Проходческие комбайны с буровым исполнительным органом
Структурно-компоновочная схема проходческого комбайна с буровым исполнительным органом представлена на рис. 1.
Рис. 1. Роторный проходческий комбайн: 1 – роторный исполнительный орган, состоящий из одной или двух соосно расположенных планшайб; на их забойной стороне расположен рабочий инструмент (резцы, шарошки), а с внутренней, как правило, размещаются ковши погрузочного устройства;
2 – бермовые фрезы, осуществляющие оформление забоя до арочной формы; 3 – привод роторного исполнительного органа и бермовых фрез, состоящий из электродвигателя и редуктора; 4 – щит ограждения, препятствующий проникновению пыли из зоны работы исполнительного органа в выработанное пространство; 5 – несущая рама комбайна с расположенным на нем электро- и гидрооборудованием; 6 – ходовая часть гусеничного или распорно-шагающего типа; 7 – конвейер ленточного типа
Буровые исполнительные органы производят одновременную обработку всего сечения проходческого забоя. По кинематике движения режущего инструмента выделяют следующие варианты их конструкции:
роторные, режущий инструмент которых совершает вращательное движение и одновременно подается на забой;
планетарные, режущий инструмент которых, помимо вращательного и поступательного движений, совершает еще и относительное вращательное движение.
Наиболее широкое распространение среди буровых исполнительных органов получили органы роторного типа.
В целом проходческие комбайны с буровым ИО нашли весьма ограниченное применение на шахтах Донбасса по причине следующих недостатков:
высокая стоимость проходческих комбайнов;
невозможность (для ИО роторного типа) или малая глубина (для планетарных ИО) регулирования площади сечения проходимой выработки;
низкая маневренность;
значительная масса ИО и всего проходческого комбайна в целом, ухудшающая его транспортабельность и затрудняющая монтажно-демонтажные операции;
большие значения составляющих вектора внешней нагрузки, вызванные одновременной обработкой всего сечения проходческого забоя;
невозможность осуществления селективной выемки полезного ископаемого;
трудность доступа к забою персонала при обслуживании и ремонтах исполнительного органа и т.д.
Проходческие комбайны избирательного действия
Применение проходческих комбайнов избирательного действия по горно-геологическим и горно-техническим условиям возможно в 60–65% проходческих забоев. Вместе с тем до настоящего времени уровень механизации проведения горных выработок комбайновым способом составляет всего 30–35%. Малые фактические объемы проведения выработок проходческими комбайнами вызваны следующими причинами:
недостаточным объемом поставок этих комбайнов шахтам;
вновь получаемые комбайны идут на замену старых (прирост комбайнового парка на действующих шахтах Украины прекратился с 1986 г.);
технический уровень используемого на шахтах проходческого оборудования и его надежность не обеспечивают возможности дальнейшего существенного повышения темпов проходки, производительности труда проходчиков и уровня механизации процесса крепления.
При всем разнообразии выпускаемых в мировой практике проходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом в их конструкциях очень много общих элементов. По сути дела, структурно-компоновочная схема рассматриваемого класса машин (см. рис. 2) имеет практически один и тот же состав для большинства моделей (см. рис. 2).
|
|
Рис. 2.
1 – стреловидный исполнительный орган, включающий собственно исполнительный орган обычно корончатого типа, а также его привод, т. е. электродвигатель и редуктор; 2 – система подвески стреловидного исполнительного органа, состоящая, как правило, из стрелы, шарнирно связанной с поворотной рамой, а также нескольких пар гидроцилиндров, изменяющих положение исполнительного органа в горизонтальной и вертикальной плоскостях; 3 – корпус машины или несущая рама, на которой базируется все основное оборудование комбайна; 4 – ходовая часть, как правило, гусеничного типа; 5 – погрузочный орган, в качестве которого преимущественное распространение получили парные нагребающие лапы; 6 – конвейер, обычно скребкового типа;
7 – гидро- и электрооборудование комбайна, включающее маслостанцию, станцию управления, пульт управления и т. д.
Кроме вышеперечисленных элементов в состав комбайнов могут входить пылеподавляющие устройства, средства автоматизации управления и другие. Анализ показывает, что различия между рассмотренными функциональными элементами различных комбайнов заключаются лишь в их конструктивном исполнении.
В течение ряда лет организации и фирмы, специализирующиеся на проектировании и выпуске проходческих комбайнов избирательного действия, накапливали и систематизировали требования, предъявляемые к данной технике [7, 8]. В целом к проходческим комбайнам избирательного действия выдвигаются следующие требования:
поперечное сечение выработок в свету должно быть 15–25 м2;
максимальная высота комбайна не должна превышать 2000 мм при минимальном клиренсе 250 мм;
верхняя часть комбайна должна быть выполнена как плоская рабочая платформа больших размеров;
комбайны должны надежно работать на проходке выработок с углом падения не менее 22° как по восстанию, так и падению;
комбайны должны удовлетворять современным требованиям по безопасности, экологичности, дизайна и др.
Дополнительно ставятся специальные требования к отдельным конструктивным узлам комбайнов:
давление на почву гусеничного ходового механизма не должно превышать 15 Н/см2;
необходимо наличие встроенного активного погрузочного устройства, например погрузочного механизма с загребающими лапами;
опорная плита должна раздвигаться при помощи гидравлического устройства до максимальной ширины по почве и иметь жесткое покрытие;
режущий орган должен быть рассчитан на породы с максимальной прочностью 100–140 МПа; при этом экономичной считается работа по породам, имеющим прочность около двух третей от максимальной;
система орошения борозд резания должна соответствовать действующим предписаниям по эксплуатации комбайнов избирательного действия;
конвейер комбайна должен выступать примерно на 2,0 м за габариты комбайна, верхняя ветвь должна быть защищена жестким покрытием; разгрузочный конец должен регулироваться по высоте;
гидравлическая система должна иметь, возможно, меньший объем рабочей жидкости, в ее конструкции должна быть предусмотрена блочная гидроаппаратура; трубопроводы гидравлической системы, насколько это возможно, должны выполняться стальными и иметь винтовые соединения;
электрооборудование должно применяться во взрывобезопасном исполнении; следует предусмотреть шланги для подачи холодной воды к электродвигателям с водяным охлаждением; необходимо предусмотреть также соответствующие искробезопасные устройства контроля; для освещения забоя устанавливают две фары, каждая мощностью по 250 Вт; компактная станция управления должна быть не на комбайне, а в составе энергетического поезда;
в соответствии с требованиями по безопасности ведения горных работ необходимы противопожарные водяное и порошковое устройства;
для всасывания пыли следует иметь каналы, располагающиеся по обеим сторонам комбайна, производительностью от 600 до 800 м3/мин.
К вспомогательным устройствам комбайнов избирательного действия предъявляются следующие требования:
установка на комбайне устройств для бурения шпуров под анкерную крепь и для ее установки без выхода за габариты комбайна;
режущая головка должна телескопически выдвигаться не менее чем на 500 мм и обеспечивать резание из одного положения, получение плоского забоя и возможность устанавливать крепь на минимальном расстоянии от груди забоя;
необходимо предусматривать устройства контроля заданного профиля выработки и регулирования направления.
Проходческие комбайны со стреловидным ИО осуществляют последовательную обработку забоя режущей коронкой. В зависимости от типа коронки различают ИО: с продольно-осевой (радиальной) коронкой; с поперечно-осевой (аксиальной) коронкой.
Схема обработки поверхности выработки исполнительным органом с продольно-осевой коронкой показана на рис. 3. Продольно-осевая коронка 1 имеет ось вращения, соосную со стрелой комбайна 2. С помощью этой коронки можно обеспечить довольно ровный (по сравнению с аксиальной коронкой) профиль выработки. Такой исполнительный орган в принципе может с одной позиции создавать приемлемый пространственный рельеф боковых поверхностей выработки, если коронка и центр поворота стрелы соответствуют профилю выработки. Но это условие выполнимо только в идеальном случае – если сечение выработки представляет собой окружность постоянного радиуса, согласованного с конусностью коронки, а центры качания в горизонтальной и вертикальной плоскостях совпадают с центром окружности. В действительности форма сечения выработки далека от круглой, площадь проводимой выработки изменяется в довольно широком диапазоне, а центры качания в горизонтальной и вертикальной плоскостях не удается совместить конструктивно. Поэтому конусность коронки подбирается, как правило, исходя из условия обеспечения ровной поверхности почвы выработки. Естественно, при этом возникают переборы породы при обработке кровли и боковых поверхностей выработки (рис.3), поскольку размеры и форма выработок могут быть самыми различными.
|
|
|
Рис. 3. Схема обработки поверхности выработки исполнительным органом с продольно-осевой коронкой |
Схемы обработки забоя стреловидным ИО с продольно-осевой коронкой показаны на рис. 4.
Обработка забоя горизонтальными слоями (рис. 4, а) предпочтительнее с точки зрения равномерности поступления горной массы по фронту погрузки, однако при разрушении крепких пород на продольно-осевую коронку действует значительная внешняя нагрузка, при этом основная компонента главного вектора внешней нагрузки направлена противоположно направлению подачи коронки, вследствие чего принимается обработка забоя вертикальными слоями (рис. 4б) как наилучшая с точки зрения устойчивости проходческого комбайна. Действительно, применение аутриггеров и использование носка питателя для удлинения базы по ряду обстоятельств удобнее, чем применение боковых распорных устройств.
|
|
|
Рис. 4. Схемы обработки забоя стреловидным ИО с продольно-осевой коронкой: а – горизонтальными слоями; б – вертикальными слоями |
Работа комбайна по каждой из этих схем обуславливает два режима работы продольно-осевой коронки – режим попутного фрезерования (рис. 5а) и режим встречного фрезерования (рис. 5б). В первом режиме резец входит в контакт с горным массивом с нулевой толщиной стружки. При встречном фрезеровании момент входа резца в контакт с горным массивом характеризуется наличием значительной по величине толщины стружки, что сопровождается дополнительными динамическими нагрузками. Практика показывает, что при очень крепких породах работа коронок в режиме встречного фрезерования практически невозможна из-за высокой динамической нагруженности комбайна.
|
|
|
Рис. 5. Режимы работы продольно-осевой коронки: а – попутное фрезерование; б – встречное фрезерование |
Таким образом, существенными недостатками ИО с продольно-осевой коронкой являются: низкое качество поверхности и профиля выработки, а также возможность высоких динамических нагрузок.
Стреловидные ИО с поперечно-осевой коронкой (рис. 6) имеют коронку 1, ось которой находится в горизонтальной плоскости и перпендикулярна продольной оси стрелы 2.
|
|
|
Рис. 6. Схема обработки поверхности выработки исполнительным органом с поперечно-осевой коронкой |
Схема обработки забоя таким ИО (рис. 6) предусматривает следующий порядок действий. Сначала производится вруб в нижней части сечения выработки на глубину Н, кратную вылету коронки относительно корпуса редуктора. Вруб осуществляется двумя-тремя переменными перемещениями коронки вдоль оси стрелы с боковым сдвигом между перемещениями. Затем подачей стрелы в горизонтальной плоскости создается рассечка у основания забоя глубиной Н. Далее следуют попеременные перемещения коронок в направлении снизу вверх на величину 60–150 мм в зависимости от конструкции коронки и в горизонтальной плоскости.
На рис. 7 приведена схема последовательной обработки забоя и технологические режимы работы аксиальной коронки (сферической формы), которыми оснащены проходческие комбайны типа П110, П220. Анализ этой схемы показывает, что полный цикл обработки забоя арочной формы включает значительное количество последовательных операций: фронтальная зарубка; вертикальная зарубка; боковой рез. Возможна также схема обработки забоя вертикальными полосами.
|
|
|
Рис. 7. Типовая схема последовательной обработки забоя (а) и режимы работы исполнительного органа с аксиальными коронками (б) |
Анализ процессов зарубки исполнительного органа показывает, что эти процессы могут быть реализованы путем:
выдвижения стрелы на забой – фронтальная зарубка;
подъема исполнительного органа – вертикальная зарубка вверх;
опускания исполнительного органа – вертикальная зарубка вниз.
Таким образом, основными режимами зарубки являются: фронтальная, вертикальная зарубка вверх и вертикальная зарубка вниз.
Процесс зарубки характеризуется изменением сечения обрабатываемого забоя от нуля до максимальной величины (определяемой возможной глубиной зарубки и профилем коронки), серповидной формой среза на резцах, изменяющейся в соответствии с количеством и радиусом установки резцов, контактирующих с массивом. Эти режимы сопровождаются одновременным фрезерованием поверхности забоя внутренними и внешними поверхностями двух коронок. Поэтому размеры коронок и их форма в значительной мере определяют величину максимально обрабатываемого сечения в этих режимах.
При подъеме и опускании коронки (рез вверх и рез вниз) процесс разрушения массива характеризуется работой двух коронок, серповидной формой среза резцами с изменяющимся углом охвата. Характер изменения угла охвата на резцах определяется величиной зарубки исполнительного органа и формой поверхности забоя, образованной в предыдущем цикле его обработки.
Процесс бокового реза также характеризуется изменением сечения обрабатываемой поверхности при резании. В этом резе можно выделить следующие режимы (рис. 7б):
резание двумя коронками;
резание одной коронкой;
резание одной коронкой у боковой поверхности выработки (кутковый рез).
Особенностью последнего режима бокового реза является то, что минимальный радиус установки резцов, контактирующих с забоем, уменьшается и может достигать малых величин. Это обуславливает существенные кинематические изменения углов резцов и обрабатываемого сечения, как видно из рис. 7б.
Очевидно, что ввиду конструктивных особенностей стреловидного ИО с поперечно-осевой коронкой качество обработки забоя хуже, чем при работе ИО с продольно-осевой коронкой, наблюдается характерная волнистость профиля продольного сечения выработки (рис. 6).
Следует отметить, что ИО с поперечно-осевой коронкой предпочтительнее с точки зрения обеспечения устойчивости проходческого комбайна, чем ИО с продольно-осевой коронкой, так как усилие поворота, которое необходимо приложить к стреле для ее перемещения, в первом случае значительно меньше, чем во втором. Это вызвано тем, что при горизонтальной подаче поперечно-осевой коронки на усилие поворота оказывают влияние только силы подачи на резцах, но не силы резания, которые расположены в плоскостях, перпендикулярных направлению подачи.
Итак, ИО с поперечно-осевой коронкой присуще следующее основное преимущество по сравнению с ИО с продольно-осевой коронкой – более благоприятный с точки зрения обеспечения устойчивости комбайна вектор внешней нагрузки на исполнительный орган вследствие нахождения векторов сил резания в плоскостях, перпендикулярных направлению подачи коронки.
Вместе с тем, следует отметить и недостатки ИО этого типа:
ниже качество обработки забоя, чем при работе ИО с продольно-осевой коронкой, что отрицательно сказывается на трудоемкости процесса крепления выработки и ее устойчивости;
невозможность проведения водосточной канавки и осуществления селективной выемки полезного ископаемого.
Таким образом, для обоих типов корончатых исполнительных органов основными недостатками являются: низкое качество поверхности и точности контура выработки, что отрицательно сказывается на возможности механизации процесса крепления.
Одним из основных узлов проходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом является механизм подачи (система подвески), обеспечивающий угловые перемещения исполнительного органа как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Как показывает анализ, конструкции механизмов подачи в своем большинстве являются во многом аналогичными и представляют собой опорно-поворотное устройство, установленное на вертикальном валу и снабженное гидроцилиндрами, при помощи которых осуществляются необходимые операции по перемещению стрелы комбайна.
Необходимо отметить, что исполнительный орган представляется в виде консольной балки, к свободному концу которой в месте установки коронки приложена реактивная сила со стороны обрабатываемого забоя. Под действием последней консоль, а также остальные элементы подвески претерпевают деформации, которые приводят в конечном итоге к перемещению точки приложения реактивной силы относительно забоя. Учитывая, что величина упругих перемещений коронки должна быть, по крайней мере, на порядок меньше линейных параметров резания породы резцом (шага резания и толщины среза), при проектировании проходческих комбайнов стремятся к повышению жесткости системы подвески.
Несмотря на предлагаемые решения, в процессе эксплуатации проходческих комбайнов рассматриваемого класса имеют место значительные по амплитуде колебания исполнительного органа, приводящие к нарушению целостности массива, оконтуривающего выработку пород, переборам породы и другим негативным явлениям.
Таким образом, несмотря на ряд несомненных достоинств проходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом, им присущи недостатки, снижающие эффективность их использования в различных горно-геологических условиях.
Достоинствами проходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом являются:
возможность варьирования в широком диапазоне размерами и формой выработки;
высокая маневренность;
возможность селективной выемки полезного ископаемого;
механизация вспомогательных операций;
возможность установки крепи возле забоя выработки;
относительно небольшая масса.
К недостаткам относятся:
ограниченная по крепости разрушаемых пород область применения;
недостаточно эффективное пылеподавление при эксплуатации;
последовательный способ обработки забоя, не обеспечивающий высокой производительности комбайна;
недостаточная устойчивость при работе, вызывающая, в частности, сложности в его управлении.