Расчет и проектирование гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов

МОСКОВСКИЙ 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

С О В Е Т 

Председатель 

Л.А.ПУЧКОВ 

Зам. председателя 

л.хгитис 

Члены редсовета 

Н.В. ДЕМЕНТЬЕВ 

А.П. ДМИТРИЕВ 

Б.А. КАРТОЗНН 

В.В. КУРЕХИН 

М.В. КУРЛЕНR 

В.Н. ОСИПОВ 

э.м. соколов 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 

В.В.ХРОНИН 

В.А. ЧАНТУРИН 

Е.Н. ШЕМЯКИН 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 

московского 

ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

ректор МГГУ, 

чл.-корр. РАН 

директор 

Издательства МГГУ 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАН 

академик РАН 

академик МАН ВПI 

академик РАН 

профессор 

академик РАН 

академик РАН 

..!7-t:юRO-JET 
TECHNOLOGIES 
IN INDUSTRY 

DESIGN 

N.M. Kachurin 
V.A. Brenner 

А.В. Zhabln 

М.М. Shchegolevsky 
I.M. Lavit 

AND ENGINEERING 
OF HYDRO-MECHANICAL 
ACTUATING DEVICES 
OF ROAD-HEADERS 

MOSCOW 

PUBLISHING HOUSE 
OF MOSCOW STATE MINING 

UNIVERSIТY 

2 о о 3 

~ОСТРУЙНЫЕ 
Jт 
:~~олоr и и 

В ПРОМЫШЛЕННОСТИ 

РАСЧЕТ 

Н.М. Качурин 

В.А. Бреннер 

А.Б. Жабин 

М.М. Щеголевекий 

И.М. Лавит 

И ПРОЕКТИРОВАНИЕ 

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ 

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ 

ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 

московского 

ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 
2 о о 3 

УДК 622.236.732 

Качурин Н.М., Бреннер В.А., Жабин А.Б., Щеголевекий М.М., 

ЛавиrИ.М. 

Расчет и проектирование гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов.- М.: Издательство Московского государственного горного университета, 
2003.-293 с.: ил.-ISBN 5-7418-0307-5 (в пер.) 

Описаны характерные особенности компоновочных схем гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов. На основании теоретических и экспериментальных исследований покаэаны закономерности 

функционнрованИJI, даны научные и практическне рекомендации по выбору н 
обоснованию рациональных параметров н режимов работы как отдельных 

элементов, так и гидравлических систем высокого давления в целом. Рассмотрена вэаимосвязь параметров исполнительных ОJ'rанов и покаэателей процесса 
разрушения с параметрами гидравлического оборудования. Изложен метод 

расчета нагруженностн тангенциальной дисковой шарошки, перекатывающейся по нарезаемой в крепких горных породах высокоскоростной струей воды 

щели. Приведсны инженерные методики расчета и проектирования гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов. 
Для инженерно-технических и научных работников горного н других областей' ·машиностроенИJI. Может быть использована преподавателями, аспирантами и студентами горных и технических вузов. 

Табл. 41, рис. 109, список лит-111 наэв. 

Кachшin N.M., Breмer V.A., Zhabin А.В., Shchegolevsky М.М., 
Laviti.M. 
Design and engineering of hydro-mechanical actuating devices 
of road-headers.- М.: Publishing House of Moscow State Мining 
University, 2003.-293 р.: il. 
The la)lout features of hydro-mechanical actuatint~ devices of road-headers are 
considered. On the basis of theoretical and exJ?Cnmental research operating 
mechanisms are shown and scientifically proved pract1cal recommendations are given 
on selecting and substantiation of гationa.J parameters and operation modes both of 
individual units and hiaJt-pressure hydгaulic systems taken as 
а whole. The 

inteгrelation of the actuat1ng device paгameters and the destruction process indices 
with the hydгaulic equipment paгameters is considered. The method is laid down for 
calculating the load of the tangential disc cutter rolling along the slot beinв cut in 
hard rock with а high-pressure water-jet. Engineering methods of calculat10n and 
design ofhydro-mecliarucal actuating devices of road-lieaders are presented. 
For engineers, technicians and scientific workers of mining and other fields of 
the machine building industry. It сап also Ье used Ьу teachers, post-вraduate and 
under-graduate students ofm1ning and technical higher educational inst1tutions. 

TaЬies 41, Illustt. 109, References-111 items. 

ISBN 5-7418-0307-5 

УДК 622.236.732 

© Н.М. Качурин, В.А. Бреннер, 

А.Б. Жабин, М.М. Щеголевский, И.М. Лавит, 2003 
© Издательство МГГУ, 2003 
© Дизайн книги. Издательство 

МГГУ, 2003 

ВВЕдЕНИЕ 

Одним из наиболее перспективных направлений развития 

техники и технологии проведения подготовительных выработок является расширение области применекия комбайновой проходки на породы 

повышенной прочности как наиболее эффективной и безопасной. Проводимые в последнее время в России и за рубежом научные исследования показывают, что повышение темпов проведения подготовительных 

выработок проходческими комбайнами без увеличения их габаритов и 

массы и расширение области их применекия может быть достигнуто на 

основе гидромеханического способа разрушения, который заключается в 

комбинированном воздействии на горный массив высокоскоростных струй 

воды и режущего инструмента [19, 30, 39, 40, 47, 59, 68]. 

В первой книге из серии "Гидроструйные технологии в промышленности", которая называется "Гидромеханическое разрушение горных 

пород", были достаточно подробно рассмотрены схемы компоновки 

гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов 

избирательного действия, особенности их конструкции, устройство и 

работа. Отмечалось, что наиболее перспективными являются исполнительные органы со встроенным в режущую коронку преобразователем 

(повысителем) давления и автономным источником воды высокого давления (преобразователем давления с приводным насосным блоком или 

насосом высокого давления), размещенным на раме комбайна или в выработке. При этом оба исполнительных органа имеют зонную подачу 

высоконапорной воды к режущему инструменту в зависимости от того, 

какая часть его контактирует с забоем. Если в исполнительном органе со 

встроенным в режущую коронку преобразователем давления зонная подача воды осуществляется на участке гидросистемы с низким давлением рабочей жидкости (до 25 МПа), то на исполнительном органе с автономным источником воды высокого давления используется специальное 

устройство управления зонным распределением воды высокого давления, состоящее из гидроуправляемых клапанов. Фирмой "НИТЕП" при 

участии ННЦ ГП- ИГД им. А.А. Скочинского и Тульского государственного университета (ТулГУ) были разработаны и изготовлены экспериментальные и опытные образцы таких исполнительных органов, испытания которых подтвердили их эффективность [ 19, 30, 59]. Однако, 

несмотря на то, что уже разработаны и испытаны экспериментальные и 

опытные образцы источников воды высокого давления на базе преобра
7 

зователей давления [ 18, 19, 59, 80, 85], а известные в настоящее время 

основные схемы гидромеханического способа разрушения (гидромеханического режущего инструмента) горных пород достаточно хорошо 

изучены [ 19, 26, 30, 39, 59, 60] и могут быть рекомендованы к практическому использованюо на исполнительных органах серийных проходческик комбайнов избирательного действия 1ГПКС и КП-25, результатов 

этих исследований недостаточно для успешного создания новой техники. 

Так, например, гидросистема исполнительного органа со встроенным 

в режущую коронку преобразователем давления в сочетании с блоком 

управления зонной подачей воды довольно сложна и требует проведения не только теоретических, но и экспериментальных исследований по 

выбору рациональной схемы взвода поршней блока мультипликаторов и 

оценке общей работоспособности гидросистемы исполнительного органа, определенюо ее КПД и рабочих параметров и изучению переходных 

процессов. 

Отсутствие результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по встраиванию преобразователя давления как в серийные режущие коронки исполнительных органов, так и во вновь разрабатываемые потребовало постановки специальных исследований для 

получения зависимостей, устанавливающих взаимосвязь габаритных 

размеров преобразователя с его конструктивными, гидравлическими 

параметрами и мощностью привода насосного блока, а также кинематическими и геометрическими параметрами исполнительного органа, которые наряду с известными зависимостями по определенюо нагрузок, 

действующих на резцы при гидромеханическом способе разрушения по 

щелевой и бесщелевой схемам [19, 30, 39, 59, 60, 62], легли в основу 

методики расчета и проектирования таких исполнительных органов. 

lllиpoкoe использование гидромеханических исполнительных органов с автономным источником гидравлической мощности и устройством 

управления зонным распределением воды высокого давления осложнено 

целым рядом проблем, решение которых до настоящего времени не производилось ДОЛЖНЫМ образОМ. 

Так, применение в гидроцепи управления устройства зонного распределения циклического переключения каналов подвода высоконапорной воды к своей группе резцов при помощи клапанов приводит к возникновению колебаний воды. Кроме того, в трубопроводах большой 

протяженности и при высоком давлении, характерных для схемы исполнительного органа с автономным источником воды высокого давления, 

наиболее выраженно проявляются как упругие и инерционные свойства 

заключенной в них жидкости, так и упругие свойства самого трубопровода, и при длительности переходиого процесса, близкой по времени к 

фазе гидравлического удара, переходные явления в гидравлической сие
8 

теме носят волновой характер. При этом изменения давления и скорости 

жидкости происходят не одновременно во всем трубопроводе, а распространяются по нему с конечной скоростью. Такое обстоятельство приводит к тому, что при переходных процессах резкие перепады давления 

воды имеют место не только во времени, но и по длине трубопровода, а 

это, в свою очередь, ставит гидравлическую систему в особо тяжелые 

условия работы. Следовательно, большое практическое значение заключается в четком представлении картины волновых переходных процессов и получении расчетных зависимостей, позволяющих определять на 

различных участках трубопровода в любые моменты времени амплитуду 

и частоту колебаний давления воды, возникающих при работе гидросистемы исполнительного органа. 

Поэтому теоретические и экспериментальные исследования применительно к таким исполнительным органам были направлены на изучение динамических колебаний жидкости с учетом ее сжимаемости и деформации трубопроводов, а также разработку методики их расчета. 

Одним из путей расширения области применении гидромеханического способа разрушения на более крепкие породы является использование вместо режущего инструмента скалывающего. В качестве последнего целесообразно применять шарошечный инструмент, который по сравнению с резцовым, как известно, обладает высокой стойкостью и 

работоспособностью на крепких породах [ 1, 64, 86]. Из всей номенклатуры шарошечного инструмента наиболее перспективными являются тангенциальные дисковые шарашки, обеспечивающие наименьшую удельную энергоемкость процесса разрушения [ 1, 35, 86]. 

Вместе с тем схемы гидромеханического разрушения с использованием высокоскоростной струи воды и тангенциальной дисковой шарашки (в отличие от лобовой) применительно к крепким горным породам не 

изучались. В связи с этим в книге приведены результаты теоретических 

исследований по разрушению породного массива тангенциальной дисковой шарашкой и высокоскоростной струей воды и установлению расчетных зависимостей для определения нагруженности шарашки, полученные на основе современных представлений о разрушении материалов. Разработана методика расчета гидромеханических исполнительных органов с тангенциальными дисковыми шарашками и струями воды 

высокого давления для проходческих комбайнов избирательного действия. 

Результаты проведеиных исследований, изложенные в книге, могут 

служить основой для решения практических задач по расчету и проектированию гидромеханических исполнительных органов проходческих 

комбайнов избирательного действия. 

Необходимо подчеркнуть, что книга рассчитана на читателей, уже 

знакомых с гидромеханическим способом разрушения горных пород, а 

9 

также с конструкцией и хотя бы принцилом действия гидромеханических исполнительных органов. Для остальных же авторы рекомендуют 

для лучшего понимания излагаемого здесь материала предварительно 

ознакомиться с разд. 5 и 6 работы [ 19] или всегда иметь ее под рукой. 

Отдельные разделы книги написаны совместно с В.В. Антиповым 

(1.1, 1.2.1 и 2.5), Ю.В. Антиповым и А.Е. Пушкаревым (1.1.1, 1.12, 1.141.16 и 2.5), Ю.Н. Наумовым (2.1, 2.2, 2.4, 2.6 и 2.7), В.Г. Мерзляконым и 

В.Е. Бафталовским (3.2 и 3.3). 

1. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ 

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ СО 

ВСТРОЕННЫМ В РЕЖУЩУЮ КОРОНКУ 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ дАВЛЕНИЯ 

1.1. ЭКСПЕРИМЕНТМЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 

ГИДРОСИСТЕМЫГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО 

ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА 

1.1.1. Сmенg-моgель gля ompaбomku сuсmемьа 8э8оgа 

блоkа мyльmunлukamopo8 nреобраэо8аmеля gаВленuя 
u ее nараметроВ 

Гидравлическая часть исполнительного органа со встроенным в режущую коронку преобразователем давления образует довольно 

сложную систему, на эффективную работу которой влияет большое количество параметров [19, 79]. Поэтому возникает необходимость в проведении экспериментальных исследований по выбору рациональной 

гидравлической схемы и рациональных параметров (прежде всего давления жидкости) системы взвода блока мультипликаторов и оценке общей работоспособности исполнительного органа со встроенным в коронку преобразователем давления, связанной в первую очередь с определением рабочих параметров и КПД гидравлической части исполнительного органа, а также изучением переходных процессов, возникающих в гидросистеме при переключении зон подачи воды. 

Для отработки параметров системы взвода блока мультипликаторов 

гидромеханического исполнительного органа с зонной подачей воды 

был разработан стенд-модель (рис. 1.1 ), представляющий собой приводной вал 1, на одном конце которого размещали блок мультипликаторов 
2 гидромеханического рабочего органа, а на другом гидросъемник 3 и 

гидрораспределитель 4 для подачи рабочей жидкости (воды и масла соответственно) через вращающийся вал привода к гидромультипликаторам. Вал устанавливали в подшипниковые опоры 5, размещенные на 

сварной металлической раме 6. 

Привод вращения вала осуществляли через клиноременную передачу 
7 аксиально-поршневым гидромотором НПА-64 8, запитаиным от маслостанции МС-1 9. Регулировку скорости вращения вала производили с 

помощью дроссель-регулятора ПГ-55 10, включенного в напорную ма
11