Устройство и принцип работы проходческого комбайна стрелового типа

Устройство и принцип работы проходческого комбайна стрелового типа

Проходческий комбайн стрелового типа представляет собой сложную горную машину избирательного действия. Основная задача этого оборудования — механическое разрушение массива горной породы с последующей погрузкой отбитой массы на конвейер. В отличие от буровзрывного способа, применение комбайна позволяет исключить цикл заряжания и взрывания, что значительно повышает безопасность и скорость проходки выработок.

Стреловые комбайны составляют основу парка проходческой техники в угольной промышленности, калийной добыче и строительстве тоннелей. Они способны работать в выработках прямоугольной, арочной или трапециевидной формы. Конструкция этих машин отработана десятилетиями эксплуатации в самых тяжелых условиях — от крепких пород до зон с высокой газообильностью.

Основные узлы и компоновка машины

Конструктивно стреловый проходческий комбайн состоит из нескольких ключевых систем, каждая из которых выполняет строго определенную функцию. Перечислим их последовательно, начиная с рабочего органа.

• Исполнительный орган — режущая коронка с резцами. Это непосредственно инструмент разрушения породы.
• Стрела — несущая конструкция, на которой закреплена коронка. Обеспечивает движение режущего органа в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
• Поворотная платформа — опорная рама с механизмами вращения. Позволяет стреле работать в секторе до 60-70 градусов без перемещения самого комбайна.
• Гусеничный ход — движитель машины. Обеспечивает маневрирование в забое и перемещение вдоль выработки.
• Погрузочный орган — система нагребающих лап или звезд. Собирает отбитую породу и подает ее на центральный конвейер.
• Скребковый конвейер — транспортное устройство, передающее породу от погрузочного органа в перегружатель или вагонетку.
• Гидросистема — насосная станция с гидроцилиндрами. Приводит в движение стрелу, механизм наклона и вспомогательные узлы.
• Электрооборудование — пусковая аппаратура, трансформаторы и силовые кабели. Обеспечивает питание электродвигателей режущего органа и насосов.
• Система пылеподавления — форсунки для подачи воды в зону резания. Снижает запыленность воздуха в забое.

Принцип разрушения породы режущим органом

Режущая коронка комбайна оснащена твердосплавными резцами, установленными в специальные державки. При вращении коронки резцы внедряются в массив породы и скалывают ее мелкими фракциями. Форма и шаг установки резцов рассчитываются исходя из абразивности и крепости породы. Например, для пород с коэффициентом крепости по шкале профессора Протодьяконова (f) до 6 используются резцы с крупным твердосплавным напылением, а для более мягких пород — резцы с меньшим вылетом.

Процесс резания происходит при одновременном движении коронки и прижатии ее к забою усилием, создаваемым гидроцилиндрами стрелы. Скорость вращения коронки варьируется в пределах 30–60 оборотов в минуту в зависимости от типа породы. Низкие обороты применяются для крепких пород, чтобы снизить ударные нагрузки на редуктор. Высокие обороты — для мягких пород, чтобы увеличить темп проходки.

Важно понимать, что стреловый комбайн разрушает породу не вращением коронки, а скалыванием при внедрении резца. Резак буквально врезается в массив, создавая радиальные трещины между соседними канавками реза. Этот принцип называется шаговым разрушением, так как нагрузка на резец циклически меняется от нуля до максимума при каждом проходе.

Система перемещения стрелы и формирование забоя

Стрела комбайна крепится на поворотной платформе через два шарнира горизонтального и вертикального качания. Подъем и опускание стрелы осуществляются двумя гидроцилиндрами, а поворот влево-вправо — одним или двумя гидроцилиндрами, толкающими платформу относительно корпуса комбайна. Такая кинематическая схема позволяет обрабатывать плоский забой последовательными проходами коронки.

Технологическая схема обработки забоя называется «сверху вниз» или «периодическая подрезка». Оператор комбайна сначала поднимает стрелу в верхнюю точку забоя, затем включает вращение коронки и начинает резание горизонтальными проходами. После отработки верхней части стрела опускается на высоту одного реза (обычно 200–400 мм), и цикл повторяется. Этот метод позволяет сформировать ровную поверхность забоя без ступенек.

Когда коронка доходит до нижней части забоя, комбайн подается вперед на гусеницах на величину глубины вруба (обычно 300–500 мм). Затем цикл повторяется заново. При проходке выработок большого сечения комбайн смещается вбок после обработки одной полосы забоя. Таким образом, машина может пройти выработку шириной до 7 метров без разворота.

Погрузочная система и транспорт породы

Под режущей коронкой расположен нагребающий орган, состоящий из двух лап (звезд), работающих в противофазе. Они установлены на наклонной плите, примыкающей к гусеницам. При движении комбайна вперед лапы захватывают куски отбитой породы и сбрасывают их на центральный скребковый конвейер. Скорость движения лап составляет 30–40 циклов в минуту, что позволяет перерабатывать до 10–20 тонн породы в минуту.

Скребковый конвейер проходит вдоль корпуса комбайна и поднимается к задней части, где установлен перегружатель. Цепь со скребками движется по стальному желобу, удерживая породу на пути к выходу. Скорость цепи синхронизирована с работой нагребающих лап, чтобы избежать завалов. Типовая длина скребкового конвейера составляет 3–5 метров, угол подъема — до 20 градусов.

На выходе из конвейера порода попадает на перегружатель — короткий ленточный или цепной транспортер, который пересыпает ее в шахтную вагонетку, самоходный вагон или магистральный конвейер. Наличие перегружателя позволяет минимизировать простои при замене транспортных средств. Некоторые модели комбайнов оснащены поворотным перегружателем с углом разворота до 90 градусов.

Гидравлическая система и управление

Гидросистема стрелового комбайна является сердцем его мобильности и точности позиционирования. Она состоит из шестеренчатого или аксиально-поршневого насоса с приводом от электродвигателя мощностью 75–150 кВт. Рабочее давление в системе достигает 16–25 МПа, в зависимости от модели и условий эксплуатации. Гидравлическое масло закачивается в распределительные блоки, которые направляют поток к соответствующим цилиндрам.

Управление гидроцилиндрами осуществляется рукоятками, связанными с пилотными гидрораспределителями. Малые усилия на рукоятках (до 50 Н) позволяют оператору легко и точно задавать скорость движения стрелы. Чем больше отклонена рукоятка, тем быстрее движется стрела. Гидроцилиндры оснащены встроенными тормозами, фиксирующими стрелу при остановке насоса.

Некоторые современные комбайны оснащаются системами автоматического управления, которые контролируют нагрузку на электродвигатель режущего органа. Если коронка встречает крепкое включение породы, система снижает скорость подачи стрелы или делает паузу. Это предотвращает перегрузку двигателя и поломку резцов. Впрочем, большинство серийных машин требует прямого участия машиниста, так как забой полон неожиданностей.

Электрическая часть и безопасность

Электропитание комбайна осуществляется напряжением 660 В или 1140 В переменного тока. Распределительные устройства размещены в герметичных корпусах с высокой степенью защиты IP54, чтобы исключить возгорание метана от искрения. Взрывозащищенное исполнение электрооборудования обязательно для комбайнов, работающих в угольных шахтах, опасных по газу.

Силовые двигатели режущего органа имеют мощность от 110 до 250 кВт. Пуск осуществляется через тиристорные или контакторные блоки с плавным регулированием оборотов. Комбайн имеет несколько независимых цепей блокировки: при снижении давления в гидросистеме, при перегреве двигателя или при срабатывании датчика расхода воды на пылеподавление машина автоматически отключается.

Отдельного внимания заслуживает система зануления и защитного отключения. Все металлические части комбайна соединены с заземляющим проводником, проложенным в кабеле. В случае повреждения изоляции автоматический выключатель снимает напряжение за доли секунды. Уровень изоляции измеряется мегомметром перед началом смены в соответствии с нормами ПБ (правил безопасности).

Технические характеристики массовых моделей

Рассмотрим типичные параметры на примере комбайна типа 1ГПКС (производство России, Украина) или аналогичных зарубежных моделей (Sandvik MB670, ABM-20). Снаряженная масса такой машины составляет 45–65 тонн. Габаритная длина — 10–12 метров, ширина — 2,5–3,2 метра, высота — 1,8–2,2 метра в транспортном положении.

Максимальное сечение выработки, которое способен пройти комбайн, составляет 25–35 квадратных метров. Крепость пород — до 6-7 единиц по шкале Протодьяконова при использовании стандартных резцов, и до 9-10 при установке усиленных коронок с мелкошаговой расстановкой резцов. Производительность варьируется от 5 до 25 тонн в минуту в зависимости от крепости породы.

Особенности эксплуатации в сложных условиях

При проходке выработок с большим притоком воды (свыше 50 кубометров в час) стреловый комбайн оборудуется дополнительными насосами для осушения. В таких условиях гидросистема требует особенно тщательного ухода, так как вода, попадая в масло, вызывает коррозию и выход из строя золотников и насосов. Применение масел с высокой водоотталкивающей способностью и регулярная смена фильтров являются обязательными.

В забоях с высоким газовыделением комбайн оснащается датчиками метана, установленными непосредственно на корпусе в зоне резания. При концентрации метана выше 2% автоматика отключает силовые цепи. Дополнительно отключается принудительная вентиляция забоя подается по воздуховодам вокруг комбайна. Машинист обязан покинуть комбайн до срабатывания аварийного отключения, оставаясь в безопасной зоне.

Система пылеподавления работает непрерывно во время резания. Давление воды в форсунках должно быть не менее 0,5 МПа, а расход — не менее 50 литров в минуту. Вода подается непосредственно на режущую коронку и в зону между резцами. При засорении форсунок машинист обязан остановить работу и прочистить каналы, так как без орошения запыленность воздуха в забое превышает 300 мг/куб.м, что категорически запрещено санитарными нормами.

Ремонт и обслуживание основных узлов

Наиболее уязвимым элементом комбайна является режущая коронка. Резцы изнашиваются быстро — в среднем через 40–60 часов работы в породе средней крепости. Замена резцов производится вручную с помощью съемников, при этом необходимо удалять грязь из гнезд державок. Поврежденная коронка может разрушиться, поэтому перед каждой сменой проводится визуальный осмотр на предмет трещин и износа.

Гидроцилиндры стрелы требуют регулярной проверки на наличие утечек масла. Если шток цилиндра имеет царапины или следы коррозии, его нужно заменить, так как грязь, проникающая в полость, приведет к потере управления стрелой. Периодически (раз в два месяца) производится замена масла в гидробаке, а также промывка фильтров. Воздух из системы удаляется через специальные краны на цилиндрах.

Гусеничный ход комбайна эксплуатируется в условиях абразивного износа. Траки гусениц изготавливаются из легированной стали и имеют сменные башмаки. При проходке 500–800 метров выработки башмаки требуется заменять. Опорные катки и ведущие звездочки также изнашиваются, их состояние контролируется по зазорам между зубьями. Перекос гусеничной ленты устраняется регулировочными винтами натяжного устройства.

Перспективные направления развития

Современные проходческие комбайны стрелового типа постепенно обретают элементы дистанционного управления. На некоторых моделях внедрена система управления по кабелю, когда машинист находится на безопасном расстоянии от забоя. Видеокамеры и датчики позиционирования позволяют ему видеть режущую коронку на экране пульта. В перспективе рассматривается внедрение лазерного сканирования забоя для автоматической коррекции траектории стрелы.

В области материаловедения ведутся работы по созданию резцов с алмазным покрытием для сверхкрепких пород, а также по разработке коронок с изменяемой геометрией для адаптации к разным типам пород без остановки машины. Уже сегодня комбайны массой до 80 тонн способны проходить выработки диаметром до 8 метров, а с использованием удлиненных стрел — до 10 метров, что открывает новые возможности в строительстве транспортных и гидротехнических тоннелей.

Наконец, повышение уровня автоматизации позволит передать часть функций оператора бортовому компьютеру. Например, система может сама выбирать оптимальную скорость подачи и вращения коронки на основе данных замеров силы тока электродвигателя и вибрации. Это снизит утомляемость машиниста и уменьшит количество аварийных ситуаций, связанных с человеческим фактором.

Сводная таблица данных

В таблице ниже представлены ключевые технические характеристики, параметры и режимы работы проходческого комбайна стрелового типа, строго соответствующие данным из текста статьи.

Параметр / Характеристика	Значение / Описание
Форма выработок	Прямоугольная, арочная, трапециевидная
Сектор поворота платформы (рабочий)	60–70 градусов
Коэффициент крепости пород (стандартные резцы)	f до 6
Коэффициент крепости пород (усиленные коронки)	f до 9–10
Скорость вращения коронки	30–60 оборотов в минуту
Высота одного реза (опускание стрелы)	200–400 мм
Глубина вруба (подача вперед)	300–500 мм
Максимальная ширина выработки (без разворота)	до 7 метров
Скорость движения нагребающих лап	30–40 циклов в минуту
Производительность погрузки (нагребающие лапы)	до 10–20 тонн породы в минуту
Длина скребкового конвейера	3–5 метров
Угол подъема скребкового конвейера	до 20 градусов
Угол разворота перегружателя (у некоторых моделей)	до 90 градусов
Мощность электродвигателя гидронасоса	75–150 кВт
Рабочее давление в гидросистеме	16–25 МПа
Усилие на рукоятках управления	до 50 Н
Напряжение электропитания	660 В или 1140 В
Степень защиты электрооборудования	IP54
Мощность силовых двигателей режущего органа	110–250 кВт
Снаряженная масса (на примере 1ГПКС)	45–65 тонн
Габаритная длина	10–12 метров
Габаритная ширина	2,5–3,2 метра
Габаритная высота (транспортное положение)	1,8–2,2 метра
Максимальное сечение выработки	25–35 кв. метров
Производительность (в зависимости от крепости породы)	5–25 тонн в минуту
Давление воды в системе пылеподавления (не менее)	0,5 МПа
Расход воды на пылеподавление (не менее)	50 литров в минуту
Предельная запыленность воздуха (запрещена)	свыше 300 мг/куб.м
Ресурс резцов до замены (средний)	40–60 часов
Периодичность замены масла в гидробаке	Раз в два месяца
Проходка до замены башмаков гусениц	500–800 метров
Концентрация метана для аварийного отключения	выше 2%
Приток воды для доп. насосов осушения	свыше 50 куб.м/час

Частые вопросы по теме (FAQ)

Какой принцип разрушения породы используется в стреловом проходческом комбайне?

Разрушение породы происходит не вращением коронки, а скалыванием при внедрении резца. Режущая коронка оснащена твердосплавными резцами, которые врезаются в массив, создавая радиальные трещины между соседними канавками реза. Этот метод называется шаговым разрушением, так как нагрузка на резец циклически меняется от нуля до максимума при каждом проходе.

Как осуществляется перемещение стрелы комбайна при формировании забоя?

Стрела крепится на поворотной платформе через два шарнира горизонтального и вертикального качания. Подъем и опускание выполняются двумя гидроцилиндрами, а поворот — одним или двумя гидроцилиндрами, толкающими платформу. Технологическая схема обработки забоя называется «сверху вниз» или «периодическая подрезка»: оператор начинаете резание с верхней точки горизонтальными проходами, затем опускает стрелу на высоту одного реза (обычно 200–400 мм) и повторяет цикл.

Как работает погрузочная система комбайна и куда поступает порода?

Под режущей коронкой расположен нагребающий орган из двух лап (звезд), работающих в противофазе. Лапы захватывают отбитую породу и сбрасывают ее на центральный скребковый конвейер. Скорость движения лап составляет 30–40 циклов в минуту, что позволяет перерабатывать до 10–20 тонн породы в минуту. Конвейер длиной 3–5 метров передает породу к выходу, где она попадает на перегружатель, который пересыпает ее в вагонетку, самоходный вагон или магистральный конвейер.

Какие параметры гидросистемы обеспечивают работу комбайна?

Гидросистема состоит из насоса с приводом от электродвигателя мощностью 75–150 кВт. Рабочее давление в системе достигает 16–25 МПа. Управление гидроцилиндрами осуществляется через пилотные распределители с усилием на рукоятках до 50 Н. Гидроцилиндры оснащены встроенными тормозами, фиксирующими стрелу при остановке насоса.

Какие меры безопасности предусмотрены для работы комбайна в газообильных шахтах?

В забоях с высоким газовыделением комбайн оснащается датчиками метана, установленными на корпусе в зоне резания. При концентрации метана выше 2% автоматика отключает силовые цепи. Электрооборудование имеет взрывозащищенное исполнение (степень защиты IP54) и питается напряжением 660 В или 1140 В. Система пылеподавления работает непрерывно: давление воды в форсунках не менее 0,5 МПа, расход — не менее 50 литров в минуту.