Россия контролирует практически четвертую часть мирового рынка удобрений, которые производятся из природных калийных солей. Необходимую руду добывают на месторождениях с помощью горных комбайнов. Причем часто это происходит, когда машина должна обрабатывать только часть высоты пространства забоя. При работе в таком режиме многие части механизма испытывают значительные динамические нагрузки, что приводит к снижению производительности и аварийным разрушениям деталей. Ученые Пермского Политеха разработали теоретическую модель, которая позволит определить степень нагруженности приводной системы комбайна и оптимальный диапазон высоты подрубки пласта.
Горный комбайн при отработке пласта
Исследование опубликовано в журнале «Известия вузов. Горный журнал», №2, 2024. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
В условиях сложной геологии часто происходит так, что комбайн попадает в ситуацию, когда площадь забоя оказывается меньше площади поперечного сечения исполнительного органа машины, т. е. ее резцового инструмента. Это называется «работа неполным сечением выработки». Получается, что некоторые механизмы периодически работают «вхолостую», в результате чего существенно возрастают динамические нагрузки на детали комбайна.
Для определения наиболее рациональных условий работы механизмов на калийном месторождении ученые Пермского Политеха разработали модель нагруженности приводной системы комбайна в зависимости от высоты забоя. Политехники учитывали зону разрушения горного массива, силы и момент резания исполнительного органа машины.
– Во время работы комбайна происходит так, что часть исполнительного органа не взаимодействует с горным массивом в зоне его разрушения. Учет этой области важен для определения количества резцов, которые не участвуют в отбойке руды. Это позволяет добиться большей точности расчетов, – поясняет Геннадий Трифанов, заведующий кафедрой горной электромеханики ПНИПУ, профессор, доктор технических наук.
Достоверность модели политехники подтвердили реальным экспериментом – провели испытания высокопроизводительного горного комбайна «Урал-20Р», который занимает доминирующее положение в разработке калийных руд в России.
Максимальное отклонение между значениями теоретической модели и данными измерений составляло 10%. Это можно объяснить реальными условиями эксплуатации горного комбайна, например, неоднородностью массива калийной руды, из-за чего ее сопротивление резанию может увеличиваться или уменьшаться в разное время.
Ученые Пермского Политеха также выявили зависимость эффективности работы комбайна от высоты подрубки пласта калийной руды.
– Мы учитывали колебания нагрузки, силу резания, удельные энергозатраты. Работа комбайна до 400 мм высоты подрубки оказалось малоэффективной, при этом зона 400–1300 мм показала высокую рентабельность. Самый динамический нагруженный диапазон находится в пределах 1300-1900 мм. Поэтому оптимальный диапазон высоты подрубки пласта – 400-1300 мм и 1900-2800 мм, – рассказывает Владислав Куоза, аспирант кафедры горной электромеханики ПНИПУ.
Исследование ученых Пермского Политеха позволяет оптимизировать работу горных комбайнов. Разработанная модель нагруженности приводной системы машины улучшит производительность и снизит риск аварийных ситуаций при работе неполным сечением выработки.
