175

Проходческий комбайн как мехатронный объект

1. Назначение

Проходческие комбайны (ПК) предназначены для проведе­ния подготовительных горных выработок. Их применение по­зволяет механизировать основные процессы проходческого цикла - разрушение горной породы, ее удаление из забоя вы­работки и погрузку на транспортные средства. Использование ПК позволяет совместить во времени эти основные и наиболее трудоемкие операции, что дает возможность повысить в 2-2,5 раза производительность труда и темпы проведения вырабо­ток, снизить стоимость проходческих работ и значительно обезопасить труд рабочих подготовительного забоя в сравне­нии с буровзрывным способом. Кроме того, при комбайновом способе проведения существенно повышается устойчивость горных выработок, так как связанность пород в массиве нару­шается в меньшей степени, чем при буровзрывных работах.

Кроме требований, общих для всех горных машин (соци­альных, технико-экономических, эксплуатационных) и частных, относящихся к подсистемам проходческих комбайнов, к рас­сматриваемым машинам предъявляются также следующие требования:

• высокий уровень автоматизации комбайнов при формиро­вании этих машин как мехатронизированных или мехатронных систем;

• обеспечение выполнения ряда вспомогательных опера­ций (образование приямков под ножки крепи и водосточной ка­навки, качественная зачистка почвы, боков выработки и кровли);

• возможность селективной выемки полезного ископаемого при работе комбайнов стреловидного типа в смешанном породно-угольном забое;

• приспособленность к оснащению крепемонтажными устройствами;

• сочетаемость с последующими транспортными средствами.

Общая классификация проходческих комбайнов может быть представлена следующим образом.

1) По назначению:

- для проведения горных выработок типа штрек, уклон, бремсберг и т.д.;

- для выполнения поддирочных работ в подготовительных выработках с целью восстановления их исходного состояния (принятые названия - профилеподдирочные или поддирочнопогрузочные машины);

- для проведения нарезных выработок по полезному ископаемому (принятое название - нарезные комбайны).

2) По способу обработки поверхности забоя:

- с последовательной обработкой;

- с одновременной обработкой.

3) По типу исполнительных органов, реализующих соответствующий способ обработки забоя:

- стреловидного типа;

- роторного типа;

- с качающимися в вертикальной плоскости исполнительными органами.

Достоинствами проходческих комбайнов стреловидного ти­па с последовательной обработкой поверхности забоя являют­ся: возможность проходки (или восстановления для профиле-поддирочных машин) выработок разных форм (арочной, трапе­циевидной, прямоугольной, полигональной) в достаточно ши­роком диапазоне площадей сечений; высокая маневренность; возможность установки крепи возле забоя выработки; относи­тельно небольшая масса; хороший доступ к рабочему инстру­менту.

К потенциальным преимуществам проходческих комбайнов роторного типа с одновременной обработкой поверхности за­боя относятся: высокая производительность, связанная с ука­занным способом обработки забоя; возможность разрушения более крепких пород, обусловленная применением шарошеч­ного инструмента и распорно-шагающей подсистемы переме­щения; частичная изоляция от проникновения пыли из зоны работы исполнительных органов в выработанное пространство с помощью щита ограждения.

Проходческие комбайны с качающимися в вертикальной плоскости ИО шнекового и цепного кольцевого типов, реали­зующие последовательную обработку поверхности забоя, при­менены в составе соответственно проходческого комплекса КПА и нарезного комплекса КН78.

Из проходческих комбайнов роторного типа в настоящее время выпускается только комбайн ПК8МА с двумя основными роторными исполнительными органами и двумя дополнитель­ными бермовыми шнеками, двумя гусеничными подсистемами перемещения и подсистемой транспортирования отделенной горной массы на основе ленточного конвейера. Комбайны ПК8МА предназначены для проведения подготови­тельных выработок и очистных камер арочного сечения при подземной разработке калийных руд.

Для угольной промышленности проходческие комбайны ро­торного типа до настоящего времени не востребованы в связи с их вы­сокой сложностью конструкции и металлоемкостью, дороговиз­ной и недостаточной апробацией.

Преимущественное применение в угольной промышленно­сти нашли ПК стреловидного типа.

При оценке технических решений ПК с позиции эффектив­ности их работы в конкретных горно-геологических условиях необходимо использовать результаты сравнительного анализа конкурирующих вариантов, выполненного в указанных выше пунктах и подразделе, а также учитывать степень оснащения устройствами для крепления подготовительных выработок.

Подсистемы автоматизированного управления в соответст­вии с требованиями проекта национального стандарта Украины «Комбайны шахтные проходческие со стреловидным исполни­тельным органом. Общие технические условия» должны обеспечивать:

• автоматическое регулирование скорости перемещения (или частоты вращения) исполнительного органа (требование рекомендуемое);

• автоматическую стабилизацию нагрузки электропривода исполнительного органа;

• автоматизированное управление исполнительным органом путем его вождения по заданной программе;

• автоматическую защиту от опрокидываний и несостоявшихся пусков электродвигателей силовых подсистем;

• контроль технического состояния электрических и гидравлических узлов;

• отображение контрольной, оперативной и аварийной информации на пульте управления;

• автоматическое управление поворотной частью конвейе­ра при его смещении в горизонтальной плоскости относительно заданного положения;

• контроль положения комбайна в выработке;

- контроль направления проходимой выработки.

Известны следующие автоматизированные режимы работы при последовательной обработке забоя проходческими ком­байнами стреловидного типа.

1. Стабилизация на заданном уровне токовыми уставками среднего значения мощности электродвигателя подсистемы привода исполнительного органа путем регулирования основ­ного режимного параметра - скорости перемещения этого ор­гана V_n.

Реализация этого режима для мехатронизированных проходческих комбайнов обеспечивается с помощью регулятора режимов работы при наличии возможности дроссельного или объемного регулирования значения скорости V_n.

2. Стабилизация на заданном уровне среднего момента электродвигателя подсистемы привода ИО путем регулирова­ния частоты вращения (скорости резания) исполнительного ор­гана.

Такой режим возможен при наличии мехатронной подсис­темы привода исполнительного органа на основе частотно-регулируемого электропривода.

3. Автоматизированное вождение исполнительного органа по заданной программе в соответствии с выбранной рацио­нальной схемой обработки забоя.

Эта программа первоначально формируется на основе об­разцового ручного вождения ИО в течение полного рабочего цикла и записывается в виде программного обеспечения для компьютера подсистемы автоматизации. В дальнейшем, в слу­чае необходимости, осуществляется корректировка этой про­граммы.

ПРОГРАММНАЯ ОБРАБОТКА ЗАБОЯ.

На угольных шахтах для прохождения подготовительных вы- работок по мягким и средней крепости породам широкое примене- ние получили стреловые проходческие комбайны. Опыт эксплуатации показывает, что при высоких темпах проходки сдерживающими факторами являются не только отсутствие механизации крепления выработок неритмичность работы транспорта, выполнение вспомогательных работ, но и несовершенство управления процессом разрушения забоя и погрузки горной массы. Для выполнения одного цикла проходки необходимо произвести до 100 перемещений исполнительного органа комбайна, Кроме того, машинист перед забуриванием должен определить наиболее эффективную схему обработки с учетом конкретных горно-геологических условий (мощности и расположения пласта, крепости вмещающих пород, кливажа, состояния кровли ит.д.). В функции машиниста входит также: управление погрузкой, распорным устройством, перемещением комбайна, контроль за направлением прохождения выработки, пылегазовой обстановкой в забое, состоянием всех систем комбайна. Это требует высокой квалифи - кации машиниста к значительных навыков в управлении комбайнам. Такое количество выполняемых оператором функций снижает эффек- тивность и повышает напряженность его работы.

Время обработки забоя включает в себя время принятия решения о направлении движения исполнительного органа, время его включения и время движения

=

Исследования показывают, что составляют 6-10% общего времени цикла обработки забоя при низком коэффициенте машин- ного времени работы комбайна (0,15-0,20). Кроме того, для уменьшения переборов породы машинист вынужден снижать скорость подхода исполнительного органа к контуру забоя. Хронометражные данные показывают, что время при программном управлении на 10-15% меньше, чем при дистанционном.Перечисленные факторы делают актуальной задачу автоматизации отдельных процессов управления комбайном.

Задание программы осуществлялось автоматически при выполнении машинистом образцового цикла. Это позволяет учитывать горно-геологические условия проводимой выработки» задавая программу непосредственно в забое.

Существующие устройства программного управления должны автоматически выдерживать заданный профиль.

При достаточном объеме памяти можно задавать обработку основного сечения забоя с учетом конкретных горно-геологических условий и производить его оконтуривание по "жесткой" программе. В этом случае значительно облегчается работа машиниста.

Значительное повышение эффективности программной обработки может

быть достигнуто: при применении проходческих комплексов, механизирующих вспомогательные процессы и значительно повышающих

коэффициент машинного времени; оснащением комбайнов эффективными распорными устройствами; применением программных устройств с автоматической коррекцией, компенсирующих влияние смешения комбайна;

Применяемые для исполнительных органов проходческих машин регуляторы нагрузки реализуют точностные критерии оптимальности. Однако, как показал опыт эксплуатации ре- гулятора ПРИЗ, управление нагрузкой только по параметрам точ- ности процесса не позволяет добиться высоких технико-эконо- мических показателей работы машин, что обуславливает необ- ходимость применения в современных условиях более эффектив- ных критериев, которые бы обеспечили оптимальное управление нагрузкой в комплексе с другими, связанными с ней, техноло- гическими операциями. Для этого критерий оптимальности должен соответствовать основным задачам автоматизации про- ходческих машин, а именно: повышению их производительности, надежности и безопасности, а таете наиболее полно учитывать конструктивные особенности машин и условий их работы. Рас- смотрим некоторые из них.

К управлению нагрузкой как технологическому процессу сейчас предъявляются менее высокие требования по точности, так как в быстро изменяющихся горно-геологических и орга- низационно-технических условиях первостепенное значение имеет правильное

Обработка забоя проходческими комбайнами стреловидно­го типа производится в следующей последовательности:

• опускается приемный стол погрузочного устройства на зачищенную почву проводимой выработки;

• поднимаются задние опоры комбайна;

• включаются приводы ИО, подсистем погрузки, конвейера подсистемы транспортирования и гусеничных подсистем пере­мещения и комбайн передвигается к забою с одновременной зачисткой почвы;

• выключаются приводы подсистем перемещения, опуска­ются задние опоры и с помощью гидроцилиндров выдвижения производится забуривание (самозарубка) вращающегося ис­полнительного органа в массив на допустимую глубину;

• возвращаются гидроцилиндры выдвижения ИО в исход­ное положение;

• поднимаются задние опоры, включаются приводы подсис­тем перемещения и при вращающемся исполнительном органеподъезжают к забою на величину произведенного забуривания;

• выключаются приводы подсистем перемещения, опускаются задние опоры и приемный стол погрузочного устройства, тем самым разгружая гусеничные тележки.

На рис. 1 показаны некоторые возможные схемы последо­вательной обработки забоя фрезерными ИО.

Зачастую обработку массива начинают с забуривания ИО в нижней части выработки. Затем оконтуривается основание за­боя с целью обеспечения ровной поверхности почвы.

Забуривание аксиальными фрезерными ИО осуществляет­ся двумя или тремя перемещениями ИО вдоль оси стрелы (не допуская контакта корпуса редуктора с массивом), чередующи­мися с боковыми сдвигами органа. Затем подачей стрелы в го­ризонтальном направлении создается рассечка. Далее следуют попеременные с боковыми сдвигами переме­щения ИО в вертикальном направлении, т.е. забой обрабаты­вается последовательными слоями.

Рисунок 1 - Схемы обработки забоя радиальными (а) и аксиальными (б) фрезерными ИО проходческих комбайнов их привод

2 Состав и назначение электрооборудования проходческого комбайна КПД

2.1 Описание работы проходческого комбайна, структурная и функциональная схемы, алгоритм АСУ приведены для комбайна КПД, который получил наиболее широкое распространение в шахтах.

На рис. 2 приведен проходческий комбайн среднего класса КПД с исполнительным органом стреловидного типа с последовательной обработкой поверхности забоя. Такие комбайны нашли наиболее широкое распространение в угольной промышленности.

Он имеет достоинства:

- возможность проходки выработок разных форм (арочной или прямоугольной);

- широкий диапазон площадей сечений (11-35 м²);

- высокая маневренность;

- возможность установки крепи возле забоя;

- относительно небольшая масса;

- хороший доступ к рабочему инструменту.

Приведенный на рисунке проходческий комбайн оснащен:

- исполнительным органом (с двумя шнеками);

- двумя гусеничными системами перемещения;

- электромеханическими системами привода;

- подсистемой подвески исполнительного органа, обеспечивающей перемещение его в горизонтальном и вертикальном направлениях и телескопическую раздвижность;

- подсистемой погрузки, имеющей в качестве рабочего органа погрузочные звезды или скребковую цепь;

- подсистемой транспортирования на основе скребкового конвейера с электромеханическим приводом, что позволяет комбайну легко адаптироваться к различным транспортным системам проводимых выработок;

- дистанционным управлением с носимого пульта или местным с блока управления комбайном;

- аппаратурой диагностики для контроля и визуального отображения состояния основных узлов комбайнов.

В таблице 1 приведены основные параметры комбайнов КПД, КПЛ, КПУ, КПА.

Таблица 1

Наименование параметра	КПЛ	КПД	КПУ	КПА
Суммарная номинальная мощность электродвигателей, кВт	202,5	100	120	80
Масса, т	29	40	70	75
Сечение проводимой выработки, м2	7-20	11-35	13-37	13,5-21
Высота проводимой выработки, м	1900	2700	2900	2600
Наличие дистанционного управления, в т.ч. по радиоканалу	да	да	да	да
Наличие высоконапорного орошения	нет	да	да	да

Электрооборудование комбайна КПД предназначено для управления электроприводами и гидроприводами, а также обеспечения необходимых защит и блокировок, предупредительной сигнализации, диагностики и индикации.

Структурная схема приведена на рис. 3.

Рис. 3 - Структурная схема комбайна КПД

Электрооборудование включает:

- четыре электродвигателя, обеспечивающих: вращение коронок исполнительного органа в процессе вырубки породы, работу насосной установки для создания давления рабочей жидкости в гидросистеме, движение ленточного конвейера для удаления породы из забойного пространства, работу системы орошения с целью пылеподавления в процессе работы режущего органа комбайна;

- аппаратуру управления УПК, предназначенную для управления, в том числе по беспроводной линии связи, (в зоне визуального контроля) электро- и гидроприводами проходческого комбайна;

- аппаратуру управления и диагностики УДПМ, предназначенную для управления, защиты, контроля состояния и технической диагностики проходческого комбайна;

- датчик контроля масла ДКМ, который служит для контроля уровня и температуры масла в баке насосной установки: в корпусе датчика расположена плата с герконами для контроля 4-х уровней масла и терморезистор для контроля температуры. Предельно допустимая температура масла - 85°С;

- пост управления кнопочный ПУВ совместно с концевым элементом КЭ обеспечивает аварийное отключение электроприводов комбайна. АСУ комбайна содержит четыре поста ПУВ, расположенных в зоне исполнительного органа и поворотной части конвейера. Концевой элемент КЭ встраивается в кнопочный пост и служит для контроля целости цепей управления: в случае обрыва цепи срабатывает индикатор, установленный на крышке кнопочного поста;

- излучатель акустический АИ, предназначенный для звуковой предупредительной сигнализации перед пуском комбайна. АСУ комбайна содержит два АИ, в концевом акустическом излучателе установлен блок концевого сигнала БКС, который обеспечивает самоконтроль целости линии акустической связи;

- аппаратуру освещения, состоящей из двух светильников и фары (или четырех светильников). Светильники установлены на поворотной раме и хвостовой части конвейера и предназначены для освещения органов управления аппаратуры УПК, места перегрузки горной массы с конвейера на перегружатель и зоны прохода обслуживающего персонала. Фара аппаратуры освещения обеспечивает освещенность забойного пространства;

- распределители электромагнитные РЭС, предназначенные для коммутации потоков рабой жидкости в гидросистеме комбайна посредством электрических команд, подаваемых с пультов управления аппаратуры УПК. Электрооборудование комбайна КПД включает до 15 распределителей;

- фильтр напорный 3ФГМ32, который служит для определения и индикации загрязненности рабочей жидкости гидросистемы;

- устройство контроля пылеподавления УКСП, которое управляет системой орошения исполнительного органа комбайна - отключением и блокированием включения исполнительного органа при недостаточном давлении и расходе воды в системе орошения;

- метан-реле ТМРК-3.1М, которое отключает групповой аппарат при превышении нормы концентрации метана в забое (подключение комбайна с сетевому питанию происходит посредством группового аппарата);

- блок регистрации БРП, предназначенный для регистрации в реальном времени основных параметров работы и произошедших событий во время работы проходческого комбайна КПД или другой горной машины, имеющей канал передачи информации для системы сбора данных.

Питание комбайна осуществляется напряжением 660 В или 1140 В переменного тока частотой 50 Гц, подключение к нему происходит посредством группового аппарата. Источники питания аппаратуры управления и диагностики, а также коммутационные элементы силовых цепей находятся в корпусе, представляющим собой специальную взрывозащищенную оболочку.

При аварийных режимах работы происходит срабатывание защит: максимальной токовой, от снижения сопротивления или повреждения изоляции кобеля, от опрокидывания и перегрузки электродвигателей, температурной защиты электродвигателей, от перегрева масла, от снижения уровня масла ниже допустимого, снижении давления воды в системе орошения и соответствующие электроприводы при этом отключаются.

3.2 Функции, выполняемые автоматизированной системой управления проходческого комбайна КПД

1) выбор вида управления комбайном:

- местное (с блока управления);

- дистанционное проводное (с носимых пультов управления комбайном ПУ4 и хвостовой частью конвейера ПУ2);

- дистанционное радиоуправление (с носимых пультов управления комбайном ПУ4);

2) выбор режима работы комбайна: работа, перегон, крепеподъем, бурение;

3) выбор работающих носимых пультов управления:

- пульт ПУ4;

- пульт ПУ4 и пульт ПУ2;

4) выбор режима работы электроблока:

- работа;

- проверка работоспособности блока контроля изоляции;

- проверка схемы;

5) дистанционное включение всех электроприводов в режиме РАБОТА с блока БУ или пульта ПУ4;

6) дистанционное включение насосной установки в режиме ПЕРЕГОН, КРЕПЕПОДЪЕМ, БУРЕНИЕ с блока БУ или пульта ПУ4;

7) дистанционное управление электромагнитными распределителями с блока БУ или пультов ПУ4, ПУ2:

- в режиме РАБОТА:

- перемещение исполнительного органа;

- изменение положения питателя;

- изменение положения распора;

- изменение положения хвостовой части конвейера;

- перемещение комбайна;

- управление погрузочными звездами;

- в режиме ПЕРЕГОН:

- перемещение комбайна;

- в режиме КРЕПЕПОДЪЕМ:

- перемещение крепеподъемника;

- перемещение установки;

- в режиме БУРЕНИЕ:

- включение первой колонки;

- включение второй колонки;

- включение обеих колонок;

8) дистанционное управление групповым аппаратом (кнопка "ПУСК" и кнопка "СТОП");

9) разрыв силовых цепей, исключающий подачу напряжения на машину с опережающим отключением группового аппарата (разъединитель QS сблокированный с кнопкой «СТОП»);

10) подачу напряжения на машину только при закрытых быстрооткрываемых крышках электроблока обеспечивается механической блокировкой;

11) отключение группового аппарата при превышении нормы концентрации метана в забое (метан-реле);

12) отключение и блокировку, исключающую включение электроприводов комбайна при аварийных ситуациях и ремонтных работах с кнопочных постов управления, расположенных в зоне исполнительного органа и поворотной части конвейера);

13) дистанционное отключение и блокировка включения группового аппарата с блока БУ аппаратуры УПК-05 "Сеть";

14) автоматическое отключение группового аппарата при длительном (более 3 мин) простое комбайна;

15) отключение и блокирование включения исполнительного органа при недостаточном давлении и расходе воды в системе орошения;

16) отключение и блокирование включения насосной установки при перегреве и снижении уровня рабочей жидкости гидросистемы;

17) подачу предупредительного сигнала с блока БУ или пультов ПУ2, ПУ4;

18) защиту от токов короткого замыкания силовых цепей;

19) защиту от перегрузки и опрокидывания двигателей М1...М6;

20) защиту от перегрева двигателей М1...М6;

21) нулевую защиту;

22) защиту от потери управляемости при обрыве или замыкании цепей дистанционного управления электроприводами машины;

23) блокировку, исключающую возможность включения двигателей без подачи предупредительного сигнала;

24) блокировку, исключающую возможность включения двигателей при снижении сопротивления изоляции силовых цепей кабелей машины ниже 35 кОм (при питающем напряжении 660В) или 100 кОм (при питающем напряжении 1140В);

25) блокировку, исключающую возможность включения двигателей при нарушении целостности вакуумных камер контакторов КМ1... КМ6 (панели ПБ1,ПБ2);

26) индикацию параметров:

- наличие искробезопасного напряжения источников питания;

- нарушение работоспособного состояния субблоков аппаратуры УПК-05;

- включение промежуточных реле контакторов электроблока;

- снижение уровня сопротивления изоляции силовых цепей;

- срабатывание максимальной токовой защиты;

- срабатывание защиты от перегрузки и опрокидывания двигателей;

- срабатывание температурной защиты двигателей;

- предельной температуры рабочей жидкости в баке насосной установки;

- уровень рабочей жидкости в баке;

- предельное давление в системе орошения;

- повреждение линии предупредительного сигнала;

- величина потребляемого тока (в %) двигателем исполнительного органа;

- готовность цепей управления.