Горные машины. В двух частях. Часть 1. Основы теории

Допущено
Министерством образования
Республики Беларусь
в качестве учебного пособия для студентов
учреждений высшего образования
по специальностям «Горные машины 
и оборудование», «Разработка месторождений
полезных ископаемых»

 Минск
«Вышэйшая школа»
2018

Под общей редакцией В.Я. Прушака

машины

В двух частях
Часть 1

Горные

Основы теории

УДК 622(075.8)
ББК 33я73
 
Г69

А в т о р ы: Г.В. Казаченко, Г.А. Басалай, В.Я. Щерба, В.Я. Прушак

Р е ц е н з е н т ы: кафедра «Теоретическая механика и теория механизмов и машин» 
учреждения образования «Белорусский государственный аграрно-технический университет» (заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор А.Н. Орда); доцент 
кафедры «Гидропневмоавтоматика» учреждения образования «Гомельский государственный университет имени П.О. Сухого» кандидат технических наук В.В. Пинчук

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части 
не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Горные машины : учебное пособие. В 2 ч. Ч. 1. Основы теории / 
Г69 Г. В. Казаченко [и др.] ; под общ. ред. В. Я. Прушака. – Минск : 
Вышэйшая школа, 2018. – 183 с. : ил. 
ISBN 978-985-06-2931-9.

Отражены общие вопросы теории горных машин как сложных технических 
систем для выемки полезных ископаемых из земной коры. Рассматриваются основные способы формирования уравнений состояния машин в процессе их работы. Пространственное положение машин определено с помощью декартовых координат какой-либо характерной точки и углов Эйлера. Взаимодействие исполнительных органов с массивом горной породы характеризуется рядом параметров, среди которых значительное внимание уделено глубине резания и затратам 
энергии на разрушение породы. Освещены также способы подачи исполнительных органов на забой и механизмы перемещения горных машин.
Для студентов учреждений высшего образования по специальностям «Горные 
машины и оборудование», «Разработка месторождений полезных ископаемых». 
Может быть полезно для специалистов горнодобывающей промышленности, занимающихся созданием и эксплуатацией горной техники. 

УДК 622(075.8)
ББК 33я73

ISBN 978-985-06-2931-9 (ч. 1) 
© Оформление. УП «Издательство
ISBN 978-985-06-2930-2 
“Вышэйшая школа”», 2018

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

σ – напряжение сжатия, растяжения, изгиба
τ – касательное напряжение, время
ε – относительное изменение какой-либо величины
E – продольный модуль упругости, энергия
G – модуль сдвига, массовая производительность
μ – коэффициент Пуассона
ψ, θ, ϕ – углы рыскания (курсовой), поперечного и продольного крена
l – линейный размер
r – радиус
V – объем
m – масса
ρ – плотность
S – площадь, энергия ускорений
F – равнодействующая внешних сил, действующих на машину (за исключением реакций несущего основания на ходовое устройство)
P – равнодействующая внешних сил (за исключением сил тяжести и реакций 
несущего основания на опорно-ходовое устройство)
p – давление
M – момент
W – момент сопротивления сечения несущей конструкции, основания
ep – удельное сопротивление разрушению
h – глубина резания, толщина стружки
k, c – коэффициенты
ω – угловая скорость
t – шаг, время
z – число резцов в линии резания, число опорных катков
v, u – скорость
H – мощность слоя разрабатываемой породы
B – ширина захвата машины
D, d – диаметры
Q – объемная производительность, обобщенная сила
N – мощность
T – кинетическая энергия, сила трения
П – квазиобобщенная сила
f – коэффициент трения, коэффициент крепости

ПРЕДИСЛОВИЕ

В Республике Беларусь добыча полезных ископаемых обеспечивает 
деятельность многих отраслей промышленности, строительства и сельского хозяйства. В настоящее время значительная доля разведанных 
месторождений полезных ископаемых разрабатывается. Среди таких 
месторождений в первую очередь следует отметить залежи калийных 
солей с общими запасами более 5 млрд т, которые сосредоточены в 
Припятском прогибе: Старобинское, Петриковское и Октябрьское месторождения. Сейчас основная добыча калийных солей ведется на Старобинском месторождении. Петриковское месторождение находится в 
состоянии подготовки к промышленной добыче. Наряду с добычей калийных солей ведется добыча каменной (пищевой) соли, запасы которой (около 20 млрд т) расположены в трех крупнейших месторождениях 
Припятского прогиба: Мозырском, Давыдовском и Старобинском.
Ведется добыча некоторых видов горючих полезных ископаемых – 
нефти и попутного газа, а также торфа. Разведанные и освоенные нефтяные запасы позволяют ежегодно добывать около 1,5 млн т нефти 
при ежегодной потребности Беларуси более 12 млн т. Торфяные месторождения расположены по всей территории республики. Их общие запасы составляют около 4 млрд т при ежегодной добыче около 3 млн т 
для производства топливных брикетов и использования в сельском хозяйстве. На территории республики известны также месторождения 
бурого угля и горючих сланцев, которые в настоящее время не разрабатываются, в основном по экономическим причинам.
В сельском хозяйстве для раскисления почв используется доломитовая 
мука – основная продукция предприятия (карьера) по добыче доломита, 
расположенного в Витебском районе (Руба). Ежегодная добыча доломита 
достигает почти 4 млн т. В Республике Беларусь добывается значительное 
количество сырья для строительной промышленности. Прежде всего это 
строительный камень, песчано-гравийные смеси, стекольные и формовочные пески, глины и сырье для производства цемента. Среди производств по добыче и переработке строительных материалов наиболее крупным и известным предприятием является РУПП «Гранит». 
Авторы выражают благодарность сотрудникам кафедр горного профиля Белорусского национального технического университета и специалистам ряда предприятий горной промышленности и горного машиностроения, ценные советы которых учтены при подготовке пособия. Чрезвычайно признательны авторы рецензентам – доктору технических наук, 
профессору А.Н. Орде, кандидату технических наук В.В. Пинчуку за важные замечания, способствовавшие улучшению содержания книги. 
Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Под горными машинами понимают совокупность технических 
средств, служащих для выполнения горных работ по добыче полезных 
ископаемых, включая их выемку из земной коры, транспортирование 
и первичную переработку. Горными машинами называют также машины для выполнения горных работ в других отраслях промышленности, 
строительства и сельского хозяйства. 
Многообразие полезных ископаемых, используемых в качестве сырьевой базы большинства технологий современной цивилизации, разнообразие и широкие пределы изменения их физических свойств, геометрии положения в земной коре предопределяют разнообразие горных машин как по назначению и технологиям их использования, так и 
по конструкциям. В неменьшей степени горные машины различаются 
по таким признакам, как вид используемой энергии, привод различных механизмов, способ воздействия на горную породу, производительность и т.п., что предопределяет различные способы классификации горных машин. Наиболее общей является классификация по виду 
горных работ, выполняемых машинами. Она может быть представлена 
несколькими структурными схемами, один из вариантов которых приведен на рис. 1.

Рис. 1. Общая классификация горных машин

Приведенная классификация не является застывшей, так как непрерывно создаются новые технологии добычи полезных ископаемых 
и технические системы для их реализации, например добыча некоторых видов сырья в космосе (на Луне и других космических объектах).
Помимо такой общей и укрупненной классификации существуют 
классификации по другим признакам и многоуровневые классификации внутри каждой из приведенных групп машин. В литературе и дру

гих источниках информации часто встречаются понятия «горная машина», «горный комбайн», «горный комплекс». 
Горная машина – отдельное самостоятельное техническое средство, 
выполняющее одну операцию некоторого технологического процесса, 
содержащего несколько отдельных операций. 
Горный комбайн – техническое устройство, выполняющее одновременно несколько операций. 
Горный комплекс – группа машин и комбайнов, выполняющих совместно все операции процесса и увязанных между собой по своим 
техническим параметрам так, чтобы обеспечить рациональное производство всех работ этого процесса. 
На рис. 2–6 приведены фотографии некоторых горных машин, комбайнов и комплексов.
По функциональному назначению горные машины и комбайны бывают выемочные, проходческие, очистные, экскавирующие, бурильные, 
уборочные, штабелюющие, погрузочные, транспортирующие, вспомагательные.
По положению в пространстве при выполнении рабочего процесса 
различают:
 
мобильные машины – выполняющие технологические операции 
одновременно с перемещением самой машины;
 
стационарные – не меняющие положения основного корпуса в 
пространстве при выполнении горных работ;

Рис. 2. Уборочный машинно-тракторный агрегат по добыче торфа

передвижные (полустационарные) – выполняющие технологические операции не передвигаясь, но меняющие свое положение при необходимости выполнения операций в других местах.

Рис. 3. Погрузка фрезерного торфа в вагоны железнодорожного состава узкой колеи

Рис. 4. Буровой станок СБШ-160/200-40Д в карьере по добыче гранита

В свою очередь мобильные технологические машины подразделяются:
 
на самоходные – машины с активным механизмом перемещения, 
обеспечивающим передвижение машины в рабочем и транспортном 
режимах;
 
прицепные – имеющие пассивный движитель, обеспечивающий 
передвижение машины за счет мощности, передаваемой от специальной машины – тягача;

Рис. 5. Проходческий комбайн с соосными роторами в подземной горной выработке месторождения калийных солей

Рис. 6. Очистной комплекс для добычи калийной руды

полуприцепные – оборудованные движителем, воспринимающим часть веса машины, и агрегатируемые с тягачом через специальные устройства, передающие часть нагрузки, действующей на машину, 
тягач;
 
навесные – агрегатируемые на тракторах или универсальных шасси с помощью специальных навесных устройств;
 
полунавесные – представляющие собой оборудование, агрегатируемое с тягачом, и имеющие собственную опору (движитель).
История развития горных машин неразрывно связана с развитием 
всей техники, и в первую очередь с развитием энергетических средств: 
ручной инструмент – тяговая сила животных – энергия пара – электрическая энергия – двигатели внутреннего сгорания. 
Добыча и использование полезных ископаемых человеком, чему 
есть материальные свидетельства, известны с каменного века. Промышленная добыча полезных ископаемых с использованием простейших механизмов на основе применения мускульной энергии животных началась только примерно в ХVI в. Несколько позднее для разрушения массивов горных пород стали использовать порох, а потом и 
другие взрывчатые вещества. Первым энергетическим средством в горном деле было водяное колесо, упоминания о котором датируются 
ХVII в. Использование паровых двигателей при добыче полезных ископаемых известно с ХVIII в. В этот же период, и особенно в ХIX в., 
начинается широкое применение механизированных средств труда – 
баровой врубовой машины (1864 г., Англия), экскаватора с паровым 
двигателем (1834 г., США), пневматического перфоратора (1860 г., 
Франция).
Применение таких технических средств позволило во много раз 
увеличить объемы добычи горных пород. Еще более существенно возросли эти объемы при появлении электрического привода, который 
начал использоваться в горных машинах с 1880 г. в Англии. Возможности механизации труда в горном производстве возросли с появлением двигателей внутреннего сгорания, нашедших особенно интенсивное применение в приводах машин для выполнения открытых горных 
работ. В конце ХIX в. созданы первые комбайны для производства 
наиболее трудоемких проходческих работ при подземных разработках 
месторождений полезных ископаемых (1897 г., Россия).
Использование полезных ископаемых в количественном и качественном отношении непрерывно увеличивается как по объему, так 
и по номенклатуре. Объемы выемки горных пород в последнее время  удваивались каждые 15–20 лет и достигли величины порядка 
100  млрд т в год.

В настоящее время горная техника совершенствуется в направлении использования технологий добычи с возможно меньшим участием 
людей непосредственно в местах добычи. Это достигается за счет совершенствования конструкций горных машин и механизмов, а также, 
в значительной степени, за счет применения новых систем управления, основанных на современных электронных средствах.
В Беларуси горное машиностроение – сравнительно молодая отрасль промышленности, хотя некоторые горные машины производятся достаточно давно. Особенно это относится к машинам по добыче 
торфа, производство которых было начато до Второй мировой войны. 
В 1946 г. на базе завода торфяного машиностроения организовано 
предприятие по выпуску карьерных самосвалов большой грузоподъемности (Белорусский автомобильный завод «БелАЗ», г. Жодино). Производство технических средств для подземных горных разработок при 
добыче и переработке калийных руд (Старобинское месторождение) 
начато в Солигорском институте проблем ресурсосбережения с опытным производством и в настоящее время развивается достаточно высокими темпами. Подготовка специалистов горнодобывающей промышленности, в том числе конструкторов, производителей горных 
машин, а также специалистов по их эксплуатации, организована в Белорусском национальном техническом университете и его филиале в 
Солигорске.
Все это предполагает развитие горного дела в Республике Беларусь, 
чему, надеемся, будет способствовать и настоящая книга.