close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Обоснование параметров трансмиссии геохода с волновой передачей

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Тимофеев Вадим Юрьевич Шифр научной специальности: 05.05.06 - горные машины Шифр диссертационного совета: Д 212.102.01 Название организации: Кузбасский государственный технический университет Адрес организации: 650026, г.Кемерово, ул
На правах рукописи
Тимофеев Вадим Юрьевич
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСМИССИИ ГЕОХОДА
С ВОЛНОВОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ
Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Кемерово – 2012
2
Работа выполнена в Юргинском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».
Научный руководитель:
доктор технических наук
Аксенов Владимир Валерьевич
Официальные оппоненты:
Буялич Геннадий Даниилович,
доктор технических наук, доцент,
Кузбасский государственный технический
университет, профессор
Мартынов Георгий Алексеевич,
кандидат технических наук, доцент,
Кемеровский технологический институт
пищевой промышленности, доцент
Ведущая организация:
ООО «Юргинский машзавод»
Защита состоится 24 мая 2012 года в 10.00 на заседании диссертационного совета
Д 212.102.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный
технический университет имени Т.Ф. Горбачева» по адресу: 650000, г. Кемерово,
ул. Весенняя, 28. Факс (3842) 39-69-60.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени
Т.Ф. Горбачева».
Автореферат разослан «____» апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
А.Г. Захарова
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
В настоящее время на шахтах Кузбасса на один миллион тонн добытого угля
приходится около 4,7 километров подземных горных выработок, проводимых c
использованием проходческих комбайнов. Объем проведенных горных выработок
в Кузбассе за 2011 год составляет около 400 км. В соответствии с Долгосрочной
Программой развития угольной промышленности России на период до 2030 года
намечено увеличение объемов добычи угля подземным способом в 1,3 раза. Ожидаемый объем проведения горных выработок к 2030 году может составить
500…550 км в год.
За всю историю метрополитена России сооружено 480 км линий метро. В
рамках развития строительства подземных линий метро в ближайшие 15 лет планируется проложить еще 160 км.
Существующее горнопроходческое оборудование (проходческие комбайны и
щиты) накопило в своем развитии ряд существенных недостатков: создание тяговых и напорных усилий происходит за счет массы проходческого оборудования;
большая металлоемкость оборудования; ограниченность применения по углам наклона проводимой выработки; низкие скорости проходки.
Одним из перспективных направлений в решении проблемы проведения горизонтальных и наклонных выработок является геовинчестерная технология, базовым элементом которой, является геоход – аппарат, движущийся в подземном
пространстве с использованием геосреды. Одной из основных систем геохода, определяющей его работоспособность, является трансмиссия.
В последнее время получают распространение (в том числе и в трансмиссиях
горных машин) механизмы с относительно новой механической передачей – волновой передачей с промежуточными телами качения (ВППТК). Данная передача
обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с передачами, традиционно используемыми в трансмиссиях горных машин: большие предаваемые
вращающие моменты, большие передаточные числа, меньшая металлоемкость.
Отсутствие технически и научно обоснованных решений трансмиссии геохода с волновой передачей и методик определения ее параметров сдерживает работы по созданию геоходов нового поколения. Поэтому исследования, направленные на обоснование параметров трансмиссии геоходов с волновой передачей, являются актуальными.
Цель работы – разработать схемные, конструктивные решения и обосновать
геометрические и силовые параметры трансмиссии геохода с волновой передачей.
Идея работы заключается в использовании волновой передачи с промежуточными телами качения в трансмиссии геохода.
Задачи работы:
1. Разработать схемные и конструктивные решения трансмиссии геохода.
2. Разработать математическую модель взаимодействия элементов волновой
передачи с промежуточными телами качения в трансмиссии геохода.
3. Определить влияние внешних силовых факторов на геометрические параметры волновой передачи с промежуточными телами качения в трансмиссии геохода.
4
Методы выполнения исследований:
- метод системного анализа и синтеза технических систем;
- метод математического моделирования взаимодействия геохода с геосредой
и взаимодействия элементов трансмиссии геохода;
- аналитические методы расчетов технической механики;
- методы компьютерного моделирования с использованием программных
средств SolidWorks 2010;
- метод конечных элементов (МКЭ) с использованием программных средств
SolidWorks Simulation 2010.
Научные положения, выносимые на защиту:
- конструктивное решение трансмиссии геохода на основе роликовой ВППТК
с неподвижным сепаратором обеспечивает непрерывное вращение движителя геохода с необходимым вращающим моментом;
- размеры ролика и сепаратора передачи являются взаимовлияющими и определяют основные параметры ВППТК. Диаметр и длина ролика прямо пропорциональны передаваемому вращающему моменту и обратно пропорциональны
квадрату среднего радиуса сепаратора;
- в центральной части геохода размер свободного пространства, достаточного
для размещения транспортного оборудования и обслуживания исполнительного
органа, обеспечивается использованием в трансмиссии ВППТК с полым валом, и
однозначно определяется разработанной математической моделью взаимодействия элементов трансмиссии.
Научная новизна:
- получены аналитические выражения для определения необходимого вращающего момента трансмиссии геохода с учетом его непрерывного движения в
геосреде;
- впервые разработаны конструктивные решения трансмиссии геохода с
ВППТК с полым валом, реализующие необходимый вращающий момент, и обеспечивающие свободное пространство в центральной части геохода;
- разработана математическая модель взаимодействия элементов ВППТК в
трансмиссии геохода, позволяющая определять ее основные параметры, в зависимости от размеров геохода, значений необходимого вращающего момента, и требуемого габарита внутреннего пространства;
- определено влияние внешних силовых факторов на геометрические параметры трансмиссии геохода с ВППТК.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, обеспечиваются применением апробированной исходной математической модели взаимодействия геохода
с геосредой, экспериментально проверенной на натурном образце геохода, корректностью допущений при усовершенствовании математической модели для определения усилий, необходимых для перемещения геохода; результаты работы
получены с помощью апробированных современных методов расчета, компьютерного моделирования и гарантируются использованием фундаментальных положений механики, прикладной математики, динамики машин.
5
Личный вклад автора:
- усовершенствована математическая модель взаимодействия геохода с геосредой в совмещенном режиме его перемещения;
- разработаны схемные и конструктивные решения трансмиссии геохода с
ВППТК с полым валом;
- разработана математическая модель взаимодействия элементов ВППТК в
трансмиссии геохода;
- разработана методика расчета силовых параметров трансмиссии геохода с
ВППТК;
- получены зависимости конструктивных параметров трансмиссии геохода с
ВППТК от внешних воздействующих факторов.
Практическая ценность работы.
Предложенные конструктивные решения трансмиссии геохода с ВППТК и
разработанная методика определения параметров трансмиссии, учитывающая
многообразие возможных компоновок ВППТК в трансмиссии геохода, могут быть
использованы проектировщиками при создании новых образцов горнопроходческой техники.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты работы были использованы при выполнении НИОКР в рамках
государственных контрактов №78-ОПН-07п от 10 августа 2007 г. и №26-ОП-08 от
04 февраля 2008 г. «Разработка специальной технологии проходки аварийноспасательных выработок в завалах при ликвидации техногенных катастроф».
Методика определения параметров трансмиссии горной техники использована при проектировании горнопроходческой техники в Особом Конструкторском
Бюро ООО «Юргинский машзавод».
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-практических конференциях: «Инновационные
технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2008-2011), «Машиностроение – традиции и инновации» (Юрга, 2011), «Энергетическая безопасность России» (Кемерово, 2008-2010), «Перспективы развития Восточного Донбасса» (Новочеркасск, 2008, 2010), «Новые технологии в угольной отрасли» (Белово, 2009),
на международном научно-методическом семинаре «Современные проблемы техносферы и подготовки инженерных кадров» (Сусс, Тунис, 2009), на «Форуме горняков» (Днепропетровск, Украина, 2010, 2011).
Публикации.
По теме диссертации всего опубликовано 40 печатных работ, основные результаты работы опубликованы в 18 печатных работах, в том числе 14 статей в
изданиях, рекомендованных ВАК России, получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы.
Диссертация изложена на 145 страницах текста, состоит из введения, 4 глав,
заключения, списка использованной литературы из 73 наименований, содержит 53
рисунка, 13 таблиц и 2 приложения.
6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и идея, научные положения, выносимые на защиту, научная новизна,
обоснованность и достоверность научных положений, практическая значимость.
В первой главе рассмотрены существующие конструкции геоходов и их
трансмиссий. Также приведен обзор и анализ трансмиссий, нашедших применение в проходческих комбайнах и щитах традиционного исполнения, а также в
другой горной технике.
Разработке и совершенствованию геовинчестерной технологии, геоходов, а
также горнопроходческого оборудования в целом посвящены работы А.Ф. Эллера, В.В. Аксенова, В.Ф. Горбунова, В.Ю. Садовца, В.И. Солода, В.Н. Гетопанова,
В.М. Рачека, В.Х. Клорикьяна, В.В. Ходоша, А.В. Топчиева, Н.А. Малевича, С.М.
Эткина, В.М. Симоненко, Л.Е. Маметьева и других.
В результате анализа существующих проходческих систем установлено, что
трансмиссии перемещения традиционных горных машин принципиально отличаются от трансмиссий геоходов как по кинематическим схемам, так и по развиваемым силовым и кинематическим параметрами. Непосредственное их использование в трансмиссии геохода невозможно. Также неприменимы для проектирования
трансмиссии геоходов существующие методики расчета силовых и прочностных
параметров трансмиссий горнопроходческой техники.
Проведен обзор технической и патентной литературы, рассмотрено состояния вопроса по волновым передачам с промежуточными телами качения. Существенный вклад в исследование волновых передач с промежуточными телами качения внесли: А.Е. Беляев, Э.Н. Панкратов, Е.А. Ефременков, В.С. Степанов. Выявлены основные преимущества ВППТК перед другими, применяемыми в горном
машиностроении: высокие передаточные отношения, большая нагрузочная способность, низкая металлоемкость, высокий кпд.
Во второй главе выявлены особенности работы трансмиссии геохода и разработаны требования к трансмиссиям геоходов нового поколения, основными из
которых являются:
- обеспечение непрерывности подачи геохода на забой;
- обеспечение вращающего момента на внешнем движителе достаточного для
продвижения головной и стабилизирующей секций геохода и для создания достаточного напорного усилия;
- размеры и расположение трансмиссии и привода должны оставлять свободное пространство внутри агрегата для удаления породы из призабойной зоны,
размещения транспортного оборудования и обслуживания исполнительного органа;
- трансмиссия и привод должны быть смонтированы на единой конструктивной базе геохода.
Для определения величины необходимого вращающего момента МВР за основу принята конструктивная схема двухсекционного геохода ЭЛАНГ-4, к которой
приложены активные и реактивные силы и моменты (рисунок 1).
RНАВ – реакция пород
контура выработки на
винтовую лопасть (реакция навивки);
RИО – проекция полной
силы
сопротивления
пород резанию на плоскость перпендикулярную оси вращения;
TНАВ – силы трения
винтовой лопасти по
вмещающей породе;
TГ.ОБ – суммарная сила
трения головной оболочки по вмещающей
породе;
TИО – сила трения исполнительного органа
(ИО) по вмещающей
породе;
TОС – суммарная сила
трения качения останова;
TЭП – суммарная сила
трения элементов противовращения о породу;
TХ.ОБ – суммарная сила
трения стабилизирующей секции о породу;
MВР – необходимый вращающий момент; МГМ – вращающий момент, необходимый для перемещения разрушенной породы из нижней части геохода вверх; МИО – вращающий момент сопротивления резанию на ИО; МТИО – вращающий момент сопротивления, создаваемый трением ИО по породе; MР – реактивный вращающий момент на стабилизирующей секции; GГ – вес головной
секции, с учетом смонтированных на ней ИО, и другого оборудования; GГМ – вес отбитой горной массы, находящейся внутри агрегата; GХ – суммарный вес стабилизирующей секции с оборудованием; rГ – радиус головной секции; rОС – радиус по середине шариков останова; rЭП – расстояние от оси вращения до середины элементов противовращения; rХ – радиус стабилизирующей секции; r0 – радиус центрального патрубка ИО геохода; hЛ – высота винтовой лопасти; α – угол подъема выработки; β – угол подъема винтовой лопасти; Θ – средний угол между плоскостью перекрытия исполнительного органа и плоскостью, перпендикулярной оси вращения; ω – угловая скорость вращения геохода.
Рис. 1 – Взаимодействие геохода с геосредой. Схема сил
7
PТ – тяговое усилие винтового движителя;
PО – проекции полной
силы
сопротивления
вмещающей породы резанию на ось вращения;
PВЗ – усилие взаимодействия головной и стабилизирующей секций при
движении агрегата;
PВВЛ – усилие внедрения
винтовой лопасти в приконтурный массив при
движении агрегата, зависящее от вида исполнительного органа установленного перед ней;
PВН – суммарное усилие
внедрения
элементов
противовращения в породу;
PГН – нормальная составляющая нагрузок от
горного давления на головную секцию;
PХН – нормальная составляющая нагрузок от
горного давления на стабилизирующую секцию;
PЭП – нормальная составляющая реактивной
силы на элементах противовращения от реактивного крутящего момента;
8
Математическая модель взаимодействия геохода с геосредой учитывает одновременное перемещение двух секций геохода с непрерывной подачей на забой
и позволяет определить МВР, RНАВ и РТ:
⎛
h ⎞
h ⎞⎞
⎛
⎛
M ВР = RНАВ ⋅ ⎜ sinβ ⋅ ⎜ rГ + Л ⎟ + tgϕ ТРП ⋅ cosβ ⋅ ⎜ rГ + Л ⎟ ⎟ − M Z ,
(1)
2 ⎠
2 ⎠⎠
⎝
⎝
⎝
где M Z = − M ГМ − M ИО − M ТИО − Т Г .ОБ ⋅ cos β ⋅ rГ − TOC ⋅ rOC − PВВЛ ⋅ cos β ⋅ ( rГ + hЛ / 2 ) .
f
−MZ ⋅ ТР − PZ
rЭП
RНАВ =
,
(2)
hЛ
hЛ
П
П
cosβ − tgϕТР ⋅ sinβ − sinβ ⋅ ( rГ + ) − tgϕТР ⋅ cosβ ⋅ ( rГ + )
2
2
где PZ = − PBH + G X ⋅ sin ( ±α ) − TХ .ОБ − PO + ( GГ + GГМ ) ⋅ sin ( ±α ) − TГ .ОБ ⋅ sin β − TИО ⋅ sin Θ − PВВЛ ⋅ sin β .
PТ =RНАВ ⋅ cosβ
(3)
Установлено влияние
диаметра проводимой выработки D на величину
МВР. Наибольший рост необходимого вращающего
момента происходит при
изменении диаметра от 3
до 5 м в рассматриваемом
диапазоне, что объясняется
увеличением площади его
наружней поверхности и
воздействия сил горного
давления, и, как следствие,
увеличением сил трения по
Рис. 2. Влияние диаметра геохода D на величину
наружней
поверхности.
необходимого вращающего момента МВР
Изменение угла наклона
выработки α влияет незначительно на величину необходимого вращательного
момента (относительное изменение не более 10%). Для геохода ЭЛАНГ-4 диаметром 3,7 м необходимый вращающий момент МВР=1,75⋅106 Н⋅м.
В третьей главе разработаны схемные и конструктивные решения трансмиссии геохода с роликовой однорядной ВППТК с полым валом. Исходя из конструкции ВППТК возможны два базовых варианта ее компоновки в трансмиссии
геохода: с зафиксированным венцом (рисунок 3а) и зафиксированным сепаратором (рисунок 3б). В первом варианте зубчатый венец 2 зафиксирован на стабилизирующей секции 3, а сепаратор 4 являясь выходным звеном, передает вращение
головной секции 1 через ролики 6 (рисунок 3а). Во втором варианте сепаратор 4
зафиксирован на стабилизирующей секции 3, а зубчатый венец 2, являясь выходным звеном, передает вращение головной секции 1 через ролики 6 (рисунок 3б).
Входным элементом передачи является эксцентриковый генератор волн 5, выполненный в виде полого вала.
9
Рис. 3. Базовые схемные решения трансмиссии геохода с ВППТК
На основе базовых схемных решений разработан ряд конструктивных решений трансмиссии геохода с ВППТК, анализ которых на соответствие требованиям, предъявляемым к трансмиссии геохода, показал, что наиболее приемлемым
является решение с зафиксированным сепаратором. На одно из решений получен
патент на изобретение №2418950 от 20.09.2011 (рисунок 4).
1 – головная секция геохода, 2 – зубчатый венец, 3 – стабилизирующая секция, 4 – сепаратор, 5
– генератор волн (полый вал), 6 – ролики ВППТК, 7 – двигатель, 8 – выходной фланец двигателя, 9 – опоры качения
Рис. 4. Конструктивная схема трансмиссии геохода
В четвертой главе определены параметры силового распределения в элементах ВППТК: генераторе волн, сепараторе и зубчатом венце, параметры тел качения и влияние внешних силовых факторов на геометрические параметры
ВППТК в трансмиссии геохода. Вращающий момент на зубчатом венце МВ должен быть больше необходимого внешнего момента МВР (рисунок 5):
Z РЗ
М В = ∑ FВXi ⋅RСср ≥ М ВР ,
i =1
(4)
10
где FBXi=FBi⋅sinαi – проекция реакции зубчатого венца от воздействия i-го ролика
на ось xi, Н; αi – угол передачи движения для i-го ролика, град; RСср – средний радиус сепаратора передачи, м; RСср=dP⋅Z⋅(1+KWП)/2⋅π; KWП – коэффициент ширины
перемычки сепаратора; ZРЗ – число роликов в передаче одновременно находящихся в зацеплении, ZРЗ=КРЗ⋅Z; КРЗ – коэффициент числа роликов одновременно находящихся в зацеплении; Z – общее число роликов в передаче.
Рис. 5. Схема приложения сил и моментов в ВППТК
Вращающий момент на генераторе волн МГ:
МГ = МВ q,
(5)
где q – передаточное отношение передачи.
Передаточное отношение передачи при зафиксированном сепараторе:
q = Z + 1,
(6)
где Z – число роликов в передаче.
Реактивный момент на сепараторе волн МС уравновешивается реакцией в заделке сепаратора и пропорционален отношению Z к q:
М C = ( Z q ) ⋅ М ВР
(7)
11
Так как в передаче одновременно находятся в зацеплении 30…50% от общего числа роликов (т.е. КРЗ=0,3…0,5), то для определения реактивных сил взаимодействия элементов передачи и нагрузок необходимо установить силовое распределение в зацеплении на участке силового контакта роликов (угол зацепления ϕ*).
Нормальная сила реакции на одной перемычке сепаратора:
МC
FСi =
(8)
RСср ⋅ Z РЗ
Сила трения скольжения ролика по перемычке сепаратора:
(9)
FТРi = FСi ⋅ tgϕТР ,
где ϕТР – угол трения стали по стали.
Полная сила реакции на одной перемычке сепаратора:
'
FCi
= FCi cos ϕТР
(10)
Сила реакции генератора волн от воздействия одного ролика:
cos α i
(11)
FГi = FCi ⋅
sin( α i + ψ i )
Во время поворота генератора на угол ϕ* ролик находится в равновесии под
действием реакций сепаратора, генератора, венца и силы трения о поверхность перемычки сепаратора (рисунок 6). Сила
реакции зубчатого венца от воздействия одного ролика:
cosψ i
FВi = FГi ⋅
(12)
cos α i
Так как углы α и ψ меняются в зависимости от изменения ϕГ, то на участке
угла зацепления ϕ* силы воздействуют
на генератор волн и зубчатый венец неодинаково и зависят от угла поворота
генератора волн ϕГ. Для диаметра геохода 3,7 м, при МВ=1,75⋅106 Н⋅м и
КРЗ=0,3 построены графики зависимостей усилий: венца FВ, генератора FГ и
сепаратора F’C от текущего угла поворота генератора ϕГ (рисунок 7). На начальном этапе поворота генератора
имеет место скачкообразное изменение
усилий в генераторе FГ и венце FВ:
FВ max FГ max
(13)
≈
≈ 16 ,
Рис. 6. План сил, приложенных к ролику
FВср
FГср
что позволяет при дальнейшем силовом расчете элементов ВППТК ввести коэффициент неравномерности нагрузки КНН=16.
12
Рис. 7. Влияние угла поворота генератора волн ϕ Г на усилия,
возникающие в элементах ВППТК
Установлено, что параметром, связывающим нагрузочную способность передачи и ее геометрические параметры, являются длина LC и диаметр dP ролика.
Длина ролика определяется из условия контактной прочности в контактной паре
«перемычка сепаратора – ролик». Усилия в венце FВ, генераторе FГ и сепараторе
F’C распределяются по линии контакта данных элементов с роликом и создают
распределенные нагрузки fВ, fГ, fС соответственно (рисунок 8).
Рис. 8. Нагрузка на ролике
13
Распределенная нагрузка на перемычке сепаратора:
FC'
MВ
fC =
=
,
LC LC ⋅ q ⋅ RCcp ⋅ K РЗ ⋅ cos ϕТР
(14)
где LC – длина контакта ролика с сепаратором, м.
Контактные напряжения в контактной паре «перемычка сепаратора – ролик»
описываются уравнением частного случая контактной задачи Герца и не должны
превышать допускаемых контактных напряжений материала сепаратора:
fC
E1 ⋅ E2
⋅
≤ ⎡⎣σ HC ⎤⎦ ,
σH =
(15)
2
2
ρ ПР ⋅ π ⎡⎣ E1 ⋅ ( 1 − μ 2 ) + E2 ⋅ ( 1 − μ1 )⎤⎦
где ρПР – приведенный радиус кривизны в месте контакта, м; ρПР=2⋅dP; E1, E2 –
модули упругости материалов ролика и сепаратора, Па; µ1, µ2 – коэффициенты
Пуассона материалов ролика и сепаратора; ⎡⎣σ ⎤⎦ – допускаемые контактные наC
H
пряжения материала сепаратора, Па.
Минимальная длина ролика из условия контактной прочности:
2 ⋅ M В ⋅ K НН
E1 ⋅ E2
LC ≥
⋅
(16)
2
2
2
С
2
2
⎡
⎤
⋅
−
+
⋅
−
E
(
1
μ
)
E
(
1
μ
)
2
2
1 ⎦
⎣⎡σ H ⎦⎤ ⋅ π ⋅ RСср ⋅ K РЗ ⋅ cos ϕТР ⎣ 1
Минимальный диаметр ролика определяется из условий прочности на срез и
жесткости перемычки сепаратора. Усилие на перемычке F’C выражается через
вращающий момент на венце МВ:
MВ
(17)
FC' =
RСср ⋅ K РЗ ⋅ q ⋅ cos ϕТР
Площадь перемычки сепаратора:
S ПС = H С ⋅ WП = K HC ⋅ KWП ⋅ d Р2 ,
(18)
где HC – толщина сепаратора, м; WC – ширина перемычки сепаратора по среднему
радиусу, м; КНС – коэффициент диаметра ролика.
Касательные напряжения в перемычке сепаратора должны быть меньше допускаемых касательных напряжений при циклических нагрузках для материала
сепаратора:
MВ
τ=
≤ [τ ]
(19)
RCcp ⋅ K РЗ ⋅ q ⋅ K HC ⋅ KWП ⋅ d Р2 ⋅ cos ϕТР
Минимальный диаметр ролика из условия прочности перемычки:
M В ⋅ ( 1 + KWП ) ⋅ K НН
(20)
dР ≥
2
2 ⋅ π ⋅ K НН ⋅ K РЗ ⋅ K HC ⋅ KWП ⋅ RСср
⋅ [τ C ] ⋅ cos ϕТР
Из выражений (16) и (20) следует, что размеры ролика и сепаратора являются
взаимовлияющими и определяют основные параметры ВППТК. Диаметр и длина
ролика зависят от передаваемого вращающего момент и среднего радиуса сепаратора.
Проверка выполнения условия жесткости перемычки сепаратора осуществлялась с применением МКЭ. Для чего, с использованием программного продукта
SolidWorks Simulation 2010, была создана трехмерная модель нагружения сепаратора с изменяющимися параметрами (рисунок 9).
14
Ограничения
Сила FС
Рис. 9. Трехмерная модель нагружения сепаратора ВППТК (диаметр геохода 3,7 м, dP=80 мм)
Рис. 10. Эпюра результирующих
перемещений в сепараторе (dP=80
мм, µСmax=0,004 мм)
В соответствии с разработанной математической моделью к перемычкам сепаратора были приложены нагрузки, определены граничные условия и заданы параметры материала модели. Получен ряд эпюр результирующих перемещений сепаратора при различных значениях МВ, F’C и dP (рисунок 10). Критерием оценки
предельного состояния жесткости сепаратора послужили следующие допущения:
перемещения в сепараторе µС должны быть меньше допуска на изготовление пазов сепаратора ТП; допуск на изготовление роликов (по ГОСТ 25255-82) и допуск
ширины паза перемычки сепаратора равны. График результирующих перемещений в перемычке
сепаратора µС построенный по результатам моделирования (рисунок 11), показывает, что требуемая
жесткость сепаратора в рассматриваемом диапазоне
достигается в интервале dP от 80
мм и более.
Рис. 11. Результаты моделирования изменения перемещений
в сепараторе ВППТК
На основании полученной математической модели взаимодействия и схемы
зацепления ВППТК определены геометрические соотношения основных элементов (рисунок 12).
15
Рис. 12. Геометрические параметры передачи
Средний радиус сепаратора:
z ⋅ ( d Р + WП )
(21)
2 ⋅π
Толщина генератора волн без учета величины эксцентриситета:
H Г = K Г ⋅ dР ,
(22)
где КГ – коэффициент толщины генератора волн.
Радиус генератора волн:
RГ = RCвн − e − Δ ,
(23)
где RСвн – внешний радиус сепаратора, м, RСвн= RСср+0,5⋅Hc; е – эксцентриситет
передачи, м, е=КЕ⋅dP; КЕ – коэффициент эксцентриситета передачи; Δ – зазор в
передаче, м, Δ=КΔ⋅dP; КΔ – коэффициент зазора в передаче.
Наружний диаметр передачи:
DН = 2 ⋅ ( RН + H В ) ,
(24)
где RН – наружний радиус зубьев венца, м; НВ – толщина зубчатого венца, м,
НВ=КВ⋅dP; КВ – коэффициент толщины венца.
Диаметр свободного пространства в генераторе волн:
⎛ z ⋅ ( 1 + KWП )
⎞
DСП = d Р ⋅ ⎜
− K HC − 2 ⋅ K E − 2 ⋅ K Δ − 2 ⋅ K Г ⎟
(25)
π
⎝
⎠
D
К СП = СП
(26)
Коэффициент свободного пространства:
DН
Геометрически диаметр свободного пространства DСП определяется внутренним радиусом генератора RГ и зависит от толщины генератора волн HГ и коэффициента толщины генератора КГ. По выражениям (25), (26) построен график изменения коэффициента КСП в зависимости от диаметра ролика передачи, при фиксированном значении наружнего диаметра DН=3,7 м, и при различных значениях коэффициента КГ (рисунок 15).
RСср =
16
Минимально допустимое значение коэффициента свободного пространства
получено из опыта проектирования
геоходов ЭЛАНГ-4 и ЭЛАНГ-4, у которых
КСПmin=0,65…0,75,
принято
КСПmin=0,65. На участке графика от 80
до 200 мм диаметра ролика, для обеспечения КСП≥0,65, необходимое значение коэффициента КГ изменяется в интервале от 5,5 до 1,3, причем меньшему
значению диаметра ролика соответствует большее значение коэффициента
КГ.
Значение толщины зубчатого венца
НВ зависит от диаметра ролика и связано с ним коэффициентом КВ. Для опреРис. 15. Зависимости КСП от dP при
деления значения коэффициента КВ с
различных значениях КГ
помощью МКЭ создана трехмерная модель нагружения зубчатого венца с изменяющимися параметрами, к которой, в соответствии с математической моделью
взаимодействия, приложены нагрузки. Получен ряд эпюр результирующих перемещений в зубчатом венце µВ при различных значениях КВ, по которым построены графики результатов моделирования (рисунок 13). Критерием необходимой
жесткости венца послужило следующее
допущение: результирующие перемещения в зубчатом венце µВ не должны превышать 1% от эксцентриситета передачи
из условия обеспечения зацепления в
ВППТК. Величина коэффициента КВ в
интервале диаметра ролика от 80 до 200
мм колеблется в пределах 3,7…2,7, причем меньшим значениям диаметра соответствует большее значение коэффициента.
Рис. 13. Результаты моделирования изменения перемещений в зубчатом венце
Заключение
В диссертации решена актуальная задача обоснования параметров трансмиссии геохода с волновой передачей с промежуточными телами качения, что вносит
существенный вклад в горное машиностроение и экономику страны.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1.Установлено, что конструктивные решения трансмиссий традиционных
горных машин (проходческих комбайнов и щитов), напрямую неприменимы в
17
трансмиссии геохода, в виду существенных функциональных и конструктивных
различий, а также различий в принципе работы. Отсутствуют требования и научно обоснованный подход к созданию новых схемных и конструктивных решений
трансмиссии геохода.
2. На основании выявленных особенностей работы геохода сформулированы
требования к трансмиссии, основными их которых являются: трансмиссия должна
обеспечивать непрерывное перемещение агрегата на забой; трансмиссия должна
обеспечивать вращающий момент на внешнем движителе достаточный для продвижения головной и стабилизирующей секций геохода и создание напорного
усилия; размеры и расположение трансмиссии и привода должны оставлять достаточное свободное пространство внутри агрегата.
Усовершенствованная математическая модель взаимодействия двухсекционного геохода с геосредой, учитывает непрерывное вращательно-поступательное
перемещение геохода. Установлено, что необходимый вращающий момент для
геохода диаметром 3,7 м равен 1,75⋅106 Н⋅м. Анализ зависимости изменения необходимого вращающего момента показывает, что, угол наклона выработки существенно не влияет на вращающий момент, т.к. относительная разница момента при
изменении угла наклона выработки от +30° до -30° составляет не более 10%. Существенное влияние оказывает диаметр выработки (геохода): при изменении диаметра геохода от 3 до 5 м происходит рост вращающего момента в 6,9 раза.
3. Разработаны конструктивные решения трансмиссии геохода с ВППТК с
полым валом, соответствующие требованиям, предъявляемым к трансмиссиям
геоходов нового поколения.
Получены аналитические зависимости для определения развиваемого трансмиссией вращающего момента, параметров силового распределения в элементах
ВППТК, а также зависимостей для определения минимальных длины и диаметра
ролика. Установленные параметры силового распределения в элементах ВППТК
показывают наличие максимальных реактивных усилий, что определяет необходимость введения коэффициента неравномерности нагрузки KНН (KНН≈16 для геохода диаметром 3,7 м).
Разработана математическая модель взаимодействия элементов ВППТК
трансмиссии двухсекционного геохода при непрерывном режиме его перемещения, которая определяет параметры силового распределения в передаче, а также
кинематические и геометрические соотношения, с учетом их взаимного влияния,
в зависимости от вращающего момента и заданных условий работы геохода.
4. Анализ зависимостей влияния нагрузок на перемещения в зубчатом венце,
при различных значениях коэффициента толщины зубчатого венца КВ, показал
что, на участке графика от 80 до 200 мм диаметра ролика, только при значениях
КВ=3,7…2,7 обеспечиваются перемещения в пределах допустимых значений. Получена аналитическая зависимость влияния диаметра ролика на величину свободного пространства в центральной части геохода. Анализ зависимости показал, что
на участке от 80 до 200 мм диаметра ролика, для обеспечения значения коэффициента свободного пространства КСП≥0,65, значение коэффициента КГ изменяется
в интервале от 5,5 до 1,3 соответственно.
18
Основное результаты диссертационной работы опубликовано в следующих
научных трудах:
Статьи в изданиях рекомендованных ВАК
1. Разработка математической модели взаимодействия геохода с геосредой /
В.В. Аксенов, А.А. Хорешок, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ,
2011 – ОВ №2. С. 79-91.
2. Разработка и анализ возможных вариантов гидро- и электропривода в
трансмиссии геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю.
Блащук // Вестник КузГТУ/ Кемерово, 2010 – № 3. С. 7-14.
3. К вопросу о применении редукторного привода в трансмиссии агрегата для
проведения аварийно-спасательных выработок (геохода) / В.В. Аксенов, М.Ю.
Блащук, В.Ю. Тимофеев, В.Ф. Горбунов // Горный информационный аналитический бюллетень. Промышленная безопасность и охрана труда на предприятиях
топливно-энергетического комплекса / Москва, МГГУ, 2011 – ОВ №9. С. 25-36.
4. К вопросу о создании новой технологии аварийно-спасательных выработок
при ликвидации техногенных катастроф / В.В. Аксенов, В.Ю. Тимофеев, А.В. Сапожкова, В.Ф. Горбунов // Горный информационный аналитический бюллетень.
Промышленная безопасность и охрана труда на предприятиях топливноэнергетического комплекса / Москва, МГГУ, 2011 – ОВ №9. С. 60-68.
5. Разработка и анализ возможных вариантов гидропривода в трансмиссии
геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2010 – ОВ №3. С. 184-193.
6. Анализ возможных вариантов электропривода и механических передач в
трансмиссии геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю.
Блащук // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2010 – ОВ №3. С. 154-163.
7. Разработка и анализ возможных вариантов гидропривода в трансмиссии
геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2010 – ОВ №3. С. 184-194.
8. Обзор волновых передач возможных к применению в трансмиссии геохода
/ В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва,
МГГУ, 2010 – ОВ №3. С. 137-149.
9. Обзор трансмиссий горной техники / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков,
В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2010 – ОВ №3. С. 55-66.
10. Моделирование взаимодействия корпуса носителя геохода с геосредой /
В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ,
2010 – ОВ №3. С. 41-48.
11. Формирование требований к основным системам геохода / В.В. Аксенов,
А.Б. Ефременков, В.Ю. Садовец, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук, В.Ю. Бегляков //
Горный информационный аналитический бюллетень. Перспективы развития гор-
19
но-транспортных машин и оборудования / Москва, МГГУ, 2009 – ОВ №10.
С. 107-118.
12. Разработка требований к трансмиссии геоходов / А.Б. Ефременков,
В.В. Аксенов, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев // Известия вузов. Горный журнал /
Екатеринбург, 2009–№ 8. С. 101-103.
13. Обоснование необходимости разработки трансмиссии геоходов /
В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев // Вестник КузГТУ / Кемерово, 2009– № 3. С. 24-27.
14. Разработка требований к основным системам геохода / В.В. Аксенов,
А.Б. Ефременков, В.Ю. Бегляков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев, А.В. Сапожкова
// Горное оборудование и электромеханика / Москва, 2009– №5. С.3-7.
Статьи в прочих изданиях.
15. Разработка модели взаимодействия геохода с геосредой / Тимофеев В.Ю.
/ Материалы международной конференции «Форум горняков – 2011». – Д.: Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет»,
2011. – С. 186-190.
16. Синтез компоновочных решений трансмиссии геохода с волновой передачей с промежуточными телами качения / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков,
М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев, А.В. Сапожкова // Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 1: сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ).
– Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2010. С. 102-107.
17. Разработка требований к основным системам геохода / В.В. Аксенов,
А.Б. Ефременков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев, А.В. Сапожкова // Современные
проблемы техносферы и подготовки инженерных кадров: III Международный научно-методический семинар – Сусс (Тунис), Донецк, Дон ПТУ, 22 окт. –1 нояб.
2009. – Донецк: [s.n.], 2009. – с. 123-129.
18. Патент на изобретение №2418950 RU / Проходческий щитовой агрегат
(геоход) / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, В.Ю. Бегляков, М.Ю.
Блащук. – Опубл. 20.05.2011.
Подписано к печати 17.04.2012
Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе.
Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ
ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический
университет им Т.Ф. Горбачева».
650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный
технический университет им Т.Ф. Горбачева».
650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
59
Размер файла
1 032 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа