CC BY
106
© С.Н. Александров, В.И. Бережинский, В.А. Будишевский, С.А. Мельников, 2009
С.Н. Александров, В.И. Бережинский,
В.А. Будишевский, С.А. Мельников
СОЗДАНИЕ ШАХТНЫХ ЛОКОМОТИВОВ ДЛЯ ДОСТАВКИ ГРУЗОВ ПО ПУТЯМ С НЕВЫДЕРЖАННЫМ И ЗАВЫШЕННЫМ ПРОФИЛЕМ
Предложена новая конструкция привода локомотива с многоточечным опиранием на рельс, что позволяет без изменения основной конструктивной компоновки значительно повысить его тяговые и тормозные характеристики.
Ключевые слова: локомотивный транспорт, угольное машиностроение, шахтный локомотив, электровозы
ТТ а подземном транспорте и на поверхности угольных Ц шахт Украины сегодня числится свыше 1300 аккумуляторных и около 100 контактных локомотивов, из которых, только 930 аккумуляторных и 90 контактных находятся в работе. Используется около 6400, грузовых, пассажирских вагонеток, а также другое оборудование рельсового транспорта.
Общая протяженность горизонтальных и наклонных выработок, служащих для перевозки угля и породы рельсовым транспортом, составляет около 1500 км, при этом свыше 60 % общего объема перевозок осуществляется локомотивным транспортом.
Для нормального функционирования этого оборудования необходимо своевременно производить текущие и капитальные ремонты, обновлять изношенное оборудование, внедрять более совершенную технику и технологии транспорта. Так ежегодно необходимо менять свыше 165 шахтных электровозов, около 500 тяговых батарей, постоянно заниматься улучшением состояния шахтного рельсового пути. Наиболее критическое положение сложилось на локомотивном транспорте из-за отсутствия в необходимом количестве тяговых электродвигателей, контролеров, особенно, аккумуляторных батарей.
Для частичного обновления подвижного состава на ряде шахт и небольших местных предприятиях угольного машиностроения организовано в настоящее время изготовление вагонеток, замена кузовов, ремонт полускатов. Очень часто такое производство свя-
зано с большими организационными и технологическими трудностями, а выпускаемая продукция не соответствует требованиям качества.
От производительности и надежности работы шахтного рельсового транспорта в значительной мере зависят темпы проведения проходки, объемов добычи угля и в целом эффективность работы шахты.
Правильный выбор локомотива с рациональными конструктивными параметрами для конкретных шахтных условий в соответствии с технологическими требованиями является определяющим для обеспечения экономичности работы шахты.
Выпускаемые в настоящее время в Украине шахтные локомотивы не в полной мере соответствуют современным требованиям по техническому уровню, безопасности, надежности и производительности.
Конструкция ходовой части шахтного локомотива за весь период их выпуска практически не изменилась, что оставило неизменным основные эксплуатационные показатели — тяговые-тормозные характеристики.
Тормозная система локомотивов согласно [1] должна обеспечивать три вида торможения:
• стояночное, обеспечивающее длительное удержания состава расчетной массой на уклоне 0,050 при коэффициенте сцепления колес с рельсами 0,17;
• рабочее, обеспечивающее регулирование и снижение скорости состава до полной остановки, обеспечивающее остановку состава на установленном для данного электровоза пути торможения;
• экстренное, обеспечивающее остановку состава на установленном для данного типа электровоза пути торможения.
Эти требования в основном выдерживаются для однорамных локомотивов, хотя с позиции безопасности при стояночном торможении необходимо использовать нормальнозамкнутый механический тормоз. Для двух рамных локомотивов (спарка) по правилам безопасности управление всеми видами торможения должно осуществляться с обеих кабин, что не выполняется.
Согласно [1] электровозы со сцепной массой 7 т и более должны быть оборудованы двумя кабинами или одной центрально расположенной кабиной с выходом на обе стороны и крышу. Ни один выпускаемый в Украине, аккумуляторный электровоз сцепной мас-
сой 8 т не оборудован двумя кабинами. Невыполнение вышеуказанных требований резко повышает травматизм при локомотивной откатке.
Общие требования, предъявляемые к органам управления шахтными локомотивами, электрооборудованию в выпускаемых и используемых локомотивах, в основном выдерживаются.
Электровозы старых выпусков оснащены реостатной (контроллерно-резисторной) схемой управления, основанной на введении- выведении ступеней пускорегулирующих резисторов и на изменении схемы соединений тяговых двигателей в сочетании с ослаблением их поля возбуждения. Эта схема проста, надежна, но имеет следующие недостатки:
• большие потери энергии в резисторах;
• резкое изменение (броски) пускового тока и тягового усилия при переходе с одно позиции на другую, вследствие ограниченного их количества;
• значительные динамические нагрузки с волнообразным характером распределения вдоль состава из-за пульсирующего изменения тягового усилия;
• пробуксовка колес локомотива при пуске;
• громоздкость пускорегулирующей аппаратуры, установленной в кабине локомотива.
Неэкономичность реостатной системы особенно проявляется при управлении аккумуляторными электровозами, имеющими ограниченный источник энергии недостаточной мощности.
Безреостатная схема управления, основанная на ступенчатом подводе к тяговым двигателям напряжения (путем изменения схемы соединений двух секций аккумуляторной батареи и тяговых двигателей в сочетании с ослаблением их поля возбуждения), обеспечивает пять позиций вместо двух при реостатной схеме управления.
Эта схема по сравнению с реостатной позволяет экономичнее регулировать скорость, в связи с чем получила применение на ряде аккумуляторных электровозах. Она сохранила все недостатки контроллерных схем, связанных со ступенчатым переключением и недоиспользованием сцепного веса электровоза в период пуска. Однако данная схема управления надежна в эксплуатации и широко применяется.
В настоящее время применяется бесконтактная схема управления на базе кремниевых тиристоров и диодов. Бесконтактная тиристорно-импульсная схема управления по сравнению с контроллерными (реостатной, безреостатной) обеспечивает такие важные преимущества:
• стабильность тягового усилия электровоза в период разгона (вследствие плавного без ступенчатого пуска и регулирования скорости движения);
• сокращение потерь энергии.
Благодаря стабильности тягового усилия при пуске в безкон-тактной схеме можно достичь плавность разгона и замедления состава, наиболее полное использование тяговой способности локомотива. Данная схема может обеспечивать плавное управление двигателями, как в тяговом, так и в тормозном режимах. Причем с рекуперацией энергии. Основным недостатком данной системы управления является ее низкая надежность.
В последнее время расширяется область применения шахтных локомотивов с дизельным приводом. Энергетическая их оснащенность по сравнению с аккумуляторными, имеет незначительные преимущества. Однако область их применения ограничена и не может полностью заменить электровозы с электрическим приводом. Основным их недостатком является ограниченная коэффициентом сцепления колеса с рельсом тяговая способность.
Эффективность работы и технический уровень локомотивов оценивается по тяговому усилию на крюке, которое определяется рядом конструктивных параметров локомотивов и определяют технический уровень локомотива.
Наиболее объективно коэффициент технического уровня локомотива по нескольким показателям можно получить, пользуясь обобщенной оценкой. Для оценки конструктивных параметров принимаем удельные показатели, отношение абсолютных значений уровня к эталонному функциональному критерию сравниваемых локомотивов одного типа, например аккумуляторных. В основу функционального критерия заложено тяговое усилие локомотива на крюке.
Оценку локомотива проводим по конструктивным, тяговым и энергетическим параметрам: сцепной вес локомотива Р; диаметр колесных пар D; мощность приводных двигателей Ы; тяговое усилие на крюке F; паспортная скорость движения V. При выборе па-
раметров локомотива, влияющих на его тягово-скоростные характеристики, особое внимание необходимо уделять силам сопротивления движению, обусловленным трением в буксах колесных пар Жб, деформацией колеса в зоне контакта с рельсом Жк. Суммарную силу сопротивления движению находим по формуле:
+ Мё = Р/ D (сф + 25),
где б — диаметр шейки оси колесной пары колеса, мм; Ф = (0,02...0,05) — коэффициент трения в буксе; 5 — смещение
(половина пятна контакта колеса с рельсом, для стали 5 = 0,002...0,005 мм [1].
Без учета этого сопротивления оценка качества локомотива не будет полной. Функциональный критерий Т = Fv отображает транспортную мощность локомотива. Энергетическая оснащенность аккумуляторных локомотивов не рассматривалась, хотя в ряде случаев емкость батареи существенно влияет на дальность поездок и время работы. принято, что при разрядке аккумуляторов их восстанавливают.
Одна из первых попыток квалиметрии шахтных локомотивов была описана в работе [4], однако авторами не полностью учтен весь комплекс параметров, влияющих на их обобщенный показатель качества. Определяем его для шахтных аккумуляторных локомотивов по алгоритму, включающему девять операций (рис. 1), в основу которого положены рекомендации, проверенные в работах [4,5]. В расчетах принято: П — число показателей; І — порядковый их номер; а(у, Ь, Сц — расчетные величины. Разработанный авторами статьи алгоритм позволяет осуществлять многокритериальный анализ качества шахтных локомотивов.
Характеристики паспортных данных для сравнительной оценки массовых, конструктивных и энергетических показателей аккумуляторных электровозов фирм-изготовителей Германии, Великобритании, Канады, Украины, США представлены в табл. 1.
|^^^^^^^=Формированиезадач^^^^^^^|
_ 1 _
2. Выбор конструктивных энергетических параметров
______________________Р,; р К,; V,;; Fj________________
Рис. 1. Алгоритм определения показателя качества шахтных локомотивов
222
Таблица 1
Технические характеристики электровозов
Фирма-изготовитель, марка Р, кН D, мм N кВт F, кН Скорость, км/ч Обобщенный показатель качества
Украина
ДМЗ,2АМ8Д-600 160 680 40,6 23,2 6,0 0,168
ДМЗ, 2АМ8Д-900 160 680 48 23 7,2 0,212
ДМЗ, АРП-14-900 140 680 47 17,8 9,21 0,27
ДМЗ, АМ8Д-600 80 680 20,3 14,4 6,0 0,325
ДМЗ, АМ8Д-900 80 680 24 14,4 7,2 0,462
ДМЗ, АРП28-900 280 680 104 34,2 10,5 0,245
ДМЗ,13АРП 130 680 31,2 17 6,0 0,174
Великобритания
«ПОНИ», ^Н* 45 546 15 25,4 9,6 0,631
«Клейтон» 100 610 18,7 20,04 6,26 0,153
'Тринбет» 17,5 406 5 3,27 5,6 0,185
«Гринбет» 3,5 457 12 4,53 5,7 0,124
'Тринбет» 20 355 5 3,17 6,4 0,18
«Гринбет» 25 450 6,4 5 5,6 0,227
«Гринбет» 50 508 2x11 5,68 8,0 0,149
«Клейтон» 35 450 219 6,8 12,8 0,372
«Клейтон» 35 450 11 4,2 5,7 0,12
223224
Фирма-изготовитель, марка Р, кН D, мм N кВт F, кН Скорость, км/ч Обобщенный показатель качества
«Клейтон» 35 450 11 4,2 5,7 0,12
«Клейтон» 40 457 2—7 4,1 7,2 0,111
«Клейтон» 40 508 2—6 1,87 6,8 0,058
«Клейтон» 55 457 2—115 4,1 6,4 0,077
«Клейтон» 70 559 2—17,5 5,68 8,0 0,106
«Бритиш Электрик», Бонк 70 559 2—31,1 9,1 6,1/6,5 0,12/0,296
КМС 80 559 2—41,6 11,4 8/19,3 0,156/0,337
«Бритиш Электрик», Бонк 50 450 2—21 5,45 16,1 0,229
«Клейтон» 100 559 2—25 13,61 12 0,265
«Гринбет» 140 559 2—45 18,14 12,8 0,252
Германия
ЕСВ ()8 650 2—85 7,2 8,25 0,187
ЕСВ 30 408 2—5 3,27 6,4 0,115
«СимеИс-Шукарт» 45 430 2—5,3 7,0 5,2 0,153
«Генри— Бенц» 55 430 2—7,5 12,0 9,0 0,278
Фирма-изготовитель, марка Р, кН D, мм N кВт F, кН Скорость, км/ч Обобщенный показатель качества
США
«Джеффри» 27 457 2—6 4,57 7,2 0,192
«Джеффри» 36 508 2—16,5 9,07 8,0 0,271
«Джеффри» 45 673 2—15 11,34 8,0 0,326
«Г удмен» 50 457 33 13,59 5,6 0,178
«Джеффри» 136 673 2—60 27,22 9,6 0,158
«Джеффри» 800 838 2—115 181,44 10,2 0,509
Канада
200 914 2—120 45,36 14,4 0,528
50 610 т, —5 2 4,54 5,6 0,129
80 610 2—1,1 9,08 5,6 0,136
80 610 2—19 9,07 8,4 0,171
100 610 2—17,5 13,61 5,6 0,1415
80 610 2—15 12,5 8,0 0,231
130 610 31,2 17,0 6,0 0,167
50 610 12,0 7,0 6,44 0,192
На основании приведенных расчетов и анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы. При равной сцепной массе локомотивов обобщенный показатель технического уровня выше у локомотива с большим диаметром колес, хотя мощность двигателей, установленных на нем, меньше, чем у сравниваемых. Например, увеличение диаметра колеса на 11 % повышает обобщенный показатель качества на 4 %. Следует также отметить, что он при прочих равных параметрах зависит от функционального критерия, а именно: от тягового усилия и скорости движения локомотива. Значительную роль, наиболее полно отражающую тяготранспортные параметры, играет скорость, повышение которой на 1 % увеличивает обобщенный показатель качества на 1 %. Существенно влияет на него коэффициент сцепления колес с рельсами. Электровоз с обрезиненными колесами имеет наивысший показатель качества из всех исследуемых, например АМ8Д-900.
Увеличение диаметра колес на эксплуатируемых отечественных локомотивах выполнить практически невозможно. Это направление ведет к изменению конструкции локомотива, что требует больших капиталовложений.
Величина тягового усилия на крюке локомотива зависит от сцепления колеса с рельсом. При передаче на ведущие колеса локомотива вращающего момента появляется горизонтальная реакция в контакте колеса и рельса. Эту горизонтальную реакцию называют силой сцепления. Величина этой силы зависит от многих факторов. Основными из них, при одинаковых диаметрах колес, являются физико-механические свойства колеса и рельсового пути, величины вертикальной нагрузки и характер ее распределения вдоль площади контакта, а также частота вращения колеса. Отношение величины этой горизонтальной реакции к вертикальной нагрузке называют коэффициентом сцепления. Из сказанного выше следует, что тяговую способность электровоза можно увеличить следующими техническими мерами:
• увеличением числа приводных осей;
• регулированием проскальзывания колеса относительно рельса;
• изменением материалов в паре трения колесо-рельс.
Повышение нормального давления непосредственно приводит к увеличению передаваемого тангенциального усилия, т.е. тягового усилия электровоза. Практически эта возможность может быть реализована путем повышения массы электровоза или использованием магнитных устройств. Однако повышение массы ограничивается величиной допустимой контактной прочности колеса и рельса и максимально допустимой нагрузкой на рельс при заданном расстоянии между шпалами. Применение магнитных устройств усложняет конструкцию локомотива.
Компромиссным решением, позволяющим повысить положительно влияющую на передачу усилия сцепную массу и снизить контактное сжатие между рельсом и колесам, является использование ходовых тележек с увеличенным числом приводных осей. Вместе с тем это ведет к удорожанию подвижного состава, усложнению конструкции и снижению надежности эксплуатации.
До настоящего времени система «колесо-рельс» рассматривалась, в основном, только для пары трения сталь по стали. В шахтных условиях при скорости движения электровозов 4...6 м/с и распространенных типах рельсов с традиционной конструкцией нижнего строения пути нормальное усилие в плоскости колеса находится в пределах 40-50 кН, поэтому необходимо использовать другие пары трения.
В угольной промышленности Великобритании с 1960 г. используются локомотивы с обрезиненными колесами. Это позволило значительно повысить тяговую способность и расширить область применения электровозов. Электровоз «PONY» [6, 7], с обре-зиненными колесами при сцепной массе 4 т позволяет обеспечить перевозку грузов при уклоне рельсовых путей до 10 %. При мощности двигателя 12,8 кВт он развивает максимальное тяговое усилие до 17,8 кН, что соответствует коэффициенту сцепления около 0,5. Применение новых материалов в паре трения «колесо-рельс» позволяет получить значительное повышение их тяговых способностей.
Этот способ при минимальных изменениях конструкции позволяет не только значительно увеличить тяговую способность локомотива, но и расширить область их эксплуатации. При обрезини-вании колес бандажи выполняют также функции амортизаторов,
существенно снижающих динамическую нагрузку на ходовую часть локомотива.
Следует отметить, что конструктивное решение и научное обоснование использования фрикционных материалов в паре трения колесо-рельс в настоящее время практически не реализовано. Причиной этого является отсутствие в отечественном машиностроении фрикционного материала, способного выдерживать большие нормальные и касательные нагрузки, действующие на колесные пары локомотивов.
Направлением работы является увеличение производительности локомотивного шахтного транспорта за счет применения локомотивов высокого технического уровня, оцениваемых по предложенной авторами методике. Применение новых шахтных локомотивов будет возможно не только на нормируемых, но и на завышенных профилях рельсовых путей.
Для достижения указанной цели предлагается новая конструкция привода локомотива с многоточечным опиранием на рельс, что позволяет без изменения основной конструктивной компоновки значительно повысить его тяговые и тормозные характеристики.
Новизна заключается в том, что локомотив (рис. 2) имеет дополнительные обрезиненные катки 2, 3, связанные кинематически с приводными колесами 1. Катки 2, 3 закрепленные на качалках 4 посредством прижимного механизма вводятся в сцепление с приводными колесами 1 локомотива. Верхний каток 2 прижимается к ведущему колесу локомотива и за счет сил трения передает вращательное движение нижнему приводному катку 3, который, взаимодействуя с рельсом создает дополнительное тяговое усилие. За счет того, что катки выполнены из фрикционного материала, коэффициент сцепления которых весьма высок — 0,35...0,45 можно при том же весе локомотива увеличить тяговое усилие на крюке и сократить тормозной путь.
При работе локомотива на рельсовых путях с нормальным уклоном дополнительные катки могут выводиться из сцепления с рельсами специальным механизмом управления катками.
Устройство поджатия катков
Рис. 3. Установка катков для увеличения тяговой способности локомотива
конструкцией привода (рис. 3) предусмотрено сцепление ►го приводного колеса с тяговым нижним катком, взаимо-
227
действующим с рельсом через промежуточный каток, который закреплен на раме локомотива. Этот каток передает вращающий момент на приводной нижний каток, при этом стальное приводное колесо разгружается. Разгрузка стального колеса ведет к уменьшению тягового усилия, создаваемого им. За счет того, что в контакт с рельсом вводится дополнительный тяговый элемент — каток, футерованный высокофрикционным материалом, тяговая способность локомотива увеличивается.
Перераспределение весовой нагрузки между колесными парами локомотива и катками позволяет за счет регулирования усилия поджатия катков применять для футеровки катков материалы с необходимой контактной прочностью и высоким коэффициентом трения.
Тяговое усилие локомотива с многоточечным опиранием возрастает с увеличением нагрузки на футерованные катки и превышает в 1,8.2,7 раза тяговое усилие локомотивов с равной сцепной силой тяжести.
Оснащение локомотивов футерованными фрикционным материалом катками повышает их тягово-тормозные характеристики, обеспечивает безопасность движения на завышенном профиле пути, создает предпосылки для увеличения производительности откатки.
Дальнейшим направлением работы является экспериментальные испытания опытного образца локомотива с дополнительными футерованными катками на рельсах с завышенным профилем пути.
Конструкция устройства для повышения тяговой и тормозной способности усовершенствованного локомотива защищена патентом Украины №32978.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ12.2.112-86 Транспорт рудничный электровозный. Общие требования безопасности к подвижному составу.
2. Самородов А.И., Чуйко И.Т., Гольцова А.Н., Равдонич В.А. Технические причины травматизма при электровозной откатки и пути их устранения. Уголь Украины-2003- № 10, с 40-41
3. Будишевский В.А., Мельников С.А. Обоснование менеджмента качества шахтных локомотивов.// Уголь Украины. — 2005. — № 4. — С.15-17.
4. Сердюк А.А., Мишин В.В. О функционале качества шахтных локомотивов. Уголь Украины — 1998. — №3.
5. Палант Г.Я. Рельсовый транспорт на шахтах Великобритании. Уголь Украины 19S9 № 4.
6. Рекламный проспект. Фирма «Clayton Equipment» Hatton, Derbys, DE65EB, England.
7. Типовые решение по перевозке людей и грузов в выработках с уклоном от 0,005 до 0,050. — Донецк: ДонУГИ, 19S6. — 34 с.
Aleksandrov S.N., Bereginskiy V.I., Budishevskiy V.A.,
Melnikov S.A.
CREATION OF MINE LOCOMOTIVES FOR DELIVERY OF CARGOES BY THE WAYS WITH THE UNCONSISTENT AND OVERRATED PROFILE
Considered the question of rise houling breke description of locomotives, that does possible the use of them on overpriced types of way.
Key words: locomotive transport, coal machine building, mine locomotive, electric locomotives.
Коротко об авторах
Александров С.Н. — доктор технических наук, ДонНТУ, Бережинский В.И. — доктор технических наук, МакНИИ, Будишевский В.А. — кандидат технических наук, ДонНТУ, Мельников С.А. — инженер, ДонНТУ.
