Введение к работе
Актуальность работы. Ремонт и замена крупномодульных зубчатых передач горных машин требует вывода из эксплуатации основного производственного оборудования и остановки технологической цепочки, что ведет к значительным потерям. Основной причиной выхода из строя крупномодульных зубчатых передач является их механический износ.
В настоящее время используются методы повышения ресурса крупномодульных зубчатых передач, основанные на использовании износостойких материалов и совершенствовании систем смазки.
Минимизировать износ зубьев зубчатых передач, придать им необходимые прочностные характеристики возможно оптимизацией геометрических параметров зацепления. При этом стандартные методы проектирования крупномодульных зубчатых передач предоставляют ограниченный выбор рациональных параметров зацеплений. Применение комбинированного смещения позволит значительно расширить рациональную область существования зацепления. Однако применение комбинированного смещения из-за сложности определения области существования для внешнего зацепления затруднено, а для внутреннего зацепления - не применяется.
Вопросами ресурса трансмиссий горных машин, повышения их надежности, совершенствования привода посвящены работы многих исследователей: В.А. Бреннера, А.В. Гетопанова, Л.Б. Глатмана, В.Г. Гуляева, В.Н. Дмитриева, А.В. Докукина, М.Д. Коломийцова, И.П. Иванова, Л.И. Кантовича, Н.Г. Картавого, Ю.Д. Красникова, В.И. Морозова, Р.Ю. Подэрни, Е.З. Позина, В.М. Рачека, Г.И. Рахутина, П.В. Семенчи, В.И. Солода, Г.И. Солода, А.В. Топчиева, З.Л. Хургина и др.
Кроме того использование ручной смазки рабочих поверхностей открытых крупномодульных зубчатых передач при проведении технического обслуживания не обеспечивает эффективность смазки зацепления. Количество и режим подачи консистентной смазки автоматическими системами смазки не обеспечивает эффективную смазку по состоянию в изменяющихся условиях эксплуатации. Вместе с тем, отсутствуют и эффективные диагностические средства для оценки состояния в широком диапазоне скоростей при работе зубчатых передач. Повышение ресурса крупномодульных зубчатых передач не возможно без устранения указанных недостатков, а для решения этих вопросов требуется проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
Цель работы: обеспечение рациональных условий работы крупномодульных зубчатых передач горных машин за счет оптимизации параметров зацепления и их эффективной смазки для снижения интенсивности износа рабочих поверхностей зубьев.
Основная идея работы: сокращение износа зубчатой передачи или редуктора в целом следует обеспечивать за счет подачи смазки в узел трения при возрастании величины диагностического интегрального показателя D – энергии акустико-эмиссионного сигнала и оптимизации геометрических параметров зацепления с использованием трехмерных областей их существования.
Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:
-
Теоретически обоснованы и сформированы трехмерные области существования зацепления для передач внешнего и внутреннего зацепления для выбора их рациональных параметров.
-
Разработан универсальный алгоритм и получены трехмерные области существования внешнего и внутреннего зацеплений с заданным коэффициентом перекрытия передач с указанием области минимизации износа.
-
Оценена интенсивность износа материалов зубчатых передач горных машин в зависимости от геометрических параметров зацепления в полученных трехмерных областях.
-
Разработаны, изготовлены стенды и проведены экспериментально оценки смазывающей способности смазок, оценка акустико-эмиссионного сигнала трансмиссий от условий смазки и наличия дефектов на его величину, а также сравнение этих результатов с другими видами диагностики трансмиссий.
-
Выявлено влияние изменения величины диагностического интегрального показателя D, эквивалентного величине сигнала акустической эмиссии в редукторе от частоты вращения входного вала.
-
Разработан комплекс мероприятий по снижению износа зубчатых передач горных машин и диагностированию их фактического состояния при эксплуатации.
-
Проведена диагностика состояния реальных технических объектов на основе разработанной методики оценки состояния по величине акустико-эмиссионного сигнала для последующего своевременного технического обслуживания по фактическому состоянию оборудования.
Методы исследования. Использовался комплексный метод исследований, включающий системный анализ, математическое моделирование и экспериментальные исследования, проведенные на оригинальных стендах.
Основные теоретические результаты получены с использованием подходов, базирующихся на классических методах расчета деталей машин, теории механизмов и машин, трибологии и триботехники. Для обработки экспериментальных данных использованы методы математической статистики.
Научная новизна работы. Определены трехмерные области существования зубчатых зацеплений с комбинированным смещением, выявлены общие закономерности их формирования для передач с внешним и внутренним зацеплением и установлены сектора геометрических параметров зацепления с уменьшенными коэффициентами удельных скольжений.
Экспериментально установлено, что величина акустико-эмиссионного сигнала от условий смазывания в паре трения описывается полиномиальной зависимостью, позволяющей оценить режим трения консистентных смазок в элементах трансмиссии.
Защищаемые научные положения:
-
Изменение радиального зазора в зацеплении от стандартного в совокупности с комбинированным смещением расширяет область существования зацепления и переводит ее из плоскости в объемную фигуру, ограниченную пересекающимися поверхностями опасного подрезания, интерференции и заострения зубьев, совокупность точек которой определяет параметры эвольвентного зацепления цилиндрических передач горных машин внешнего и внутреннего зацепления нарезаемого стандартной рейкой или долбяком; при этом трехмерные области существования зацеплений, характерных для открытых зубчатых передач горных машин внешнего и внутреннего зацеплений, значительно различаются по их виду.
-
Изменение величины акустико-эмиссионного сигнала системы, представляющей собой механическую зубчатую трансмиссию горной машины, является монотонно возрастающей функцией, включая резонансные области системы, которая пропорциональна скорости вращения ее приводного вала.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается их согласованностью с общепризнанными представлениями о закономерности и механизме износа и деградации поверхностей деталей горно-металлургического оборудования, корректностью построения расчетных моделей, а также удовлетворительным согласованием прогнозируемых оценок с экспериментальными.
Практическая значимость работы:
Разработан алгоритм расчета области существования зубчатого зацепления с комбинированным смещением и на его основе созданы трехмерные области существования зубчатого зацепления для выбора рациональных геометрических параметров проектируемой передачи.
Создана инженерная методика оценки состояния зубчатого редуктора на основе изменения диагностического интегрального показателя D – энергии акустико-эмиссионного сигнала в характерной точке трансмиссии.
В рамках диссертационной работы выполнены: по программе У.М.Н.И.К.-2007 НИОКР по теме: «Разработка новых технологий добычи и переработки полезных ископаемых» проект № 77/51 «Разработка программы экспресс-диагностики горных машин»; по гранту для студентов, аспирантов ВУЗов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, в 2009 г. «Повышение ресурса крупномодульных зубчатых передач горных машин обеспечением рациональных условий их работы и диагностикой состояния».
Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2003-2007 г.г.) Международной конференции в Краковской горно-металлургической академии в 2004, 2005 и 2007 г.г., Международной конференции 2008 года во Фрайбергской горной академии, Восьмом Международном Форуме студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона (г. Владивосток, 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации горнодобывающих и перерабатывающих предприятий» 2009 г., Международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» 2008 и 2009 г., Научно-практической конференции «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли» (г. Троицк Московской области, 2009 г.), V Международной научно-технической конференции (г. Пенза, Приволжский Дом знаний, 2009 г.), Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования, (ВоГТУ, г. Вологда, 2009 г.)
Личный вклад автора. Поставлены задачи исследований, разработана методология их решения, созданы лабораторные стенды и проведены экспериментальные исследования: влияния скорости скольжения на смазывающую способность консистентных смазок; определения информативных точек на корпусе механической трансмиссии для диагностики по показаниям акустической эмиссии и вибрации; влияния дефектов в трансмиссии на мгновенную величину тока и напряжения в цепи питания приводного электродвигателя.
Разработаны алгоритм и программа по спектральному анализу сигнала, полученного со стенда по пилотной диагностике механической трансмиссии; программа по расчету геометрических параметров зубчатого зацепления цилиндрических передач внутреннего и внешнего зацепления, нарезаемых стандартной рейкой или долбяком.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе – 11 научных статей в журналах перечня ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, 5 приложений, общим объемом 167 страниц машинописного текста, содержит 11 таблиц и 79 рисунков, список литературы из 103 наименований.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность руководителям предприятий Артемьеву А.А., к.т.н. Потапенко В.С. (ЗАО «МЕТКАТОМ»), Подхалюзину С.П. (ООО «Техпартнер») за консультации, организационную помощь и возможность использования приборной базы в подготовке и проведении экспериментальных исследований.
