Обоснование параметров проходческих бункер-перегружателей периодического действия

Во введении приведена общая характеристика работы, сформулированы
цель и задачи работы, изложены защищаемые научные положения, научная
новизна, теоретическая и практическая значимость результатов исследований.
Первая глава посвящена изучению состояния вопроса и постановке задач
исследований.
Анализ литературных источников в области научных исследований, по-
священных механизации горнопроходческих работ, позволил сделать ряд вы-
водов, наметить цели и задачи работы.
Так, для разработки бункер – перегружателя в составе проходческая маши-
на и автомобильный транспорт, необходимо выполнить следующие работы.
1. Моделирование и теоретические исследования переходных процессов в
гидроприводе бункер – перегружателей в различных режимах работы с целью
обоснования максимально допустимых скоростей нагребающих и транспор-
тирующих элементов.
2. Разработка технических решений бункер – перегружателей с учетом ре-
зультатов исследований динамических процессов.
3. Математическое моделирование работы перегружателя на основе графо-
аналитических исследований процессов взаимодействия сыпучего материала
с транспортирующим элементом.
4. Разработка, создание и проведение комплекса экспериментальных иссле-
дований на физической модели перегружателя с целью подтверждения и
уточнения математической модели.
5. Обоснование основных положений методики выбора рациональных па-
раметров опытно-экспериментального образца бункер – перегружателя пери-
одического действия.
Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям гидропривода по-
ступательного действия бункер – перегружателя периодического действия.
Цель расчетов – установление допустимых скоростей транспортирующих
элементов для обоснования функций – ограничений при моделировании рабо-
ты, проектируемых бункер – перегружателей с гидроприводом.
Приведена универсальная математическая модель, учитывающая динами-
ческие особенности работы бункер – перегружателя с гидроприводом посту-
пательного действия. Для расчетов принята многомассовая динамическая
схема. По результатам расчетов сделаны следующие выводы.
1. Переходные процессы в гидроприводе проходческих бункер – перегру-
жателей сохраняют устойчивый характер, являются затухающими, с коэффи-
циентом динамичности и постоянной переходного процесса, напрямую зави-
сящими от скорости перемещения транспортирующих элементов, от их масс
и моментов инерции.
2. Исследования по изучению влияния скоростных характеристик гидро-
привода, проведенные с помощью разработанных моделей, позволили опре-
делить их допустимые пределы изменения.
Третья глава посвящена разработке и математическому моделированию
работы проходческого бункер – перегружателя периодического действия.
Цель – повышение производительности и эффективности транспортирова-
ния сыпучих и кусковых материалов за счет выбора рациональной схемы и
параметров бункер – перегружателя.
Поставленная цель достигается тем, что в конвейере, содержащем про-
дольные борта, днище, установленное неподвижно относительно бортов,
приводные силовые цилиндры, транспортирующие элементы выполнены в
виде двух пластин, шарнирно соединенных друг с другом, при этом, одна из
пластин шарнирно соединена с приводными гидроцилиндрами, а вторая пла-
стина кинематически связана с бортами конвейера.
Рис.1. Конвейер для транспортирования сыпучих и кусковых материалов
периодического действия

Разработана математическая модель работы бункер – перегружателя. Рас-
четная схема для моделирования представлена на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная схема для определения параметров бункер – перегружателя периоди-
ческого действия:
N,N1 – реакции опоры, G, G1– сила тяжести, Fтр – сила трения материала по днищу,
Fтр.м.– сила, соответствующая предельному напряженному состоянию штабеля, φ0 – угол
естественного откоса, L–длина бункер – перегружателя, h–высота транспортирующего
элемента, Hсл– высота слоя материала, R – сила перемещения материала.

Производительность бункер – перегружателя:
Q=Вп ∙Hсл ∙v,(1)
где Bп – ширина бункер – перегружателя, м; v – скорость транспортирующего
элемента, м/c.
Максимальный объем материала в бункер – перегружателе:
Vmax = Вп ∙Hсл ∙L.(2)
Максимальная длина перегружателя, обеспечивающая неразрывность гру-
зопотока, определяется из соотношения = F тр ≤ тр.м.
Данное выражение подразумевает состояние исследуемой системы, при ко-
тором, погружаемый материал перемещается по перегружателю непрерыв-
ным потоком. Т.е. состояние, когда сила на перемещение материала R, равная
силе трения Fтр, не превышает силу, соответствующую предельному напря-
женному состоянию штабеля Fтр.м, которая в свою очередь зависит от физико-
механических свойств транспортируемого материала, в том числе от угла
внутреннего трения ρ0, коэффициента трения погружаемого материала по же-
лобу перегружателя µтр и коэффициента внутреннего трения транспортируе-
мого материала µтр.м.
Со стороны транспортирующего элемента, на призму выпирания материа-
ла, находящегося в предельном напряженном состоянии, в поверхности
скольжения возникают кулоновские силы: сила трения грунта по грунту F1,
сила сцепления грунта Fсц и нормальная сила N. Силы сцепления обусловле-
ны слипанием частиц материала, именно эти силы превращают глину и грунт
в камнеподобное тело при уменьшении влаги.
Таким образом, физическое свойство сцепления присуще материалам, в со-
ставе которых имеется соответствующее количество мельчайших частиц, ко-
торые при увлажнении превращаются в цементообразное тело, придающее
связность более крупным частицам. Таким свойством не обладают: щебень,
галька, кусковые полезные ископаемые в горной промышленности и другие
материалы. Кроме того, сыпучие материалы при малой влажности обладают
незначительным сцеплением, поэтому в расчетах, силы сцепления не учиты-
ваются. Основными параметрами кусковых сыпучих материалов являются:
средний размер куска, коэффициент трения скольжения материала по сталь-
ному днищу, коэффициент трения материала по неподвижному материалу,
насыпная объемная плотность материала в штабеле и др. Относительная кус-
коватость материала характеризуется отношением размера (диаметра) куска
dср к высоте транспортирующего элемента h, которая может изменяться в
пределах 0,25÷0,30.
Коэффициент трения скольжения материала по стали µтр равен тангенсу
угла скольжения материалов по стальной поверхности, значение которого
обычно не превышает 400. Поэтому коэффициент µтр в реальных условиях из-
меняется в пределах µтр=0,30÷0,84. Коэффициент внутреннего трения транс-
портируемого материала µтр.м.=tgρ0.
После ряда преобразований согласно расчетной схеме, представленной на
рис. 1, получим следующее исходную систему уравнений
Fтр=Bп∙Hсл∙L∙ρ∙g∙ µтр,Fтр.м=Sпр∙Bп∙ρ∙g∙ µтр.м.,(3)
где ρ – плотность материала, кг/м ;g – ускорение свободного падения, м/с .
Исходное уравнение имеет вид
Bп∙Hсл∙L∙ρ∙g∙ µтр≤ Sпр (cosφ0∙ µтр.м.+sinφ0)∙Bп∙ρ∙g/cosφ0.,(4)
где Sпр – площадь призмы выпирания материала.
После сокращения равных параметров, входящих в обе части уравнения,
получим следующее выражение для определения допустимой длины бункер –
перегружателя периодического действия
L≤Sпр (cosφ0∙ µтр.м.+sinφ0)/cosφ0∙Hсл∙ µтр.(5)
Объем погружаемого материала перемещается по желобу непрерывным
потоком, при неизменной высоте слоя, совпадающим по величине с высотой
транспортирующего элемента. В этом случае площадь призмы выпирания
можно определить по формуле
Sпр=h2∙ctgφ0/2.(6)
Тогда допустимая длина бункер – перегружателя периодического действия
определяется как
L≤ Hсл∙ctgφ0∙(µтр.м.+tgφ0)/2µтр.(7)
В случае равенства углов естественного откоса и угла внутреннего трения,
т.е. когда µтр.м.= tgρ0= tgφ0 выражение принимает вид
L≤ Hсл /µтр..(8)
Искомая функциональная система
Q=ƒ(Bп, Hсл,v),
L=ƒ (µтр, µтр.м., Bп, h, Hсл, ρ, φ0)(9)
R= ƒ (µтр, µтр.м., Bп, h, Hсл, ρ, φ0).
Разработана методика проведения эксперимента по изучению влияния пе-
ременных факторов на искомые функции, с последующим подтверждением
адекватности математических моделей реальному процессу погрузки. В част-
ности, зависимость допустимой длины бункер – перегружателя периодическо-
го действия от высоты слоя материала, высоты толкающего элемента, коэф-
фициента трения материала по желобу.
L=ƒ (µтр, µтр.м., Bп, h, Hсл, ρ, φ0).(10)
В эксперименте использован метод исследования влияния одного из парамет-
ров, при постоянных значениях остальных, так называемых базовых парамет-
рах. При этом значения угла естественного откоса принимается в зависимости
от вида транспортируемого материала, характеризуемого значением плотности.
Скорость перемещения транспортирующего элемента, не варьируется, а прини-
мается по результатам исследований, приведенных во второй главе, равной 0,1
м/с.
При принятой системе допущений, такие переменные параметры, как µтр.м.,
Bп, ρ, φ0 на допустимую длину бункер – перегружателя периодического дей-
ствия не оказывают существенного влияния. Поэтому, фактически, проведе-
ны исследования по изучению влияния высоты слоя материала и коэффици-
ента его трения на допустимую длину бункер – перегружателя периодическо-
го действия при значениях базовых параметров, приведенных в таблице 1.
Таблица 1
Значения базовых параметров исследуемой системы
µтрµтр.м.BпhHслρ (φ0)
0,30,8520,50,52200 (40)

Однако, как свидетельствуют проведенные ранее исследования, грануло-
метрический состав транспортируемого материала, характеризуемый средним
диаметром куска, оказывает существенное влияние на формирование зон де-
формации и, как следствие, на допустимую длину бункер – перегружателя пе-
риодического действия. Влияние указанного параметра планируется учесть
коэффициентом вида груза kв.г, полученным в результате проведения экспе-
риментальных исследований. Тогда, выражение для допустимой длины бун-
кер – перегружателя периодического действия принимает вид L≤ kв.г.∙ Hсл/ µтр.
Результаты эксперимента графически представлены на рис. 3.
а)б)
Рис. 3. Зависимость длины перегружателя:
а) от коэффициентов трения и угла естественного откоса; б) от высоты слоя материала и
высоты толкателя

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям и разра-
ботке инженерной методики выбора параметров бункер – перегружателя. Для
проверки результатов, полученных при математическом моделировании про-
цесса работы бункер – перегружателя периодического действия разработана и
создана экспериментальная установка, которая представляет собой действую-
щую модель, выполненную в масштабе 1:10 (рис. 4).
Установка состоит из рамы маслостанции 1, выполненной из металличе-
ского уголка 50х50х3, емкости для масла (бак) 2, емкости с материалом 11,
электродвигателя асинхронного 3, работающего от сети 380В, масляного
насоса шестеренного Г11-22А 4, гидрораспределителя 5 моноблочного типа
Badestnost 01Р40-A1GKz1, рамы 7, на которую установлен гидроцилиндр 8 и
желоба 10, в котором расположен толкающий элемент 9, шарнирно соеди-
ненный с гидроцилиндром 8.

Рис. 4. Экспериментальная установка
1 – рама маслостанции, 2 – бак, 3 – электродвигатель, 4 – насос,
5 – гидрораспределитель, 6 – манометр, 7 – рама, 8 – гидроцилиндр,9 – толкающий эле-
мент, 10 – желоб, 11 – емкость с материалом,12 – рукав высокого давления (РВД).

Исходя из принятого масштаба установки в качестве сыпучего материала,
выбран щебень двух фракций: 15 – 30 мм и 50 – 70 мм (рис. 5. а – фракция 15 –
30 мм, б – фракция 50 – 70 мм).
аб
Рис. 5. Исследуемый сыпучий материал

Сыпучий материал загружается в желоб перегружателя вручную, выгрузка
происходит в специальную емкость выталкиванием массы материала транс-
портирующим элементом при помощи гидроцилиндра.
В качестве главного исследуемого параметра принята фактическая макси-
мально допустимая длина перегружателя, обеспечивающая в заданных усло-
виях реализацию одного из режимов работы. Методика определения факти-
ческой допустимой длины перегружателя Lф, заключается в следующем. В
соответствии с таблицей 1 формируется исследуемый погружаемый матери-
ал в желобе конвейера длиной, равной расчетному значению, и производит-
ся его перемещение посредством толкающего элемента с фиксацией выпол-
нения или невыполнения требуемого режима движения. Каждый опыт вы-
полняется не менее 7 раз.
Затем, определяется вероятность достижения положительного результата,
и если она оказывается выше заданного значения, то длина увеличивается на
величину, пропорциональную среднему диаметру погружаемого куска, и
опыт повторяется.
В случае, если вероятность – меньше заданной, то длина соответственно
уменьшается. Фактической допустимой длиной перегружателя считается
математическое ожидание зафиксированных длин, при которых полученная
вероятность соответствует заданной.
После выполнения всех опытов, соответствующих одному режиму, опре-
деляется математическое ожидание значений фактической допустимой дли-
ны и вычисляется коэффициент корреляции полученных результатов, с ре-
зультатами расчетов.
В результате проведенных экспериментов и обработки результатов, уточ-
няются теоретически разработанные модели, за счет получения численных
значений коэффициента kв.г., учитывающего влияния гранулометрического
состава транспортируемого материала.
Задавшись доверительной вероятностью равной 0,8, получим значение
фактической допустимой длины перегружателя Lф = ∑ni=1 Li при p≥pдоп
ni
Lф=1/4(0,4+0,385+0,415+0,43).
Расчетное значение допустимой длины перегружателя для данных условий
составляет L≤Hсл/µтр,
L≤0,1/0,25=0,4.
Таким образом, эксперимент практически полностью подтверждает теоре-
тические выкладки для данных условий.
Задавшись доверительной вероятностью равной 0,8, получим значение
фактической допустимой длины перегружателя Lф = ∑ni=1 Li при p≥pдоп
ni
Lф=1/7(0,4+0,35+0,45+0,5+0,55+0,6+0,65)=0,5.
Расчетное значение допустимой длины перегружателя для данных условий
составляет
L≤0,1/0,25=0,4.
В данном случае, экспериментальное значение допустимой длины пере-
гружателя значительно превышает расчетное. При построении гипотезы, бы-
ло сделано предположение, что гранулометрический состав погружаемого
материала будет влиять на физическую картину взаимодействия транспорти-
рующего элемента с сыпучей средой, что предложено учитывать коэффици-
ентом, зависящим от среднего размера погружаемого куска. Более точно ко-
эффициентом, функционально зависящим от отношения размера куска к вы-
соте слоя материала.
Результаты эксперимента для соотношения названных параметров равному
1, показали наибольшее отклонение фактической длины перегружателя по
отношению к расчетной в сторону увеличения. Объяснение данному факту
можно найти в том, что при приближении размера среднего погружаемого
куска к высоте слоя материала, значение tgρ0 превышает tgφ0, теоретически
стремясь к бесконечно большому числу. В нашем случае, можно считать, что
математическая интерпретация коэффициента имеет вид
kв.г.=1+(dср/Hсл)2.(11)
Формула справедлива в диапазоне проведенных экспериментальных иссле-
дований 0≤dср/Нсл≤1.
Таким образом, формула для определения допустимой длины перегружате-
ля, принимает вид
L=(1+( dср/Нсл)2) Нсл/ µтр.(12)
Проведенные экспериментальные исследования позволили уточнить мате-
матическую модель определения допустимой длины бункер – перегружателя с
гидравлическим приводом транспортирующего элемента периодического
действия и подтвердили ее адекватность.
Далее, приведены основные положения инженерной методики выбора па-
раметров бункер – перегружателя.
Принципиальным, при формулировании целевой функции и системы огра-
ничений, является вопрос о технологии работы бункер – перегружателя в со-
ставе горнопроходческого оборудования.
Необходимо стремиться к такому сочетанию параметров бункер – перегру-
жателя, при котором загрузка последующего транспортного средства произ-
водилась бы с минимальным количеством циклов, желательно за один проход
транспортирующего элемента по желобу перегружателя. Математически это
условие можно записать в виде неравенства, которое будет главным ограни-
чением при выборе параметров бункер – перегружателя периодического дей-
ствия
Vmax≥ Vтр.с.
где Vmax – максимальный объем материала в бункер – перегружателе, м3; Vтр.с.–
объем кузова транспортного средства (самоходного вагона), м3.
Следует отметить, что критерием эффективности эксплуатации объекта
может выступать функция ограничения одного из параметров системы с за-
данной областью допустимых значений в зависимости от постановки задач и
цели создания объекта. Тогда, следуя данному утверждению, в качестве целе-
вой функции, при дальнейшем проектировании, могут выступать как произ-
водительность, энергоемкость процесса, так и любые другие параметры,
обоснованно включенные в систему ограничений. В качестве критерия опти-
мальности выбираемых параметров бункер – перегружателя, в данном случае,
принята производительность за чистое время погрузки Q, которая связана
корреляционной зависимостью с себестоимостью работ проходческого цикла.
В качестве критерия оптимальности выбираемых параметров бункер – пе-
регружателя периодического действия, в данном случае, принята производи-
тельность за чистое время погрузки Q.
Целевая функция
Q=Bп∙Нсл∙v=>max(13)
где Bп – ширина бункер – перегружателя, м; v – скорость транспортирующего
элемента, м/c.
Система ограничений представляет собой математически формализован-
ные условия работы и требования, предъявляемые к проектируемому бункер –
перегружателю. К ним относятся следующие.
1. Ограничения по размещению перегружателя в забое, взаимодействию
его с горнопроходческой машиной и автосамосвалом с точки зрения геомет-
рических размеров:
– ширина желоба бункер – перегружателя Bп должна, с одной стороны,
обеспечивать возможность принятия горной массы от горнопроходческой
машины и формирование грузопотока по длине става перегружателя; с другой
– обеспечивать загрузку кузова автосамосвала с наилучшими показателями
заполнения без просыпания, и, в то же время – обеспечивать размещение пе-
регружателя в забое по условию его вписывания в выработку определенного
сечения
Bпр.ком≤Bп≤Bтс;(14)
– длина бункер – перегружателя должна быть не меньше диаметра среднего
куска породы, а максимальная длина должна обеспечивать перемещение пе-
регружаемого материала по желобу непрерывным потоком, при неизменной
высоте слоя, совпадающим по величине с высотой транспортирующего эле-
мента
Lmin ≤ Lбунк ≤ Lmax ,Lmin≥ dср; ,Lmax=L≤kв.г.∙Hсл/ µтр; (15)
– высота бортов бункера должна совпадать с высотой толкающего элемента
Нб = h;
– бункер должен вписываться в выработку с учетом высоты транспортного
средства и проложенных коммуникаций Hб ≤ Hmax;
– высота бункера должна быть не меньше диаметра среднего куска пере-
гружаемой породы, чтобы предотвратить пересыпание породы через борта и
толкающий элемент dср ≤ Hб ≤ Hmax,; Hmax= Hвыр – Hтс – Hком.
Для равномерного заполнения бункера необходимо выполнение условия
наклона бункера на угол равный или больший угла естественного откоса пе-
регружаемой породы Β ≥ φ, где β – угол наклона бункера во время заполне-
ния, φ – угол скольжения породы по желобу.
2. Ограничения по кинематическим, силовым и энергетическим показате-
лям, в частности ограничения по скорости перемещения υ, с которой связана
номинальная подача насоса Qн максимальному усилию на штоках приводных
гидроцилиндров, определяемому давлением в гидросистеме P и диаметром
поршня dп, потребляемой мощности маслостанции Nэф.
На рис. 6 приведена технологическая схема и общий вид бункер – перегру-
жателя с параметрами, выбранными по приведенной методике, применитель-
но к техническому решению, защищенному патентом РФ на изобретение.
В результате расчетов по предложенной методике получены параметры
бункер – перегружателя для заданных условий. Согласно расчетам, следует,
что при высоте толкающей плиты и слоя материала 1,5 м и ширине 2 м, длина
бункер – перегружателя периодического действия может достигать 4,9м, т.е.
объем материала составляет 14.7м3.

Рис.6. Технологическая схема и общий вид бункер – перегружателя:

Бункер-перегружатель такого объема за один проход толкающей плиты
может, например, целиком загрузить самосвал примерно за 50 сек, что соот-
ветствует производительности 18 м3/мин. При этом, усилие на штоке привод-
ного гидроцилиндра составит 95 кН, что, при скорости движения поршня 0,1
м/сек, соответствует мощности 10,5 кВт.
Экономический эффект от применения бункер-перегружателя в условиях
строительства транспортных тоннелей сечением 50-70 м2, в сочетании с при-
веденным в работе горнопроходческим оборудованием составляет 170 тыс.
руб. на 1 м проводимой выработки.
При использовании бункер – перегружателя совместно с комбайном 1ГПКС
и шахтным самоходным вагоном 10ВС-15 в условиях ООО «ШУ Садкин-
ское» ожидается увеличение темпов проведения выработок на 10%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача,
заключающаяся в разработке, обосновании и выборе параметров бункер – пе-
регружателя, на основе применения гидропривода поступательного действия,
обеспечивающего повышение эффективности проведения горных выработок
за счет согласования работы горнопроходческой машины и магистрального
транспорта.
Основные научные выводы и практические результаты исследований за-
ключаются в следующем.
1. В результате проведенных исследований, сделан вывод о возможности
повышения эффективности горнопроходческих работ, за счет согласования
технологических операций по разрушению забоя и транспортировки горной
массы, путем использования промежуточного погрузочно-транспортного
элемента в виде бункер – перегружателя периодического действия, обеспечи-
вающего непрерывную работу горнопроходческой машины при реализации
минимального времени загрузки транспортного средства.
2. Моделирование и анализ переходных процессов в гидроприводе бункер
– перегружателя, позволили установить значения максимально допустимых
скоростей транспортирующих элементов в пределах 0,1–0,2 м/с, и использо-
вать их для обоснования функций-ограничений при моделировании работы
исследуемых бункер – перегружателей периодического действия.
3. Разработаны и защищены патентами РФ на изобретения, технические
решения бункер – перегружателей, обеспечивающих максимальный одно-
кратный объем горной массы, достаточный для заполнения транспортного
средства, при допустимых скоростях транспортирующих элементов в преде-
лах 0,1–0,2 м/с.
4. Проведенные графоаналитические исследования формирования зон де-
формации при перемещении слоя крупнокускового сыпучего материала уста-
новили основные закономерности, присущие данному процессу, в виде зави-
симости допустимой длины перегружателя от гранулометрического состава
при прочих равных условиях L≤kв.г.∙Hсл/ µтр.
5. Математическая интерпретация предложенного автором коэффициента
вида груза, устанавливающего зависимость формирование зон деформации от
гранулометрического состава kв.г.=1+(dср/Hсл)2 получена в результате экспери-
ментальных исследований, проведенных на модельной установке перегружа-
теля, выполненной в масштабе 1:10, подтвердивших адекватность теоретиче-
ских расчетов реальному процессу работы. Максимальное расхождение рас-
четных и экспериментальных данных не превышает 12 %, ошибка в опреде-
лении средних опытных значений составляет не более 10 % при уровне дове-
рительной вероятности 0,9.
6. По разработанной методике, выбраны параметры опытно-
экспериментального образца бункер-перегружателя для применения его сов-
местно с горнопроходческим комбайном КП220 и самосвалом МоАЗ-7529.
Габариты перегружателя: высота – 1,5 м, ширина – 2 м, длина – 4,9 м; уста-
новленная мощность – 10,5 кВт.
7. Ожидаемый экономический эффект от применения бункер-
перегружателя в условиях строительства транспортных тоннелей сечением
50-70 м2, в сочетании с приведенным горнопроходческим оборудованием со-
ставляет 170 тыс. руб. на 1 м проводимой выработки. При использовании
бункер-перегружателя в составе комплекта горнопроходческого оборудова-
ния в условиях ООО «ШУ Садкинское», состоящего из проходческого ком-
байна серии ГПКС и шахтного самоходного вагона 10ВС – 15, ожидается уве-
личение темпов проходки до 10% на 1 м проводимой выработки, за счет сни-
жения времени простоя транспортных средств.