

Базовые секции в управлении кровлей не участвуют. Они не имеют гидроцилиндров передвижения, шарнирно связаны с лавным конвейером и передвигаются фронтально вместе с ним.

Следует заметить, что в агрегате СА в качестве базовых секций были применены обычные секции крепи, которые нагружались об-рушающейся породой кровли, благодаря чему завальная часть базы вдавливалась в почву, и агрегат имел постоянную тенденцию идти вверх на земник.

415

Рис. 2. Пульт управления агрегата Ф-1

Механизированная крепь агрегата поддерживающе — оградительного типа состоит из лавных и базовых секций. Лавные секции управляют кровлей в забое, расставлены в лаве пилообразно и передвигаются с помощью гидроцилиндров. Шаг расстановки секций крепи по лаве составлял 1,4 м, шаг передвижки — 400 мм, рабочее сопротивление 400 кН/м2.

Лавные секции гидравлически разделены на три группы и подтягиваются к конвейеру группами дистанционно с пульта, расположенного на вентиляционном штреке (рис. 2).

Лавный конвейер скребкового типа имеет разнесенные в плоскости пласта рабочую и холостую ветви, благодаря чему обеспечивается минимальная высота погрузки 170 мм

Для управления агрегатом в плоскости пласта применена гидравлическая следящая система поддержания прямолинейности, в функции которой входит автоматическое поддержание заданной прямолинейности агрегата, регулирование величины стружки на резцах исполнительного органа и разворот агрегата относительно штреков.

Принципиальная схема этой системы показана на рис. 3.

Вся механизированная крепь агрегата разбита на модули по три секции в каждом. В системе поддержания прямолинейности

416

Рис.3. Принципиальная схема системы поддержания прямолинейности: 1 — управляющая линейка; 2 — следящий гидропривод; 3, 4 — задающий гидропривод

модуль объединяется звеном управляющей линейки, длина которого 1 = 4,5 м. Звенья управляющей линейки связаны между собой шарниром, угол в котором обуславливает прямолинейность агрегата. Секции конвейера, на которых установлены шарниры управляющей линейки передвигаются на забой следящими гидроприводами.

Управляющая линейка 1 объединяет следящие гидропривода 2 в единую систему.

Для обеспечения равномерной стружки на исполнительном органе агрегата в гидроприводе передвижения применены регуляторы потока жидкости. В следящих гидроприводах они связаны механической обратной связью с управляющей линейкой (Кос — коэффициент обратной связи). Крайние фланговые гидроприводы системы подачи не имеют обратной связи регуляторов потока жидкости с управляющей линейкой. Они для системы являются задающими и могут управляться оператором на штреке.

Входным сигналом для системы является изменение скорости крайних гидроцилиндров. Выходными параметрами являются углы в шарнирах управляющей линейки а и скорость выдвижки гидроцилиндров передвижения V.

417

Таким образом, система поддержания прямолинейности агрегата обеспечивает заданное положение базы и скорость подачи на забой.

Принцип действия системы заключается в следующем. Изменение скорости крайних гидроцилиндров заставляет все звенья следящего гидропривода соответствующим образом изменять скорость вы-движки гидроцилиндров и как следствие — углы в шарнирах базы. В зависимости от величины управляющего воздействия выходные параметры звеньев гидропривода могут принимать различное значение, а база — различное положение. Скорость крайних гидроцилиндров задается изменением расхода через задающие регуляторы потока. При этом возможны различные режимы работы системы, при которых база агрегата занимает определенное положение.

Наиболее характерные режимы следующие:

• управляющее воздействие с флангов отсутствует. Расход жидкости во всех регуляторах потока одинаков, скорости всех гидроцилиндров передвижения равны. Агрегат при подаче на забой сохраняет прямолинейность.

• управляющее воздействие задается увеличением скорости движения одного из флангов агрегата. Агрегат разворачивается вокруг отстающего фланга с определенным прогибом базы.

• управляющее воздействие задается увеличением скорости движения обеим флангам одинаково. Происходит увеличение скорости подачи исполнительного органа на забой, база агрегата плавно прогибается дугой флангами вперед с определенным расчетным прогибом.

Возможны промежуточные режимы работы системы. Система реагирует также на возмущения единичного характера, как, например, пробуксовка базовой секции. Единичные возмущения, действующие на какой-либо шарнир, вызывают временное изменение угла в нем. Как только перестанет действовать возмущение, звено следящего гидропривода восстановит угол в шарнире в прежнем значении. Постоянно действующие возмущения вносят соответствующую корректировку в значения углов в шарнирах.

В агрегате Ф-1 параметры системы поддержания прямолинейности выбраны так, чтобы при всех режимах ее работы обеспечивался плавный прогиб базы величиной не более 2% от ее длины.

В гидросистеме агрегата были применены регуляторы потока жидкости специальной конструкции разработки Донецкого инсти-

418

тута Автоматгормаш. Регуляторы предназначены для работы на водомасляных эмульсиях и имеют выходное звено с поступательным видом движения.

В качестве управляющей линейки в агрегате применена рессорная полоса шириной 120 мм, жесткая в плоскости пласта и гибкая в вертикальной плоскости.

Конструкция следящего гидропривода системы поддержания прямолинейности агрегата Ф-1 показана на рис. 4.

Для управления агрегатом по гипсометрии пласта применен способ активного наклона става конвейера вместе с нижними направляющими исполнительного органа относительно базовых секций. Для этого в каждом модуле агрегата имеется механизм управления, который является элементом автоматической системы управления агрегатом по гипсометрии пласта с акустическими датчиками границы «порода-уголь».

Экспериментальный образец агрегата Ф-1 длиной 50 м был испытан на шахте «Юбилейная» п.о. Гидроуголь в период с 1981-83 гг.

Испытания проводились в лаве № 20 пласта 26а мощностью 2,2-2,5 м и углом падения 12°. Отработка велась по простиранию пласта. Сопротивляемость угля резанию 150 кН/м. Длина выемочного столба 1000 м. Кровля пласта отнесена ко 11 классу по классификации б. ВУГИ.

Рис. 4. Элементы системы поддержания прямолинейности: 1 — управляющая линейка; 2 — регулятор потока жидкости; 3 — механическая обратная связь; 4 — датчик угла в шарнире; 5 — шарнир

419

Агрегат имел следующие основные параметры:

• вынимаемая мощность пласта 1,6-2,25 м;

• количество струговых кареток 16;

• толщина стружки до 100 мм;

• скорость движения кареток 1 м/*с;

• производительность при максимальной мощности пласта 11,4 т/мин;

• мощность электродвигателя привода исполнительного органа 110 кВт;

• количество приводов 2;

• тип механизированной крепи — поддерживающе-оградительный.

Результаты испытаний агрегата изложены в протоколе межведомственной комиссии [5]. Они заключаются в следующем:

в ходе приемочных испытаний установлена принципиальная работоспособность агрегата при выемке угля без постоянного присутствия людей в забое;

исполнительный орган агрегата обеспечивал фронтальную выемку угля. Однако отмечалась высокая аварийность верхних направляющих из-за жесткой привязки их к козырькам базовых секций крепи;

механизированная крепь обеспечивала крепление кровли при отсутствии людей в забое;

Рис. 5. Положение агрегата Ф-1 в лаве шахты «Юбилейная»

420

средства управления агрегатом обеспечивали его управление в профиле и плоскости пласта;

освобождение базовых секций от воздействия горного давления обеспечило агрегату хорошую управляемость по гипсометрии пласта;

гидравлическая следящая дроссельная система поддержания прямолинейности обеспечивала автоматическое поддержание прямолинейности агрегата и дистанционное управление им в плоскости пласта со штрека.

На основании результатов приемочных испытаний агрегата на шахте «Юбилейная» был разработан модернизированный опытный образец агрегата Ф-1 длиной 100 м и поставлен на испытания на шахту «Распадская».

После выхода агрегата из монтажной камеры испытания агрегата в 1992 году были прерваны из-за прекращения финансирования в связи с расформированием министерства угольной промышленности СССР.

На сегодняшний день в России работы по созданию автоматизированных фронтальных агрегатов не ведутся. Вместе с тем совершенствование механизированных комплексов продолжается и социальные вопросы в угольной отрасли решать необходимо. В связи с этим в ближайшем будущем, по нашему мнению, результаты работ по созданию фронтальных агрегатов Ф-1 будут востребованы.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Солод В.И. Основы теории выемочных агрегатов: Дисс. ... докт. техн. наук. — М.: МГИ, 1969.

2. Кантович Л.И. Пастоев И.Л. О перспективе агрегатной выемки угля // Горные машины и электромеханика. — 2006. — № 5. — С. 5-7.

3. Акт о результатах промышленных испытаний опытного образца стругового агрегата СА Узловского машзавода Приокского совнархоза. 1965 гг. Узловая Тульской обл.

4. Пастоев И.Л. Разработка систем передвижения автоматизированных угледобывающих агрегатов: Дисс. ... докт. техн. наук. — М.: МГИ, 1987.

5. Протокол приемочных испытаний опытного образца автоматизированного стругового агрегата Ф-1. 1983 гг. Новокузнецк. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Кантович Леонид Иванович — доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, kantovich70@yandex.ru Пастоев Игорь Леонидович — доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет

421