Актуальность проблемы. Непрерывный рост потребностей в минеральном сырье и топливе, необходимость строительства тоннелей и других подземных сооружений, плотин, каналов и оросительных систем, возрастающие потребности строительной индустрии и переработки отходов производства, например, породных отвалов, ведут к возникновению больших грузопотоков по перемещению таких материалов как металлические руды, щебень, гравий, скальные породы и др., обладающие высокой твердостью, абра-зивностью и кусковатостью. Это открывает широкие возможности для внедрения конвейерного транспорта, обеспечивающего высокую эффективность при загрузке материала в составы железнодорожных вагонов, баржи и корабли, при складировании, доставке сырья в химической и металлургической промышленности, на горно-обогатительных комбинатах, проходке подготовительных выработок.
Важным условием улучшения технико-экономических показателей строительства подземных сооружений является повышение темпов проведения горных выработок, что возможно только при комплексной механизации основных и вспомогательных проходческих процессов и скоростном проведении, позволяющем повысить производительность труда и снизить себестоимость 1 м проводимой выработки.
Основным фактором повышения скорости проведения выработок является рациональная и четкая организация эксплуатации транспортных машин, используемых для своевременного перемещения из забоя горной массы и доставки в забой необходимого количества вспомогательных материалов.
Практика скоростного проведения горных выработок позволяет сформулировать основные направления рациональной организации работы транспорта в забоях проводимых выработок:
— максимальное совмещение процесса транспортирования с выполнением других проходческих операций;
— непрерывная погрузка горной массы в течение длительного времени, что обеспечивается использованием транспортных машин непрерывного действия в сочетании с проходческими комбайнами или погрузочными машинами непрерывного действия;
— организация многозабойной работы, при которой одновременно выполняют в нескольких забоях бурение, уборку породы, другие подготовительные операции. Такую организацию широко используют при строительстве и реконструкции рудных шахт с применением самоходных погрузочно-транспортных и транспортных машин, которые обеспечивают свободное маневрирование между забоями и позволяют повысить производительность труда в 1,5−2 раза по сравнению с переносным оборудованием в тех же горно-геологических условиях, повысить коэффициент использования машин во времени до 0,8−0,9 и снизить стоимость проведения 1 м выработки на 2030%;
— сокращение продолжительности операций по обмену вагонеток рельсового транспорта с помощью ленточных перегружателей, а при загрузке одиночных вагонеток — максимальное приближение к забою разминовочных устройств;
— доставка с поверхности в забой крепежных материалов и других вспомогательных грузов в контейнерах и пакетах и обеспечение механизации погрузочно-разгрузочных и монтажных работ;
— создание резерва запасных частейинструментов и регулярное проведение планового обслуживания и ремонта транспортных машин;
— организация бригадного подряда, поддержание на высоком уровне производственной и технологической дисциплины, совмещение профессий;
— полная автоматизация всех производственных процессов, использование робототехники, ЭВМ и микропроцессоров в управлении и выборе режимов работы транспортных машин.
При использовании различного транспортного" оборудования в определенных горно-геологических и горнотехнических условиях возможно различное сочетание форм и методов организации транспортирования горной массы и вспомогательных грузов, обеспечивающих скоростное проведение горных выработок.
Анализ, процесса транспортирования крепких крупнокусковых материалов с помощью существующих транспортных средств (ленточных, скребковых и пластинчатых конвейеров) выявил их недостаточную эффективность из-за конструктивных и технологических недостатков.
В рамках решения проблемы призабойного транспорта разработаны, созданы и испытаны конструкции клиновых перегружателей и перегружателей с изменяемой высотой транспортирующих элементов, обеспечивающих непрерывную механизированную погрузку горной массы, образовавшейся за проходческий цикл. Исследования рабочих процессов и параметров предложенных конструкций перегружателей были направлены на обеспечение непрерывности процесса погрузки горной массы в состав вагонеток в условиях угольных шахт.
Моделирование и выбор параметров перегружателей в составе комплектов проходческого оборудования для проведения горных выработок связано с тем, что процесс погрузки и транспортирования горной массы в условиях рудников и тоннелей имеет существенное отличие — цикличность. Это связано с затратами времени на обмен автотранспортных средств. При использовании небольшого парка автомобилей и значительной длине транспортирования горнопроходческая машина вынуждена простаивать в ожидании следующего автомобиля. Увеличение парка автомобилей приводит к увеличению себестоимости работ и не исключает непроизводительных потерь времени на маневровые операции приих обмене. Указанные особенности процессов не позволяют эффективно использовать перегружатели в транспортной цепочке. Обеспечить непрерывность процесса погрузки и повысить эффективность производства работ на рудниках и в тоннелях возможно применением бункера-перегружателя, который во время обмена (ожидания) автомобиля служит накопителем горной массы, поступающей от погрузочной машины (проходческого комбайна), а в процессе загрузки автомобиля является одновременно и накопителем и перегружателем.
К настоящему времени известны бункер-перегружатели, предназначенные для обеспечения непрерывной работы комбайновых комплексов, в составе доставочного оборудования периодического действия. Примером может служить бункер перегружатель БП-15 грузоподъемностью 15 т, разработанный ОАО «Копейский машиностроительный завод». К недостаткам, можно отнести его ограниченную область применения по крепости транспортируемых материалов, относительно высокую металлоемкость и стоимость, что снижает эффективность использования.
Основой для бункер-перегружателя, в составе горнопроходческого оборудования при строительстве автомобильных тоннелей, могут служить конструкции перегружателей с возвратно-поступательным движением тягово-транспортирующего органа и изменяемой геометрией транспортирующих элементов. Однако, разработка конструкции и выбор его параметров возможны только на основе исследований рабочих процессов и закономерностей формирования производительности всех машин транспортной цепочки «проходческая машина — бункер-перегружатель — автомобиль».
Таким образом, разработка методики выбора параметров бункер-перегружателя в составе комплектов горно-проходческого оборудования, для использования его в сочетании с транспортными средствами периодического действия, является актуальной задачей.
Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа входит в состав научного направления: «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда» утвержденному ученым советом ЮРГТУ (НПИ) 25.01.01 г. и выполнена в рамках темы П-53−767 — «Исследование рабочих процессов и совершенствование конструкций горнопроходческих машин», проводимой кафедрой «Сервис транспортных и технологических машин» Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ).
Цель работы. Повышение эффективности горно-проходческого оборудования путем применения бункер-перегружателя с возвратно-поступательным движением тягово-транспортирующего органа и изменяемой геометрией транспортирующих элементов, на основе синтеза его компоновочной схемы и выбора параметров по результатам исследований рабочих процессов всех элементов транспортной цепочки «проходческая машина — бункер-перегружатель — автомобиль».
Идея работы. Применение бункер-перегружателя в сочетании с автомобильным транспортом для согласования работы горно-проходческого оборудования и обеспечения непрерывности грузопотока.
Научные положения, разработанные лично соискателем:
— производительность шахтных погрузочных машин непрерывного действия и проходческих комбайнов избирательного действия подчиняется закономерностям формирования производительности их исполнительных органовпри этом, коэффициент неравномерности грузопотока на выходе машин кн зависит от крепости погружаемого материала f и описывается формулой кн = 1+ 0,02/.
— выбор горно-проходческого оборудования в составе комплектов, предусматривающих комбайновый или буровзрывной способ проведения выработки, наличие бункер-перегружателей и перемещение горной массы транспортом периодического действия, целесообразно осуществлять с учетом непрерывности грузопотока всей транспортной системы при обеспечении технической производительности не ниже заданной;
— критерием оптимальности параметров бункер-перегружателя с возвратно-поступательным движением тягово-транспортирующего органа и изменяемой геометрией транспортирующих элементов, определяющих как производительность перегружателя, так и его технологические возможности в составе комплектов горно-проходческого оборудования, служит минимальная удельная энергоемкость процесса транспортирования в установившемся режиме при заданной системе ограничений.
Новизна научных положений, состоит в том, что:
— установленные закономерности формирования грузопотоковгорнопроходческих машин отличаются тем, что учитывают их неравномерность в зависимости от крепости погружаемого материала и позволяют обоснованно выбирать параметры всех машин, входящих в комплект оборудования;
— вывод о целесообразности выбора горно-проходческого оборудования с учетом непрерывности грузопотока транспортной системы, получен в результате производственных исследований по изучению влияния горногеологических, горно-технических и эксплуатационных факторов на формирование грузопотоков шахтных погрузочных машин непрерывного действия и проходческих комбайнов избирательного действия, при их совместной работе с транспортными средствами периодического действия;
— принятые критерий оптимальности и система ограничений параметров бункер-перегружателя отличаются тем, что учитывают конструктивные и технологические параметры всех машин транспортной цепочки «проходческая машина — бункер-перегружатель — автомобиль»: производительность на выходе проходческой машины, вместимость и производительность бункер-перегружателя при разгрузке, длину транспортирования горной массы, емкость кузова и количество автомобилей, вписываемость оборудования в выработку, а также конструктивно-компоновочные, силовые и кинематические ограничения.
В работе защищаются:
— экспериментально установленные закономерности формирования производительности погрузочных машин непрерывного действия, проходческих комбайнов избирательного действия и бункер-перегружателей с возвратно-поступательным движением тягово-транспортйрующего органа и изменяемой геометрией транспортирующих элементов;
— основные положения методики и алгоритм выбора параметров бункера-перегружателя в зависимости от технологических условий его применения в составе комплектов горнопроходческого оборудования.
Значение работы. Научное значение работы состоит в установлении закономерностей формирования производительности и грузопотоков, как при работе отдельных горнопроходческих машин, так и в составе комплектов горнопроходческого оборудования, состоящих из проходческой машины, бункер-перегружателя и автомобильного транспорта.
Практическое значение работы заключается в том, что разработанная методика выбора параметров бункера-перегружателя в составе комплекта горно-проходческого — оборудования, позволяет обоснованно производить их параметрическую оптимизацию на стадии проектирования* по критерию минимальной удельной энергоемкости в заданной системе ограничений.
Обоснованность> и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных апробированных методов исследований: анализом научно-исследовательских работ по теме диссертацииприменением статистических методов планирования и обработки экспериментовиспользованием современных ЭВМ и программных продуктов для выполнения расчетов и обработки экспериментальных данныхоценками адекватности результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение расчетных и опытных данных в большинстве точек исследованной области не превышает 20%, что удовлетворяет данному типу исследований) — достаточным объемом экспериментальных данных (при доверительной вероятности 0,9, коэффициент вариации не превышает 0,18).
Внедрение результатов диссертационных исследований. Основные результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Тоннельдорстрой» и используются при разработке перспективных технологических схем для строительства тоннелей комбайновым и буровзрывным способами с применением бункер-перегружателя и автомобильного транспорта.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на симпозиумах «Неделя Горняка-2009, 2010», г. Москвана VIII международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», г. Воркута (2010 г.) — на научно-практических конференциях Шахтинского института ЮРГТУ (НПИ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемом научном журнале, рекомендуемом ВАК России.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, изложена на 178 страницах, в том числе на 94 страницах представлен текст, 35 страницах рисунки, список использованных источников из 60 наименований приведен на 7 страницах, приложения представлены на 42 страницах.
3. Основные результаты диссертационной работы внедрены в ООО «Тоннельдорстрой» и используются при разработке перспективных технологических схем строительства тоннелей комбайновым и буровзрывным способами, с применением бункер-перегружателя и автомобильного транспорта. Ожидаемый экономический эффект от применения исследуемой технологии составляет 300 тыс. руб. на один метр горной выработки, за счет снижения времени простоя транспортных средств и, как следствие, увеличения темпов их проведения.
Технический директор В. В. Данилов.
