Перспективы развития агрегатированных проходческих систем

© Э.Ю. Воронова, 2014

УДК 622.619 Э.Ю. Воронова

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АТРЕГАТИРОВАИНЫХ ПРОХОДЧЕСКИХ СИСТЕМ

Обоснована целесообразность применения метода агрегатирования для повышения технического уровня горнопроходческих систем, приведены результаты синтеза новых технических решений. Сформулированы современные проблемы, имеющие место при создании и эксплуатации горнопроходческой техники, а также цель и задачи дальнейших исследований.

Ключевые слова: проходческий комплекс, повышение эффективности, агрегати-рованная система, комбайновая технология, буровзрывная технология.

В процессе реструктуризации горной промышленности России были резко снижены объемы производства. Однако в последнее время наблюдается рост добычи полезных ископаемых и технико-экономических показателей горных работ. «Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.», принятая Правительством РФ, планирует увеличение доли угля в производстве электроэнергии до 44% с увеличением объемов его добычи до 450 млн т в год.

Среди проблем, напрямую влияющих на динамику добычи угля, одной из наиболее острых остается ускорение темпов проведения подготовительных выработок, обеспечивающих своевременную подготовку фронта очистных работ. Эта же проблема не менее актуальна и для других угледобывающих стран СНГ.

В настоящее время в России более 70% проводимых подготовительных выработок составляют горизонтальные и слабонаклонные. Доля комбайновой проходки в среднем по России составляет около 50%, буровзрыв ной — не менее 40%. В регионах Восточного Донбасса и, в частности, на шахтах Ростовской области буро-

взрывным способом проводится не менее 80% подготовительных выработок.

Общеизвестная принципиальная классификация горнопроходческого оборудования выделяет 3 основные группы средств механизации горнопроходческих работ: это комплекты индивидуальных машин, имеющих только технологические связи, комплексы оборудования, объединенного кинематическими связями и агрегаты, механизмы которых связаны конструктивно. В настоящее время при проведении выработок полные комплексы и агрегаты используются крайне редко, больше половины проводится с помощью полукомплексов (это, как правило, проходческие комбайны и буропогрузочные машины), остальные — комплектами индивидуальных машин.

Проведение выработки — это многооперационный процесс, интенсификация которого принципиально возможна тремя путями: исключение операций; увеличение выхода (т.е. объема продукции на единицу затраченных ресурсов) каждой операции; использование различных форм совмещения операций (рис. 1).

Рис. 1. Возможные пути интенсификации многооперационного процесса прове-аения горных выработок

Возможна реализация следующих форм совмещения при выполнении операций:

1) во времени (временное), когда параллельно производятся разные операции различными операторами и различными средствами труда (операции ведутся в разных областях рабочего пространства);

2) функций операторов (операторное) — при управлении разными операциями, когда один оператор управляет различными одновременно работающими средствами труда, в частности, исполнительными органами (например, при частичной автоматизации и дистанционном управлении возможно совмещение функций управления погрузочной машиной и транспортным средством одним оператором);

3) функций орудий труда (агрегатное), когда одна и та же машина выполняет различные операции совмещено или раздельно во времени, с помощью одних и тех же или различных операторов (или без них).

Анализ показывает, что совершенствование многооперационных технологий проведения горных выработок идет, по-видимому, по пути многовариантной интеграции различных форм совмещения — временного, операторного, агрегатного. Предельный вариант сводится, вероятнее всего, к соединению указанных форм, что ведет к созданию проходческого агрегата для одновременного выполнения всех операций при управлении одним-двумя операторами или без них [1]. Возможности использования различных форм совмещения при выполнении операций взаимосвязаны и

направлены снизу вверх: при объединении функций в машине возникает возможность объединения функций операторов, и далее можно совместить операции во времени. Результатом реализации такого подхода явилось создание проходческих агрегатов типа ЭЛАНГ, которые позволяют проводить выработки, используя механический способ разрушения горных пород [2].

В соответствии с этим уровень совершенства технологии должен характеризоваться предельно достижимой производительностью (при оптимальном сочетании параметров), а также количеством и мерой совмещения операций во времени (уровень поточности).

Современный уровень развития техники и особенности технологий, как буровзрывной, так и комбайновой, затрудняют пока создание проходческого агрегата, имеющего только конструктивные связи. Следовательно, задача повышения технического уровня горнопроходческих работ может быть решена путем создания агрегатированных проходческих систем (АПС), в которых одновременно могут присутствовать и кинематические, и конструктивные связи.

Метод агрегатирования, широко применяемый в станкостроении, был с успехом использован в горном деле при разработке очистных комплексов, практика применения которых показала, что только агрегатирование машин, основанное на кинематическом и конструктивном объединении всего забойного оборудования, позволило резко повысить производительность труда и снизить себестоимость угля. Это объясняется тем, что элементы машин, имеющие одинаковое функциональное назначение, заменяются единым органом, который перекры-

вает или вбирает в себя аналогичные функции обособленных машин. В результате сокращается количество узлов, масса оборудования, его габариты, энергоемкость, стоимость и т.д. Метод агрегатирования с успехом используется при создании проходческих систем, например, в серии комплексов «Сибирь» [3] и агрегатах типа «ЭЛАНГ»[2].

Сопоставление имеющихся решений по созданию агрегатированных горнопроходческих систем свидетельствует, что чаще создавались биси-стемы, т.е. системы из двух функциональных машин. Это практически все проходческие комбайны и буро-по грузочные машины. Однако в последние десятилетия накоплен опыт создания и эксплуатации полисистем, в которых объединены три и более функциональных элемента.

На сегодняшний день в мировой практике насчитывается более 200 об разцов проходческого оборудования, которое можно отнести к разряду аг-регатированного.

Применительно к агрегатирован-ным буровзрывным проходческим системам (АБВПС), в Шахтинском институте (филиале) ЮРГТУ(НПИ) был выполнен ряд исследований, позволивших разработать структурную систематизацию, учитывающую, помимо существующих, новые классификационные признаки (рис. 2).

Описание агрегатированных систем предложенной совокупностью признаков, отражающих особенности их компоновки, конструкции и функционирования, а также состав и взаимосвязь элементов, позволяет рассматривать их как конструкции, созданные по единым структурным правилам, систематизировать существующие варианты и генерировать новые технические решения.

Связь + или <

АБВПС Региональные !

перемещения

п

ПЭ ~1— О Единый Групповой

Связь + Инди видуальный Ком бинированный

Глобальные перемещения

Самостоятельный

БЭ^ОР

БЭ^ПР

БЭ^С

Совмещенный

БЭ»Б

БЭ»Т

БЭП

БЭК

БЭ»К

Тип движителя БЭ

Колесно-рельсовый

Гусеничный

Расположение БЭ

Пневмоколесный

Нижнее

Распорно-подающий

Верхнее

Промежуточное

Рис. 2. Схема структурообразования АБВПС:

ФЭ - функциональный элемент; ПЭ - промежуточный элемент; БЭ - базовый элемент; Б -бурильный; П - погрузочный; Т - транспортирующий; К - крепеустановочный; Кпр - приза-бойная крепь; БЭ^ОР - БЭ в виде опорной рамы; БЭ^ПР - БЭ в виде портальной рамы; БЭ^С - БЭ в виде стоек распорно-подающего механизма; «+» - кинематическая связь; «•» -конструктивная связь

Данная систематизация явилась основой для разработки адекватной имитационно-статистической модели функ-

ционирования буровзрывных систем, в т.ч. агрегатированных. Результаты вычислительного эксперимента по-

Рис. 3. Система горнопрохоаческих машин (пат. Ыи 2144139):

1 - буропогрузочный модуль; 2 - клиновой погрузочный модуль; 3 - призабойный перегружатель; 4 - бурильный модуль; 5 - крепеустановщик

зволили установить, что агрегатирование повышает их эксплуатационную производительность и надежность в сравнении с комплектами машин. Кроме того, изменение эффективности отдельных исполнительных органов в агрегатированных комплексах оказывает большее влияние на конечные показатели системы в целом, чем в комплектах индивидуальных машин.

Разработана также методика синтеза агрегатированных буровзрывных систем, позволяющая для заданных условий эксплуатации получать наиболее эффективные технические решения.

Результатами применения данной методики являются новые системы горнопроходческих машин [4, 5], использование которых позволит, по прогнозным показателям, обеспечить высокие темпы проходки (свыше 180 м/мес) выработок больших и средних сечений по крепким породам с одновременным увеличением производительности труда в 1,5 раза (рис. 3).

Также результатом применения методики синтеза является разработка проходческого взрывонавалочного комплекса ПКВН-2004 (рис. 4), а затем усовершенствованного комплекса ПКВН-2008, применение которого предполагает снижение удельной трудоемкости процесса погрузки и транспортировки горной массы на 54% и исключение операции отвода оборудования перед взрывными работами на безопасное расстояние (рис. 5).

Анализируя состояние работ в области комбайновой проходки необходимо отметить, что создание агрега-тированных проходческих комплексов на базе отечественных комбайнов, прежде всего избирательного действия, является актуальным направлением повышения эффективности горнопроходческих работ и по оценкам ведущих ученых отрасли позволит повысить темпы проходки как минимум в 3 раза.

Работы по созданию таких комплексов ведутся как в нашей стране,

6 1 2 5 4 3

Рис. 4. Проходческий комплекс взрывонавалочный - ПКВН-2004: 1- погрузочный модуль; 2 - бункер для взрывонавалки; 3 - скребковая часть; 4 - насосная станция; 5 -блок и пульт управления; 6 - манипулятор с бурильной машиной

178268 5 4 з

Рис. 5. Проходческий комплекс взрывонавалочный ПКВН-2008 с механизированной крепью и механизмом самопередвижки: 1- погрузочный модуль; 2 - бункер для взрывонавалки; 3 - скребковая часть; 4 - маслостанция; 5 - блок и пульт управления; 6 - манипулятор с бурильной машиной; 7 - предохранительная крепь; 8 - механизм самопередвижки

так и в других угледобывающих странах СНГ. Агрегатирование идет, как правило, по пути оснащения проходческих комбайнов различным количеством крепевозводящих механизмов (известен комплекс с шестью анкеро-установщиками), а также средствами призабойного крепления. Ведутся работы по созданию проходческо-очистных комплексов, в том числе базирующихся на механизированной крепи и т.д. Однако, создание агрега-тированных систем идет на интуитивном уровне с использованием идей и технических решений изобретателей различных школ, при этом немало образцов конструируется непосредственно на горных предприятиях по

необходимости. Многие системы существуют только в виде авторских свидетельств и патентов.

Среди главных недостатков технологии и механизации горнопроходческих работ, сложившихся к настоящему времени, необходимо отметить следующие:

1) в создании горнопроходческой техники не реализуется комплексный (системный) подход, направленный на достижение высокой конечной эффективности; конструкция и параметры отдельных машин не взаимоувязаны, в связи с чем высокая производительность отдельных машин не дает аналогичной результативности на выходе

системы, например, в комбайновой технологии — это диспропорция между возможностями комбайна по разрушению и погрузке и низкой производительностью крепления; в буровзрывной технологии — это несоответствие высокой производительности погрузочных машин и возможностей призабойного транспорта и т.д.;

2) выпускаемая горнопроходческая техника не отвечает современным требованиям, существенно уступает по техническому уровню зарубежным аналогам;

3) высока удельная трудоемкость вспомогательных работ при выполнении механизированных операций проходческого цикла, что свидетельствует о недостаточной поэлементной изученности основных рабочих процессов; это сдерживает возможности создания более эффективных средств механизации;

4) ряд технологических процессов практически либо вообще не механизирован, либо оснащен малоэффективными машинами и приспособлениями; к ним относятся, прежде всего, крепление, заряжание и взрывание шпуров, и некоторые другие;

5) много времени и средств затрачивается на поддержание машин в работоспособном состоянии по причине недостаточного уровня их надежности, ремонтопригодности, неэффективной организации ремонта и профилактического обслуживания; отечественные проходческие машины не снабжаются средствами диагностики состояния, самокомпенсации износа и другим оборудованием для повышения работоспособности; 73% простоев проходческого оборудования происходит по причине его неисправности.

Необходимо отметить, что ряд вышеперечисленных проблем актуален и для таких групп оборудования как щитовые комплексы и тоннелепро-ходческие агрегаты.

В результате анализа современного состояния проблем в области комплексной механизации проведения выработок можно сделать следующие выводы:

1. Проблема повышения эффективности проходческих систем должна решаться на основе принципов системного подхода путем создания оборудования более высокого технического уровня.

2. При создании проходческих систем разработчики независимо друг от друга используют метод агрегатирования отдельных функциональных машин на единой базовой конструкции.

3. В настоящее время отсутствуют научное обоснование и общие методы разработки агрегатирован-ных структур проходческих комплексов.

4. Не разработаны методы оценки эффективности проходческих систем, учитывающие особенности агрегати-рованного оборудования.

5. Отсутствует методика синтеза рациональных вариантов структур АПС.

На основании сделанных выводов сформулирована цель дальнейших исследований, которая заключается в обосновании направлений повышения эффективности проведения выработок путем разработки принципов, методики синтеза и оценки эффективности агрегатированных проходческих систем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать принципы систематизации агрегатированных проходче-

ских систем для уточнения признаков и построения обобщенной структуры АПС;

• разработать адекватную модель функционирования АПС для исследования влияния основных параметров элементов и компоновки на эффективность агрегатированных проходческих систем;

1. Хазанович Г.Ш., Ленченко В.В. Буровзрывные проходческие системы: Учеб. пособие / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. - 504 с.

2. Винтоповоротные проходческие агрегаты / А.Ф. Эллер, В.Ф. Горбунов, В.В. Аксенов. - Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1992. - 192 с.

3. Бунин В. И. Создание комплексов для проведения наклонных горных выработок. Кемерово: Кузбассвузиздат, 1998. -156 с.

• разработать алгоритм синтеза рациональных технических решений АПС, включающий выбор вариантов агрегатированных структур для заданных условий, методику оценки их эффективности и выбор вариантов, имеющих наилучшие показатели и отвечающих заданным критериям и ограничениям.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Патент 2148715 РФ, МКИ 7 Е 21 Б 9/10, 13/04, 19/04. Система горнопроходческих машин / Хазанович Г.Ш., Ляшенко Ю.М., Никитин Е.В., Воронова Э.Ю., Отроков А.В., Агафонов А.Ф. Заявл. 21.04.98. - Опубл. в БИ., 2000, № 13.

5. Патент Ш 2144139, МКИ 7 Е 21 Б 13/04, 9/10, 9/12, Е 21 Р 13/00. Система горнопроходческих машин / Хазанович Г.Ш., Ляшенко Ю.М., Воронова Э.Ю. и др. -№ 97112667 / 03; Заявл. 14.07.97. -Опубл. в БИ, 2000, № 1. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Воронова Элеонора Юрьевна - кандидат технических наук, доцент, Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института), е-шаП: gmo@itsinpi.ru.

UDC 622.619

PERSPECTIVES OF DEVELOPMENT OF UNITIZING HEADING SYSTEMS

Voronova E.Y., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor

Shahtinskii Institute (branch) Federal State Budget Educational Instution "South Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)"

Expediency of using the method of unitizing for rising technical level of mining heading systems is based. Modern problems arising at creating and exploitation of mining heading technique as well as the aim and the tasks of the further investigation are formulated.

Key words: heading complex, efficiency rising, unitizing system, combine technology, drilling and blasting technology.

REFERENCES

1. Khazanovich G.Sh., Lenchenko V.V. Burovzryvnye prokhodcheskie sistemyto Ucheb. posobie (Drill-ing-and-blasting heading systems. Educational aid.), Yuzhno-Rosiiskiy gosudarstvenniy tekhnicheskiy univer-sitet, Novocherkassk, YuRGTU, 2000, 504 p.

2. Eller A.F., Gorbunov V.F., Aksenov V.V. Vintopovorotnye prokhodcheskie agregaty, (Screw tunneling machines), Novosibirsk, VO «Nauka», Sibirskaya izdatel'skaya firma (Siberian Publishing Company),1992, 192 p.

3. Bunin V.l. Sozdanie kompleksov dlya provedeniya naklonnykh gornykh vyrabotok, (Designing of drivage complexes for inclined stopes), Kemerovo, Kuzbassvuzizdat, 1998, 156 p.

Khazanovich G.Sh., Lyashenko Yu.M., Nikitin E.V., Voronova E.Yu., Otrokov A.V., Agafonov A.F., RF Patent No. 2148715, MKI 7 E 21 D 9/10, 13/04, 19/04, Sistema gornoprokhodcheskikh mashin (Heading machine system), Byulleten izobreteniy (Inventions Bulletin),

5. Khazanovich G.Sh., Lyashenko Yu.M., Voronova E.Yu. et al., RF Patent No. RU 2144139, MKI 7 E 21 D 13/04, 9/10, 9/12, E 21 F 13/00. (Heading machine system), Byulleten izobreteniy (Inventions Bulletin), 2000, No. 1.

В Горном информационно-аналитическом бюллетене (научно-техническом журнале) № 1 2014 г. на с. 337 допущена техническая ошибка - отсутствует перевод на английский язык сведений об авторах, аннотации, списка литературы. Приносим авторам свои извинения.

UDC 681.5 ^-

SYNTHESIS OF STABILITY CONTROL TEMPERATURE FIELD THERMAL CAMERA

Ilyushin Yu.V., Candidate of Engineering Sciences, e-mail: bdbyu@rambler.ru, Trushnikov V.E., Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: tvye@yandex.ru National Mineral Resource University (University of Mines) Komarskikh A.V., Assistant, North Caucasus State Federal University, e-mail: Komarskich-Alexandr@yandex.ru,

We consider the problem of synthesis of distributed control for the stabilization of the temperature field of the camera. The analysis of a mathematical model to account for the form and set the camera's precision solutions. As a method of control is chosen distributed system. The developed automated control system consists of the adjustment device, control object and control actions. The author has designed automated control for a distributed technological unit represented by the electric heating chamber for stretching of light emitting diodes. According to technical specifications on quality of the automated control in steady operation and transient conditions, the proportional integral-differential adjustment law has been accepted.

Key words: automatic control system, the regulation of the temperature field, the regulator, the objects with distributed parameters.

REFERENCES

1. Pershin I.M., 2007. Analysis and Synthesis of Distributed Systems. Pyatigorsk: RIA-KMV. P. 244.

2. Grigoriev V.V., Bystrov S.V., Pershin I.M., 2010. Synthesis of Distributed Controllers. Saint-Petersburg: SPbGU ITMO.

3. Rapoport E.Ya. 2005. Analysis and Synthesis of Automated Control with Distributed Parameters. Moscow: Vysshaya shkola. P. 292.

ОТ РЕДАКЦИИ