CC BY
42
В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук, 2009
УДК 622.002.5
В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев,
М.Ю. Блащук
РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ ГИДРОПРИВОДА В ТРАНСМИССИИ ГЕОХОДА
Рассмотрены варианты применения гидроцилиндров, плунжерных гидроцилиндров, гидромоторов в трансмиссии геоходов. Проведен анализ предложенных вариантов гидропривода винтоповоротного проходческого агрегата — геохода. Ключевые трансмиссия, гидропривод, гидроцилиндр, гидромотор, требования к трансмиссии геохода.
в я ри неминуемом росте в стране объемов городского тон-
-Ш.Ж. нельного строительства актуальность решения задач повышения скорости проходческих работ, производительности и безопасности труда, снижения себестоимости работ приобретает первостепенное значение. Интенсификация освоения подземного пространства требуют совершено новые и существенно более прогрессивные проходческие машины и технологии [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 настоящее время предложен отличный от традиционного подход к процессу проведения горных выработок, который изначально проходку выработок рассматривает как процесс движения твердого тела (проходческого оборудования) в твердой среде (геосреде) и только потом, как процесс образования полости в массиве горных пород [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 его продвижения в геосреде. Исходя из особенности работы геохода, были выработаны основные требования к трансмиссии геохода [4]. Трансмиссия должна:
- обеспечивать крутящий момент на внешнем движителе достаточный для продвижения головной и стабилизирующей секций геохода;
- передавать от привода крутящий момент достаточный для отделения горной породы исполнительным органом (создание напорного усилия);
- обеспечивать достаточную производительность геохода при любом его пространственном расположении;
- размеры и расположение трансмиссии и привода должны оставлять свободное пространство внутри агрегата для удаления породы из призабойной зоны;
- обеспечивать непрерывное перемещение агрегата на забой;
- трансмиссия и привод должны обеспечивать маневренность геохода на трассе проводимой выработки и реверс его движения;
- трансмиссия и привод должны быть смонтированы на единой конструктивной базе геохода;
- массогабаритные показатели трансмиссии должны обеспечить снижение металлоемкости проходческого оборудования по сравнению со щитами и проходческими комбайнами;
- трансмиссия должна обеспечить снижение энергопотребление проходческого оборудования по сравнению со щитами и проходческими комбайнами.
На первых экспериментальных образцах геоходов ЭЛАНГ-3 и ЭЛАНГ-4 для их перемещения и подачи на забой были применены гидроцилиндры, расположенные по хордам окружности [5]. Конструктивно и функционально в трансмиссии геохода возможны следующие варианты применения гидропривода:
- гидропривод с гидроцилиндрами;
- гидропривод с плунжерными гидроцилиндрами;
- гидропривод с гидромоторами.
Ранее, в геоходе ЭЛАНГ-4, подтвердил свою работоспособность уже существующий вариант трансмиссии геохода с гидро-
приводом, представляющим собой ряд гидроцилиндров, расположенных по хордам к окружности оболочки [5]. Данная трансмиссия при диаметре геохода 3,7 м и шаге однозаходной винтовой лопасти равном 0,615 м обеспечила производительность в штатном режиме порядка 1,5 м/ч, и максимальную производительность порядка 2,4 м/ч, а также развила крутящий момент порядка 3500 кНм с энергоемкостью разрушения порядка 0,2 кВт/т. При производительности 2,4 м/ч и однозаходной винтовой лопасти, частота вращения будет равна порядка 4 об/ч, однако, учитывая машинную производительность, которая в данном случае достигает 50% по времени от общей производительности, частота вращения может достигать 8 об/ч.
Вышеперечисленные показатели геохода с трансмиссией с гидроцилиндрами в первом приближении отображают необходимые силовые и скоростные параметры трансмиссии и привода геохода, и поэтому они были приняты в качестве исходных данных для рассмотрения других вариантов трансмиссии геохода с гидроприводом.
Первые варианты трансмиссии геохода не соответствуют предъявляемым требованиям в части обеспечения непрерывности перемещения агрегата на забой [4].
Далее рассмотрим вариант с применение гидроцилиндров в трансмиссии с попыткой устранения имеющихся недостатков. Схема данной трансмиссии представлена на рис. 1.
Привод состоит из 8 приводных гидроцилиндров, разделенных на две группы А и Б по 4 гидроцилиндра и храпового механизма 1, первая группа гидроцилиндров подключены к одной ветке гидросхемы, вторая к другой. Гидроцилиндры соединены проушиной 2 к неподвижной хвостовой секции 3, второй проушиной к вращающейся секции. Секции соединены между собой с возможность взаимного проворота. Принцип работы состоит в следующем: при работе первая группа гидроцилиндров А выдвигается и отталкиваются от неподвижной секции и вращают подвижную, при этом вторая группа Б гидроцилиндров задвигается. При этом скорость складывания гидроцилиндров должна быть гораздо больше чем выдвигания. Затем вторая группа гидроцилиндров Б начинает выдвигаться и «вступает» в работу до остановки первой группы А, при этом первая группа гидроцилиндров складывается в исходное положение. Далее цикл повторяется.
Преимущества: отсутствие прерывистого движения, сравнительно малый вес и габариты привода; возможность регулирования скорости вращения подвижной секции за счет увеличения подачи, сравнительно большой габарит свободного пространства.
К недостаткам можно отнести:
- сложность синхронизации действия всех гидроцилиндров;
- необходимость создания храпового механизма;
- колебания скорости вращения и крутящего момента из-за изменения длины штока;
- скручивание рукавов высокого давления в процессе вращения головной секции отрицательно влияет на безопасность ведения работ;
- наличие изгибающих нагрузок на штоках гидроцилиндров.
Рассмотрим второй вариант применения гидропривода с
плунжерными гидроцилиндрами. Ниже предложена схема гидропривода с применением плунжерных гидроцилиндров при которой крутящий момент передает шестеренно-реечная трансмиссия, совершающая возвратно-поступательное и вращательное движения (рис. 2).
Трансмиссия состоит из зубчатой рейки 1, расположенного на поршень плунжерного гидроцилиндра 2, в зацеплении с рейкой находится зубчатые шестерни 3 и 4, которые закреплена
А
Рис. 2. Схема гидропривода геохода с плунжерными гидроцилиндрами
на валу привода 5. Шестерня 4 находиться в зацеплении с колесом внутреннего зацепления 6, расположенным на внутреннем диаметре вращающейся секции. В зависимости от габаритов угол поворота выходного вала будет составлять от 90одо 360° и даже больше. Принцип действия следующий: зубчатая рейка 1 и шестерня 3 имеет некоторое передаточное число. Перемещающийся в цилиндре поршень плунжерного гидроцилиндра 2 с зубчатой рейкой 1 меняет свое положение под действием давления рабочей жидкости. Шестерни 3 и 4 вращаются. Шестерня 4 в свою очередь вращает зубчатое колесо внутреннего зацепления 6, расположенного на вращающейся секции. Дойдя до упора поршень, останавливается, затем шестерня 4 и зубчатое колесо 6 выходит из зацепления, и поршень 2 возвращается в исходное положение. Далее цикл повторяется.
Достоинства данной схемы:
Рис. 3. Схема гидропривода геохода с гидромотором
- простая конструкция гидросхемы и кинематики по сравнению с трансмиссией с гидроцилиндрами;
- отсутствует необходимость в преобразовании поступательного движения;
- сравнительно небольшая масса.
Недостатки данной схемы:
- наличие прерывистого вращения секции;
- большие нагрузки на зубчатую передачу;
- наличие холостого хода гидроцилиндров;
- сложность изготовления и монтажа системы обратного хода.
Данная схема также не удовлетворяет требованиям к трансмиссии в части обеспечения непрерывности вращения секции геохода.
Третий вариант применения гидропривода - привод от нерегулируемого гидромотора. Для создания большого крутящего момента возможно применить LSHT-гидромоторы (Low
Рис. 4. Схема гидропривода геохода с двумя гидромоторами
Speed High Torque Motors - низкооборотные высокомоментные моторы, например фирмы Denison Hydraulic, США). Величина крутящего момента в них достигает 45000 Нм, при давлении рабочей жидкости до 45 МПа.
В данном случае (рис. 3) потребуется регулирование скорости вращения выходного звена гидромотора - регулируемый насос (на рис. 3 не показан). Выходной вал гидромотора 1 передает вращение на зубчатое колесо 2. Зубчатое колесо 2 находится в зацеплении с зубчатым колесом внутреннего зацепления 3, расположенного на внутренней поверхности вращающейся секции. Вращение от гидромотора, расположенного на неподвижной секции, передается через зубчатое колесо 2 на вращающуюся секцию геохода.
Х6Х
Название К.П.Д. Переда- ваемая мощ- ность Крутящий момент на внешнем движителе Напор ное усилие Доста- точная произ- води- тель- ность Обеспе- чение свобод- ного про- стран- ства Непре рыв- ность враще ния Манев рен-ность и реверс Еди- ная кон- струк тив- ная база Снижение мас-согаба-ритных показателей Снижение энер-гопотре-бения
Гидропривод с гидроцилиндрами (ЭЛАНГ-4) 0,85...0, 95 Сотни тысяч кило- ватт + + + + - + + - - + + + + + -
Гидропривод с гидроцилиндрами (с непрерывным вращением) 0,85.0, 95 Сотни тысяч кило- ватт + + + + + + + + + + + + + + + -
Гидропривод с плунжером и шестереннореечным приводом 5 0, 9 0, 9 Сотни тысяч кило- ватт + + + + - + - - + + + + -
Гидропривод с нерегулируемым гидромотором 0,7.. .0,8 Сотни тысяч кило- ватт + + + + + + - + + + + + + + -
++ - целесообразность применения данного привода; + - возможность применения данного привода; - - затруднительность применения данного привода;------невозможность применения данного привода
При увеличении общего числа гидромоторов до двух или трех меньшего типоразмера (рис. 4) распределение нагрузки по диаметру секции будет более благоприятным, уменьшится передаточное число редуктора и его габариты, увеличится габарит свободного пространства.
Достоинства данной схемы:
- отсутствуют звено преобразования вращательного движения;
- непрерывная работа - нет необходимости возврата в исходное положение;
- возможность регулирования скорости вращения подвижной секции;
- простота гидросхемы и кинематической цепочки электродви-гатель-насос-гидромотор-зубчатая передача.
К недостаткам можно отнести:
- большие нагрузки на зубчатую передачу;
- большой вес и габариты;
- нагрузка на корпус приходится со стороны расположения гидроприводов, поэтому возможны перекосы оси движения геохода, что ведет к повышению динамических нагрузок на корпус геохода;
- несимметричность расположения привода и соответственно нет возможности рационального использования свободного пространства внутри геохода.
Учитывая недостатки характерные для данного типа привода приходим к выводу, что данный типа трансмиссии не соответствует требованиям, предъявляемым к трансмиссии геохода в части требований к наличию свободного пространства в районе оси вращения вращающейся секции.
На основании анализа (таблица) применимости различного гидропривода в трансмиссии геохода можно сделать вывод, что в настоящее время соответствует новым требованиям, предъявляемым к трансмиссии и приводу геохода только один тип гидропривода - гидропривод с гидроцилиндрами с непрерывным вращением.
-------------------------------------- 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
«Горная 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 // В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, 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. ЩГЛ
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Аксенов В.В. - д-р техн. наук, профессор,
Ефременков А.Б. - канд. техн. наук, доцент, директор ЮТИ ТПУ, Тимофеев В.Ю. - аспирант ЮТИ ТПУ, ст. преподаватель,
Блащук М.Ю. - ст. преподаватель.
Юргинский технологический институт ТПУ,
Е-таі1: [email protected]
