Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса. задачи и методология исследований
1.1. Долговечность трансмиссий режущих частей очистных комбайнов и методі ее определения 9
1.2. Опыт проведения стендовых ресурсных ускоренных испытаний зубчатых трансмиссий в других отраслях машиностроения 4S
1.3. Анализ конструкций стендов для ресурсных испытаний трансмиссий
1.4. Испытания трансмиссий режущих частей очистных комбайнов 50
1.5. Задачи исследования 57
1.6. Общая методология исследований 58
Глава 2. Совдание методики стендовых ресурсных ускоренных испытаний трансшссий режущих частей очистных комбайнов
2.1. Область применения и задачи ускоренных испытаний Q4
2.2, Расчет режимов нагружения при стендовых ресурсных испытаниях ^
2.3, Обоснование и разработка критериев предельного состояния объекта испытаний 54
2.4. Виды повреждений и методика дефектировки зубчатых передач трансмиссий очистных комбайнов $5
2.5. Определение эксплуатационного ресурса по результатам стендовых испытаний
2.6. Точность оценки эксплуатационного ресурса по результатам стендовых ускоренных испытаний 65
Выводы
Глава 3. Универсального нагрузочного стенда для ускоренных ресурсных испытаний трансмиссий резщих частей очистных комбайнов
3.1. Конструктивные особенности очистных комбайнов, обуславливающие компоновочные решения стенда 72
3.2. Принципиальные схемы стендов для ресурсных испытаний трансмиссий режущих частей очистных комбайнов 76
3.3. Основные технические требования к универсальному нагрузочному стенду
3.4. Разработка и создание универсального нагрузочного стенда
Выводы 39
Глава 4. Экспериментальные исследования и ускоренные ресурсные испытания трансшссий рещих частей очистного комбайна
4.1. Методика экспериментальных исследований. 90
4.2. Результаты испытаний и сравнительная оценка повреждений зубчатых колес на стенде и в эксплуатации 97
4.3. Определение экспериментального коэффициента перехода от ресурса при стендовых испытаниях к эксплуатационному ресурсу 40$
Выводы №
Глава 5. Анализ результатов экспериментальных исследований
5.1. Развитие усталостного выкрашивания зубьев шестерен в процессе исчерпания ими ресурса МО
5.2. Сопоставление результатов расчета зубчатых колес комбайна IKI0I на контактную выносливость с их фактической долговечностью . /2о
5.3. Дальнейшее совершенствование конструкции испытательного стенда /30
5.4. Перспективы развития работ по ускоренным стендовым ресурсным испытаниям /32
5.5. Народнохозяйственный эффект от внедрения методики и средств для ускоренных ресурсных испытаний трансмиссий режущих частей очистных комбайнов . 435
Выводы /37
Общие выводы по работе /39
Литература
- Опыт проведения стендовых ресурсных ускоренных испытаний зубчатых трансмиссий в других отраслях машиностроения
- Расчет режимов нагружения при стендовых ресурсных испытаниях
- Принципиальные схемы стендов для ресурсных испытаний трансмиссий режущих частей очистных комбайнов
- Результаты испытаний и сравнительная оценка повреждений зубчатых колес на стенде и в эксплуатации
Введение к работе
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 г. [80] намечено "ускорить разработку и освоение серийного производства высокопроизводительных комплексов оборудования для выемки угля в сложных горно-геологических условиях и проведения подготови -тельных выработок...Увеличить производственные мощности угольного машиностроения, с тем чтобы полностью удовлетворять потребности народного хозяйства в высокопроизводительном надеж -ном горно-шахтном оборудовании...".
Прогресс современного угольного машиностроения, предполагающий дальнейшее совершенствование технических параметров машин, невозможен без обеспечения их высокой долговечности, одним из основных показателей которой является технический ресурс
Опыт эксплуатации свидетельствует о том, что долговеч -ность горных машин еще не соответствует требуемому уровню. Так, средний межремонтный срок службы основных серийных очистных комбайнов IKIOI, 2К52, ІГШ68 составляет 12 месяцев (1500 часов машинного времени, что значительно меньше их расчетной долговечности 5000 ч.) [2, 72, 73, 82] .
Долговечность очистного комбайна в значительной степени определяется ресурсом трансмиссии привода его исполнительного органа (режущей части); машина выдается в капитальный ремонт практически только после достижения трансмиссией предельного состояния. Это объясняется тем, что корпусные детали редукторов являются основным несущим элементом всей конструкции комбайна, а трудоемкость ремонта трансмиссии в лаве весьма велика.На простои режущих частей комбайна ІКІ0І приходится 19,1$, 2К52 -21,7^, НШЗМ - 9,9$ простоев комбайнов в целом, трудоемкость устране - ния отказов по трансмиссиям составляет соответственно 26,2$, 33,5$ и 12,7$ от общей трудоемкости (данные ИГД им.А.А.Скочин-ского)
В процессе создания новых и производства серийных машин, а также при проведении капитальных ремонтов, показатели долговечности машин должны проверяться экспериментальным путем. Получение данных о долговечности изделий угольного машиностроения базируется до настоящего времени на результатах наблюдений за их эксплуатацией. Из-за сложных условий эксплуатации для получения количественных характеристик долговечности с требуемой точностью требуется время, исчисляемое годами. Вследствие этого в серийное производство запускаются машины, долговечность которых определена практически только расчетным путем, т.к. наработка за время приемочных испытаний опытного образца составляет всего 5-10$ от заданного ресурса. Мероприятия по повышению качества серийной продукции, осуществляемые без достаточно представительной экспериментальной проверки, оказываются не всегда эффективными. Таким образом, одной из причин недостаточной долговечности трансмиссий очистных комбайнов является от -сутствие оперативного контроля качества их изготовления и ремонта.
В последние два десятилетия широкое применение для оценки ресурса деталей, сборочных единиц и машин в сборе получили стендовые ускоренные ресурсные испытания [21, 26, 36, 42, 53, 55, 58, 118, 119, I25J . Ведущее место здесь занимают такие отрасли промышленности, как авиационная, электронная, автотракторная и др. Это обстоятельство в значительной степени определяет ус-пехи, достигнутые в создании надежных машин. Стендовые ускоренные ресурсные испытания позволяют производить оценку ресурса I изделий в значительно более короткие сроки и с меньшими затра- і тами по сравнению с эксплуатационными испытаниями. Так, напри- мер, затраты на стендовые испытания автомобильной коробки передач составляют всего 4% стоимости дорожных испытаний [ij .
В угольном машиностроении применение ресурсных испытаний сдерживалось до последнего времени из-за отсутствия апробиро -ванных методик и соответствующего испытательного оборудования. Применение стендовых ускоренных ресурсных испытаний трансмиссий режущих частей очистных комбайнов позволит: существенно сократить сроки отработки конструкции новых изделий и постановки их на серийное производство; обеспечивать заданную долговечность уже на первых стадиях создания новых машин; повысить эффективность мероприятий по модернизации серийной продукции и технологических процессов ее производства и ремонта; обеспечить сопоставимость данных о долговечности изделий, разрабатываемых и выпускаемых различными предприятиями.
Внедрение усовершенствованной системы испытаний в отрасли будет способствовать повышению качества выпускаемых комбайнов.
Анализ применяемых методов и средств для проведения ускоренных испытаний трансмиссий в других отраслях машиностроения показывает, что они представляют интерес в чисто методическом плане и не могут быть полностью использованы в угольной промыш>-ленности для аналогичных целей в связи со спецификой эксплуатационной нагруженности и конструктивными особенностями горных і машин. В связи с этим возникает необходимость постановки специальных исследований применительно к горным машинам, и в первую очередь к очистным комбайнам, определяющим в значительной степени показатели работы очистных механизированных комплексов.
С учетом изложенного представляется актуальной цель настоящей работы - разработка, исследование и внедрение методов ускоренных ресурсных испытаний трансмиссий режущих частей очист -ных комбайнов, а также создание средств для проведения этих испытаний.
Автором разработаны и защищаются следующие основные положения: метод расчета режима нагружения при ускоренных ресурсных испытаниях; критерий предельного состояния объектов испытаний; коэффициент перехода для прогнозирования эксплуатационного ресурса по результатам стендовых испытаний; способ дефектировки поврежденных усталостным выкрашиванием зубчатых колес, позволяпций объективно оценивать степень повреждения зубьев; закономерность развития усталостного выкрашивания в про -цессе исчерпания ресурса испытуемыми трансмиссиями; основные технические решения средств для проведения ресурсных испытаний.
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ И МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
I.I. Долговечность трансмиссий режущих частей очистных комбайнов и методы ее определения
Широкое внедрение комплексной механизации добычи угля предъявляет все более высокие требования к надежности забойного оборудования, и в первую очередь - к надежности очистного комбайна, как к основной, определяющей производительность механизированного комплекса машине.
Специфические условия эксплуатации горных машин характеризуются повышенной влажностью рудничной атмосферы, абразивностью разрушаемого массива, загрязненностью и химической активностью шахтных вод. Особенности процесса разрушения угля, наличие твердых включений в массиве, необходимость в некоторых случаях работы с "присечкой" породы обуславливают высокую динамическую нагру-женность элементов трансмиссий режущих частей очистных комбай -нов, обеспечить надежность которых становится все трудней вследствие неуклонного роста энерговооруженности машин при сохранении практически неизменными основных габаритов (в сечении) корпусных деталей.
Трансмиссия режущей части является основным механизмом, осуществляющим передачу мощности и трансформацию скорости от приводного двигателя комбайна к его исполнительному органу. Кроме того, корпусные детали трансмиссии являются несущим остовом всей машины. Ремонт трансмиссии в лаве, связанный с заменой отдельных ее узлов помимо большой трудоемкости чреват повышенной опасностью для обслуживающего персонала, приводит к нежелательным горно-геологическим явлениям из-за простоя лавы и не обеспечивает тре -буемого качества. Изложенное обуславливает повышенные требования к долговечности трансмиссии, определяющей, как правило, ресурс комбайна в целом.
Ресурс до первого капитального ремонта, а также наработка между капитальными ремонтами являются важнейшими составляющими долговечности, определяющими качество машины.
Гарантийный ресурс очистных комбайнов до первого капитального ремонта в соответствии с ГОСТ 11986-73 [48] регламентирован предприятиями-изготовителями в заводских технических условиях, на изготовление. 6 качестве единицы измерения этой величины принят календарный срок службы комбайна или добыча угля в тоннах до капитального ремонта.
Существует три основных способа оценки долговечности изделий машиностроения: расчетный метод; метод статистического моделирования; экспериментальный метод;
Расчетный метод обеспечивает оценку долговечности изделия на стадии проектирования и дает возможность проводить сравни -тельную оценку надежности различных вариантов конструкции на самой ранней стадии ее создания. Он заключается в определении нагрузок, действующих в элементах конструкции, напряжений от этих нагрузок и сравнении их с допустимыми прочностными характеристиками элементов (пределы прочности и выносливости). Следует отметить, что разработанные на основе трудов С.В.Серенсена, В.П.Когаева, В.В.Болотина и других авторов [7, 8, 44, 99] вероятностные методы расчета деталей машин на усталость позволили обосновать выбор запасов прочности и допускаемых напряжений на основе вероятностных аспектов о разрушении и надежности в условиях эксплуатации.
Применительно к горным машинам расчетные методы прямой или косвенной оценки долговечности наиболее полно представлены в работах А.В.Докукина, В.Н.Гетопанова, Ю.Д.Красникова, Е.З. Позина, П.В.Семенчи, В.И.Солода, Г.И.Солода, А.Г.Фролова, В.Н. Хорина, В.А.Дейниченко, Г.С.Рахутина, В.В.Солодухина, З.Я.Хур-гина и др. [24, 25, 28, 29, 31, 32, 33, 34, 51, 90, 95, 101, 107, 108, 109, III, 120] .
Так, в работах [28, 29, 30, 51, І0і] на основании обширных исследований режимов работы горных машин доказано, что действующие в трансмиссиях нагрузки носят стохастический характер, обусловленный свойствами процессов разрушения, погрузки и перемещения горной массы. Изучение и определение нагрузок в элементах горных машин базируется на вероятностных методах, в част -ности, на теории случайных функций. Следует отметить, что расчеты важнейших элементов горных машин (зубчатых и цепных передач валов, осей и др.) доведены до уровня отраслевых стандартов [61, 62, 63, 84] .
Метод статистического (вероятностного) моделирования заключается в разработке и исследовании функционирования математической модели динамической системы [29J .
Выбор оптимальных параметров системы состоит из следующих этапов: разработка математической модели и ее описание; выбор и математическое описание критериев качества (функций цели); выбор ограничений; поиск оптимальных значений параметров.
Критериями качества при этом служат прочность и долговечность узлов машины. Статистическое моделирование позволяет полу- чать оценку долговечности изделий с весьма сложной структу -рой, не поддающихся аналитическому расчету.
Общим принципом рассмотренных методов является сопоставление действующих нагрузок с прочностными параметрами деталей* Возможности вычислительной техники позволяют существенно ускорять эти процессы и получать оптимальные, исходя из критериев качества, параметры.
Однако оба эти метода требуют в качестве исходных данных сведения о долговечности прототипов элементов системы, кото -рые могут быть получены только на базе экспериментальных ис -следований машин - аналогов и являются в той или иной степени приближенными.
Фактическая долговечность как новых, так и серийных изделий может быть определена только экспериментальным методом, который заключается в проведении специальных испытаний или сборе данных о работе изделия в эксплуатации, и дает объективную и исчерпывающую информацию о ресурсе сборочных единиц и деталей машины.
Однако, как показывает практика эксплуатационных испытаний, , вследствие неизбежности технологических простоев комбайна в лаве, большой тредоемкости устранения возникающих отказов и ряда j других причин в том числе организационного характера, время по- ; лучения интересующей информации весьма длительно и исчисляется і годами. Это приводит к затягиванию сроков освоения новой техники, а также затрудняет или делает невозможной оценку эффектив- і і ности мероприятий по модернизации серийной продукции, так как за время, которое проходит до получения информации о результатах одного нововведения, в конструкцию могут быть внесены другие усовершенствования. Кроме того, из-за разнообразия горногеологических условий и связанных с этим различий в ре - /з жимах работы, затруднена сравнительная оценка долговечности машин однотипных: по конструкции.
Данные о долговечности могут быть получены также по результатам дєфектировки комбайнов при капитальных ремонтах на рудоремонтных заводах. Однако в этом случае исследованию подвергаются изделия, отработавшие ресурс, детали которых в ряде случаев достигли предельного состояния в результате развития различных видов повреждений, взаимосвязанных между собой и зачастую переходящих одно в другое. Так, усталостное выкрашивание на краю зуба, возникшее в результате краевого контакта, может привести к поломке зуба в этой зоне. Указанное обстоятельство затрудняет установление первой причины того или иного вида повреждений, что очень важно, так как в этом случае не всегда можно правильно наметить пути повышения долговечности деталей трансмиссий. Однако полученная в процессе дефектировок машин информация по видам повреждений отдельных деталей и сборочных единиц является тем не менее ценной и полезной, так как дает статистическую оценку надежности конкретных деталей и позволяет выявить наиболее слабые места в конструкции. Среди работ этого направления следует отметить труды Я.Н.Алыпица, П.В.Семенчи, Ю.А.Зислина, Л.А. Молдавского, В.В.Онищенко, Г.Я.Паланта, Н.Г.Плющова, И.М. Шахтина, Г.Е.Шевченко [2, 3, 72, 73, 87,89,16,123]
Оценку долговечности машин можно производить в лабораторных условиях методом стендовых ресурсных испытаний, роль которых в современном машиностроении определяется ростом требований и надежности оборудования, вопросами стандартизации, растущей потребностью ускорения темпов проверки и реализации новых конструкций.
Особую остроту решение этих вопросов приобретает применительно к очистному оборудованию. Высокая стоимость простоев лавы предъявляет повышенные требования к надежности трансмиссий режущих частей очистных комбайнов. Стендовые испытания дают возможность в сопоставимых условиях и с меньшими затратами определять уровень качества изделия, установленный соответствующими стандартами.
Возможность определения ресурса при стендовых испытаниях в весьма короткие сроки позволяет значительно уменьшить расходы, связанные с отказами изделий при эксплуатационной проверке.
Ускорение испытаний осуществляется за счет исключения технологических пауз, неизбежных в эксплуатации, т.е. за счет непрерывности испытательного процесса, а также за счет интенсификации различными способами процессов утраты ресурса изделиями.
Несмотря на то, что финальной проверкой всех свойств изделия является эксплуатация, на основании которой выносится окончательное суждение о его долговечности, стендовые ускоренные ресурсные испытания являются в настоящее время одним из наиболее перспективных средств оперативного контроля уровня долговечности; они применяются как для ускорения отработки опытных конструкций, обеспечивая им заданную долговечность на стадии освоения, так и для контроля качества серийной продукции в процессе изготовления, ремонта и после модернизации конструкции или внедрения более совершенных технологических процессов ее производства.
Анализ различных методов оценки долговечности машин позволяет сделать выводы:
I.Аналитический метод и метод статистического моделирования заключаются в совместном анализе действующих нагрузок и прочностных характеристик деталей, и дают косвенную оценку долговечности машин через коэффициенты запасов прочности их деталей и должны проверяться исследованиями работы машин в эксплуатационных или близких к ним условиях.
2.Статистически достоверная информация о долговечности машин может быть получена только по результатам промышленной эксплуатации изделий, однако большая длительность процесса снижает ценность этой информации,
3.Стендовые ускоренные ресурсные испытания позволяют получать информацию о долговечности машин в значительно более короткие сроки, чем по результатам эксплуатационных испытаний или наблюдений за эксплуатацией изделий.
1,2. Опыт проведения стендовых ускоренных ресурсных испытаний зубчатых трансмиссий в других отраслях машиностроения
Ускоренными испытаниями называются испытания продукции, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимого объема информации в более короткий срок, чем в предусмотренных условиях и режимах эксплуатации [43].
Разработка общих положений, принципов и рекомендаций по методикам ускоренных испытаний в машиностроении нашла свое отражение в трудах Р.В.Кугеля, С.С.Дмитриченко, Г.И.Скундина, И.Н.Величнина, О.Ф.Трофимова, В.В.Гольда, А.Д.Левитануса, Х.И.Хазанова. Е.Гасснера, и других авторов [12, 13, 19, 22, 26, 27, 38, 53, 55, 58]
В процессе доводки ресурсным испытаниям подвергаются отдельные детали, сборочные единицы, а также машины в сборе.
Режимы и методы испытаний выбираются таким образом, чтобы были обеспечены минимальные продолжительность и стоимость испытаний. Наиболее распространенными способами ускорения испытаний являются: уплотнение рабочих циклов; учащение рабочих циклов; экстраполяция по времени; усечение спектра нагрузок; форсирование по нагрузке.
Уплотнение рабочих циклов осуществляется за счет исключения неизбежных в эксплуатации технологических пауз при непрерывном ведении испытаний и позволяет достигать высоких значений коэффициента ускорения по календарному времени Ку .
Принцип учащения рабочих циклов основан на увеличении скорости приложения действующих нагрузок и предполагает независимость (в определенных пределах) долговечности изделия от частоты приложения нагрузки. Коэффициент ускорения при этом пропорционален отношению частот приложения нагрузок при ускоренных и нормальных испытаниях fy и fn '
Экстраполяция по времени позволяет ускоренно оценивать долговечность по начальным результатам испытаний изделий,для которых достаточно хорошо изучены закономерности процессов исчерпания ресурса.
Усечение спектра нагрузок заключается в воспроизведении при испытаниях части эксплуатационных нагрузок, оказывающих наиболее повреждающее воздействие.
В тех случаях, когда запасы прочности деталей объектов испытаний достаточно велики, для ускорения испытания проводятся при увеличенных (форсированных) по сравнению с максимальными эксплуатационными,нагрузках.
В основе выбора того или иного способа лежит необходимость обеспечения тождественности видов и характера повреждений на стенде и в эксплуатации. Это достигается учетом сложности и многообразия, процессов разрушения деталей, каждый из которых имеет свою критическую область. При переходе этой области происходят его качественные изменения [22, 53] . Режимы испытаний выбираются так, чтобы эта критическая область не была достигнута и, следовательно, осталась неизменной качественная сторона процесса разрушения.
Различные изделия машиностроения как правило состоят в своей основе из нескольких групп наиболее широко применяемых элементов, выполняющих одинаковые функции, таких как валы, подшипники, зубчатые передачи, уплотнения и т.д. Несмотря на многообразие конструктивных решений, применяемых материалов и условий эксплуатации машин различного назначения в методическом подходе к ресурсным испытаниям этих элементов много общего.
Зубчатые передачи являются наиболее ответственными элементами конструкций ряда машин, определяющими их технические показатели и в первую очередь ресурс. Организацией и проведением стендовых ресурсных ускоренных испытаний зубчатых передач занимается ряд научно-исследовательских организаций и машиностроительных заводов: ЩИИТмаш, ШИИетройдормаш, НАТИ, ЗИЛ, ХТЗ и др., а в последние годы для горных машин -Гипроуглемаш и ИГД им.А.А.Скочинского [21, 22, 26, 27, 36, 37, 38, 53,55, 58, 96, 98, 119] /г
Большой опыт проведения стендовых ресурсных ускоренных испытаний трансмиссий накоплен в автомобильной промышленности. Чаще всего при испытаниях агрегатов на долговечность применяется постоянный либо по скорости, либо по нагрузке режим. Нагрузка выбирается по возможности близкой к максимально возможной, равной например, максимальному крутящему моменту двигателя. Коробку передач испытывают таким образом на всех ступенях передач, регистрируя число циклов до разрушения. При испытаниях по такой методике, в силу различия между испытательным режимом и эксплуатационным, нет строгого соответствия между долговечностью агрегата в стендовых условиях и в эксплуатации.
Пересчет долговечности в этом случае осуществляется путем сопоставления результатов испытаний с данными эксплуатации тех же моделей. Кроме того, при таком методе действи -тельная долговечность шестерен не выявляется, так как их долговечность в эксплуатации зависит от чередования нагрузочных режимов.
Несоответствие нагрузок модет влиять также на характер повреждений вследствие изменения деформаций конструкции.Иными словами, методика испытаний на долговечность должна учитывать весь диапазон эксплуатационных нагрузок. Это достигается программированием режимов испытаний. Реальные процессы нагружения элементов автомобильных трансмиссий весьма сложны и представляют собой в большинстве случаев нестационарные случайные процессы, воспроизведение которых в стендовых условиях весьма сложно. Кроме того, такие испытания, лишь воспроизводящие реальные нагрузки, не дают существенного сокращения продолжительности испытаний. Поэтому в практике ис- питаний идут по пути создания условного схематизированного процесса, эквивалентного по повреждающему воздействию реальному. Случайный характер чередования в эксплуатации нагрузок различной величины с достаточной точностью может быть заменен эквивалентным по повреждающему воздействию воспроизведением циклов напряжений, входящих в состав случайного процесса.
В основе программирования лежит гипотеза суммирования повреждений ["99] , записываемая в общем виде: ^- Mi ~а> где Ґіі -число циклов действия напряжений данного уровня; /|/2 -число циклов до разрушения при напряжениях этого уровня; CL -величина, характеризующая сопротивляемость детали действующим нагрузкам в зависимости от ее материала, размеров, а также условий нагружения. При программных испытаниях может быть получена уточненная оценка интенсивности накопления усталостных повреждений для конкретного спектра нагрузок, присущего данной конструкции, а также объективно учтено влияние как высоких уровней нагружения, так и напряжений ниже предела выносливости.
Составление программ испытаний производится на основании результатов статистической обработки записей нагрузок в эксплуатации.
При последовательном воспроизведении нагрузочных блоков трансмиссию доводят до разрушения. Эксплуатационная долговечность определяется по формуле: где ^ -количество нагрузочных блоков; \ -временной эквивалент одного программного блока.
Проведением ускоренных ресурсных испытаний тракторных коробок передач, бортовых передач, ведущих мостов занимаются НАГИ, ХТЗ и другие организации отрасли.
Применяемые методы и режимы испытаний зависят от условий работы и видов повреждений зубчатых колес в эксплуатации. Ускорение испытаний достигается путем форсирования режимов нагру-жения.
Нагружение испытуемых колес осуществляется в тех же корпусах, что и в эксплуатации. При этом достигается воспроизведение основных эксплуатационных условий работы (смазочный и температурный режимы, влияние жесткости корпусов и валов и т.д.). Для испытания новых узлов, для которых не накоплен опыт эксплуатации, нагружающий момент задается обычно равным 1,3 от расчетного.
На ХТЗ выполнены исследования по определению предельно-допустимого нагрузочного режима при ускоренных испытаниях зубчатых передач. В качестве ограничительного критерия была принята температура масла в зоне контакта зубьев. На основании исследований была предложена зависимость, позволяющая определить величину максимально допустимого по заеданию нагружающего момента в зависимости от геометрии зацепления и скоростей скольжения.
На ХТЗ проводят также испытания зубчатых колес на контактную выносливость по методике, разработанной НАТИ. Испытаниям подвергаются три комплекта колес, которые перед обкаткой проходят контроль на соответствие требованиям чертежей. Обкатка испытуемых колес производится при следующих режимах нагружения: без нагрузки - 7 часов; с нагрузкой - 25$ - 7 часов; г* с нагрузкой 50$ - 7 часов.
За 100$ нагрузки принимается заданный методикой испытаний максимальный момент г/ц . Испытания проводят в течение 500 часов при постоянной нагрузке, при этом для увеличения удельной контактной нагрузки колеса смещены вдоль оси на половину ширины зуба. Температура масла во время испытаний с помощью охлаждающего устройства поддерживается в пределах 70-80С.
При определении изгибной выносливости зубьев испытуемые колеса устанавливаются в своих корпусах, а нагружающий момент составляет 1,3 от наибольшего момента в эксплуатации.
Продолжительность испытаний определяется по формуле: / -ШІ L 60пе? где /?<^ -число оборотов ведущей шестерни в об/мин.
В случае поломки какого либо вала или шестерни они заменяются новыми и испытания продолжаются. Обычно испытывают параллельно 2-3 коробки передач одного типоразмера в течение 1500 ч. Если за это время не происходит поломок, их долговечность гарантируется в пределах 6000 ч.
Таким образом, ресурсные испытания трансмиссий в автотракторной промышленности являются, как правило, сравнительными.
Институт ВНИИСТРОДЦОРМАШ проводит ускоренные ресурсные испытания трансмиссий бульдозеров, скреперов и других машин [37, 38] . При ресурсных испытаниях отработанных конструкций, при наличии накопленного материала по результатам испытаний аналогичных конструкций или установленной на основании многочисленных наблюдений связи между результатами испытаний и данными эксплуатации, применяется режим испытаний с постоянной нагрузкой.
Для определения показателей долговечности новых или модер низированных конструкций, оценки эффективности мероприятий по увеличению долговечности выпускаемой продукции, при выборе оп- ^ тимального конструктивного варианта трансмиссии, испытания про- \ > водят при программированном режиме. \
Проведению испытаний предшествует: проведение инструментальных замеров нагрузок при типичных условиях эксплуатации; выбор на основании данных эксплуатации типичных условий нагружения; разработка.режима ускоренных испытаний.
В зарубежном автостроении стендовые ускоренные испытания занимают прочное место в технологической цепочке создания новых машин.
Так, фирма И//2: (ГДР) проводит комплексные испытания узлов автомобильных трансмиссий. Программа испытаний составляется на основе статистической обработки результатов дорожных испытаний. Для ускорения испытаний применяется метод увеличения нагрузок эксплуатационного спектра при сохранении распределения частот отдельных нагрузок. іирма "Детройт Дизел Аллисон" (США) перед постановкой на производство любой новой трансмиссии проводит в большом объе-еме ее стендовые испытания. Нормирование испытательного цикла осуществляется с помощью вычислительной машины, в которую вводятся прочностные параметры деталей и факторы их эксплуатационной нагруженности.
Критерии долговечности отдельных зубчатых передач в зависимости от материалов, видов и режимов термообработки, условий смазки, способов коррекции и пр. постоянно являются предметом исследований на специальных стендах в СССР и за рубежом.
В горном машиностроении большой вклад в решение этих вопросов внесли Я.Й.Альшиц, А.И.Петрусевич, П.В.Семенча, Г.И.Солод, Л.А.Молдавский, В.П.Онищенко, Ю.А.Зислин, В.В.Солодухин, М.Б. Блитштейн, В.А.Дейниченко [3,4,24,25,40,79,84,85,86,95,97,109]
В ИГД им.А.А.Скочинского накоплен большой опыт проведения усталостных испытаний на прочность и изгибную выносливость зубьев зубчатых колес на гидропульсаторах. Результаты этих исследований изложены в работах П.В.Семенчи и Ю.А.Зислина. На основании проведенных исследований разработан комплекс предложений по повышению прочности, долговечности и совершенствованию методов расчетов зубчатых передач.
Следует отметить , что ресурсные испытания отдельных деталей трансмиссий при всей их важности не могут дать комплексной оценки долговечности редуктора в целом с учетом взаимного влияния деталей друг на друга вследствие различных причин: деформаций валов и корпусных деталей, неточностей изготовления и пр.
Из представленного обзора следует, что ресурсные испытания трансмиссий различных машин проводятся рядом организаций и фирм с целью прогнозирования их долговечности. Ресурсные испытания развиваются в направлении сокращения сроков испытаний, в чем достигнуты значительные успехи. Так коэффициент ускорения по календарному времени [55 J при испытаниях задних мостов на Шнеком автозаводе составляет 60, шестерен коробок передач (НАТИ) на контактную усталость - 60, коробок передач легкового автомобиля ("Рено" - іранция) - 190, что обеспечивает существенную экономию средств на освоение производства новой техники.
Выбор режимов нагружения при ускоренных испытаниях во всех случаях производится на основании изучения спектров эксплуатационной нагруженности изделий. Для воспроизведения условий работы объекта испытаний с учетом всех факторов, обуславливающих долговечность объекта испытаний в эксплуатации, во время испытаний должна воспроизводиться аналогия деформаций корпусных деталей. Сопоставимость результатов испытаний стендовых и эксплуатационных обеспечивается воспроизведением на стенде видов повреждений деталей трансмиссий, имеющих место при эксплуатации изделия у потребителя.
1,3. Анализ конструкций стендов для ресурсных испытаний трансмиссий
Определение долговечности трансмиссий осуществляется на нагрузочных стендах, которые делятся по способу нагружения на стенды с замкнутым и разомкнутым энергетическими потоками [57, 37, 105, 18, 128, 130 ] . При испытаниях трансмиссий с разветвленными кинематическими схемами (имеющих несколько выходных валов) иногда применяется комбинация упомянутых способов, при которой одни валы нагружаются замкнутым, другие - разомкнутым способами.
На стендах с замкнутым потоком нагружение испытуемых объектов осуществляется за счет внутренних сил сопротивления замкнутого силового контура с циркуляцией мощности. Преимуществом этих стендов является их высокая экономичность, т.к. мощность приводного двигателя определяется только потерями (механическими, электрическими и т.д. в зависимости от способа замыкания) в контуре. Однако наличие дополнительных устройств для замыкания усложняет конструкцию стенда и в известной степени снижает его надежность.
В стендах с разомкнутым потоком нагружение осуществляется с помощью различных тормозных устройств, превращающих в тепло передаваемую им энергию. Разомкнутые стенды не экономичны, но более универсальны и поэтому получили большое распространение.
Конструированием и изготовлением испытательных стендов занимаются различные машиностроительные предприятия, а также проектные и научно-исследовательские организации.
Как было показано в разделе 1.2, стендовые ускоренные ресурсные испытания зубчатых трансмиссий получили широкое распространение в автотракторной промышленности, все больше заменяя при решении ряда технических вопросов дорожные и полигонные испытания.
На рис.1.1 схематично представлен разработанный на ЗИЛе стенд для испытаний коробок передач замкнутым способом22 J
Замкнутый контур образован с помощью замыкающих редукторов 2 и коробки передач 4, аналогичной испытуемой 3. Привод системы осуществляется от электродвигателя б, нагружение - с помощью планетарного нагружателя I. Величина нагрузки в замкнутом контуре контролируется с помощью датчика крутящего момента 5,
Кинематическая схема стенда Минского автозавода для испытаний ведущих мостов автомобиля представлена на рис.1.2 [55J. Замкнутый контур образован испытуемым мостом I, дополнительным мостом 2, двумя боковыми 3 и одним центральным 4 редукторами. Привод системы осуществляется через коробку перемены передач 5 от электродвигателя б, нагружение с помощью планетарного нагружателя 7. Нагрузка контролируется датчиком крутящего момента 8.
Ресурсные испытания отдельных зубчатых передач и узлов
Рис.І.І. Стенд для испытаний коробок передач конструкции ЗИЛа:
I -планетарный нагружатель, 2 -замыкающий редуктор,
3 -испытуемая коробка, 4 -замыкающая коробка, 5 - датчик крутящего момента, 6 -приводной электродвигатель
Рис.1.2. Стенд Минского автозавода для испытаний ведущих мостов:
I -замыкающий мост. 2 -испытуемый мост, 3 -замыкающий редуктор боковой, 4 -замыкающий редуктор центральный, о -коробка перемены передач, 6 -приводной двигатель, 7 -нагружатель крутящим моментом, 8 -датчик крутящего момента тракторных трансмиссий (бортовых передач, ведущих мостов и пр.) проводятся на стендах как с замкнутым потоком мощности, так и с разомкнутым, а также на стендах с нагружением двумя способами одновременно. Имеются также специальные стенды для динамических испытаний трансмиссий. В качестве привода на стендах применяются электродвигатели и тракторные двигатели внутреннего сгорания, тормозных устройств-балансирные машины постоянного тока, гидравлические, индукторные и порошковые тормоза.
ВНИИСТРОЙДОРМАШем разработаны стенды для проведения ресурсных ускоренных испытаний узлов трансмиссий строительных машин. Нагружение на стендах осуществляется замкнутым способом с по -мощью планетарных нагружателей, конструкции автозавода Лихачева (ЗИЛ).
Широко известно универсальное испытательное оборудование фирмы "Шенк" (Щ?). Фирма выпускает оборудование для испытания как отдельных деталей, так и узлов и машин в целом, например, автомобилей, самолетов и т.д. Применительно к испытаниям редук-торных узлов фирма выпускает стенды для испытания замкнутым и разомкнутым способом автомобильных коробок передач, раздаточных коробок и др. Замыкание силовых контуров может осуществляться механическим гидравлическим и электрическим способами. На рис. 1.3 представлен стенд для испытания автомобильных ведущих мостов.Привод осуществляется от балансирной электромашины постоянного тока 3. Электрические машины постоянного тока 2, присоединены к выходным валам испытуемого объекта через повышающие редукторы I нагружают испытуемый объект. С помощью преобразователя 4 осуществляется рекуперация электроэнергии между приводной и тормозными электромашинами.
Стенд фирмы "Шенк" для испытания автомобильных коробок пе-
Рис.І.З. Стенд фирмы "Шенк" для испытания ведущих мостов:
I -повышающий редуктор, 2 - тормозная машина постоянного тока, 3 - приводная машина постоянного тока, 4 - преобразователь, 5 - испытуемый мост редач замкнутый способом аналогичен представленному на рис. 1.2. Нагружение силового контура осуществляется с помощью вращающегося гидроцилиндра. Для испытаний разомкнутым способом фирма "Шейк" выпускает электрические, гидравлические, индукторные и порошковые тормоза широкой номенклатуры.
С помощью управляющих установок, выпускаемых фирмой, ресурсные испытания можно производить при самых различных способах нагружения, включая воспроизведение эксплуатационных нагрузок.
Рядом зарубежных фирм созданы испытательные стенды применительно к конкретному выпускаемому оборудованию.
Стенд Берлинского завода "Специалфарцейгверк" (ГДР) предназначен для испытаний коробок передач, главных передач и дифференциалов грузовых автомобилей с двигателями мощностью до 180 л.с. Испытания проводятся замкнутым способом. Нагружение силового контура осуществляется с помощью планетарного нагру-жателя. Стенд оборудован поворотной рамой для имитации наклона автомобиля [55] .
Стенд для испытаний коробок передач большой мощности фир -мы "Давид Браун" (Великобритания) выполнен с замыканием силового контура электрическим путем (схема аналогична приведенной на рис.1.4). При мощности приводного двигателя 746 кВт возможно проведение испытаний практически неограниченной мощности.
Проведение ресурсных испытаний всегда связано с большой протяженностью во времени. Испытания проводятся, как правило, при круглосуточной работе стенда. Для обеспечения поддержания заданных уровней нагрузки и отключения стенда при аварийной ситуации в конструкциях рассмотренных стендов широко применя- ются различные системы автоматизации их работы.
Как видно из представленного обзора, широкое применение при ресурсных испытаниях трансмиссий находят замкнутый и разомкнутый способы нагружения объектов испытаний. Для замыкания силового контура часто применяют редуктор, аналогичный по конструкции испытуемому, или второй экземпляр испытуемого редуктора. Это обеспечивает симметрию, а, следовательно, упрощение общей компановки стенда, так как дополнительные замыкающие редукторы в этом случае (см.рис.1.1) получаются полностью симметричными и могут быть использованы при испытаниях редукторов с различным) передаточным отношением.
1.4. Испытания трансмиссий режущих частей очистных комбайнов
Очистные комбайны подвергаются испытаниям в процессе создания новых и производства серийных машин, а также после проведения капитального ремонта. Трансмиссия режущей части испы-тывается, как правило, в сборе с комбайном. Постановке комбайнов на серийное производство предшествует большой комплекс всесторонних испытаний, от качества которых в значительной степени зависят сроки создания доведенной конструкции.
В соответствии с [58] для определения возможности предъявления на приемочные испытания, проводятся доводочные и предварительные испытания комбайнов, имеющие целью опенку соответствия машины технической характеристике и включают: проверку взаимной увязки с элементами механизированного комплекса (конвейером, крепью); опробование вхолостую и обкатку под нагрузкой механизмов подающей и режущей частей; функциональные испытания. з/
Дня решения вопроса о целесообразности постановки на производство проводятся приемочные испытания в условиях эксплуатации, В соответствии с ГОСТ 11986-73 [4в]; очистные комбайны в ходе их производства подвергаются приемо-сдаточным, типовым и периодическим испытаниям на стендах предприятия-изготовителя. Аналогичным испытаниям должны подвергаться комбайны после капитального ремонта на рудоремонтных заводах. Ниже подробно рассмотрены испытания в той или иной степени связанные с проверкой долговечности трансмиссий режущих частей очистных комбайнов.
Стендовые испытания трансмиссий комбайнов проводятся в проектно-конструкторских и научно-исследовательских институтах, а также на машиностроительных предприятиях отрасли. Нагружение испытуемых трансмиссий на стендах производится либо с помощью среды, имитирующей эксплуатационный характер нагружения, либо с помощью специальных устройств. В качестве такой среды при испытаниях гомбайнов применяется углецементный блок. Испытания на углецементном блоке [9б] являются (функциональными и ввиду малой продолжительности резания блока, вследствие ограниченности его размеров, обусловленной высокой стоимостью изготовления, не позволяют судить о ресурсе трансмиссий.
Приемо-сдаточные и периодические испытания трансмиссий режущих частей очистных комбайнов проводятся в соответствии с ОСТ 24.070.26-73 [78J . Отсутствие четкой регламентации режимов обкатки в упомянутом ОСТе приводит к произвольному выбору величин нагрузок и продолжительности их действия в методиках различных предприятий (см.табл.1,1). Обкатка редукторов после изготовления или ремонта имеет целью прежде всего предварительную приработку зубчатых передач для повышения их долговечное- ти. Малая продолжительность принятых режимов работы под нагрузкой не может обеспечить приработку имеющих высокую поверхностную твердость зубчатых передач.
Типовые и периодические испытания серийных комбайнов, регламентированные в заводских технических условиях на изготовление, включают, помимо приемо-сдаточных испытаний, контрольную разборку и осмотр деталей трансмиссии.
Следует отметить, что ОСТ 24.070.26-73 допускает (примечание 2 п.3.1) проведение периодических испытаний в условиях эксплуатации у потребителя и не содержит определенных рекомендаций в части режимов испытаний и оценки их результатов. Этим обстоятельством объясняется то, что типовые и периодические испытания, проводимые в настоящее время на предприятиях отрасли, не позволяют определять ресурс испытуемых объектов, а следовательно оценивать достигнутый уровень качества серийной продукции, или целесообразность тех или иных изменений конструкции изделия с целью повышения его качества.
Наработка трансмиссии за время приемочных (шахтных) испытаний составляет 7-1( от расчетной долговечности. . Таким образом, при существующей в отрасли системе испытаний оценка ресурса производится исключительно путем наблюдений за эксплуатацией на шахтах парка машин. Постановка изделий на производство с непроверенным ресурсом приводит к увеличению материальных затрат и затягиванию сроков их доводки. Эксплуатация недоведенных машин требует повыпенного расхода запчастей.
Анализ конструкций испытательных стендов для трансмиссий режущих частей очистных комбайнов [96J показал, что, несмотря на то, что в последние годы рядом организаций отрасли проведена большая работа по совершенствованию средств для испытаний выпускаемой в отрасли продукции, их уровень не отвечает современным требованиям, Нагружение выходных валов крутящим моментом на этих стендах осуществляется как правило с помощью механических фрикционных тормозов, к основным недостаткам которых относятся: нестабильность тормозного момента, малая нагрузочная способность и низкая долговечность тормозных накладок. Стенды разработаны применительно к конкретным машинам, не универсальны, разнотипны по конструкции и требуют поэтому для своего размещения больших площадей.
По материалам разработок автора на ГШ им.С. М.Кирова созданы обкаточные стенды для испытания трансмиссий режущих частей выпускаемых заводом комбайнов [9б] . Нагружение испытуемых объектов на этих стендах осуществляется посредством электропорошковых тормозов ТЭП 4500, имеющих независимый от оборотов тормозной момент и не требующих поэтому наличия повышающих редукторов. Соединение выходных валов испытуемых объектов с тормозом производится с помощью карданных валов, упрощающих центровку.
ЛГИ им.Г.В.Плеханова разработал и внедрил на заводе "Красный Октябрь" стенд для испытания после ремонта комбайнов Ш-ІКГ, 2К-52, Ш0І [77] На стенде с помощью нагрузочных машин постоянного тока, подсоединенных к выходным валам испытуемых объектов с помощью мультипликаторов, можно создавать переменные нагрузки и по механическим потерям в трансмиссии проверять качество ремонта приводов исполнительного органа.
Стенд ЛГИ является по своему назначению обкаточным стендом, о чем свидетельствуют проведенные на нем работы [17, 106) и принятая методика испытаний, и представляет собой более совершенную конструкцию, по сравнению с существующими .К числу
Таблица I.I Режимы обкатки комбайна 2К52М при приемо-сдаточных испытаниях
Ступени Мощность натру- кВт жения
Направление вращения
Продолжительность испытаний, мин хол.ход недостатков стенда следует отнести: отсутствие нагружения выходных валов испытуемых комбайнов осевыми и радиальными силами искажает картину нагружения трансмиссии на стенде по сравнению с эксплуатацией; наличие повышающих редукторов нарушает динамическую структуру испытуемого привода и снижает долговечность стенда.
В ДЛИ на базе узлов комбайнов 2К52 и ІГШ-68 создан стенд [II] для исследования нагруженности зубчатых колес очистных комбайнов, при нагружении только статическим моментом.
В 1969 г. в Гипроуглемаше под руководством автора был разработан стенд CTI7, на котором были проведены ускоренные ресурсные испытания трансмиссии режущей части комбайна "Ш-Старт" [iIOj . Испытания проводились при постоянном режиме нагружения. Необоснованно завышенная величина коэффициента форсирования (К* = 3,7) привела к нарушению теплового режима смазки зубчатых передач и преждевременному разрушению рабочих поверхностей зубьев. Опыт этих испытаний подтвердил, что режимы нагружения при ускоренных испытаниях на стенде должны определяться с учетом эксплуатационной нагруженности объектов испытаний.
На основе изучения опыта проведения ускоренных ресурсных испытаний в других отраслях машиностроения ИГД им.А.А.Скочинско-го и Гипроуглемашем в 1974 г. была разработана первая редакция "методики ускоренных стендовых испытаний трансмиссий выемочных комбайнов" [юо] к. В этом документе были представлены режимы испытаний, выбор их параметров, даны рекомендации по выбору количества объектов испытаний, организации и порядку их проведения. Составление нагрузочного блока производилось известным методом по накопленной (интегральной) кривой, построенной в соответствии х Научные руководители и исполнители работы -Ю.Д.Краеников. П.В.Семенча, Е7Е.Гольдбухт, Ю.А.Зислин, Э.В.Нулешова, Г.Е. Шевченко, Б.П.Грязнов, А.Н.Вигилев. с нормальным законом распределения действующих нагрузок. Определение параметров режима нагружения предлагалось выполнять в соответствии с математическим ожиданием, дисперсией и корреляционной функцией или спектральной плотностью нагрузок. Однако, как было показано в предыдущем разделе и подтверждено экспериментально в настоящей работе, при испытаниях зубчатых трансмиссий нет необходимости воспроизводить частотный нагрузочный спектр. Основные положения методики не подкреплены опытом, что придает ей несколько умозрительный характер. К числу ее недостатков следу- \ ет отнести также отсутствие конкретных инженерных рекомендаций і по расчету параметров режима нагружения, по выбору количества ] объектов испытаний, по определению продолжительности испытаний, а также по оценке ресурса испытуемого изделия по результатам испытаний.
Для сравнения следует отметить, что в институте Главного угольного управления Великобритании ( л/се ) имеется уже более чем 15-летний опыт проведения стендовых ускоренных ресурсных испытаний различных редукторов горных машин, включая трансмиссии режущих частей очистных комбайнов fl25J . Опытные комбайны, в том числе выпускаемые частными фирмами, проходят всесторонние исследования на стендах, полигонах, а также на опытных участках в шахте. Для оценки долговечности,в соответствии с принятой методикой,испытания производятся при нагружении выходного вала испытуемой трансмиссии крутящим моментом, соответствующим номинальной мощности приводного двигателя, и радиальной силой, равной половине усилия подачи. Установлено, что редуктору, отработавшему без поломок 1000 ч. гарантирован ресурс в эксплуатации, равный 4000 ч. Такая оценка результатов ресурсных испытаний возможна только при условии стабильности и высокого качества изготовления трансмиссий, а также большого опыта проведения испытаний.
Зарубежные комбайны, закупаемые А/СВ для эксплуатации в угольных бассейнах Великобритании, также проходят стендовые ресурсные испытания в MRDE по приведенной выше методике.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что принятые в производстве испытания трансмиссий режущих частей очистных комбайнов необходимо усовершенствовать как в методическом плане, так и в части создания средствдля проведения ресурсных испытаний»
1,5. Задачи исследования
Приведенный выше анализ методов и средств для испытания различных трансмиссий позволяет сделать следующие выводы: получение данных о долговечности трансмиссий режущих частей очистных комбайнов, базирующееся до настоящего времени на результатах эксплуатационных наблюдений, является весьма длительным процессом, а отсутствие оперативной оценки долговечности приводит к постановке на производство машин с непроверенным ресурсом и затрудняет проведение работ по усовершенствованию конструкций и технологического процесса их производства и ремонта; в СССР и за рубежом во многих отраслях машиностроения получили широкое распространение стендовые ускоренные ресурсные испытания, позволяющие определять ресурс как опытных, так и серийных машин в приемлемые для практики сроки, что в значительной степени определяет их высокий качественный уровень.
Для реализации в отрасли стендовых ускоренных ресурсных испытаний трансмиссий режущих частей очистных комбайнов и в соответствии с целью настоящей работы сформулированы задачи исследования: разработать метод расчета режима нагружения; создать технические средства для проведения ресурсных ускоренных испытаний; установить критерий предельного состояния объектов испытаний и метод оценки степени повреждения зубьев; установить коэффициент перехода для оценки эксплуатационного ресурса по результатам стендовых испытаний; по результатам испытаний разработать рекомендации по повышению долговечности основных элементов трансмиссий.
1.6. Методология исследований
Для решения поставленных задач разработана методология, предусматривающая : обобщение отечественного и зарубежного опыта по исследуемому вопросу в различных отраслях машиностроения; аналитические исследования (методика расчета режимов нагружения, описание результатов испытаний и т.д.); разработку конструкции универсального нагрузочного стенда; экспериментальные исследования (проведение ресурсных испытаний) ; разработку предложений и рекомендаций по повышению долговечности и совершенствованию трансмиссий режущих частей очистных комбайнов, а также по дальнейшему совершенствованию конструкции стенда.
Работа проводилась в Гипроуглемаше и ИГД им. А.А. Скочинско-го в соответствии с Головной темой 01172 отраслевого плана НИР Минуглепрома СССР, а также в рамках соглашения между Минуглепро-мом СССР и Главным угольным управлением Великобритании по теме "Повышение надежности горношахтного оборудования",
В качестве объекта испытаний была выбрана режущая часть серийного комбайна IKI0I, являющейся одной из широко распро- страненных серийных моделей, по которой накоплен большой опыт эксплуатации и различных лабораторных исследований.
Схема методологии исследований представлена на рис.1.4. На основании аналитических исследований условий эксплуатации очистных комбайнов и особенностей конструкций их режущих частей производятся разработки методики проведения стендовых ускоренных ресурсных испытаний и средств для их проведения.
Обработка и анализ результатов проведенных стендовых испытаний режущих частей, количественное и качественное сопоставление видов повреждений деталей трансмиссий на стенде и в эксплуатации дадут возможность: проверить правильность основных положений методики; установить пригодность стендового оборудования и наметить пути его модернизации; определить коэффициент перехода для прогноза эксплуатационного ресурса и дать рекомендации по повышению долговечности испытанных трансмиссий.
Анализ услобий эксплуатации йнапиз конструкта ций комдайноб
Разработка конструкиии стенда
Пробедение ускоренных испытаний
Определение коэффц ииента перехода dm расчета эксплуатационного ресурса
Формиробоние режима ускоренных испытаний
Качественное и mum тбеннре сопоставление оищ повреждений на стенде и б эксплуатации
Обработка и анализ резупьтатоб испытаний
Разработкаt предложений по повышению долговечности трансмиссий
Модернизация конструкции стенда І
Рис.1.4. Схема методологии исследований
Опыт проведения стендовых ресурсных ускоренных испытаний зубчатых трансмиссий в других отраслях машиностроения
Главным условием, которое должно выполняться при организации и проведении ускоренных испытаний на ресурс, является воспроизведение на стенде видов и характера повреждений аналогичных эксплуатационным. Наиболее просто это достигается воспроизведением на стенде спектра эксплуатационных нагрузок. Как было показано в разделе 1,2, ввиду технических сложностей на практике пользуются упрощенными способами нагружения. Между режимами стендовых испытаний и эксплуатационными, существует определенная связь, обусловленная необходимостью сравнения количественной и качественной сторон процессов разрушения,
Формирование нагрузок в трансмиссии режущей части очистного комбайна происходит на исполнительном органе машины и определяется сопротивляемостью резанию угля, конструктивными особенностями машины и кинематикой ее перемещения по лаве.
Институтом горного дела им.А.А.Скочинского на основании проведенных исследований разработана экспериментально-статистическая теория резания угля и горных пород. Основные положения этой теории изложены в трудах А.И.Берона, Л.И.Барона, Л.Б. Глатмана, Е.З.Позина [6, 5, 90, 20] .
Случайный характер изменения механических свойств угля, наличие твердых включений и трещин, динамическая структура привода комбайна, неравномерность перемещения комбайна вдоль забоя обуславливают неравномерность нагрузки на исполнительном органе.
Разброс нагрузки вокруг средней (спектр нагруженности) происходит с переменными частотой и амплитудами, которые могут достигать многократных значений от средней величины нагрузки.
Имитация эксплуатационной нагруженности комбайнов в условиях стенда весьма затруднительна. В целях упрощения, пространственная система сил на исполнительном органе может быть заменена осевой и радиальной силами и крутящим моментом, приложенными к выходному валу. Эквивалентная система нагружения выходного вала испытуемой трансмиссии обеспечивает напряженное состояние, а следовательно и деформации деталей аналогичное тому, которое имеет место в эксплуатации.
Основной задачей программирования ресурсных испытаний яв -ляется воспроизведение нагрузочного режима, эквивалентного по повреждающему воздействию спектру эксплуатационных нагрузок, определяемому величиной (амплитудой) действующих нагрузок, их чередованием и длительностью действия.
Проведенными исследованиями [69, 19]установлено, что замена спектра эксплуатационных нагрузок некоторым упорядоченным (нагрузочным блоком) должна производиться с таким расчетом, что бы каждый уровень нагрузок во время испытаний воспроизводился не менее 10-20 раз. Количество ступеней в блоке должно быть не менее 6-8.
Параметры нагрузочного блока - величины нагрузок и продолжительность их действия - определяют параметры приводного электродвигателя и статистические характеристики нагрузок на валу исполнительного органа.
Основными исходными данными для расчета параметров блока являются устойчивые моменты на валах приводного электродвигателя и исполнительного органа Муст и Ми уст , соответствующие эксплуатационному режиму работы и связанные соотношением:
Расчет режимов нагружения при стендовых ресурсных испытаниях
В настоящее время ресурс очистных комбайнов определяется ресурсом их режущих частей, в свою очередь лимитируемым в основном долговечностью зубчатых передач. Более 7($ всех средств, затрачиваемых на приобретение запчастей при капремонтах очистных комбайнов, расходуется на детали трансмиссий, в первую очередь - на зубчатые колеса и валы-шестерни.
Долговечность зубчатых передач, как правило, определяется прежде всего повреждениями их зубьев. Класси(йкация видов повреждений зубьев зубчатых передач в общем и угольном машиностроении приведена в ряде работ [72, 73, 65, 50 68, I32J. Повреждения зубьев можно условно разделить на поломку и повреждения рабочих поверхностей.
Поломка зубьев, полная или частичная, приводит к аварии трансмиссии, так как повышенная нагрузка на соседний с отломившимся зубом приводит также к скорой его поломке. Кроме того, отломившиеся части зуба попадают между зубьями других шестерен и преждевременно выводят их из строя.
Причинами полного или частичного излома зуба могут быть: изгибная усталость; перегрузка; концентрация нагрузок по ширине зуба; попадание инородных предметов между зубьями; развитое по высоте зуба усталостное выкрашивание; чрезмерный износ; последствия неправильной механической или термической обработки,
К поверхностным повреждениям зубьев относятся: износ, усталостное выкрашивание, отслаивание поверхностного слоя, заедание, пластическая деформация поверхностного слоя и коррозия.
Износ зубьев сопутствует нормальной работе зубчатых передач и подразделяется на приработочный и абразивный.
В начале работы происходит взаимная приработка зубьев. Поверхностные неровности сглаживаются в результате деформации или истирания. После взаимного сглаживания поверхностей количество продуктов износа в смазочном масле, свидетельствующее об интенсивности износа, стабилизируется.
Абразивный износ характеризуется матовой поверхностью зуба, покрытой отчетливо видимыми рисками в направлении скольжения и вызывается механическими примесями, находящимися в смазке (продуктами коррозии, продуктами износа деталей, инородными включениями и грязью, попадающими в редуктор через уплотнения при работе и заливные отверстия при смене масла) и является превалирующим для трансмиссий горных машин.
Усталостное выкрашивание происходит вследствие накопления повреждений в поверхностном слое зубьев в результате действия повторяющихся контактных напряжений и является в настоящее время основным фактором.лимитирующим долговечность зубчатых колес трансмиссий очистных комбайнов. Внешне этот вид повреждения проявляется в образовании на поверхности зуба мелких, размером от десятых долей до нескольких миллиметров, оспин.
При определенных условиях количество оспин или углублений, остающихся после выкрашивания частичек увеличивается, происходит их слияние с образованием сплошных "язв" выкрашивания, приводящее в конечном к аварийному (чаще всего в виде излома или заедания) выходу зуба из строя. Это так называемое прогрессирующее выкрашивание.
Часто выкрашивание начинается уже после непродолжительной работы шестерен, носит локальный характер и через некоторое время прекращается. Это так называемое ограниченное или непрогрессирующее выкрашивание, причиной которого являются местные перенапряжения, вызванные погрешностями изготовления зубьев шестерен; несоосностью расточек корпусов; перекосом валов вследствие недостаточной их или корпусов жесткости, или недопустимых перегрузок.
Недостаточная вследствие различных причин прочность поверхностно упроченного слоя зубьев приводит к сходному с выкрашиванием виду повреждения - отслаиванию поверхностного слоя. Отслаивание может возникать также в случае, когда высокие напряжения, возникающие в местах контакта зубьев проникают глубже толщины цементированного слоя. Отслаивание характеризуется выкрашиванием сразу крупных участков рабочей поверхности зуба и внешне напоминает развитое усталостное выкрашивание.
Принципиальные схемы стендов для ресурсных испытаний трансмиссий режущих частей очистных комбайнов
Анализ кинематических схем комбайнов со шнековыми исполнительными органами показывает, что они могут быть условно разделены на три, представленные на рис.3.3 типовые схемы: нераз в ет в ленная, разветвленная односторонняя, разветвленная симметричная.
Кинематические схемы конкретных серийных машин отличаются от типовых, в основном,местом расположения конической передачи (обычно первая или вторая ступени считая от электродвигателя) и общим количеством передач.
Известны две разновидности комбайнов, выполненных по нераз-ветвленной схеме: с неподвижным шнеком и со шнеком, регулируемым по мощности пласта. В первом рлучае регулирование по мощности пласта осуществляется с помощью сменных шнеков различного диаметра, регулирование по гипсометрии - за счет изменения положения в пространстве .корпуса комбайна. Несмотря на такие важные преимущества, как малые габариты и предельная простота конструкции, комбайны этого типа имеют ограниченное применение -SE -ІУ(ІРГ), KSV -60 (ЧССР). Основным недостатком комбайнов с одним регулируемым по мощности пласта шнеком- KS V -зз (ЧССР АШ ІНР) , EWL (3SPF), является невозможность полной выемки лавы за один проход, что также сужает область их применения.
Широкое применение находят комбайны с двумя регулируемыми, смещенными к одному концу машины шнеками 2К52, KSVA-4Q (ЧССР), КІЛ/В - 4(ПНР) (разветвленная односторонняя схема). При простоте конструкции существенным недостатком этих машин является не -возможность безнишной выемки.
Большинство новых комбайнов выполнено по разветвленной симметричной схеме, обеспечивающей, наряду с челноковой работой и выемкой пласта за один проход, возможность работы без ниш -KWB-6 (ПНР), #1 -300 і (Ш1), KSW-ZQQ (ЧССР), 2 TS -ЗОО Іранщя, АВ 16/200 - Англия.
В первой главе были подробно рассмотрены два основных способа нагружения испытуемых объектов при проведении нагрузочных испытаний: испытания с замкнутым силовым контуром (замкнутый способ); испытания с разомкнутым силовым контуром (разомкнутый способ).
Как показали проведенные исследования, оба эти способа могут быть применены при ресурсных испытаниях трансмиссий очистных комбайнов.
Основные варианты принципиальных схем таких испытаний представлены на рис.3.4.
При испытаниях с разомкнутым силовым контуром (рис.3.4 а), в соответствии с изложенным в п.3.1, трансмиссия с приводным двигателем устанавливается на опорных лыжах на закрепленном на стендовой плите рештачном ставе. Выходной вал соединен с тормозным устройством для нагружения крутящим моментом. Нагружение радиальной силой осуществлено с помощью радиального нагружателя.
На рис.3.4 б представлены в общем виде испытания трансмиссии режущей части комбайна с неразветвленной односторонней схемой замкнутым способом. Замыкание силового контура осуществляется с помощью аналогичной испытуемой режущей части, перемонтированной на противоположный забой, и двух специальных редукторов. Нагружение крутящим моментом с помощью нагружателя, осу -ществляющего закручивание, и, следовательно, нагружение замкнутого контура. Привод системы осуществляется от электродвигателя.
Схема испытания трансмиссии с разветвленной кинематической схемой замкнутым способом представлена на рис.3.4 г. Замкнутый контур образован с помощью замыкающих редукторов, нагружение осуществляется с помощью нагружателя, привод-от электродвигателя.
Результаты испытаний и сравнительная оценка повреждений зубчатых колес на стенде и в эксплуатации
Помимо крутящего момента, выходной вал в процессе ресурсных испытаний нагружался с помощью радиального нагружателя боковой силой, равной (см.приложение 3) 3500 кГ и приложенной под углом 45 к вертикали. Для фиксации от перемещения вдоль рештач-ного става под действием горизонтальной составляющей боковой силы, испытуемая режущая часть была соединена отрезком цепи с якорным устройством.
Масляные ванны редукторов основного, промежуточного и привода исполнительного органа были соединены гибкими шлангами с отсеками маслоохладительной станции, поддерживавшей в процессе испытаний температуру масла в испытуемых редукторах в пределах 70-80С.
Величина крутящего момента на выходном валу (табл.4.1) определялась по усилию на рычаге тормоза, замеряемому с помощью весоизмерительного устройства ВКМ-300, входящего в состав стендового оборудования. Мощность приводного двигателя измерялась и непрерывно регистрировалась самопишущим прибором Н-348.
Величина радиального усилия на выходном валу определялась в соответствии с тарировочным графиком по показаниям манометра на пульте управления. Измеряемые параметры, а также ход проведения испытаний, регистрировались в журнале.
Уровни нагрузок и время их действия устанавливались при работе стенда: в ручном режиме - оператором с пульта управления, при работе в автоматическом режиме - управляющей ЭВМ "Электроника- I".
Испытания проводились при трехсменной работе стенда.Через каждые 150 часов производилась разборка промежуточного редуктора и редуктора привода исполнительного органа и контрольный осмотр их деталей. Наличие большой съемной верхней крышки основ ного редуктора позволило производить его осмотр без разборки.
В настоящей работе предложен и разработан способ дефекти-ровки поврежденных усталостным выкрашиванием зубьев, сущность которого заключается в следующем: очищенная поверхность зуба покрывается тонким слоем масляной краски; после чего к ней прижимается липкой стороной к зубу полоска клейкой прозрачной ленты, которая затем снимается и наклеивается на белую бумагу.По-лучаемый таким способом отпечаток поврежденного зуба представляет собой развертку боковой поверхности зуба на плоскость и позволяет определять действительные размеры (ширину и длину) поврежденной усталостным выкрашиванием зоны, а также форму и размеры пятна контакта и таким образом объективно, в числовом выражении, оценивать степень повреждения с помощью безразмерного коэффициента повреждаемости: который рассмотрен выше в п.2.4.
Испытания прекращались по достижении испытуемыми трансмиссиями предельного состояния, определяемого в соответствии с п. 2.3 (настоящей работы) выходом из строя 50$ зубчатых передач, дефектировка которых производилась в соответствии с критериями, приведенными в таблице 2.3. Состояние отбракованной шестерни определялось но наиболее поврежденному зубу. Зубчатые передачи, выходившие из строя до наступления предельного состояния трансмиссий, как это имеет место в эксплуатации, заменялись новыми.
Результаты испытаний и сравнительная оценка повреждений зубчатых колес на стенде и в эксплуатации
В результате дефектировок трансмиссий режущих частей, проведенных после окончания ресурсных испытаний установлено, что корпусные детали, подшипники и шлицевые соединения находились в работоспособном состоянии, в то время как зубчатые передачи имели весьма существенные повреждения рабочих поверхностей зубьев. Преждевременный выход подшипников, наблюдаемый в эксплуатации [74] объясняется прежде всего повышенной загрязненностью масла.
Вопросы износа посадочных гнезд поднипников, по-видимому, в какойгто степени связаны с заклиниванием подшипников, вследствие попадания грязи, и проворачиванием их колец в корпусах.
Как было отмечено в п. 1.2 режимы ускоренных испытаний должны выбираться таким образом, чтобы оставалась неизменной качественная сторона процесса разрушения [53] . Сравнение видов повреждений зубчатых передач после ресурсных испытаний и после эксплуатации производилось по результатам обследований, проведенных во время дефектировок режущих частей комбайна IKI0I, поступающих в капитальный ремонт на Рутченковском рудоремонтном заводе [2, 82] , а также с результатами специально организованных наблюдений за эксплуатацией десяти комбайнов [8l]
