Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цели и задачи исследования 9
1.1 Обзор существующих конструкций скребково–цепного исполнительного устройства 9
1.2 Методика расчета параметров щебнеочистительных машин 18
1.3 Цели и задачи исследования 28
Выводы 29
2 Совершенствование метода расчета параметров скребково-цепного исполнительного устройства щебнеочистительных машин нового поколения 31
2.1 Математическая модель расчета параметров скребково-цепного исполнительного устройства щебнеочистительных машин нового поколения...31
2.1 Оценка адекватности разработанной математической модел .42
2.3 Экспериментальные и теоретические исследования удельной энергоемкости щебнеочистительных машин 49
2.4 Анализ компьютерного моделирования производительности и удельной энергоемкости щебнеочистительного комплекса ЩОМ – 1200 на двухпутных участках железнодорожного пути 57
Выводы 65
3 Способы повышения производительности щебнеочистительных машин нового поколения 67
3.1 Влияние скорости скребково-цепного исполнительного устройства на производительность щебнеочистительных машин 67
3.2 Влияние геометрических параметров скребково-цепного исполнительного устройства щебнеочистительных машин на производитель 77
Выводы .86
4 Создание адаптивной системы управления режимами работы щебнеочистительных машин 88
4.1 Управление рабочим процессом щебнеочистительного комплекса ЩОМ – 1200 88
4.2 Анализ экспериментальных данных работы щебнеочистительного комплекса ЩОМ-1200 88
4.3 Алгоритм системы управления режимами работы щебнеочистительных машин 91
Выводы 99
Заключение 101
Список используемой литературы 103
- Методика расчета параметров щебнеочистительных машин
- Оценка адекватности разработанной математической модел
- Анализ компьютерного моделирования производительности и удельной энергоемкости щебнеочистительного комплекса ЩОМ – 1200 на двухпутных участках железнодорожного пути
- Влияние геометрических параметров скребково-цепного исполнительного устройства щебнеочистительных машин на производитель
Методика расчета параметров щебнеочистительных машин
Загрязненный щебеночный балласт представляет собой уплотненную поездной нагрузкой смесь минеральных частиц и загрязнителя (угля, цемента, глины, руды, грунта, нефтепродуктов и др.), достигающего по объему 30% и более [82], при этом следует учитывать, что степень засоренности балласта в шпальных ящиках существенно выше, чем под подошвой шпал [18].
Необходимо очищать щебень при его загрязнении частицами менее 22,4 мм в количестве 30% и более (эта норма соответствует содержанию в щебне частиц менее 25 мм в количестве 32–37% и более). Жесткость балласта заметно снижается только при засоренности выше 50%, и поглощение энергии балластным материалом остается неизменным до уровня загрязнения около 50% [20].
Другой не менее важный засоритель, как растительность, приводящий к интенсивному загрязнению балластной призмы, особенно щебеночной, ухудшающий ее дренирующие свойства, нарушающий устойчивость пути и вызывающий быстрое накопление неисправностей на устранение которых затрачивается много средств и времени. Как показывают осмотры, растительность рано или поздно прорастает на балласте и закрепившись на нем, начинает формировать ту специфическую среду обитания, которая способствует превращению строительного материала в почвоподобное тело. В нем появляются отдельные признаки почвы, начиная от формирования благоприятных условий для роста новых растений (плодородие) и заканчивается характерным цветом (Рисунок 1). Корневая система нарушает основные свойства балласта [3].
При засорении щебеночного балласта теряется его способность упруго воспринимать нагрузки, что приводит к росту динамических сил взаимодействия подвижного состава и пути, увеличивает нагрузки во всех элементах верхнего строения пути и сокращает их ресурс. Для восстановления дренирующих и упругих свойств балластной призмы производят очистку балласта от засорителей [63].
Поэтому в начале 90-х годов XX столетия стали уделять большое внимание глубокой очистке щебня. До этого времени очистка щебеночного балласта осуществлялась центробежным способом щебнеочистительными машинами ЩОМ – Д, ЩОМ – 4. Максимальная глубина выемки балласта составляла 0,2 – 0,22 метра. При работе такого класса щебнеочистительных машин происходил выброс засорителей на плечо балластной призмы и откосы земляного полотна, что приводило к появлению шлейфов и засорению водоотводов. Машины с центробежной очисткой балласта и пассивным подрезным ножом эффективны только в начале постановки пути на щебень. Когда же его уровень доходил до проектных отметок, надо было применять технику, оставляющую путь на прежнем уровне. К тому времени на многих участках линии был «выбран» весь ресурс расстояния до контактного провода, отчего нарушились нормативные очертания балластной призмы и основной площадки земляного полотна. Также низкий уровень надежности, высокая энергоемкость, недостаточная глубина очистки, являлись недостатками щебнеочистительных машин с центробежной очисткой балласта [58].
Для вырезки загрязнённого щебня из пути щебнеочистительные машины в основном оснащаются баровым вырезающим устройством, выполненным в виде цепного скребкового рабочего органа. Баровым он называется еще потому, что цепь имеет лопатки со стержнями, которые иначе называют барами (bar – стержень (англ.)). Для эффективного разрушения щебеночного балласта и повышения устойчивости скребков стержни устанавливают под углом 40-45 к поперечному направлению скребков [53]. Скребково - цепной рабочий орган выполняет функции режущего устройства и скребкового транспортёра (по аналогии со скребковым конвейером), перемещающего вырезанный из пути загрязнённый щебень к месту разгрузки [15, 51]. В скребковых конвейерах груз при помощи движущихся скребков перемещается волочением по желобу или трубе [87].
В горной промышленности машины с баровым рабочим органом используются на врубовых, врубово-навалочных, навалочных, на горных комбайнах. С их помощью создаётся врубы (зарубные щели) и производятся другие работы. При этом могут использоваться разнообразные типы баров (плоские, сдвоенные, изогнутые и другие). Принцип их действия подобен принципу действия угледобывающих врубовых машин (например, Урал-33), они могут применяться как в открытых карьерах, так и в подземных выработках. Применение горных комбайнов ограничило использование врубовых машин. На основе баровых врубовых машин были созданы первые конструкции угольных комбайнов. Но высокая удельная энергоемкость разрушения угля, низкая сортность добываемого угля; полное отсутствие регулировки или наличие ступенчатой регулировки (связанной с перемонтажем) исполнительного органа в зависимости от изменяющейся мощности пласта; недостаточная увязка конструктивных принципов угледобывающих комбайнов с технологической схемой выемки угля, обеспечивающей комплексную механизацию очистных работ, привели к тому, чтобы создавать комбайны со шнековым, дисковым, буровым, барабанным рабочими органами [9]. В строительстве аналогию баровой цепи щебнеочистительных машин можно провести со скребковым экскаватором. У скребковых экскаваторов скребки волочат срезанный грунт по груди забоя и выносят его на поверхность земли, где грунт сдвигается на одну или обе стороны цепи шнековыми, скребковыми или иного вида транспортерами [85]. Для разработки мерзлых грунтов предпочтительнее скребковые рабочие органы. На основе этого был создан бесковшовый цепной траншеекопатель со скребковым грунтоуборщиком. Объемы грунта, перемещаемые скребковой цепью траншеекопателя, а также его производительность, характеризуются коэффициентом заполнения межскребкового пространства. Коэффициент заполнения межскребкового пространства определяется как отношение действительного значения грунта, находящегося между скребками, определенному теоретически. В данном случае коэффициент заполнения зависит от типа скребка [93].
Оценка адекватности разработанной математической модел
Щебнеочистительные машины и комплексы в основном работают в технологическое окно. Поэтому к щебнеочистительным машинам предъявляются жёсткие требования по обеспечению высокой производительности. На эффективность работы щебнеочистительных машин в основном влияют следующие факторы: - конструктивные, кинематические и технологические данные рабочего органа (скребково-цепного вырезающего устройства); - режимы работы (линейная скорость перемещения машины, скорость движения скребковой цепи и глубина очистки щебня); - физико-механические свойства балластного слоя [51]. Опыт эксплуатации щебнеочистительных машин с баровыми рабочими органами показывает, что их производительность во многом зависит от заполнения межскребкового пространства вырезающей цепи:
Для эффективной работы машины коэффициент заполнения межскребкового пространства должен быть равен 0,8-0,85 [84]. Наши исследования позволяют говорить, что коэффициент заполнения является многопараметрической функцией и может быть определен следующим образом [57,58,60]:
Проведенные экспериментальные исследования щебнеочистительного комплекса ЩОМ-1200 под руководством Ковальского В.Ф. позволяют говорить, во время работы щебнеочистительных машин режимы нагружения привода скребково-цепного рабочего органа носят резко выраженный динамический характер с явной нестационарностью (Рисунок 7). Во многом это зависит от скорости исполнительного рабочего органа, т.к. она влияет на энергозатраты, как за счет изменения мощности, затрачиваемой на движение баровой цепи, так и за счет изменения коэффициента заполнения межскребкового пространства. Увеличение скорости скребково-цепного рабочего органа при уменьшении коэффициента заполнения межскребкового пространства приводит к снижению производительности и возрастанию относительных потерь мощности привода скребково-цепного рабочего органа, и как следствие к увеличению энергоемкости [51]. 900 800 700 600 500 400 300 200 100
Осциллограмма параметров режима работы ЩОМ -1200 Динамические режимы нагружения скребково-цепного рабочего органа предлагается учитывать коэффициентом динамичности, который получен в результате теоретических и экспериментальных исследований (Приложение А). График коэффициента динамичности можно разделить на 3 зоны (Рисунок 8). : - зона I – дорезонансная зона. Небольшие значения производительности и удельной энергоемкости - зона I I – резонарсная зона. Производительность близкая к номинальной, но высокие значения удельной энергоемкости - зона I I I – зарезонансная зона. Максимальные значения производительности при относительно небольших значениях удельной энергоемкости Рисунок 8 - График зависимости коэффициента динамичности от скорости скребково-цепного рабочего органа
На примере щебнеочистительного комплекса ЩОМ-1200 нами были проведены исследования изменения коэффициента заполнения от скорости перемещения машины и линейной скорости движения скребковой цепи. По техническим характеристикам рабочая скорость комплекса может варьироваться в диапазоне 0,06-0,6 км/ч, скорость скребково-цепного рабочего органа 1,8-3,8 м/с. Для оценки коэффициента заполнения межскребкового пространства были выбраны следующие скорости скребковой цепи: 1,8; 1,9; 2,2; 2,5; 2,75; 2,9; 3,2; 3,7; 3,8 м/с и скорости движения комплекса: 0,05; 0,06; 0,067; 0,078; 0,086; 0,089; 0,094; 0,097; 0,106; 0,11; 0,125; 0,139; 0,17 м/с. Все расчеты сделаны в электронных таблицах EXCEL (Приложение Б).
В результате проведенных расчетов по разработанной нами математической модели построены графики зависимости коэффициента заполнения межскребкового пространства от различных режимов работы машины с исходными параметрами. Ширина вырезаемого слоя щебня 3,9 м., что соответствует работе машины на однопутном участке железнодорожного пути. При минимальной глубине вырезаемого слоя щебня (h=0,4 м) (Рисунок 9), скорости движения машины 0,067 м/с и скоростях скребковой цепи 1,8 – 1,9 м/с коэффициент заполнения достигает требуемых значений, однако производительность машины составляет всего 489 м3/ч (Рисунок 10), т.е. работа ее в этих режимах неэффективна. Движение комплекса со скоростью машины менее 0,06 м/с (0,216 км/ч) не позволяет получить высокую производительность машины во всем диапазоне возможных скоростей скребковой цепи. Движение машины со скоростью, равной 0,17 м/с (0,6 км/ч) сопровождается переполнением межскребкового пространства, загрязненный щебень пересыпается через подпутную балку обратно в путь и загрязняет очищенный щебень, увеличивается удельная энергоемкость процесса вырезки щебня на всем диапазоне скоростей вырезающей цепи.
Анализ графика рисунка 10 показывает, что эффективными с точки зрения производительности и коэффициента заполнения межскребкового пространства являются скорости движения машины в диапазоне 0,125 – 0,139 м/с (0,45 – 0,5 км/ч) и цепи 3,7 – 3,8 м/с. Производительность машины при этом составляет около 1000 м3/ч (Рисунок 10) (Приложение Б).
Анализ компьютерного моделирования производительности и удельной энергоемкости щебнеочистительного комплекса ЩОМ – 1200 на двухпутных участках железнодорожного пути
Анализ графиков, представленных на рисунках 47, 49, 51 показывает, что увеличение толщины вырезаемого слоя щебня приводит к необходимости снижения скорости движения машины без изменения производительности. Проведенные исследования позволяют говорить о том что, увеличив размеры скребка баровой цепи до его площади 0,104 м2, производительность машины достигает значений 1200 м3/ч.
Увеличение площади скребка скребково-цепного рабочего органа также влияет на удельную энергоемкость. В режиме работы машины, когда вырезается минимальный слой щебня, значения удельной энергоемкости в зависимости от производительности изменяются в диапазоне 375,39 – 388,63 Вт/(м3/ч)
График зависимости коэффициента удельной энергоемкости от коэффициента заполнения межскребкового пространства и производительности при минимальной глубине вырезаемого слоя
Для сравнения: производительности комплекса с исходными параметрами 1014 м3/ч соответствует удельная энергоемкость 385,09 Вт/(м3/ч); производительности – 1018 м3/ч с измененным параметром соответствует значение удельной энергоемкости 381,7 Вт/(м3/ч).
Таким образом, увеличение площади скребка баровой цепи приводит к уменьшению удельной энергоемкости. На этом технологическом режиме работа комплекса будет эффективной с точки зрения удельной энергоемкости и производительности, когда достигается максимальная производительность 1205 м3/ч (м=0,165 м/с и ц=3,8 м/с, коэффициент заполнения 0,847), ей соответствует значение удельной энергоемкости 385,71Вт/(м3/ч) (Рисунок 53). Рисунок 53 – График зависимости коэффициента удельной энергоемкости от скорости скребковой цепи и скорости подачи машины на минимальной глубине вырезки щебня
График зависимости коэффициента удельной энергоемкости от коэффициента заполнения межскребкового пространства и производительности при средней глубине вырезаемого слоя Увеличение глубины вырезаемого слоя щебня приводит к увеличению удельной энергоемкости (Рисунок 54). Значению удельной энергоемкости 378,46 Вт/(м3/ч) соответствует минимальная производительность 548 м3/ч (м=0,06 м/с и ц=1,8 м/с). Скорость подачи комплекса снижается до 0,133 м/с.
Аналогично предыдущему режиму работа комплекса будет эффективной, когда достигается максимальная производительность 1214 м3/ч (м=0,133 м/с и
Такая же тенденция сохраняется в режиме, когда вырезается максимальный слой щебня (h=0,6 м) минимальной производительности 548 м3/ч соответствует 378,46 Вт/(м3/ч) (м=0,05 м/с и ц=1,8 м/с) (Рисунок 55). Скорость движения машины снижается до 0,11 м/с. На данном технологическом режиме рациональное соотношение скоростей: скорость машины – 0,11 м/с, скорость цепи – 3,8 м/с (Рисунок 56, 57). Производительности 1205 м3/ч соответствует значение удельной энергоемкости 385,73 Вт/(м3/ч). Для сравнения: в режиме, когда вырезается максимальный слой щебня с неизмененной площадью скребка, но с увеличенной скоростью баровой цепи производительности 1204 м3/ч соответствует удельная энергоемкость 394,98 Вт/(м3/ч). График зависимости коэффициента удельной энергоемкости от коэффициента заполнения межскребкового пространства и производительности при максимальной толщине вырезаемого слоя Рисунок 57 – График зависимости коэффициента удельной энергоемкости от скорости скребковой цепи и скорости подачи машины на средней глубине вырезки щебня
Таким образом, изменение параметров скребка скребково-цепного рабочего органа, а именно увеличение его площади, приводит к уменьшению удельной энергоемкости при аналогичных режимах работы щебнеочистительного комплекса с увеличенной скоростью цепи (Рисунок 52 - 57).
Производительность 1200 м3/ч и выше щебнеочистительного комплекса ЩОМ-1200 достигается при увеличении скорости скребково-цепного рабочего органа до 5 м/с в зависимости от режима работы машины
Увеличение скорости скребковой цепи приводит к росту удельной энергоемкости по сравнению со значениями удельной энергоемкости с исходными параметрами комплекса. 3. Для достижения щебнеочистительным комплексом производительности 1200 м3/ч нами предложена площадь скребка 0,104 м2 при постоянстве остальных параметров.
С точки зрения энергоемкости, целесообразно изменять геометрические параметры скребка, чем изменять скорость скребково-цепного исполнительного устройства.
Производительность щебнеочистительных машин зависит от технического состояния балластной призмы, а также от ее геометрических параметров, что в основном определяет соотношение скоростей движения машины и скребково – цепного рабочего органа, при котором заполнение межскребкового пространства будет рациональным. Поэтому должна происходить адаптация параметров управления к изменяющимся свойствам рабочей среды. В связи с этим необходимо переходить на систему автоматического управления работой щебнеочистительных машин.
Влияние геометрических параметров скребково-цепного исполнительного устройства щебнеочистительных машин на производитель
Управление рабочим процессом добывающе- распределительного модуля щебнеочистительного комплекса ЩОМ-1200 осуществляется в кабине, расположенной в месте возвышения средней части рамы модуля. Для того чтобы уменьшить воздействие вибрации, возникающее при работе комплекса кабину подвешивают при помощи четырех резиновых амортизаторов.
Внутри кабины размещены два основных поста управления, оснащённые подрессоренными сидениями, и вспомогательный – для управления стоя.
На основных постах размещен главный пульт управления рабочим процессом добывающее-распределительного модуля, включая тормозной кран прямодействующего тормоза. Главный пульт установлен на полу кабины посередине. Также на основных постах размещены два вспомогательных пульта, пульт электроники, панель измерений. Главный электрический шкаф находится у задней стенки кабины. Кабели и провода из электрических шкафов к приборам проходят по каналам под полом, а к оборудованию, установленному вне кабины, через верхнюю часть главного электрического шкафа.
Из кабины производится управление всеми рабочими органами, освещением и регулирование скорости движения в рабочем режиме [76].
Опыт эксплуатации щебнеочистительных машин с баровыми рабочими органами показывает, что эффективность их работы при случайном изменении свойств внешней среды во многом зависит от скорости движения скребковой цепи. Следовательно, в структуре привода рабочего органа такого типа машин должна быть предусмотрена возможность регулирования его частоты вращения [51].
Проведенные экспериментальные исследования совместно с Калужским заводом «Ремпутьмаш» под руководством В.Ф. Ковальского показали, что нагрузки на баровой цепи, вызванные взаимодействием скребков с неоднородным слоем щебня, приводят к пульсации давления и расхода рабочей жидкости в гидросистеме привода вращения рабочего органа (Рисунок 58, 59). Причем при определённом сочетании характера нагрузки и динамических параметров гидрообъемного привода амплитуда колебаний давления в гидропередаче может достигать аварийных значений [51]. Стабилизация давления гидрообъемного привода скребковой цепи возможна при применении гидропневмоаккумулятора и дополнительного маховика.
Осциллограмма параметров привода скребковой цепи Таким образом, колебания давления в гидросистеме привода скребковой цепи содержат случайные и детерминированные составляющие. По результатам спектрального анализа, источниками наиболее мощных колебаний давления рабочей жидкости являются кинематика скребковой цепи и неравномерность скорости перемещения машины, формирующей толщину срезаемого слоя балласта [51]. Для того чтобы динамические нагрузки, возникающие в процессе работы щебнеочистительных машин не приводили к пульсации давления, необходимо создавать адаптивную систему управления.
Осциллограмма рабочего процесса щебнеочистительного комплекса ЩОМ-1200 4.3 Алгоритм системы управления режимами работы щебнеочистительных машин Щебнеочистительная машина со скребково-цепным добывающим устройством относится к классу управляемых систем с неполной информацией о текущих параметрах процесса. Основной проблемой повышения эффективности процесса в этом случае является адаптация параметров управления к изменяющимся свойствам рабочей среды. Адаптация в данном случае означает удержание процесса в рациональной энергетической области при изменении условий вырезания балласта. Выбор принципа адаптивного управления в значительной степени определяется конструкцией вырезающего органа и типом его привода. При нерегулируемой скорости привода работа скребковой цепи достаточно полно характеризуется двумя параметрами: - скоростью передвижения (подачи) щебнеочистительной машины вдоль оси пути, определяющей производительность и коэффициентом заполнения ячеек скребковой цепи; - затратами энергии на привод добывающего рабочего органа, зависящими от геометрических параметров скребковой цепи, вида и свойств щебеночного балласта и площади вырезаемого слоя.
Скребковая цепь, её привод, слой щебеночного балласта и система управления скоростью передвижения (подачи) машины образуют сложную техническую систему, эффективность функционирования которой зависит от свойств отдельных ее подсистем и их функциональной взаимосвязи. Привод скребковой цепи как объект управления находится в данной системе под воздействием возмущений со стороны разрабатываемой среды и управляющих воздействий, изменяющих скорость подачи и, следовательно, загрузку привода. Задачей управления скоростью подачи машины является формирование рациональной толщины срезаемого слоя щебня, определяющей номинальную загрузку привода (Рисунок 60) с целью достижения наибольшей производительности.
Дальнейшие исследования должны быть направлены на выбор целей, методов и средств управления рабочими процессами щебнеочистительных машин как сложных технических систем на основе разработки имитационных моделей объекта, рабочей среды и управляющей системы.