CC BY
38
© Л. В. Лукиенко, С.Ю. Волков, 2006
УДК 622.232
Л.В. Лукиенко, С.Ю. Волков
О НЕОБХОДИМОСТИ ОЦЕНКИ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ПО КРИТЕРИЮ РЕСУРСА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ БЕСЦЕПНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ
Семинар № 20
Для перемещения очистного комбайна вдоль забоя в настоящее время наибольшее распространение в отечественной и зарубежной практике получили бесцепные системы подачи (БСП) зубчато-реечного типа. От работы этих систем в значительной степени зависит повышение эффективности применения очистных комбайнов. Движители бесцепных систем перемещения зубчато-реечного типа работают в тяжёлых условиях, для которых характерны удельная нагрузка до 3 кН/мм, значительные колебания межосевого расстояния (до 10 %), нагрузки динамического характера, а также отсутствие смазки при наличии абразива в зоне контактирующих деталей. В последние годы в горном машиностроении наблюдается тенденция роста усилия подачи до 450^500 кН на один движитель на современных машинах, что вызывает повышение удельной нагрузки в зубчатореечных передачах в 1,9...2 раза, и скорости перемещения комбайна в 1,6.2 раза. Это приводит к резкому увеличению уровня нагруженности зубчатореечных систем перемещения очистных комбайнов, а, следовательно, и требований к качеству их проектирования.
Известные методы конструирования движителей БСП зубчато-рееч-ного типа позволяют определить геометрические параметры и основные качественные характеристики проектируемой системы перемещения очистного комбайна лишь в первоначальном состоянии, не учитывая их изменения при изнашивании движителя. Как показывает практика эксплуатации, оптимальные исходные качественные характеристики движителя не всегда определяют его высокий ресурс. Изнашивание в период эксплуатации контактирующих профилей элементов системы подачи неизбежно приводит к значительному изменению исходных силовых и кинематических характеристик движителя, что может оказаться не только причиной преждевременного отказа системы, но и привести к возникновению аварийной ситуации. Таким образом, задача разработки метода прогнозирования ресурса БСП зубчато-реечного типа высокопроизводительных очистных комбайнов на стадии проектирования для сравнительной оценки различных конструктивных решений является актуальной.
Проведённый натурный эксперимент по изучению изнашивания БСП зубчато - реечного типа в различных горногеологических условиях показал, что
основной причиной выхода из строя является механическое изнашивание. Ресурс цевочных реек (3БСП, 2УКПК) составляет 700- 800 тыс. т угля, а изношенные цевки приобретают форму трапеции. При этом метод, позволяющий оценить ресурс системы перемещения на стадии проектирования, до настоящего времени не разработан. Кроме того, имеющаяся ярко выраженная тенденция увеличения необходимых усилия и скорости подачи при неизбежном росте массы машины предъявляет повышенные требования к эффективной работе тормозных устройств. Всё это позволяет сделать вывод о необходимости проведения комплексных исследований для повышения ресурса привода систем перемещения очистных комбайнов с БСП.
Исходя из вышеизложенного, сформулирована следующая задача исследований: разработать научно обоснованный методический подход, позволяющий оценить процесс изнашивания систем перемещения зубчато-реечного типа, учитывающий формоизменение контактирующих элементов передачи и обратных захватов опорно-направляющего механизма, а также условия эксплуатации; на основе моделирования процесса изнашивания установить и обосновать критерии предельного состояния движителей БСП; установить влияние изнашивания опорно-направляющего механизма на вариацию межосевого расстояния в движителе БСП.
При описании процесса изнашивания определяющими факторами являются геометрические и силовые параметры движителя, необходимо также учитывать и трибологические характеристики взаимодействующих деталей. Исследование нагружения БСП зубчатореечного типа показало, что процесс изнашивания элементов зубчатого колеса и рейки может быть охарактеризован
величиной скорости изнашивания, направленной по нормали к поверхности трения вглубь изнашиваемого материала и зависящей от режима работы рассматриваемой точки взаимодействующих профилей и свойств материала.
Для решения задачи изнашивания рассмотрим ряд дискретных состояний, через которые проходит движитель за время его эксплуатации. Каждое последующее состояние контактирующих элементов отличается от предыдущего на величину износа за некоторый малый промежуток времени, называемый шагом износа. В результате изнашивания за один шаг зубья колеса и рейки перейдут в новое состояние, при этом векторы износа и перемещений деталей совпадать не будут. Чтобы обеспечить постоянство контакта, колесо должно повернуться на некоторый дополнительный угол, что приведёт к нарушению характеристик работы машины. Оценка износа пары за один шаг может быть осуществлена с учётом распределения удельной нагрузки при контакте двух профилей с различными радиусами кривизны и упругими свойствами материала, а также известных закономерностей изнашивания материала.
Исходными данными для расчета на износ пары «зубчатое колесо - зубчатая рейка» являются: шаг и угол зацепления Рр и а2-р, высота зуба рейки Нр, ширина зуба рейки по вершине Бр, радиус профиля зуба колеса гп2, радиус окружности центров профилей зубьев колеса гцп2, число зубьев и частота вращения колеса г2 и п2 , толщина зубьев колеса и рейки Ь, суммарная длина реечного става Ьр, крутящий момент на колесе Мкр2, коэффициент трения пары материалов колеса и рейки /тр, модули упругости и коэффициенты Пуассона материалов колеса и рейки Е2 и Е3, \2 и \3, коэффициенты для определения интенсивностей изна-
шивания J2ik материалов колеса и рейки А2, А3, B2, В3, C2, С3, D2, D3, максимально допустимая суммарная величина износа в паре «колесо - рейка» Ак2_р тах, временной интервал шага износа 8?, а также величины, определяемые из расчета геометрии зубчато-реечной передачи Ч^а2тах, р, Р2, Т, Гр, ге2, у о- Для анализа взаимодействия контактирующих профилей применим метод обращения движения, предполагая, что колесо вращается вокруг своей закреплённой оси, а рейка, под действием крутящего момента,
передаваемого коле-
сом, перемещается по касательной к окружности, на которой расположены центры профилей зуба колеса.
Начальное положение неизношенных контактирующих профилей может быть описано в соответствии с представленной расчётной схемой (рисунок). Для расчета величины износа элементов пары «зубчатое колесо - зубчатая рейка» вводим системы координат: Х02У - неподвижная система координат с центром, лежащим в центре колеса; Х202У2 - подвижная система координат, жестко связанная с зубом колеса; Х303У3 - подвижная система координат, жестко связанная с зубом рейки; р2і -угол, характеризующий отклонение радиус-вектора узловой точки от оси У2 в системе координат Х202У2; Х2І - угол, образованный радиус-вектором і-той точки контакта и радиусом профиля зуба колеса; р2і - радиус-вектор і-той точки контакта; х2і, у2і - координаты і-той точки контакта в системе координат Х202У2; х2-рі, у2-рі - координаты і-той точки контакта в системе координат Х02У; £2і - угол между координатными осями У и У2 в і-том положении; <р2н, <р2к - углы, определяющие положение точек начала и конца
контакта зуба колеса и рейки; х3і, уц -координаты і-той точки контакта для зуба рейки в системе координат Х303У3.
Износ в і-той точке контакта зуба колеса за первый шаг может быть определён по зависимости:
где й2_рі - половина длины линии контакта профилей; Ар - угловой шаг; п2 -частота вращения колеса движителя БСП.
Для определения величин интенсив-
ностей изнашивания 02^к материалов элементов движителей БСП были выявлены факторы, оказывающие влияние на величины интенсивностей изнашивания материалов, и способы корректного определения характера этого влияния; разработана методика модельных стендовых испытаний по определению характеристик износостойкости материалов элементов БСП; определены величины силовых коэффициентов для наиболее часто применяемых в БСП очистных комбайнов марок сталей.
Принятый способ разбиения линии контакта деталей позволяет разработать единую модель процесса изнашивания трёхэлементного движителя за счёт использования угла поворота радиуса-вектора, определяющего положение текущей точки контакта рабочих профилей сопряженных деталей в подвижной системе координат,
жестко связанной с зубом колеса. Это обеспечивает достаточно точное моделирование работы исследуемых трехэлементных движителей БСП высо-
Расчетная схема к определению износа пары «зубчатое колесо - зубчатая рейка»
копроизводительных очистных комбайнов. Методика позволяет через шаг износа определять координаты точек контакта изношенных профилей деталей. Причем учитывается, что в процессе одного шага износа в трехэлементном движителе изнашиваются оба профиля зуба зубчатого колеса (один - при взаимодействии с зубом шестерни, второй -при контакте с зубом или цевкой рейки). Каждый такой процесс моделируется отдельно.
По окончании шага износа характер взаимодействия контактирующих профилей меняется. При этом пересчету и коррекции подлежат развиваемые сис-
темой усилие подачи Еп и скорость перемещения комбайна V, зависящие непосредственно от также подлежащих пересчету крутящего момента на зубчатом колесе Мкр и частоты вращения колеса п2. Контролируемыми величинами при расчете трёхэлементного движителя являются колебания усилия подачи и скорости перемещения комбайна, прочность зубьев шестерни и колеса, а также величины максимальных износов зубьев и цевок, которые не должны превышать установленных предельных значений. По достижении какой-либо характеристикой своего предела расчет прекращается и определяется ресурс трехэле-
ментного движителя БСП очистного комбайна.
Изменение усилия подачи за фазу зацепления может быть оценено по зависимости, учитывающей процесс изнашивания контактирующих элементов:
Анализ результатов моделирования позволяет сделать вывод, что на большей части фазы зацепления усилие подачи убывает, а скорость перемещения комбайна возрастает (точка контакта смещается к нижней границе рабочего участка профилей). Характер кривых
(
М
кр 2
сое
РП1 =
ягсід (р )■
Л
2-рі
х
2-рі
а
(
р2і • сое
^2 і + ^2 і +
х
а2 - р -
2-рі
х
• агсід ((р)
л
2-рі
меняется на последней четверти фазы зацепления (точка контакта смещается к верхней границе рабочего участка профилей), при этом пересопряжение сопровождается понижением скорости подачи и скачком усилия (возрастает). Минимум кривой усилия подачи совпадает с максимумом кривой скорости перемещения комбайна.
В результате изнашивания за время эксплуатации коэффициенты неравномерности усилия и скорости подачи контактирующих профилей зубьев шестерни, зубчатого колеса и зубьев (цевок) рейки существенно повышаются. При этом в двухэлементных движителях увеличение колебаний усилия подачи за фазу зацепления с износом профилей настолько значительно, что на момент максимального суммарного линейного износа в паре в 6 мм указанная характеристика возрастает почти в два раза относительно первоначального (исходного) уров-ня. Таким образом, следует ре-
комендовать в качестве критерия предельного состояния такого типа движителей использовать величину коэффициента неравномерности усилия подачи, не допуская ее более чем двукратного превышения относительно доэксплуата-ционных показателей, либо, как минимум, контролировать указанный параметр наряду с контролем величины износа контактирующих профилей. Движитель БСП должен проектироваться с двукратным запасом изгибной прочности изношенных зубьев колеса и рейки (износ 3 мм на сторону) по номинальным 2 - р нагрузкам.
В трехэлементном движителе изменение силовых и кинематических характеристик (2) в результате износа контактирующих профилей не столь значительно. Поэтому для такого типа движителей следует рекомендовать в качестве критерия предельного состояния применять величину максимального суммарного линейного износа профилей. При этом следует контролировать значения коэффициента неравномерности скорости подачи, не допуская его двукратного превышения относительно доэксплуата-ционных показателей. Необходимо проектировать движитель БСП с учетом соблюдения требуемой изгибной прочности изношенных зубьев шестерни, зубчатого колеса и рейки (износ 3 мм на сторону) по максимально возможной нагрузке. Показано, что на изнашивание движителей БСП существенное влияние оказывают также неравномерность силовых и кинематических характеристик привода, механические свойства материалов и горно-технологические условия экс-плуатации. На основе аналитических исследований установлено, что
ресурс движителей БСП с зубчатой рейкой в среднем в 1,5 раза выше ресурса движителей с цевочным реечным ставом, что хорошо подтверждается накопленным опытом многолетней эксплуатации
В результате ускоренных модельных экспериментальных исследований выявлен характер влияния на величину интенсивности изнашивания материалов их механических и физических свойств, удельной нагрузки на контакте. Установлены значения силовых коэффициентов и коэффициента абразивного ускорения износа для материалов элементов движителей БСП.
Обоснованы критерии предельного состояния тяговых органов движи-телей бесцепных систем подачи. Для двухэлементных движителей БСП зубчатореечного типа рекомендовано применять величину коэффициента неравномерности усилия подачи, не допуская ее двукратного превышения относительно
проектных показателей, при этом необходимо контролировать величину износа контактирующих профилей. Для трехэлементных движителей рекомендуется использовать величину максимального суммарного линейного износа профилей, при этом контролируется значение коэффициента неравномерности скорости подачи.
Использование разработанного метода прогнозирования ресурса движителей БСП зубчато-реечного типа позволило обосновать рациональные, с точки зрения обеспечения максимально возможного ресурса, сочетания основных конструктивных параметров движителей, что позволяет повысить их ресурс в среднем на 12-15 %. Достоверность аналитических исследований, выводов и решений подтверждена хорошей сходимостью расчетных показателей ресурса с результатами эксплуатации (расхождение не превышает 14 %).
— Коротко об авторах ----------------------------------------
Лукиенко Л.В., Волков С.Ю. - НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева, ТулГУ.
