CC BY
15
10. Syd S. Peng, Feng Du, Jingyi Cheng, Yang Lid. Automation in U.S. longwall coal mining: A state-of-the-art review. International Journal of Mining Science and Technology. Vol. 29. Issue 2. March 2019. P. 151-159.
11. Ju Jinfeng, Xu Jialin, Zhu Weibing. Longwall chock sudden closure incident below coal pillar of adjacent upper mined coal seam under shallow cover in the Shendong coalfield. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. Vol. 77. July 2015. P. 192-201.
12. Veera Reddy Boothukuri, Ram Madhav Bhattacharjee, Durga Charan Panigrahi, Gautam Benerjee. Impact of geo technical factors on strata behavior in longwall panels of Godavari Valley coal field-a case study // International Journal of Mining Science and Technology. Vol. 29. Issue 2. March 2019. P. 335-341.
13. Workshop on econometrics: studies. manual / I. I. Eliseeva [et al.] // Moscow: Finance and statistics, 2001. 192 PP.
УДК 622.2
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ШАХТНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ В НАКЛОННЫХ ВЫРАБОТКАХ
Л.В. Лукиенко, М.Н. Каменский
Представлены результаты анализа способов работы шахтных электровозов в наклонных выработках. Предложено устройство, оригинальность которого защищена патентом Российской Федерации на полезную модель, позволяющее обеспечить устойчивую работу зубчато-реечной передачи, применение которой позволяет значительно расширить область применения шахтных электровозов в наклонных выработках.
Ключевые слова: шахтный электровоз, наклонные выработки, зубчато-реечная передача, опорно-направляющее устройство.
Исследованию работы шахтных электровозов и повышению эффективности их применения посвящены работы В.С. Волкова [5], С.А. Волот-ковского [3], А.Л. Западинского [4], Н.А. Малевича, Г.Я. Пейсаховича, Ю.С. Пухова [2], О.Н. Синчука [6], А.О. Спиваковского [7], И.Г. Штокмана [1] и других ученых. Однако они направлены в основном на совершенствование электрической системы управления приводом. Вопросам совершенствования механического привода уделено недостаточно внимания.
Поэтому целью работы является повышение эффективности работы шахтных электровозов в наклонных выработках за счёт применения опорно-направляющего механизма.
К основным задачам работы можно отнести:
- на основе анализа конструкций приводных устройств шахтных электровозов разработать конструктивные предложения для обеспечения их надёжной работы в наклонных выработках;
- провести анализ работоспособности подготовленных конструктивных предложений.
Анализ существующих вариантов работы шахтного электровоза в наклонных выработках показал, что при применении лебёдки возможны колебания электровоза с амплитудой до 13 мм, что может негативно сказаться на прочности каната, лебёдки и электровоза, увеличивая их динамическую нагруженность.
Применение конвейерного подъёма, добытого полезного ископаемого в наклонных выработках, имеющих радиус поворота, также весьма затруднено.
Расширения области применения шахтных электровозов в наклонных выработках с уклоном свыше 0,005 можно добиться посредством применения в системе привода зубчато-реечных передач, за счёт наличия жёстко закреплённой по оси симметрии рельсового пути рейки и обкатывающегося по ней колеса, закрепленного на выходном валу приводного редуктора. Для обеспечения постоянства межосевого расстояния в паре «колесо-рейка» необходимо использовать опорно-направляющий механизм, оснащённый опорами качения.
Анализ литературных источников показал, что известно устройство для повышения коэффициента сцепления ведущего колеса локомотива с рельсом [9], содержащее связанную с ведущим колесом шестерню, зацепленную с зубчатой рейкой, закрепленной на рельсе, отличающееся тем, что реборда ведущего колеса выполнена зубчатой с образованием указанной шестерни, а заходный участок рейки закреплен на рельсе с возможностью упругого перемещения по вертикали и зубья на ней выполнены переменной высоты. В качестве основного недостатка данного устройства можно отметить тот факт, что изготовление реборды ведущего колеса с образованием зубчатого колеса весьма затруднительно и будет сопровождаться значительными погрешностями, а возможность вертикального упругого перемещения по вертикали заходного участка рейки может привести к дополнительным нагрузкам на шпалы, что скажется отрицательно на работоспособности рельсового полотна.
Известна шахтная напочвенная дорога с зубчатым приводом [10] с бесцепным тяговым органом. Состав напочвенной дороги с зубчатым приводом перемещается по рельсам, между которыми рассредоточен зубчатый став, по которому катится пальцевое колесо тягового органа, приводимого от любого вида двигателей. Кабина и приводная станция соединены с тяговым органом с помощью прижимных шарнирных муфт с вертикальными поверхностями вращения на соединениях. Основным недостатком применения шарнирных прижимных муфт является неравномерность вращения ведомого вала при равномерном вращении ведущего.
Известна напочвенная дорога с зубчатым приводом [11] с тяговым органом, установленным на рельсах, а между отдельными рельсами распо-
ложен зубчатый став, по которому вращается пальцевое колесо тягового органа, привод которого осуществляется от электродвигателя или от двигателя другого типа. Поскольку тяговый орган включает в себя равно как систему подачи, в качестве пальцевого колеса, так и привод в качестве двигателя, питаемого энергией из внешнего источника, габаритные размеры которого могут создавать препятствие для перемещения в штреках с ограниченным сечением, а более того в горных выработках всегда имеются проблемы с перемещением кабелей или линий питания по ходу перемещения напочвенной дороги.
Известно также устройство для повышения коэффициента сцепления [12] ведущего колеса локомотива с рельсом, содержащее связанную с ведущим колесом шестерню, зацепленную с зубчатой рейкой, закрепленной на рельсе. Недостатком такого устройства является технологически сложное выполнение зубьев рейки по синусоидальному профилю, а также недостаточное увеличение силы сцепления.
Известна зубчатая дорога системы Абта [12], где отсутствует опорно-направляющее устройство, а постоянство зацепления обеспечивается за счёт массы локомотива. Между тем, весьма вероятна ситуация, при которой вследствие, например, изнашивания выталкивающие силы в зацеплении могут достигать значительных величин. При этом качество зацепления снизится и может возникнуть прерывистый характер движения локомотива.
Предложено опорно-направляющее устройство для зубчато-реечных движителей шахтных электровозов (рис. 1). Его конструкция состоит из корпуса опорно-направляющего устройства 1, приводного вала колёсной пары 2, зубчатого колеса 3, рейки (зубчатой) 4, направляющих пазов 5, опор качения 6.
Предлагаемое устройство (рис. 1) работает следующим образом. Крутящий момент от электродвигателя через систему зубчатых колёс передаётся на зубчатое колесо 3, закреплённое на приводном валу колёсной пары 2, которое обкатывается по рейке (например, зубчатой) 4. При этом электровоз перемещается вдоль оси рейки. Постоянство межосевого расстояния обеспечивается за счёт корпуса опорно-направляющего устройства 1, закреплённого на раме электровоза. Снижение коэффициента трения достигается за счёт наличия опор качения 6.
Использование предлагаемого опорно-направляющего устройства для шахтного электровоза позволит увеличить его полезную грузоподъемность. Кроме того, применение зубчато-реечной системы позволит значительно повысить допустимый угол подъёма шахтного электровоза.
Для обеспечения эффективной работы электровоза в наклонных выработках проведём исследования его устойчивости с использованием одномассовой расчётной схемы [13-19].
Её применение адекватно отображает реальные процессы работы, так как электровоз симметричен относительно продольной оси, а распределённые массы редуктора и электродвигателя могут быть приведены к центру тяжести машины за счёт использования стандартных методов механики.
Рис. 1. Опорно-направляющее устройство для зубчато-реечных движителей шахтных электровозов
Уравнение движения машины при компоновке движителя в вертикальной плоскости имеет вид
d х dx
m-= P - cx -ш--B sin pt,
dt2 dt
где т - масса машины; Р - сила тяжести машины, Н; с - жёсткость опоры Н/мм; у - диссипативные потери в опоре Н-с/мм; В - радиальная составляющая усилия на движителе, Н; р - частота вынужденных колебаний с-1.
При исследовании устойчивости электровоза принято, что угловая скорость вращения приводного колеса - постоянны. Жёсткость опоры варьировалась от 700 до 2000 Н/мм, Вес машины варьировался от 10000 до 20000 Н, величина диссипативных потерь ^=1500 Нс/мм.
Представленное уравнение описывает вынужденные колебания машины, обусловленные изменением радиального усилия за фазу зацепления в движителе, и является неоднородным дифференциальным уравнением второго порядка. Его решение имеет вид
х = а - е
-V г
2 т
Л
Б1П А —
V
4т2
г + а
у
р — в бш (рг)
т
Б1П
р
V 2 Р
т
рг — агС;ап
V
Ж
т
Л Л
р
с V т
р
(1)
УУ
Результат моделирования движения электровоза в соответствии с уравнением (1) позволяет сделать вывод, что при размещении передачи в вертикальной плоскости неизбежны значительные колебания (до 28 мм при различной вертикальной жёсткости опор, рис. 2), обусловленные действием радиальной составляющей усилия в зацеплении.
2
Рис. 2. Результаты анализа устойчивости машины
Таким образом, предложенная конструкция опорно -направляющего устройства, защищенная патентом РФ на полезную модель, имеет практическую значимость и позволит обеспечить эффективную работу шахтных электровозов на наклонных выработках.
Практическое внедрение зубчато-реечных передач для перемещения электровозов в наклонных выработках приведет к воздействию на шпалы дополнительных нагрузок. Оценку влияния этих нагрузок на прочностные характеристики шпал проведем с использованием метода конечных элементов. Исходными данными при проведении исследований были: вес вагонетки, проходящей по рельсам - 1 т. Усилие от закрепленной рейки приложено в точках ее закрепления и направлено перпендикулярно продольной оси рейки. Размеры шпалы в расчете: 180х180х1700 мм. Переменные величины - прикладываемая нагрузка и материал шпал. В качестве конечных элементов используем четырехгранные пирамиды со стороной 12 мм. Для подготовки твердотельной модели используем программу APM Studio. Затем конечноэлементную сетку передаем в программу APM Structure и производим расчет, используя метод расчета MT Frontal. Результаты исследования показали (рис. 3), что воздействие реек на нагруженность шпал зависит от скатывающей составляющей от воздействия веса электровоза и перемещаемого состава. Так при применении наиболее тяжелого электровоза предпочтительно применение бетонных шпал.
-е--е-
m о
Нагрузука, Н
20000
Шпала сосновая Шпала бетонная Шпала дубовая
24000
26000
7
6
5
Рис. 3. Зависимость коэффициента запаса прочности шпалы от воздействия нагрузки от рейки
Для определения необходимого и достаточного угла поворота между соседними секциями реек используем зависимость
= 180 - arccos
с ? ? 2 R 2 -12
2 R
2
, град,
где R - радиус поворота выработки, м; l - длина рейки, м
Величина угла, неизбежно образующегося между соседними рейками при повороте выработки, в значительной степени зависит от длины реек (рис. 4).
Радиус поворота выработки, м
Рис. 4. Зависимость необходимого угла поворота между соседними секциями от длины секции рейки
Для того чтобы обеспечить постоянство шага зацепления на стыках соседних секций, эта величина не должна превышать 30. Это возможно в том случае, если длина реек не будет превышать 1 м, при этом радиус поворота выработки должен быть не менее 18 м.
Основные научные и практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем.
1. В работе проведен анализ конструкций различных вариантов зубчато-реечных систем, применяемых для шахтных электровозов, на основе которого предложена конструкция опорно-направляющего механизма, оригинальность которой защищена патентом на полезную модель Российской Федерации.
2. Показано, что применение предложенной конструкции позволит обеспечить устойчивую эффективную работу шахтных электровозов в наклонных выработках.
Список литературы
1. Проектирование и конструирование транспортных машин / под ред. И.Г. Штокмана 2-е изд. М.: Недра, 1986. 392 с.
2. Пухов Ю.С. Рудничный транспорт. Недра. М.: 1991. 238 с.
3. Волотковский С.А. Рудничная электровозная тяга. М.: Недра, 1981. 389 с.
4. Западинский А.Л. Разработка теоретических основ и определение параметров энергосиловых установок рудничных локомотивов с инерционными аккумуляторами: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. ИГД им. А.А. Скочинского. М.: 1990. 31 с.
5. Волков В.С. Электрооборудование транспортных и транспортно-технологических машин. М.: Академия, 2010. 208 с.
6. Выбор параметров слагаемых асинхронных тяговых электротехнических комплексов двухосных промышленных электровозов / О.Н. Син-чук, И.О. Синчук, Э.С. Гузов, О.В. Пасько, Ю.А. Доценко // Вестник ХПИ, 2010. №28. С. 346-349.
7. Спиваковский А.О., Дьячков В.К. Транспортирующие машины. М.: Машиностроение, 1983. 487 с.
8. Транспорт на горных предприятиях / Б.А. Кузнецов, В.А. Ярму-шин, А.А. Ренгевич, И.А. Эренбург. М. 1970. 644 с.
9. Устройство для повышения коэффициента сцепления ведущего колеса с рельсом: пат. РФ 2022847 С1 РФ; опубл.15.11.1994.
10. Шахтная напочвенная дорога с зубчатым приводом: пат. 2323842 РФ; опубл. 10.05.2008.
11. Шахтная напочвенная дорога с зубчатым приводом: пат. 179457 РФ; опуб. 29.09.2000.
12. Устройство для повышения коэффициента сцепления ведущего колеса локомотива с рельсом: пат. 2022847 РФ; опубл.15.11.1994
13. Фролов К.В. Теория механизмов и машин. М.: Высшая школа, 1987. 496 с.
14. Кузнецов Е.В. Опыт эксплуатации подвесной монорельсовой дороги в условиях шахты ОАО "Разрез Сибиргинский" // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2005. С. 24-26
15. Зубчато-реечный привод валка стана периодической прокатки труб: пат. 2482933 С2 РФ; опубл. 27.05.2013. Бюл. №15.
16. Кондрахин В.П., Косарев В.В., Стадник Н.И. Электрические механизмы перемещения очистных комбайнов. Донецк: Технопарк ДонНТУ УНИТЕХ, 2010. 257 с.
17. Горбатов П.А. Горные машины для подземной добычи угля. Донецк: Норд Компьютер, 2006. 669 с.
18. Шахтная напочвенная дорога с зубчатым приводом: пат. 2323842 РФ. [Электронный ресурс]. URL: http://www.findpatent.ru/patent/ 232/2323842.html (Дата обращения 06.06.2019).
19. Коковцов К.К. Горные железные дороги Швейцарии особых систем. Зубчатые дороги. Санкт-Петербург, 1909. 269 с.
Лукиенко Леонид Викторович, д-р техн. наук, доц., зав. кафедрой, lukienko_lv@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Каменский Михаил Николаевич, канд. техн. наук, доц., MKamensky@yandex.ru, Россия, Новомосковск, Новомосковский институт РХТУ имени Д.И. Менделеева
INCREASE AN EFFECTIVENESS OF APPLICA TION MINE ELECTRIC LOCOMOTIVES IN INCLINED MINE WORKINGS
L.V. Lukienko, M.N. Kamensky
In work results of the analysis of the modes of work of mine electric locomotives in inclined mine workings are presented. The device which originality is protected by the Patent of the Russian Federation for useful model, allowing to ensure steady functioning of the gear rack-and-pinion which application allows to expand considerably scope of mine electric locomotives on inclined mine workings is offered.
Key words: mine electric locomotive, inclined mine workings, gear rack-and-pinion, basic and guiding device
Lukienko Leonid Viktorovich, doctor of technical sciences, associated professor, head of chair, lukienko_lv@mail.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kamensky Mikhail Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, MKa-mensky@yandex. ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute of Chemical Technology University named after D.I. Mendeleev
Reference
1. Design and construction of transport vehicles / Under the editorship of I. G. Shtokman 2nd ed. Moscow: Nedra, 1986. 392 PP.
2. Pukhov, Yu. S. coal mine transport. Subsoil. Moscow: 1991. 238 PP.
3. Volotkovsky S. A. Mine electric locomotive traction. Moscow: Nedra, 1981. 389
PP.
4. Zapadinsky A. L. Development of theoretical bases and determination of parameters of power plants of mine locomotives with inertial accumulators: abstract. Diss. ... d-RA tekhn. sciences'. The IGD im. A. A. Skochinsky. Moscow: 1990. 31 p.
5. Volkov V. S. Electrical equipment of transport and transport-technological machines. Moscow: Akademiya, 2010. 208 PP.
6. Choice of parameters of terms of asynchronous traction electrotechnical complexes of biaxial industrial electric locomotives / O. N. Sinchuk, I. O. Sinchuk, E. S. Guzov, O. V. Pasko, Yu. a. Dotsenko // Vestnik KHPI, Kharkiv, 2010. No. 28. Pp. 346-349.
7. Spivakovsky A. O., Dyachkov, V. K., Conveying machines. Moscow: Mashinostroenie, 1983. 487 PP.
8. Transport in mining enterprises / B. A. Kuznetsov, V. A. Yarmu-Shin, A. A. Rengevich, I. A. Ehrenburg // M. 1970. 644 PP.
9. Device for increasing the coefficient of adhesion of the drive wheel with the rail: Pat. RF 2022847 S1 RF; publ.15.11.1994.
10. Mining surface road with gear-drive: Pat. 2323842 of the Russian Federation; publ. 10.05.2008.
11. Mining surface road with gear-drive: Pat. 179457 of the Russian Federation; pub. 29.09.2000.
12. Device for increasing the coupling coefficient of the driving wheel of the locomotive with the rail: Pat. 2022847 of the Russian Federation; publ.15.11.1994
13. Frolov K. V. Theory of mechanisms and machines. Moscow: Higher school, 1987. 496 PP.
14. Kuznetsov E. V. Experience of operation of the suspended monorail in the conditions of the mine of JSC "sibirginsky Section" // Bulletin of the Kuzbass state technical University, 2005. P. 24-26
15. Rack-and-pinion driven mill roll for periodic rolling of tubes: Pat. 2482933 S2 RF; publ. 27.05.2013. Bull. No. 15.
16. Kondrakhin V. P., Kosarev V. V., Stadnik N. I. Electric mechanisms of movement of cleaning combines. Donetsk: Technopark DonNTU UNITECH, 2010. 257 PP.
17. Gorbatov P. A. Mining machines for underground coal mining. Donetsk: Nord Computer, 2006. 669 PP.
18. Mining surface road with gear-drive: Pat. 2323842 of the Russian Federation. [Electronic resource.] URL: http://www.findpatent.ru/patent/ 232/2323842.html (accessed 06.06.2019).
19. Kokovtsov K. K. Mountain Railways of Switzerland special systems // Jagged roads. St. Petersburg, 1909. 269 PP.
УДК 622.285.4:624.191.6
ВЫБОР И РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ОРГАНА ТОННЕЛЬНОЙ ЩИТОВОЙ МАШИНЫ С АКТИВНЫМ ПРИГРУЗОМ ЗАБОЯ
А.В. Поляков, А.Б. Жабин, П.Н. Чеботарев, В.Г. Хачатурян
Рассмотрен вопрос выбора и расчета рабочего органа тоннельной щитовой машины с активным пригрузом забоя. Определены условия выбора рабочего органа. Описаны возможные типы режущих головок и особенности выбора типа их опор и приводных механизмов. Дана зависимость для расчета крутящего момента на рабочем органе. Приведены рекомендации по выбору степени открытости режущей головки, типа разрушающего инструмента, расширительных устройств и уплотнений подшипниковых узлов привода рабочего органа в зависимости от грунтовых условий проходки.
Ключевые слова: рабочий орган, формы режущие головки и типы их опор, рекомендации по проектированию рабочего органа, степень открытости режущей головки, породоразрушающий инструмент, уплотнения подшипниковых узлов.
Рабочий (исполнительный) орган герметической щитовой машины выбирается в соответствии с грунтовыми условиями, расстоянием проходки, профилем тоннеля и условиями строительства. При выборе рабочего органа во внимание должны приниматься:
- тип щитовой машины;
- тип режущей головки (рабочего органа);
- тип опоры режущей головки;
