Содержание к диссертации
Введение 6
1. Состояние проблемы, цель и задачи исследования 13
1.1. Анализ условий, опыта эксплуатации и конструктивных особен- 13
ностей бесцепных систем подачи зубчато-реечного типа
-
Общее устройство бесцепных систем подачи и краткий обзор 13 опыта эксплуатации
-
Системы торможения очистных комбайнов 28
-
Обзор результатов исследований систем торможения очистных 37 комбайнов
-
Анализ методов расчета геометрических параметров и 40 прогнозирования ресурса движителей бесцепных систем подачи
-
Цель и задачи исследований 51
2. Разработка метода аналитических исследований стационарных и 53
тормозных режимов работы зубчато - реечных систем перемещения
2.1. Определение рациональных параметров пары «зубчатое колесо — 53
зубчатая рейка»
-
Метод расчета на износ пары «зубчатое колесо — зубчатая рейка» 65
-
Расчет параметров пары «зубчатое колесо — цевочная рейка» 77
-
Метод расчета на износ пары «зубчатое колесо - цевочная рейка» 80
-
Моделирование процесса изнашивания трехэлементного движите- 87 ля бесцепной системы подачи
-
Расчет параметров движителя «шестерня — зубчатое колесо - 87 зубчатая рейка»
-
Расчет параметров движителя «шестерня - зубчатое колесо — це- 94 вочная рейка»
-
Метод расчета на износ пары «шестерня — зубчатое колесо» 98
-
Метод расчета на износ трехэлементного движителя БСП типа ПО «шестерня — зубчатое колесо - рейка»
Выводы 115
3. Аналитические исследования процесса изнашивания движителей 117
БСГТ очистных комбайнов
3.1. Модельные экспериментальные исследования движителей БСП 117
-
Определение интенсивности механического изнашивания мате- 117 риалов
-
Определение коэффициентов абразивного ускорения износа 123 материалов склерометрическим методом
-
Результаты экспериментов по определению интепсивпостей из- 129 нашивания материалов элементов движителей БСП
-
Определение влияния геометрических параметров БСП на ресурс 133 движителя
-
Исследование закономерностей изменения кинематических и си- 150 ловых параметров БСП за время эксплуатации
-
Оценка влияния материала, из которого изготовлены элементы 157 системы подачи, на их износостойкость
-
Определение рациональных конструктивных параметров зубчато- 161 реечных систем подачи очистных комбайнов
3.5.1. Разработка рекомендаций по повышению ресурса движителей 172
3.6. Прогнозирование ресурса опорпо-направляющего механизма очи- 175
стного комбайна с зубчато-реечной системой подачи
Выводы 183
4. Повышение ресурса привода зубчато — реечных систем перемеще- 185
ния за счёт применения триботехнических составов
-
Методы повышения ресурса механизмов подачи очистных ком- 185 байнов
-
Сравнительные модельные экспериментальные исследования 194 эффективности различных способов упрочнения поверхностных слоев металла
Выводы 207
5. Аналитические исследования процесса торможения очистных ком- 208
баЙнов с БСП
-
Обобщённая математическая модель торможения очистного ком- 208 байна с БСП
-
Потери в движителе БСП, работающем в тормозном режиме 209
-
Анализ влияния элементов механизма подачи выемочной машины 216 с электроприводом подающей части на процесс торможения
5.4 Методика расчета встроенной системы торможения очистных ком- 222 байнов с БСП
-
Анализ тепловой нагружешюсти встроенных систем торможения 227
-
Обоснование выбора типа автономной системы торможения 229 Выводы 232
6. Экспериментальные исследования по повышению ресурса бесцеп- 234
ных систем подачи
-
Определение ресурса тяговых органов бесцепных систем подачи 234 в шахтных условиях
-
Экспериментальные исследования систем торможения очистных 243 комбайнов
6.2.1 .Стендовые исследования 243
6.2.1Л. Планирование экспериментальных исследований 246
6.2.2. Результаты испытаний 250
6.2.2Л. Анализ результатов испытания системы торможения комбайна 250 КШ1КГУ с механизмом подачи Г412
6.2.2.2 Результаты испытания встроенной системы торможения ком- 261 байна 1КШЭ
-
Результаты вычислительного эксперимента по изучению встроен- 272 ной системы торможения
-
Результаты шахтных исследований встроенной системы торможе- 274 ния очистного комбайна 1КШЭ
-
Проверка адекватности результатов эксперимента теоретическим 278 исследованиям
-
Практические предложения 279 Выводы 289 Заключение 291 Литература 295 Приложения 313
Введение к работе
Актуальность работы. Устойчивая тенденция значительного увеличения нагруженное комплексно - механизированных очистных забоев привела к росту скорости подачи комбайна в 1,6...2 раза и требуемого усилия подачи до 450 + 500 кН на один движитель на современных машинах, что вызывает повьппение уделыюй нагрузки в зубчато-реечных передачах в 1,9...2 раза. Это приводит к резкому ужесточению требований к качеству проектирования зубчато-реечных систем перемещения очистных комбайнов.
Известные методы конструирования позволяют определить основные компоновочные размеры, оценить силовые и кинематические параметры элементов привода и движителей бесцепной системы подачи (БСП) зубчато-реечного типа в проектном состоянии. При этом не учитывается их изменение в процессе неизбежного изнашивания, которое приводит к значительному отклонению от исходных силовых и кинематических характеристик привода, что может оказаться не только причиной преждевременного отказа системы, но и привести к возникновению аварийной ситуации. Результаты изучения изнашивания привода БСП очистных комбайнов носят фрагментарный характер, не вскрывают закономерностей процесса изнашивания и не могут служить базой для установления стационарных и тормозных режимов работы БСП. Создание обоснованного теоретического метода оценки изнашивания БСП, подтверждённого результатами опыта эксплуатации позволило бы разработать корректную методику прогнозирования ресурса движителей БСП на стадии проектирования.
Недостаточная изученность процессов торможения и растормаживания, отсутствие научно-обоснованных методик расчёта систем торможения при значительном увеличении скорости и усилия перемещения очистных комбайнов требует проведения широких комплексных исследований для разработки систем торможения повышенной энергоёмкости с автоматическим срабатыванием. Ограниченность габаритов проектируемых очистных комбайнов и достигнутый предел прочностных характеристик используемых ма-
7 териалов выдвигают на первый план поиск нетрадиционных решений, позволяющих повысить прочность элементов систем привода без увеличения их габаритов.
В связи с этим в диссертационной работе решается актуальная научная проблема повышения ресурса привода зубчато-реечных систем перемещения высокопроизводительных очистных комбайнов.
Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами НИР ОАО «ПНИУИ» (шифры тем 0492651000, 0491133000, 0492U2000, 0492449000, 0493822000, 0491017000), ФГУП ННЦ ИГД им. А.А. Скочинского (шифр темы 0196002000, номер госрегистрации 01860085800), а также ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 — 2006 годы» (ГК №БО 118/663).
Цель работы. Повышение ресурса привода зубчато — реечных систем перемещения высокопроизводительных очистных комбайнов на основе комплексного учёта факторов, формирующих стационарные и тормозные режимы работы и влияющих на процесс изнашивания контактирующих элементов привода.
Идея работы заключается в том, что повышение ресурса зубчато — реечных систем перемещения очистных комбайнов достигается за счёт установления влияния конструктивных и технологических факторов на закономерности изнашивания, посредством применения современных методов трибологии, а также научно обоснованного выбора параметров систем торможения с учётом взаимосвязей между внутренними и внешними движущими силами и силами сопротивления.
Метод исследований — комплексный, включающий обобщённый анализ опыта конструирования и эксплуатации зубчато-реечных систем перемещения, результатов работ по расчёту и прогнозированию ресурса элементов систем перемещения; теоретические исследования, основанные на современных методах теории изнашивания, теории плоских зацеплений; экспериментальные исследования по определению ресурса систем перемещения; приме-
8 нение при обработке и анализе результатов теоретических расчётов и экспериментальных данных ПЭВМ.
Научные положения, выносимые на защиту и их новизна.
Разработана математическая модель процесса изнашивания привода системы перемещения, учитывающая трибологические характеристики материалов контактирующих деталей, особенности условий эксплуатации, параметры опорно — направляющего механизма и тип тягового органа, что позволяет исследовать закономерности формоизменения контактирующих деталей.
Установлены закономерности изменения силовых и кинематических параметров системы перемещения за время её эксплуатации, обеспечивающие выбор рациональных размеров контактирующих элементов.
Обоснованы критерии предельного состояния тяговых органов с точки зрения обеспечения необходимых кинематических и силовых характеристик комбайна.
Выявлено, что достижение требуемых тягово - скоростных характеристик приведёт к напряжениям, превышающим допустимые в зоне контакта взаимодействующих элементов системы подачи. Получены закономерности процесса изнашивания элементов движителей, обработанных триботехниче-скими составами, которые снижают шероховатость поверхности и увеличивают твёрдость поверхностных слоев контактирующих - деталей, значительно повышая их ресурс.
Показано, что увеличение эффективности встроенных систем торможения может быть обеспечено за счёт современных методов расчёта, отличающихся учётом энергетических характеристик очистного комбайна, сил сопротивления движителя БСП и опорно - направляющего механизма, а также встроенных тормозных устройств с автоматическим управлением.
Установлены зависимости внутренних сил сопротивления перемещению, а также движущих сил от параметров комбайна, позволяющие оцени-
9 вать характер процесса рассеивания и гашения энергии в элементах трансмиссии при торможении.
Достоверность научных положений, выводов н рекомендаций подтверждается: корректностью постановки задач, адекватностью математических моделей, использующих положения современной теории изнашивания, реальным процессам и современным научным воззрениям; представительным объёмом стендовых, шахтных и модельных экспериментов с применением современных методов и средств измерений; корректным применением методов теории вероятности и математической статистики при обработке результатов эксперимента, удовлетворительной сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований (максимальные расхождения не превышают 14%); положительным опытом использования результатов диссертационной работы при производстве и совершенствовании современных бесцепных систем подачи; положительными решениями государственной патентной экспертизы по заявленным техническим решениям.
Научное значение работы заключается в разработке метода прогнозирования ресурса зубчато-реечных систем подачи высокопроизводительных очистных комбайнов с учетом формоизменения профилей контактирующих элементов в процессе эксплуатации и обосновании их рациональных, с точки зрения обеспечения высокой износостойкости и долговечности, конструктивных параметров, установлении основных закономерностей, разработке математической модели и зависимостей процесса торможения очистных комбайнов на наклонных пластах.
Практическое значение работы:
Установлены значения коэффициентов для определения интенсиваостен изнашивания материалов колеса и рейки и расчётные зависимости, позволяющие оценить ресурс движителя БСП зубчато-реечного типа на стадии проектирования и выбрать его рациональные параметры;
Разработан и реализован на ПЭВМ пакет прикладных программ в среде Mathcad 2001 по прогнозированию ресурса движителей зубчато-реечных систем перемещения высокопроизводительных очистных комбайнов;
Предложены конструкции реечных ставов зубчато-реечных систем подачи, обладающих повышенной технологичностью изготовления и пара метрами ресурса, новизна которых подтверждена патентами РФ;
Разработана методика расчёта параметров встроенной системы торможения, реализованная на ПЭВМ и новые технические решения тормозных устройств, с автоматическим управлением, защищенные авторскими свидетельствами;
Разработана конструкция экспериментальной установки для проведения ускоренных модельных исследований ресурса опорно — направляющего механизма, новизна которой подтверждена патентом РФ;
Предложена конструкция движителя БСП с разделяющимися потоками мощностей, применение которой позволит снизить контактные нагрузки в паре «колесо — рейка» в два раза, защищенная патентом РФ;
Созданы базовые технические решения, позволяющие контролировать изнашивание элементов передачи, новизна которых подтверждена патентом РФ, расширяющие область применения БСП зубчато - реечного типа.
Реализация результатов работы. Научные положения, выводы и рекомендации вошли в разработанные с участием автора отраслевые документы РД 12.16.239-91 «Бесцепные системы подачи. Расчёт геометрических параметров движителей. Методика» и РД 12.16.240-91 «Бесцепные системы подачи. Расчёт пространственных конструкций реечных секций на прочность. Методика», реализованы ОАО «ПНИУИ» и АО «Краснолучский маш-завод» (Украина) при создании новых и модернизации серийных реечных ставов 2УКПМ, 7БСП, 8БСП, РКГП. «Методика прогнозирования ресурса движителей БСП с зубчатым реечным ставом» использована ОАО «ПНИУИ». «Методика расчёта встроенных систем торможения (ВСТ) очистных комбайнов с бесцепными системами подачи» и рекомендации по повышению ресурса БСП использованы Горловским машиностроительным заводом (Украина) для прочностных расчётов элементов механизма подачи и совершенствования ВСТ очистных комбайнов.
Конструктивные предложения по повышению ресурса реечного става 2УКПК за счёт усиления концов реечных звеньев внедрены АО «Кузбасс-уголь» на ОАО «Шахта им. 7 Ноября», «Методика проектирования зубчато — реечных движителей для буровых станков» принята к внедрению ОАО Скуратовский экспериментальный завод и будет использована при разработке конструкторской документации движителей зубчато- реечной системы перемещения податчиков буровых станков.
Результаты, полученные при проведении ускоренных стендовых модельных исследований триботехнических составов, использованы ЗАО «Химэкс». Результаты работы использованы в учебном процессе при дипломном и курсовом проектировании в НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева, а также при чтении курса «Проектирование и конструирование горных машин и комплексов» в Тульском государственном университете.
Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы работы докладывались на научно-технических советах ОАО «ПНИУИ» (г. Новомосковск, 1990-1996, 2003 г.), региональных научно-практических конференциях «Повышение долговечности оборудования и восстановление деталей машин: опыт, проблемы, перспективы» (НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковск, 1997, 1999 г.), международной научно-технической конференции «Энергосбережение, экология и безопасность» (г. Тула, ТулГУ, 1999 г.), Неделе Горняка в МГГУ (г. Москва 2002, 2003 г.), Всероссийской конференции «Геоинформационные технологии в решении региональных проблем» (г. Тула, ТулГУ, 2001 г.), второй Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и энергосберегающих технологий добычи полезных
12 ископаемых и переработка отходов горного производства» (г. Тула, ТулГУ, 2002 г.), техническом совещании в институте УкрНИИмет (г. Харьков, 1991 г.), техническом совещании в АООТ «Каменский машзавод» (г, Каменск -Шахтинский, 1996 г.), технических совещаниях в АО СММ (г. Брянск, 1995 г.), технических советах АО «Краснолучский машзавод» (г. Красный Луч, 1990-1993 г.), научных семинарах НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева (г. Новомосковск, 1997-1999, 2004, 2005 г.), научных семинарах лаборатории автоматизированных комплексов и агрегатов ФГУП ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Ско-чинского (г. Люберцы, 1989 г.).
Публикации. По материалам работы опубликованы 1 монография, 41 статья, получено 5 патентов РФ и 4 авторских свидетельства на изобретения
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 312 страницах машинописного текста, содержит 92 рисунка, 23 таблицы и список литературы из 191 наименования.
