CC BY
53
------------------------------------ © В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков,
В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук,
2010
УДК 622.002.5
В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев,
М.Ю. Блащук
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ В ТРАНСМИССИИ ГЕОХОДА
Рассмотрены варианты применения электропривода с различными механическими передачами в трансмиссии геоходов. Проведен анализ предложенных вариантов трансмисии винтоповоротного проходческого агрегата — геохода. Ключевые слова: трансмиссия, механическая передача, требования к трансмиссии геохода.
настоящее время сооружение тоннелей, коллекторов
-Я-М различного назначения, а также подземных выработок горнодобывающих предприятий производится с использованием различных технологий, основные их которых это комбайновая и щитовая технологии проходки горных выработок. Задачи повышения скорости проходческих работ, производительности труда, снижения себестоимости работ, вопросы безопасности всегда остаются актуальными, поэтому интенсивное освоение подземного пространства требует, совершено новых и существенно более прогрессивных проходческих машин и технологий [1], т.к. существующие технологии и оборудование накопили в своем развитии большое количество научно-технических противоречий и проблем, решение которых невозможно в рамках существующего консервативного направления модернизации горнопроходческого оборудования [2].
В поисках разрешения этих противоречий предложен новый подход к процессу проведения горных выработок, который рассматривает проходку выработок как процесс движения твердого тела (проходческого оборудования) в твердой среде (геосреде) [3]. При этом приконтурный массив пород должен использоваться как опорный элемент, воспринимающий реактивные усилия от горнопроходческого оборудования при выполнении им основных технологических операций. Такой принцип функционального совмещения основного движения (подачи на забой) и процесса резания горных пород получил название геовинчестерной технологии (ГВТ)
проведения горных выработок, а агрегат реализующий данную технологию - геоход [3]. В рамках реализации геовинчестерной технологии ведется разработка нового поколения геоходов и его систем. Одним из основных элементов геохода является его привод и трансмиссия, т.к. именно они определяют достижимые силовые параметры геохода и скорость продвижения в геосреде. Учитывая особенности работы геохода (сам принцип его действия и возможность работы при любых углах наклона относительно горизонта), то особое значение приобретают вопросы, связанные с разработкой конструкции привода и трансмиссии геохода и определением их технико-эксплуатационных параметров. На данный момент разработаны основные требования к трансмиссии нового поколения геоходов [4], определяющие необходимый крутящий момент трансмиссии, производительность агрегата, размеры и положение привода и трансмиссии.
В существующих моделях геоходов в качестве трансмиссии использовался гидропривод, в частности, гидроцилиндры расположенные по хордам к окружности цилиндрической оболочки корпуса геохода. Ранее рассматривались и анализировались варианты применения гидропривода [5]. Анализ показал, что на данном этапе гидропривод не вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым к трансмиссии геоходов нового поколения, поэтому рассмотрим применение электропривода. Электропривод широко распространен в приводах горношахтного оборудования, при этом его применение в трансмиссии сопряжено с использованием различного рода механических зубчатых передач [6]. Трансмиссия геохода в связи со специфическими требованиями, предъявляемыми к ней, должна строиться на передачах, реализующих высокие передаточные числа, обладающая высокой нагрузочной способностью и высокой надежностью и в общем отвечать требованиям предъявляемым к трансмиссии геохода. В данном случае рассмотрим известные конструктивные решения применения электропривода с механическими передачами:
- электропривод с зубчатыми цилиндрическими передачами;
- электропривод с зубчатыми коническими передачами;
- электропривод с червячной передачей;
- электропривод с планетарной передачей;
- электропривод с волновой передачей.
Цилиндрические зубчатые передачи наружнего и внутреннего зацепления являются наиболее простыми в изготовлении и поэтому наиболее распространенными в машиностроении. Служат для передачи вращения между параллельными и соосными валами. В основном применяются прямозубые, косозубые и шевронные передачи с эвольвентным профилем зуба.
Данные передачи при одноступенчатой схеме могут обеспечивать передаточной отношение до 8, при двухступенчатой схеме передаточное отношение колеблется в пределах от 8 до 60, при трехступенчатой схеме от 60 до 300, в редких случаях передаточное отношение может достигать до нескольких сотен и даже тысяч. Кпд данных передач (одной ступени, закрытого исполнения) находится в пределах от 0,96 до 0,98. Данные передачи возможно применять при больших скоростях (до 150 м/с). Передаваемая мощность передачи может достигать сотен и даже тысяч киловатт [7]. Косозубые и шевронные передачи, по сравнению с прямозубой, обеспечивают более высокую плавность работы и в ряде случаев меньший весовой показатель (отношение массы зубчатых колес к вращающему моменту на тихоходной ступени).
Основные достоинства данных передач следующие: большая надежность и долговечность, высокий кпд, постоянство передаточного отношения, достаточно высокая нагрузочная способность.
Основные недостатки: с повышением нагрузочной способности и передаточного отношения существенно увеличиваются масса и габариты передачи, наличие осевой силы (для косозубой передачи), необходима высокая точность изготовления зубчатых колес, шум при работе (особенно для прямозубых), высокая жесткость не позволяющая компенсировать динамические перегрузки. Однако отмеченные недостатки не снижают существенного преимущества данных передач перед другими передачами (ременной, цепной).
По требованиям предъявляемым к трансмиссии геохода необходимо что бы передача оставляла достаточно свободного пространства для обеспечения удаления горной массы. Однако, учитывая недостаток передачи, что с повышением нагрузочной способности и передаточного отношения существенно увеличиваются масса и габариты передачи не позволят сделать это. Поэтому приходим к выводу, что зубчатая передача эвольвентного зацепления не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к передачам, используемым в трансмиссии геохода т.к. для обеспечения необхо-
димого крутящего момента и необходимой частоты вращения головной секции габариты передачи выйдут за рамки допустимых значений.
Коническая зубчатая передача применяется для передачи движения и крутящего момента в случаях, когда пересекаются оси ведущего и ведомого валов и только в тех случаях, когда это необходимо по условиям компоновки машины. Данные передачи при одноступенчатой схеме могут обеспечивать передаточной отношение до 4. Двухступенчатые и трехступенчатые схемы использования конической передачи не применяются, а в качестве второй и третей ступени используются цилиндрические передачи, поэтому предельные числа передаточных отношений составляют: для двухступенчатой схеме передаточное отношение колеблется в пределах от 4 до 50, при трехступенчатой схеме от 50 до 200. Кпд данных передач (одной ступени, закрытого исполнения) находится в пределах от 0,95 до 0,97. Также известно что нагрузочная способность данных передач меньше чем цилиндрических и составляет порядка 0,8.. .0,85 от их нагрузочной способности [7].
Достоинство данной передачи это использование при необходимости компоновки передач, оси которых пересекаются под некоторым углом.
Недостатки: необходима высокая точность изготовления и монтажа зубчатых передач данного типа, одно из колес расположено консольно, что существенно снижает нагрузочную способность по сравнению с цилиндрическими передачами.
Учитывая конструктивные особенности передачи нерационально использовать коническую зубчатую передачу в трансмиссии геохода, к этому нет ни конструктивных ни функциональных предпосылок, т.к. по условию компоновки трансмиссии необходимо что бы ось вращения геохода совпадала с осью вращения передачи, в противном случае требование по наличию свободного пространства для удаления горной массы не будет выполнятся. Поэтому данная передача также не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к передачам, используемым в трансмиссии геохода.
Червячная передача применяется в случаях, когда оси ведущего и ведомого валов перекрещиваются (обычно под прямым углом). Данные передачи при одноступенчатой схеме могут обеспечивать передаточной отношение до 70, при двухступенчатой схеме передаточное отношение колеблется в пределах от 70 до 500. Кпд дан-
ных передач (одной ступени, закрытого исполнения) находится в пределах от 0,7 до 0,92. Данные передачи не применяются при больших скоростях в виду чрезмерного тепловыделения. Передаваемая мощность передачи может достигать сотен киловатт [7].
Основное достоинство данной передачи обеспечение больших передаточных отношений на одной ступени передачи.
Основные недостатки: большое скольжение в зацеплении служит причиной пониженного кпд, повышенного тепловыделения и износа, склонности к заеданию, необходимости постоянной смазки и охлаждения.
Для обеспечения конструктивной возможности размещения червяной передачи внутри корпуса геохода и обеспечения большого крутящего момента необходимо расположить несколько передач по внутреннему периметру корпуса геохода (как показано на рисунке 1).
При данной, периферийной, схеме расположения у нижних редукторов будет затруднено смазывание передачи, т.к. червячная передача не будет погружена в смазку, что существенно повлияет на работоспособность, износостойкость и надежность данной передачи. Также недостатком будет являться габариты передачи, которые будут существенными, т.к. требуется обеспечить большой крутящий момент и большое передаточное отношение.
Планетарные передачи содержать зубчатые колеса с перемещающимися осями и состоит обычно из центрального колеса с наружными зубьями, сателлитов, водила и центрального колеса с внутренними зубьями. Данная передача получила широкое распространение благодаря широким кинематическим возможностям, которые позволяют ее использовать как редуктор с постоянным передаточным отношением, так и как коробку скоростей и как дифференциальный механизм. Планетарный принцип позволяет получить передаточные отношения порядка 1700. Кпд данной передачи составляет по данным составляет от 0,65 до 0,96, в общем для данной передачи при
увеличении передаточного отношения кпд резко падает. Поэтому при больших числах и планетарную передачу рекомендуют для кратковременно работающих приборов и маломощных приводов, в которых кпд не имеет решающего значения, случаях небольшого и передача используется в нагруженных приводах. Передаваемая мощность передачи может достигать сотен киловатт [7].
Основные преимущества:
- возможность использования одной и той же передачи, как в виде редуктора с постоянным передаточным отношением, так и в виде коробки скоростей, передаточное отношение в которой меняют путем поочередного торможения различных звеньев;
- компактность и малая масса при одинаковых силовых параметрах по сравнению с редукторами с цилиндрическими колесами (масса ниже в 2.4 раза);
- долговечность службы.
Основные недостатки: повышенные требования к точности изготовления и монтажа, низкий кпд в некоторых схемах при требуемых для геохода больших значениях передаточных отношений.
Оценивая возможность применения планетарной передачи в трансмиссии геохода, рассмотрим два варианта ее размещения. Первый - периферийной компоновки, при котором по периметру внутренней поверхности секции расположить редукторы планетарных передач. Второй - осевая компоновка, при которой используется колесо внутреннего зацепления, расположенное на внутреннем периметре вращающейся секции геохода. При этом как в первом, так и во втором случаях не будет выполняться условие по обеспечению свободного пространства для удаления горной массы, т.к в первом случае помешают габаритные редукторы, а во втором
- наличие в районе оси секции водила и зубчатых колес-сателлитов.
Передача Новикова считается альтернативой эвольвентному зацеплению, при этом считается, что оно имеет более высокую нагрузочную способность (порядка 1,5.1,7 раза больше чем у аналогичной по размеру и материалу эвольвентной косозубой передачи). Однако в последнее время преимущества данной передачи ставятся под сомнение [8] в виду наличия ряда недостатков в теории зацепления передач Новикова.
Существенным недостатком также является нетехнологич-ность ее изготовление, данные передачи не подвергаются термообработке и не шлифуются из за отсутствия соответствующих технологий, и подвержена быстрому износу. Поэтому данная передача в настоящее время менее конкурентоспособна, чем эвольвент-ная. В связи с вышеизложенным применение данной передачи в трансмиссии геохода не представляется возможным т.к. не будет выполнятся требование к трансмиссии по обеспечению достаточного крутящего момента достаточного для вращения секции и отделения горной массы.
Волновая передача с промежуточными телами качения (ВППТК) является одной из перспективных передач. Силовая передача крутящего момента осуществляется практически только обкатным движением, почти без сопротивления трения. Поэтому такие передачи работают с высоким кпд [9].
Данные передачи обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными зубчатыми передачами:
- большие передаточные числа (свыше 10000);
161
Анализ механических передач возможных к применению в трансмиссии геохода
Вид передачи Передаточное отношение КПД Передаваемая мощность, кВт Крутящий момент Напорное усилие Достаточная производительность Обеспечение свободного пространства Непрерывность вращения Маневренность и реверс Единая конструктивная база Я ' га ® я « а ао ма оп и її е ^ ир на С 10 Снижение энергопо-требения
Зубчатая цилиндрическая прямозубая 8...300, максимальное -до сотен тысяч 3,96.0,98 десятки тысяч + + + - + + + + - +
Зубчатая цилиндрическая косозубая 8.300, максимальное -до сотен тысяч 3,96.0,98 десятки тысяч + + + - + + + + - +
Зубчатая цилиндрическая шевронная 8.300, максимальное -до сотен тысяч 0,96.0,98 десятки тысяч + + + - + + + + - +
Зубчатая коническая 4.200, максимальное -до тысячи 0,95.0,97 до 20 - - + - - + + + + - +
Червячная 70.500 0,7.0,92 до 50 + + + - + + + + - +
Планетарные до 1700 и более 0,7.0,98 десятки тысяч + + + - + + - + - +
Передача Новикова До 8, при одноступенчатой схеме 0,96.0,98 до 1500 - - + - + + + + - -
Волновые 6.100000 0,8.0,9 десятки тысячи + + + + + + + + + + + + + + + +
++ - целесообразность применения данной передачи; + - возможность применения данной передачи; - - затруднительность
применения данной передачи;------невозможность применения данной передачи
- большие крутящие моменты на выходном звене, в конструкции ВППТК нагрузка передается с помощью шариков или роликов с углом зацепления от 90 до 180 градусов. То есть, к примеру, при передаточном отношении одной ступени равному 50, в зацеплении одновременно находится до 25 тел качения, что позволяет передавать крутящие моменты в 5.10 раз больше по сравнению с зубчатой передачей, с многократной кратковременной перегрузкой и практически без упругих деформаций;
- большие перегрузочные резервы и высокая жесткость кинематических звеньев;
- компактность, по сравнению с зубчатой эвольвентной передачей, при равных передаточных числах и крутящих моментах ВППТК меньше по габаритам в 2.6 раз;
- высокий кпд (составляет 0,8.0,9);
- малый момент инерции, высокий уровень динамичности (в ВППТК с высокой скоростью вращается только вал с эксцентриковым генератором).
Особое достоинство - это высокая износостойкость передачи из-за отсутствия в ней трения скольжения, поскольку фактически передача представляет собой подшипник с волнообразной беговой дорожкой. В отличие от традиционной волновой передачи с гибким звеном, эта передача не имеет гибких деформирующих звеньев и практически не имеет упругого закручивания входного вала относительно выходного даже при максимальных нагрузках.
В таблице приведен анализ применимости различных механических передач в трансмиссии геохода.
Волновые передачи с промежуточными телами качения в совокупности с электроприводом, соответствуют требованиям по силовым показателям, возможности размещения в геоходе, обеспечит непрерывность, реверсивность и плавность движения, а также возможность ее монтажа на единой конструктивной базе геохода, т.е. удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к трансмиссиям геохода.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бреннер В.А., Жабин А.Б., Щеголевский М.М., Поляков Ал. В., Поляков Ан. В. Щитовые проходческие комплексы: Учебное пособие. - М.: Издательство «Г орная книга», Издательство Московского государственного горного университета, 2009. - 447 с.: ил.
2. Перспективные научные направления развития горной техники и технологии // Г.Г. Литвинский. - Наукові праці Донецького національного техннічного університету. Серія «Гірничо-геологічна» / Редкол.: Башков Э.О. (голова) та інші.
- Донецьк, ДВНЗ «ДонНТУ», 2009. - 192 с. - Випуск 10 (151).
3. Геовинчестерная технология и геоходы - инновационный подход к освоению подземного пространства // В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков. «Эксперт-Техника». - 2008. - №1. С. 18-22.
4. Разработка требований к трансмиссии геоходов // А.Б. Ефременков, В.В. Аксенов, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев. «Известия ВУЗов. Горный журнал». -2009. - №8. С. 101-103.
5. Аксенов, В.В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок.
- Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2004, 264 с., ил.
6. Солод В.И. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов. Учебник для вузов / Гетопанов В.Н., Рачек В.М. - М. Недра, 1982, 350 с.
7. Иванов В.Н. Детали машин: Учеб. Для студентов втузов/Под ред. Финогенова В.А. - М.: Высш. шк. 2000. - 383 с.
8. Ошибочность физических основ зацепления Новикова как причина ограниченности его применения // «Редукторы и приводы», информационноаналитический журнал, №, с. 38-44, 2007 г. Журавлев Г.А.
9. Панкратов Э.Н. Проектирование механических систем автоматизированных комплексов для механообрабатывающего производства: Практикум лидера-проектировщика. - Томск: изд-во Том. Ун-та, 1998. - 295с. шиз
— Коротко об авторах --------------------------------------------------
Аксенов В.В. - д-р т. н., заместитель директора Институт угля и углехимии СО РАН,
Тимофеев В.Ю. -ЮТИ ТПУ,
Блащук М.Ю. - ст. преподаватель,
Ефременков А.Б. - к.т.н.,
Юргинский технологический институт ТПУ, г. Юрга
