Механизированная крепь как мехатронный объект

Механизированную крепь, являющуюся сложной системой, целесообразно рассматривать как совокупность следующих подсистем, обладающих определенной функциональной само­стоятельностью и взаимодействующих между собой и с внеш­ней средой:

1. подсистемы управления кровлей, предназначенной для поддержания пород кровли и управления состоянием вме­щающих пород, а также для защиты рабочего пространства взоне поддерживающих элементов;

2. подсистемы ограждения, предназначенной, прежде всего, для защиты рабочего пространства в зоне оградительных элементов;

3. общей подсистемы перемещения крепи и конвейера в случае агрегатированных крепей или двух подсистем - пере­мещения крепи и перемещения конвейера для комплектных крепей; эти подсистемы выполняют функции направленной пе­редвижки секции крепи и забойного конвейера, а также удер­жания последнего в требуемом положении;

4. подсистемы питания крепи рабочей жидкостью с необхо­димой подачей и заданным давлением;

5. подсистемы пылеподавления;

6. подсистемы управления.

Указанные модули во многих случаях состоят из следую­щих основных взаимосвязанных структурных элементов:

• модули подсистемы управления кровлей - из перекрытий, гидростоек, оснований, предохранительных клапанов как уст­ройств, обеспечивающих в номинальном режиме постоянство среднего рабочего сопротивления секций крепи;

• модули подсистемы ограждения - из оградительных элементов и узлов их связи с перекрытием и основанием;

• модули подсистемы (подсистем) перемещения крепи и конвейера - из гидродомкратов передвижки, оснований, толка­телей, рам, направляющих элементов.

Подсистема питания крепи рабочей жидкостью включает в себя насосные станции и гидрокоммуникации (с соответствую­щей гидроаппаратурой) от насосных станций до исполнитель­ных гидроцилиндров (гидростоек, гидродомкратов, гидропатро­нов).

Для всех этих силовых подсистем характерны внутрен­ние связи. Кроме того, проявляются внешние связи подсистем крепи с подсистемами горного массива и с рештачным ставом кон­вейера.

При решении широкого круга задач возникает необходи­мость рассмотрения системы, включающей подсистему пита­ния крепи рабочей жидкостью совместно с исполнительными гидроцилиндрами, входящими в состав других подсистем кре­пи. Такую систему в дальнейшем будем называть системой гидропривода механизированной крепи.

Функции, выполняемые системой управления крепью

электрогидравлическое управление крепью с постов управления, расположенных на секции крепи, и дистанционное с центрального пульта управления, установленного на штреке:

- передвижку секций крепи и рештачного става забойного конвейера по заданному алгоритму в пределах выделенной группы секций с автоматическим запретом передвижки в зоне нахождения очистного комбайна или струга;

- передвижку отдельной секции по заданному алгоритму;

- пооперационное управление исполнительными гидроцилиндрами отдельной секции;

Современные подсистемы дистанционного электрогидравлического управления по сравнению с местным управлением силовыми гидрораспределителями обеспечивают существенное увеличение скорости крепления, облегчение условий и повышение безопасности труда операторов, сокращение гидрокоммуникаций между секциями крепи.

Агрегатированные крепи, которые являются наиболее пер­спективными, поскольку все секции этих крепей обладают двухсторонними силовыми и кинематическими связями с реш­тачным ставом забойного конвейера, в составе комбайновых очистных комплек­сов делятся на:

а) с последовательной передвижкой секций по заряженной схеме (КД90, М103М, ДМ, КДД, МТ1.5 и др.);

б) с последовательной передвижкой по незаряженной схе­ме («Донбасс М» и др.);

в) с шахматной передвижкой (КД80Ш и др.).

Механизированные крепи бывают агрегатированными - на основе секций и комплектными - на базе комплектов.

Наиболее совершенными агрегатированными крепями яв­ляются крепи с последовательной передвижкой секций по за­ряженной схеме, т.к. они обладают наименьшей продолжи­тельностью полного закрепления (соответствует проектному коэффициенту затяжки кровли) забойной полосы после выем­ки.

По виду связей с подсистемой почвы пласта, отражаю­щих взаимодействие основания с почвой при передвижке сек­ций, передвижка секций бывает:

а) с обеспечением подъема носка основания секции (КД90, ДМ, КДД, ДТ, ДТМ, 1М103М и др.);

б) без обеспечения указанного подъема (МТ1.5, М87УМ и ДР-).

Передвижка секций с подъемом носка основания позволяет улучшить взаимодействие крепи со слабыми породами почв, уменьшить величину внедрения оснований секций в почву при передвижке, что важно при наличии сла­бых пород.

1 2 3

Рис. 1 - Крепь с шахматной схемой передвижки

Формирование косого заезда конвейером

Рассмотрим группы секций механизированной крепи по 4 секции в каждой группе.

На рис. 3.1, 3.2 видно, как поэтапно формируется волна конвейерного става для «косого» заезда. На рисунках изображены: очистной комбайн, ряд секций механизированной крепи, конвейерный став забойного конвейера и линия очистного забоя. При рассмотрении рисунков видно поэтапное формирование очистного забоя для снятия следующей стружки.

Формирования траектории лавного конвейера для косого заезда можно разделить на несколько этапов:

1) полное прохождение стружки очистным комбайном для формирования пространства, в котором будет сформирован косой заезд;

2) задвижка секций вслед за прохождением комбайна прекращается на расстоянии, необходимом для формирования «косого заезда»;

3) возврат комбайна (в холостую) от края лавы на расстояние не задвинутых секций;

4) вслед за движением комбайна «в холостую» начинается задвижка секций крепи, с формированием контура «косого» заезда (формирование волны секциями крепи);

5) формирование волны конвейерного става для «косого» заезда.

Этапы 4 и 5 – это два этапа, в которых непосредственное участие принимает аппаратура управления крепью.

Этап 4 не имеет принципиальной разницы по сравнению с передвижкой секции механизированной крепи в автоматической режиме, а отличается только тем, что секции крепи прекращают свое движение после прохождения разного пути (третий и четвертый этапы).

Этап 5 рассмотрим более детально. На рисунке 3.3 изображена циклограмма включения гидрораспределителей ГСД - выстраивания конвейерного става для «косого» заезда.

В результате рассмотрения алгоритма передвижки конвейерного става с целью формирования волны «косого» заезда, можно сделать вывод, что в группе секций может одновременно выполняться 4 команды (одновременная работа 4-х ГСД). Включение ГСД можно разграничить во времени, что исключит одновременный пуск нескольких ГСД.

Технологические схемы работы комбайнового очистного комплекса

Рассмотрим характерные технологические схемы работы комбайнового очистного комплекса, сформиро­ванного на основе современных агрегатированных крепей. Под указанными схемами подразумевается определенная последо­вательность соответствующих операций, направленных на реализацию конечной цели - добычи угля.

В комбайновом ОМК в исходном положении забойный конвейер придвинут к забою, комбайн расположен на одном из концов лавы и подготовлен к снятию полосы угля, секции крепи расперты и удалены от конвейера на шаг пере­движки (наиболее распространенная заряженная схема работы механизированной крепи), крепи сопряжения расперты.

Затем комбайн начинает перемещаться и осуществляется выемка угля. При этом вслед за проходом комбайна произво­дится снятие распора, передвижка секций крепи и их распор, а на расстоянии 12-15 м от комбайна передвигается и конвейер (наиболее распространенная волнообразная передвижка кон­вейера).

При подходе комбайна к штреку (откаточному или вентиля­ционному) выполняются концевые операции, в состав которых, наряду с другими работами, входит самозарубка комбайна в пласт с целью его подготовки к выемке угля в противополож­ном направлении.

Самозарубка является обязательной операцией при реали­зации прогрессивной безнишевой выемки угля, исключающей предварительную подготовку ниш, выполняемую, как правило, весьма трудоемким немеханизированным способом при повы­шенной опасности проводимых работ.

Рассмотрим технологические схемы самозарубки очистных комбайнов. В настоящее время применяют два способа само­зарубки - фронтальную (торцевую, лобовую) и косыми заезда­ми. Особенности самозарубки указанными способами ясны из рис.4. Фронтальная самозарубка (рис.4б) в отличие от способа косых заездов (рис.4а) осуществляется на доста­точно коротком участке лавы и поэтому обнажается сравни­тельно небольшая площадь кровли, что весьма важно при не­устойчивых породах кровли. Однако при ее выполнении необ­ходимо, чтобы напорные усилия гидродомкратов передвижки, входящих в состав механизированной крепи очистных комплек­сов, были достаточными для этой операции. Наиболее прием­лемый способ самозарубки следует выбирать, исходя из ана­лиза всей совокупности горно-геологических и горно-технических условий очистного участка.

После выполнения концевых операций комбайн начинает выемку полосы угля в противоположном направлении.

Вышеописанная последовательность операций соответст­вует челноковой схеме работы комбайна. Если комбайн рабо­тает по односторонней схеме (в одном направлении комбайн осуществляет выемку массива, а в обратном - холостой пере­гон с попутной зачисткой почвы пласта), то, как и в первом слу­чае, вслед за проходом комбайна при его работе по выемке пе­редвигают секции крепи, а конвейер при этом остается в ис­ходном положении и передвигается волной только при холо­стом перегоне машины.

Следует отметить, что в обоих случаях (как при работе комбайна по челноковой, так и по односторонней схемам) мо­жет осуществляться также фронтальная передвижка конвейера - одновременно по всей длине лавы после прохода комбайна от одного штрека к другому.

Подсистемы электрогидравлического управления

Механизи­рованные крепи, входящие в состав современных мехатронных или мехатронизированных как комбайновых, так и струговых очистных комплексов, должны иметь подсистемы дистанцион­ного электрогидравлического управления, которые по сравне­нию с местным управлением, осуществляемым непосредствен­но силовыми гидрораспределителями в ручном режиме, обес­печивают существенное увеличение скорости крепления, об­легчение условий и повышение безопасности труда операто­ров, улучшение взаимодействия крепи с боковыми породами (гарантированное усилие распора), сокращение гидрокоммуни­каций между секциями крепи.

Гидравлическая схема (рис. 5) должна быть хорошо адаптирована к дистанционному электрогидравлическому управлению. При этом на гидросхеме дополнительно должен быть отражен принцип дистан­ционного управления переключением силовых двухблочных гидрораспределителей при помощи пилотных электрогидрораспределителей.

Функционирование гид­росхемы заключается в следующем. В соответствии с посту­пившей кодовой командой с центрального или секционного пультов управлениия обеспечивается подача напряжения от искробезопасного источника питания на электромагнит одного из пилотных электрогидрораспределителей, в результате чего его золотник, преодолевая усилие противодействующей пру­жины, переместится в рабочее положение. При этом под оба торца дифференциального золотника (торцы золотника имеют различное поперечное сечение) соответствующего силового гидрораспределителя будет подана рабочая жидкость из на­порной линии, что приведет к перемещению данного золотника в требуемое положение. Далее рабочая жидкость поступит из напорной линии в рабочую (штоковую или поршневую) полость исполнительного гидроцилиндра. Второй силовой гидрорас­пределитель при этом будет оставаться в исходном положе­нии, обеспечивая соединение соответствующей (поршневой или штоковой) полости исполнительного гидроцилиндра со сливной гидромагистралью. После снятия напряжения с элек­тромагнита задействованного пилотного электрогидрораспределителя его золотник займет исходное положение, что обу­словит возвращение золотника соответствующего силового гидрораслределителя также в исходное положение и выполне­ние операции завершится.

Гидравлическая схема должна быть достаточно хорошо адаптирована к дистанционному электрогидравлическому управлению. При этом на гидросхеме дополнительно должен быть только отражен принцип дистан­ционного управления переключением силовых двухблочных гидрораспределителей ГР1-ГР4 при помощи пилотных электрогидрораспределителей.

На рисунке в качестве примера приведена принципиаль­ная гидравлическая схема электрогидравлического управления двумя силовыми золотникового типа гидрораспределителями РС1 и РС2, на основе которых собраны вышеуказанные сило­вые двухблочные гидрораспределители ГР1-ГР4. На схеме также обозначены: РП1, РП2 - пилотные электрогидрораспределители; Н - напорная гидролиния; С - сливная гидролиния; Ц_п, Ц_ш - магистрали, связывающие силовые патронного ис­полнения гидрораспределители соответственно с поршневой и штоковой полостью исполнительного гидроцилиндра; Ф - сило­вой фильтр; Ф1, Ф2 - фильтры соответствующих пилотных электрогидрорасп редел ителей.

Функционирование рассматриваемой принципиальной гид­росхемы заключается в следующем. В соответствии с посту­пившей кодовой командой с центрального или секционного пультов управлениия обеспечивается подача напряжения от искробезопасного источника питания на электромагнит одного из пилотных электрогидрораспределителей, в результате чего его золотник, преодолевая усилие противодействующей пру­жины, переместится в рабочее положение. При этом под оба торца дифференциального золотника (торцы золотника имеют различное поперечное сечение) соответствующего силового гидрораспределителя будет подана рабочая жидкость из на­порной линии, что приведет к перемещению данного золотника в требуемое положение. Далее рабочая жидкость поступит из напорной линии в рабочую (штоковую или поршневую) полость исполнительного гидроцилиндра. Второй силовой гидрорас­пределитель при этом будет оставаться в исходном положе­нии, обеспечивая соединение соответствующей (поршневой или штоковой) полости исполнительного гидроцилиндра со сливной гидромагистралью. После снятия напряжения с элек­тромагнита задействованного пилотного электрогидрораспределителя его золотник займет исходное положение, что обу­словит возвращение золотника соответствующего силового гидрораспределителя также в исходное положение и выполне­ние операции завершится.