Wpływ współczynnika wypełnienia organu oraz kąta nawinięcia płata ślimaka na sprawność ładowania frezującymi organami ślimakowymi

Laboratory examinations on the plow heads at various filling rate and material grain-size, as well as various values of worm thread angle of the plow head have been executed. Influence of the worm thread angle and plow head filling onto optimal loading efficiency, has also been tested.Eksploatacja węgla kamiennego w Polsce odbywa się przy zastosowaniu kompleksów ścianowych kombajnowych jak również kompleksów strugowych. Ten drugi z kompleksów jest znacznie mniej rozpowszechniony w Polsce i stosowany do pokładów o miąższości poniżej 1,5 m. Do głównych maszyn i urządzeń ścianowego kompleksu kombajnowego należy zaliczyć maszynę urabiająco – ładującą jaką jest kombajn ścianowy, obudowę zmechanizowaną oraz przenośnik ścianowy. Elementami roboczymi w kombajnie ścianowym są frezujące organy ślimakowe, które mocowane są na ramionach kombajnu. Zadaniem frezujących organów ślimakowych jest realizacja jednocześnie dwóch procesów. Pierwszym z procesów jest frezowanie czyli oddzielanie kawałków węgla od calizny. Drugi proces to proces ładowania urobku, polegający na ciągłym odprowadzaniu urobku na przenośnik ścianowy. Równoległość realizacji pracy tych dwóch procesów, uniemożliwia w warunkach rzeczywistych przeprowadzenie obserwacji procesu ładowania i dokonania jakichkolwiek pomiarów i analiz. Dlatego też, przeprowadzane badania i pomiary opisywane w literaturze zwykle miały charakter modelowy lub stanowiskowy, gdyż tylko takie warunki umożliwiały rozdział tych funkcji organu (Chodura, 1992; Hyong Jong Gol, 1990; Jaszczuk & Tomaszewski, 2004; Krauze, 1997). W związku z powyższym, chcąc bliżej poznać prawa rządzące procesem ładowania, zdecydowano się na rozdzielenie tych dwóch procesów i przeprowadzenie badań laboratoryjnych. Przedmiotowe badania zostały przeprowadzone w laboratorium Katedry Maszyn Górniczych, Przeróbczych i Transportowych AGH. W badaniach uwzględniono wpływ jednego z parametrów konstrukcyjnych organu, a mianowicie kąta nawinięcia płata ślimaka α2 na sprawność ładownia, a także jaki wpływ ma współczynnik wypełnienia organu kw i współczynnik rozluzowania urobku kr, na sprawność ładowania (Wydro, 2011). Po przeprowadzonych badaniach wstępnych przyjęto, że kryteria oceny procesu ładowania będą różne dla organu wyposażonego w ładowarkę kryterium oceny procesu ładowania będzie pobór mocy silnika organu i posuwu, natomiast dla organu bez ładowarki kryterium jego oceny będzie sprawność ładowania. Za sprawność ładowania uznano stosunek pola przekroju pryzmy urobku załadowanego do pola przekroju całkowitego pryzmy urobku przemieszczonego, co szerzej zostało opisane w dalszej części artykułu (Wydro, 2011). Przedmiotowe badania miały na celu, sprawdzenie w jakim stopniu wybrany parametr konstrukcyjny, kąt nawinięcia płatów ślimaka α2 oraz współczynnik wypełnienia organu kw i współczynnik rozluzowania kr urobku mają wpływ na sprawność ładowania i przy jakich ich wartościach organy ślimakowe uzyskują największą sprawność ładowania. Wartości i zakresy tych współczynników, zostały określone na podstawie badań empirycznych. Jak podaje literatura (Hamala & Wydro, 2005; Krauze, 1997) współczynniki przyjmowane są w granicach kw= 0÷1, kr > 1 na podstawie doświadczenia konstruktora dla nowo projektowanych organów ślimakowych. Parametr konstrukcyjny, który został przyjęty do badań, to kąt nawinięcia płatów ślimaka α2 i według literatury (Bednarz, 2003; Krauze, 2000) przyjmuje optymalną wartość w zakresie 19°, a 23°. W związku z powyższym, w przedmiotowych badaniach chciano sprawdzić jaki wpływ na proces ładowania mają kąty poniżej i powyżej wspomnianego zakresu, a także sprawdzenia, czy można określić jakie wartości współczynników kw i kr należy przyjmować podczas określania parametrów konstrukcyjnych i kinematycznych nowego organu nie opierając się tylko na doświadczeniu projektanta. Do badań, został przyjęty model analityczny procesu ładowania frezującymi organami ślimakowymi, który został opisany już wcześniej w literaturze (Krauze, 1994, 2000; Hamala & Wydro, 2005). Zgodnie z przyjętym celem pracy, określono również założenia i wytyczne do badania procesu ładowania frezującym organem ślimakowym (Wydro, 2011), mianowicie: konieczność rozdzielenia procesu skrawania (frezowania) od procesu ładowania, rozdzielenie powyższych procesów może nastąpić tylko w warunkach laboratoryjnych, badaniom zostaną poddane zarówno organy bez ładowarek jak i z ładowarkami, do badań zostaną użyte organy o różnym kącie nawinięcia płata ślimaka, do badań zostanie użyty urobek o różnym współczynniku kr. Mając na uwadze powyższe wytyczne i założenia, przeprowadzono badania procesu ładowania frezującymi organami ślimakowymi bez ładowarek i z ładowarkami. Badania zostały przeprowadzone, na specjalnie do tego celu przygotowanym stanowisku badawczym, na którym możliwy był pomiar oporów i sprawności procesu ładowania. Urobek wykorzystany do badań, został odpowiednio dobrany pod względem własności i klasy ziarnistości do rzeczywistych parametrów zastosowanych organów. Do badań wykorzystano specjalnie zaprojektowane ślimakowe organy urabiające, o określonych kątach nawinięcia płata ślimaka. Kąty te, zawierały się w przedziale pomiędzy 15°, a 26°. Specjalnie zaprojektowany układ pomiarowy pozwolił określić pobór mocy i wielkości niezbędne do obliczenia sprawności ładowania. Zaproponowana metodyka i plan badań pozwoliły uwzględnić zakres współczynników kw i kr mających wpływ na proces ładowania. Parametrami mierzonymi podczas badań były: pobór mocy Nł mierzony na silniku organu ładującego w funkcji sprawność ładowania ηl, pobór mocy oporów posuwu Np mierzony na silniku posuwu w funkcji sprawność ładowania ηl. Uzyskane wyniki i ich analiza pozwoliły stwierdzić, że badane organy wykazywały bardzo zróżnicowane sprawności ładowania, w zależności od zmiennych parametrów ruchowych, czyli prędkości posuwu vp i obrotów n, a także przy różnym kącie nawinięcia płata ślimaka. Również istotnym wnioskiem z badań, który może w praktyce zostać wykorzystany, jest fakt, że dla stałych obrotów organu n i zwiększanej prędkości posuwu vp spadała sprawność ładowania ηł (dla pracy organu bez ładowarki). Fakt ten jest ważny, ponieważ w warunkach dołowych w trakcie eksploatacji kombajnu ścianowego istnieje tylko możliwość regulacji jego prędkości posuwu. Istotnym dla wykorzystania w praktyce, może być również fakt, iż przy pracy organu z ładowarką występuje wzrost poboru mocy organu przy wzroście współczynnika wypełnienia kw. Jest to istotne z punktu widzenia ekonomi eksploatacji i dążenia do minimalnego zużycia energii. Zrealizowane badania laboratoryjne sprawności procesu ładowania, pozwoliły uzyskać szeroki zakres wyników, które mogą pomóc przy doborze parametrów ruchowych kombajnu ścianowego w trakcie jego eksploatacji, a nawet wcześniej, na etapie projektowania organów ślimakowych (Wydro, 2011)