CC BY
207
В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук,
2010
УДК 622.002.5
В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев,
М.Ю. Блащук
ОБЗОР ТРАНСМИССИЙ ГОРНОЙ ТЕХНИКИ
Приведен обзор и рассмотрены особенности построения трансмиссий исполнительных органов и систем подачи очистных и проходческих комбайнов. Ключевые слова: геоход, трансмиссия, привод, кинематическая схема, очистные комбайны, проходческие комбайны.
1ГЛ ак и в любом движущемся агрегате, в геоходе для обес--»%. печения требуемого усилия на внешнем движителе требуется устройство для преобразования энергии от силовой установки и передачи его на внешний движитель - трансмиссия. При создании первых экспериментальных образцов геохода в конце прошлого века группой ученых и инженеров были проведены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, в ходе которых были разработаны некоторые положения методики расчета силовых параметров привода геохода, а также математическая модель, в первом приближении, описывающая взаимодействие геохода и его элементов с окружающей его геосредой [1]. Полученные расчетные зависимости и экспериментальные данные позволили оценить величину усилий и моментов, необходимых для перемещения геохода (рис. 1). Так, для геохода диаметром 3 м величина вращающего момента составит около 800 кНм. При этом
частота вращения головной секции составит пвр = ^ об/мин.
Для обеспечения необходимых параметров движения в экспериментальных образцах геоходов ЭЛАНГ в качестве трансмиссии использовались гидроцилиндры, расположенные по хордам окружности. Такое решение недостаточно совершенно и имеет ряд недостатков:
- сложность синхронизации действия всех гидроцилиндров;
Рис. 1. Зависимость усилий для перемещения геохода Рд и вращающего момента Мвр от радиуса геохода
- цикличность продвижения геохода;
- закрутка рукавов высокого давления в процессе вращения головной секции;
- возможность перекоса штока и поршня в цилиндре вследствие продвижения вперед головной секции.
Новизна конструкции геохода обуславливает необходимость разработки различных вариантов трансмиссии геохода для создания адаптивной конструкции способной передавать большие по величине вращательные моменты и обеспечивать непрерывность движения самого геохода.
На основе анализа особенностей работы геохода, ранее проведенных исследований [1, 2], а также, полученных технических параметров были сформулированы основные требования к трансмиссии геохода для реализации главного - вращательного движения головной (поворотной) секции [3]. На основании выдвинутых требований можно выделить главные черты будущей трансмиссии:
- трансмиссия должна передавать значительный по величине вращающий момент (800 кН-м и более);
- трансмиссия должна обеспечивать непрерывное перемещение агрегата на забой с очень низкой частотой вращения пвр = ^ об/мин и менее;
- трансмиссия должна не загромождать пространство внутри геохода для передачи отбитой горной массы, передачи движения исполнительным органам, а также для размещения других систем.
Большие вращающие моменты и низкие частоты вращения потребуют реализации больших передаточных чисел в трансмиссии, а, следовательно, и габаритных размеров самих передач.
Для разработки компоновочных и конструктивных решений трансмиссии геохода рационально рассмотреть проверенные практикой известные конструктивные решения трансмиссий горной техники предназначенной, преимущественно, для механизации различных операций при подземных работах. В первую очередь это трансмиссии исполнительных органов и механизмов подач очистных и проходческих комбайнов, а также проходческих щитов.
Трансмиссия горных машин является неотъемлемой составной частью привода, а вид и характеристики трансмиссии определяются общим назначением привода горной машины. Привод горных машин в общем случае включает в себя двигатель, трансмиссию, соединяющую двигатель с рабочим органом и обеспечивающую передачу мощности на него, устройства для подвода энергии и управления приводом.
По виду выполняемого рабочего движения привод может быть вращательного или поступательного типа.
Привод вращательного действия используется в исполнительных органах, в системах погрузки и перемещения и пр.
Привод с поступательным характером перемещения широко используется в механизированных крепях, проходческих комбайнах для управления поворотом стрелового исполнительного органа, в шагающих системах подачи, натяжных устройствах и т.п.
В некоторых конструкциях привод с поступательным характером перемещений используется в исполнительном органе, что дает возможность при относительно небольших значениях рабочих скоростей получать большие нагрузки на рабочем инструменте и разрушать забой со значительными сечениями стружки (например,
привод исполнительного органа агрегата АФГ конструкции ПНИ-УИ).
В горных машинах нашли применение электро-, гидро- и пневмопривод [4].
В электрическом приводе очистных и проходческих машин подавляющее распространение получили асинхронные короткозамкнутые двигатели. Основными достоинствами этих двигателей являются: простота и надежность конструкции, большой пусковой момент, хорошая перегрузочная способность, высокий кпд. Напротив, электродвигатели постоянного тока в горных машинах не получили широкого распространения, так как в отличие от асинхронных их трудно сделать взрывобезопасными. Основное достоинство электродвигателей постоянного тока: возможность плавного регулирования скорости вращения. Для питания этих электродвигателей необходимо иметь устройства, преобразующие переменный ток в постоянный. Двигатели постоянного тока использованы в приводах исполнительного органа и системы подачи очистного комбайна К128П.
Наряду с электрическим приводом в горных машинах широко применяется гидропривод. Его достоинства: простота получения практически любого вида механического перемещения с независимым расположением выходных элементов, что упрощает компоновку, кинематику и конструкцию машины; малые масса и объем, приходящиеся на единицу передаваемой мощности, что обеспечивает повышение энерговооруженности в заданных габаритах; возможность бесступенчатого регулирования выходной скорости в широком диапазоне; возможность создания низкооборотного высо-комоментного привода, что позволяет исключить большегабаритные механические передачи из конструкции машины; надежное ограничение в заданных пределах величин нагрузок и простота защиты машины от экстренных перегрузок; хорошие динамические свойства и высокое быстродействие.
К недостаткам гидропривода относятся: возможность загрязнения и утечка рабочей жидкости, что ухудшает характеристики гидропривода и уменьшает его надежность; высокие требования к точности изготовления и в связи с этим возникает относительная сложность монтажа и ремонта в условиях горного производства; взрыво- и пожароопасность в случае применения рабочих жидкостей с горючими свойствами.
Основой гидропривода является гидропередача, вид которой определяет вид гидропривода.
Гидропередача состоит из насоса, гидродвигателя (турбины) и соединительной магистральной линии. По энергетическому признаку гидропередачи разделяются на объемные и гидродинамические .
Объемный гидропривод вращательного действия получил распространение в гидравлических механизмах подачи очистных и проходческих комбайнов, предохранительных лебедках, насосных установках для мощных скребковых конвейеров, струговых установках и
др.
Пневматический привод используется в очистных комбайнах, работающих на тонких крутых пластах, где применение электродвигателей запрещено по условиям безопасности (например, в комбайне А-70П использован пневмодвигатель 8ШК40М мощностью 35 кВт), в механизированном инструменте и в машинах ударного действия.
Пневмопривод состоит из компрессора, магистрального и раздаточных воздуховодов, устройств управления и пневмодвигателей.
Пневмопривод на базе шестеренных пневмодвигателей легко переносит перегрузки.
Общая структура и схема привода определяются прежде всего функциональным назначением машины или рабочего органа.
В горных машинах используются:
- групповой привод, когда все рабочие органы приводятся от одного привода с разветвленной трансмиссией (подавляющее большинство выемочных комбайнов для пластов малой и средней мощности);
- индивидуальный привод на каждый отдельный рабочий орган или систему, где применение одного привода с разветвленной трансмиссией вызвало бы усложнение машины в целом, увеличение ее габаритов, снижение надежности и ремонтопригодности.
Системы индивидуальных приводов широко применяются в проходческих комбайнах, например, приводы органа разрушения забоя, бермовых фрез, гусеничного хода, конвейера.
В выемочных комбайнах также возможно применение индивидуальных приводов на отдельные системы. Например, в комбайнах для мощных пластов (комбайн К128П) на отдельные органы разрушения имеются самостоятельные приводы.
При рассмотрении вопроса о групповом или индивидуальном приводе необходимо учитывать, что при групповом приводе мощность используемого двигателя или группы двигателей возрастает в соответствии с числом рабочих органов и систем, потребляющих мощность. Это, в свою очередь, может существенно повлиять на конструкцию машины, так как в случае внезапного стопорения одного из рабочих органов вся установленная мощность двигателей с учетом упругих и инерционных свойств системы может реализоваться в трансмиссии данного рабочего органа и вызвать его разрушение. В этом случае необходимо или предусматривать соответствующие предохранительные устройства в трансмиссиях рабочих органов, или выполнять их расчет в соответствии с возможными величинами нагрузок [4].
При наличии самостоятельных приводов на отдельные рабочие органы элементы конструкций рассчитываются на нагрузки, определяемые двигателем данного привода, что является несомненным достоинством.
В ряде случаев в приводе выемочных машин используются спаренные двигатели (например, в комбайнах 1ГШ68, КЮЗ), что дает увеличение мощности и моментных характеристик привода. Однако необходимо отметить, что в этом случае из-за различных моментных характеристик используемых двигателей может произойти недоиспользование суммарной мощности двигателей.
Существенной составной частью привода горной машины является ее трансмиссия, передающая движение и мощность от двигателя к рабочим органам. Как правило, трансмиссии исполнительных органов являются наиболее нагруженными. В соответствии с выполняемыми функциями трансмиссии горных машин могут иметь различные функции.
В настоящее время в горных машинах наибольшее распространение для передачи механической энергии от двигателя к исполнительному органу получили зубчатые механические передачи.
В приводах выемочных и проходческих машин механические передачи состоят из цилиндрических, конических и планетарных зубчатых передач. В связи с низким к. п. д. червячные передачи в современных выемочных машинах получили ограниченное распространение. В ряде случаев применяются цепные передачи, а в системах подачи цевочные передачи. Также, в настоящее время, в не-
которых машинах начали применяться волновые передачи с промежуточными телами качения.
Принятый в горной машине тип и параметры исполнительного органа обусловливают выбор кинематической схемы привода, определяют относительное положение осей двигателя и выходного вала редуктора, требуемое передаточное число и другие элементы. Так, например, в редукторы приводов шнековых, штанговых, барабанных и дисковых исполнительных органов очистных угольных машин обязательно входит коническая зубчатая передача (угольные комбайны 2К52, 1К101, БК52, МК67, 1ГШ68, КШЗМ, К120 и др.) (рис. 2), так как ось вала исполнительного органа расположена перпендикулярно оси приводного двигателя [4, 5, 6]. В этом случае коническую зубчатую пару располагают как можно ближе к входному валу, где передаваемый крутящий момент имеет меньшее значение, т.к. конические зубчатые пары в трансмиссии, в отличие от цилиндрических зубчатых обладают пониженной несущей способностью.
В проходческих комбайнах 4ПУ, ГПКС и погрузочных машинах 1ПНБ, 2ПНБ в приводе ходовой части электродвигатель (электродвигатели) расположен вдоль продольной оси комбайна перпендикулярно осям тяговых звездочек гусениц, поэтому их трансмиссия на первых ступенях также включает коническую зубчатую передачу (рис. 3). В трансмиссиях проходческих комбайнах ПК3Р, «Урал-38», К56МГ, 4ПП2М электродвигатель также расположен вдоль оси комбайна, а вместо конической зубчатой передачи применена червячная (рис. 4).
При параллельном расположении осей валов двигателя и рабочих органов (например, в комбайнах К103, КЦТГ, «Поиск-2» и др.) в трансмиссии имеются только цилиндрические зубчатые пары (рис. 5). В проходческих комбайнах «Урал-10КСА», «Урал-20КСА», 41II15 в приводе ходовой части применен гидродвигатель, имеющий меньшие габариты по сравнению
Рис. 2. Кинематическая схема редуктора исполнительного органа комбайна 2К-52
32 33
Рис. 3. Кинематическая схема трансмиссии ходовой части комбайна 4ПУ
Рис. 4. Кинематическая схема трансмиссии ходовой части комбайна «Урал-38»
Рис. 5. Кинематическая схема комбайна К103
Рис. 6. Кинематическая схема трансмиссии ходовой части комбайна «Урал-10КСА»
с электродвигателями, что позволило установить его параллельно оси тяговой звездочки гусеницы, таким образом, трансмиссия содержит только цилиндрические зубчатые передачи (рис. 6).
В приводе горных машин широко используются планетарные передачи, которые обеспечивают значительные передаточные числа. Такие передачи установлены в механизмах подачи (комбайн ПК-9р), приводах исполнительных органов проходческих комбайнов со стреловыми (например, комбайн 4ПУ), роторными (ПК8, ШБМ-2м) и планетарными (комбайны «Караганда-7/15», «Союз-19» и др.) исполнительными органами.
У очистных комбайнов для разработки пластов средней мощности и мощных планетарная передача может использоваться на выходных ступенях привода исполнительного органа, как это осуществлено в отечественных комбайнах К120, К500Ю.
В приводах подачи очистных комбайнов 1К101У, КА80, 2К52МУ, 1ГШ68, 2ГШ68Б, КШ3М ввиду необходимости регулирования скорости перемещения в широких пределах применяются гидравлические механизмы подачи, такие как Г405 и др.
Выводы
1. Проведенный обзор трансмиссий и приводов очистных и проходческих комбайнов позволяет сделать заключение, что имеющиеся конструктивные решения малопригодны для непосредственного использования в трансмиссии геохода, ввиду существенных отличий по величинам передаваемого вращательного момента и частоты вращения, а также особенностей построения компоновок.
2. Очевидно, что трансмиссия геохода в связи со специфическими требованиями, предъявляемыми к ней, должна строиться на передачах, реализующих высокие передаточные числа. В данном случае могут быть использованы известные конструктивные решения червячных, планетарных и волновых передач, нашедших применение в традиционной горной технике.
3. Остается открытым вопрос о построении кинематической схемы трансмиссии геохода [7], т.е., например, один мощный двигатель - однопоточный редуктор - головная секция, или один мощный двигатель - многопоточный редуктор - суммирующий механизм - головная секция, или несколько - двигателей - однопоточные редукторы - суммирующий механизм - головная секция и т.п. Соответственно стоит вопрос и о выборе приводных двигате-
лей (электродвигатели, гидромоторы, гидроцилиндры, пневмодвигатели), и их количестве.
Проведенный обзор должен стать отправной точкой для проведения дальнейших исследований, результатами которых должны быть компоновочные схемы и конструктивные решения трансмиссий геохода, а также методики расчета.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Эллер А.Ф. Винтоповоротные проходческие агрегаты / А.Ф. Эллер, В.Ф. Горбунов, В.В. Аксенов. - Новосибирск: ВО «Наука». 1992. - 192 с.
2. Аксенов В.В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2004, 264 с., с ил.
3. Разработка требований к трансмиссии геоходов / В.В. Аксенов и др. // Инновационные технологии и экономика в машиностроении. Труды VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. 414-417
4. Солод В.И. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов. Учебник для вузов / В.И. Солод, В.Н. Гетопанов, В.М. Рачек - М. Недра, 1982, 350 с.
5. Горные машины и комплексы / А.В Топчиев и др. - М. Недра, 1971 г., 560
с.
6. Оборудование для очистных и проходческих работ. Каталог. - М. ЦНИЭИ-уголь, 1986, 296 с.
7. Силовые зубчатые трансмиссии угольных комбайнов. Теория и проектирование / П.Г. Сидоров и др. - М. Машиностроение, 1995. - 296 с. нш=1
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------
Аксенов В.В. - доктор технических наук, заместитель директора, Институт угля и углехимии СО РАН, г. Кемерово, профессор, Юргинский технологический институт ТПУ, г. Юрга,
Ефременков А.Б. - кандидат технических наук, доцент, директор, Блащук М.Ю. - старший преподаватель,
Тимофеев В.Ю. - ст. преподаватель, механик кафедры ГШО,
Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, tv-ytitpui@rambler.ru
