CC BY
11
УДК (UDC) 625.144
СРАВНЕНИЕ БЕЗРЕДУКТОРНОГО И РЕДУКТОРНОГО ГИДРОПРИВОДОВ МАШИН ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
COMPARISON OF REDUCED AND GEARED HYDRAULIC DRIVES OF TRANSPORT
CONSTRUCTION MACHINES
Гринчар Н.Г., Шошин А.С., Чалова М.Ю. Grinchar N.G., Shoshin A.S., Chalova M.Yu.
Российский университет транспорта (Москва, Россия) Russian University of Transport (Moscow, Russian Federation)
Аннотация. Улучшение технико-экономических {
показателей машин транспортного строительства {
возможно осуществить путем увеличения их произ- {
водительности, снижением, габаритов и массы, {
уменьшением энергопотребления и увеличением их {
надежности, что в конечном итоге будет способ- {
ствовать сокращению сроков строительства (вво- {
ду объектов в нормативные сроки), трудоемкости {
строительно-монтажных работ и снижению ка- {
питальных затрат на временные здания и соору- {
жения. Отдельным и специфическим типом машин {
транспортного строительства являются буровые {
машины на базе промышленных тракторов типа {
Т10. Как правило, при этом используется гидравли- {
ческий объемный привод основных рабочих органов. {
Традиционным конструкторским решением привода {
бурового става машины является применение низ- {
комоментного гидромотора с редуктором. В то же {
время отечественной промышленностью выпуска- {
ются высокомоментные гидромоторы, дающие {
возможность обеспечиь необходимый крутящий {
момент на буровом ставе без использования редук- {
тора. Такое решение позволяет упростить конст- {
рукцию, снизить затраты на изготовление и повы- {
сить надежность привода в эксплуатации. В на- {
стоящей статье приведен сравнительный анализ {
некоторых достоинств и недостатков редуктор- {
ного и безредукторного вариантов привода бурово- {
го става применительно к серийно выпускаемой {
машине БТС-150. {
Ключевые слова: бурение, буровые машины, {
промышленные тракторы, привод бурового става. {
i
Дата принятия к публикации: 25.05.2022 {
Дата публикации: 25.05.2022 {
i
Сведения об авторах: {
Гринчар Николай Григорьевич - доктор тех- {
нических наук, доцент, профессор кафедры «Назем- {
ные транспортно -технологические средства», {
ФГАОУ ВО «Российский университет транспорта», {
e-mail: nggrin@yandex.ru. {
Шошин Александр Сергеевич - аспирант ка- {
федры «Наземные транспортно-технологические {
средства», ФГАОУ ВО «Российский университет {
транспорта», e-mail: ferzool@yandex.ru. {
Abstract. Improving the technical and economic indicators of machine building is possible by increasing their production, reducing their dimensions and masses, reducing energy consumption and reducing their reliability, which ultimately will correspond to the norm for reducing construction time (putting objects into regulatory significant ones), the labor intensity of construction and installation works and increase in capital costs for temporary buildings and structures. A separate and specific type of machines for construction are drilling machines based on industrial tractors of the T10 type. As a rule, this uses a hydraulic volumetric drive of the main working bodies. The traditional design consequence of the drilling string drive of the machine is the use of a low-torque hydraulic motor with a gearbox. At the same time, high-torque hydraulic motors have grown in domestic industrial resistance, making it possible to provide the necessary torque on the drilling rig without using a gearbox. This solution allows you to simplify the light, reduce production costs and increase the reliability of the drive in operation. This article provides a comparative analysis of some of the advantages and disadvantages of the geared and gearless variants of the drilling string drive, in relation to the mass-produced machine BTS-150.
Keywords: drilling, drilling machines, industrial tractors, drilling drive.
Date of acceptance for publication: 25.05.2022
Date of publication: 25.05.2022
Authors' information:
Nikolay G. Grinchar - Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department «Ground transportation and technological means» at Russian University of Transport,
e-mail: nggrin@yandex.ru.
Alexander S. Shoshin - postgraduate student of the Department «Ground transportation and technological vehicles» of the Russian University of Transport,
e-mail: ferzool@yandex.ru.
Чалова Маргарита Юрьевна - кандидат тех- { Margarita Yu. Chalova - Candidat Technical Sci-
нических наук, доцент, доцент кафедры «Наземные { ences, Associate Professor, Associate Professor of the
транспортно-технологические средства», ФГАОУ { Department «Ground transportation and technological
ВО «Российский университет транспорта», { means» at Russian University of Transport,
e-mail: margarita_chalova@mail.ru. { e-mail: margarita_chalova@mail.ru.
1. Введение
Переход от механического и электромеханического привода рабочих органов в строительных, дорожных, грузоподъемных машинах, и в частности, в машинах транспортного строительства на применение объемного гидропривода обусловлен рядом его значительных преимуществ. К основным преимуществам гидропривода в первую очередь относятся:
- возможность бесступенчатого регулирования скорости исполнительных операций;
- возможность относительно простого преобразования вращательного движения в поступательное (использование пары насос-гидроцилиндр), что позволяет упростить многие конструктивные решения механизмов, сохраняя при этом высокий коэффициент полезного действия;
- применение гидропривода позволяет существенно снизить металлоемкость изделий (так, например, вес одноковшовых экскаваторов четвертой типоразмерной группы с канатно-механическим приводом составляет порядка 30 т, а экскаваторов с гидроприводом - около 25 т);
- применение гидропривода предоставляет широкие возможности для автоматизации рабочих процессов.
Основным недостатком объемного гидропривода является снижение объемного КПД в процессе эксплуатации вследствие износа прецизионных пар в гидроаппаратах, прежде всего в насосах и гидромоторах.
К относительным недостаткам гидропривода следует отнести необходимость строгого соблюдения высокой чистоты рабочей жидкости.
На сегодняшний день отечественной промышленностью освоено производство практически всех типов гидроаппаратов, в том числе и производство высокомоментных гидромоторов. Применение этих гидромашин позволяет обеспечить высокие значения
крутящего момента на выходном валу без каких-либо дополнительных устройств и механизмов. Учитывая данное обстоятельство, в ряде конструкций возможно отказаться от такого звена в трансмиссии как редуктор.
Использование объемных гидропередач в приводе машин транспортного строительства, в частности буровых, требует исследований в области определения рациональных параметров гидросистем и режимов их работы, особенно с точки зрения надежности и долговечности [1].
Применение безредукторного гидравлического привода в машинах транспортного строительства позволяет снизить их массу, габариты, стоимость работ, повысить производительность.
Значительная масса, более низкие показатели надежности, высокие приведенные затраты при использовании конструкции привода с редуктором существенно затрудняют, а порой делают практически невозможным создание малогабаритных высокопроизводительных машин транспортного строительства и, в частности, мобильных буровых машин на базе промышленных тракторов.
В то же время, применение высокомо-ментных гидромоторов сказывается в основном на двух аспектах работы привода бурового става. С одной стороны, уменьшается количество функциональных звеньев, составляющих привод, что в свою очередь должно положительно сказываться на надежности и долговечности работы привода. Во-вторых, такое изменение кинематической схемы привода неизбежно должно сказываться на динамических процессах, сопровождающих процесс бурения скальных пород. Так, например, Вагин В.С. в работе [2], отмечает, что снижение массы вращающихся частей безредукторного привода, сложный кинематический режим требует в определенной мере пересмотра существующих подходов к оценке динамических характеристик привода.
Ниже основное внимание будет уделено вопросу повышения надежности работы привода как наиболее актуальному.
2. Анализ состояния вопроса
Совершенствование конструкций буровых машин неразрывно связано с разработкой для них рациональных систем приводов, в первую очередь, механизма вращения бурового става и механизма подачи става на забой [3].
Крутящий момент на буровом ставе характеризуется весьма широким диапазоном колебаний относительно среднего значения в зависимости от свойств породы в забое. Особенно широкий размах колебаний нагрузки происходит при бурении трещиноватых пород VII- IX категории.
Привод с редуктором и низкомоментным гидромотором представляет собой типовое конструкторское решение, имеет широкое распространение в машинах транспортного строительства. При этом, однако, приводы этого типа имеют большие пусковые потери, неэкономичны при работе на сниженных скоростях, обладают низкой управляемостью, чувствительны к колебаниям гидравлической жидкости, большие габариты и значительную массу не только двигателя, но и пускорегулирующей аппаратуры. Не обеспечивают поддержание малой скорости при нагрузке ниже номинальной [3].
В приводах с редуктором традиционно и чаще всего продолжают использоваться нерегулируемые аксиально-поршневые низко-моментные гидромоторы (для БТС-150 -гидромоторы серии 310), рассчитанные на работу с постоянной скоростью вращения.
В машинах транспортного строительства типа БТС-150 (рис.1) в период разгона при работе редукторного привода возникают ударные нагрузки на элементы трансмиссии. Кроме того, колебания нагрузки и, соответственно, давления в гидроприводе приводят к вибрациям как бурового става (неустойчивой работе), так и вибрации буровой машины в целом. Это отрицательно сказывается как на производительности машины, так и на эргономические показатели работы.
Рис. 1. Буровой тракторный станок БТС-150: 1 - базовый трактор; 2 - основная рама;
3 - буровая рама; 4 - механизм вращения бурового става
Из-за высших гармоник колебаний давления возрастают потери в основном двигателе машины [4].
Рассмотрим возможности применения безредукторного привода бурового става на примере буровой машины БТС-150 (рис.1)
На рис. 2 и 3 представлены серийно выпускаемый вариант привода вращения бурового става с низкомоментным гидромотором и перспективный вариант с высокомомент-ным гидромотором.
Предлагаемая конструкция разработана на кафедре «Наземные транспортно-техноло-гические средства» Российского университета транспорта (МИИТ).
Расчет массовых (весовых) показателей систем привода по одному и другому вариантам показывает о том, что масса безредук-
торного гидропривода (рис. 3) при одинаковом вращающем моменте с редукторным приводом (рис. 2) меньше приблизительно 1,3 - 1,5 раза [5].
Рис. 2. Одноступенчатый редуктор,
применяемый в конструкции с использованием низкомоментного
гидромотора и редуктора: 1 - гидромотор, 2 - зубчатая муфта,
3 - ведущая шестерня редуктора,
4 - маховик, 5 - тихоходный вал редуктора, 6 - ведомая шестерня редуктора,
7 - муфта с замковой резьбой
Рис. 3. Привод вращения бурового става с высокомоментным гидромотором без редуктора: 1 - гидромотор, 2 - опорная плита, 3 - направляющие, 4 - кронштейны гидроцилиндров подачи, 5 - зубчатая муфта, 6 - кожух для подачи сжатого воздуха, 7 - кронштейны кожуха для подачи сжатого воздуха
Следует ожидать, что применение безре-дукторного привода с высокомоментным гидромотором позволит значительно улучшить динамические характеристики буровых тракторных станков, снижая массу, габариты и повысить их надежность.
Кинематическая схема гидравлического привода БТС-150 представлена на рис. 4. Дизельный двигатель передаёт вращение гидронасосу 1 , далее крутящий момент от гидромотора 2 через быстроходную 3 и тихоходную 4 передачи передаётся на трёхшаро-шечное долото 5. Используется аксиально-поршневой гидромотор марки
310.3.250.00.06 и гидронасос 310.3.112.00.06.
Рис. 4. Кинематическая схема привода вращения бурового става БТС-150БГ
Для сглаживания колебаний, описанных в последнем пункте, в гидросистеме БТС-150БГ, БТС-150Г установлены гидропневмо-аккумуляторы [1].
Кинематическая схема безредукторного привода представлена на рис. 5. В данном варианте облегчается сборка машины, повышается надёжность за счет уменьшения количества составляющих элементов.
Рис. 5. Кинематическая схема привода вращения бурового става БТС-150БГ (безредукторный вариант)
Двигатель вращает гидронасос 1 , далее гидромотор 2 через зубчатую муфту 4 с упорным подшипником 3 передаёт вращение на трёхшарошечное долото 5 [1].
Из сказанного вытекают определенные преимущества применения привода без редуктора для вращения бурового става в машинах типа БТС-150:
• отсутствие редуктора облегчает и упрощает уход, обслуживание и несколько снижает стоимость буровой машины;
• коэффициент полезного действия привода без редуктора очевидно, несколько выше;
• привод без редуктора позволяет улучшить компоновку трансмиссии;
• сокращается номенклатура и количество запасных частей, требующихся в эксплуатации.
3. Сравнение безредукторного и редукторного приводов вращения бурового става по параметру надёжности
Согласно классическим воззрениям теории надежности машин [6], если в технической системе отсутствует резервирование, с одной стороны, и отказ любого элемента приводит к отказу системы в целом, с другой стороны, то соединение элементов в системе можно считать последовательным.
Как известно, вероятность безотказной работы системы при последовательном соединении n элементов:
P(t) = A(t) • p2(t)...pn (t), (1)
где pn - отказ n элемента
Очевидно, что чем больше элементов соединено в последовательную схему, тем ниже окажется надёжность всей системы. Машины и изделия с многоэлементным последовательным соединением имеют небольшую надёжность, так как безотказность их работы не может быть выше самого ненадежного элемента [7]. Отказ любого из этих элементов ведёт к простою машины.
Используя данные работы [2], можно оценить привод вращения бурового става БТС-150 с точки зрения надежности.
Рассмотрим редукторную схему на примере привода бурового тракторного станка БТС-150, включающую в себя аксиально-поршневой гидронасос 1, аксиально-поршневой гидромотор 2, быстроходную 3 и тихоходную 4 передачи (рис. 4).
В итоге получаем
Pi(t) = pn(t) • pi2(t) • p0(t) • pM(t). (2)
Тогда как для безредукторной схемы бурового става вероятность безотказной работы с учетом того, что привод включает в себя аксиально-поршневой гидронасос 1, вы-сокомоментный гидромотор 2, упорный подшипник 3, зубчатую муфту 4 (рис. 5):
P2 (t) = p21 (t) • p22 (t) • p23 (t) • p24 (t). (3)
Как известно из теории надежности, для периода нормальной работы объекта превалирующим является экспоненциальный закон распределения [6]:
P(t) = e~K, (4)
где t - текущая координата наработки, которая обычно определяется по штатному мотосчетчику базового трактора буровой машины.
Соответственно, полагаем, что интенсивность отказов K(t) = const.
Для системы последовательно соединенных элементов общая интенсивность отказов будет определяться по формуле
n
Kt) = ЦК. (5)
i=1
Принимаем, что \ - интенсивность отказов привода с редуктором; Л2 - интенсивность отказов привода без редуктора с высо-комоментным гидромотором.
Для оценки надежности необходимо определение следующих параметров:
• интенсивности отказов K(t);
• средней наработки на отказ T0;
• вероятности безотказной работы P(t).
Согласно данным работы [6] считаем, что
для аксиально-поршневого гидронасоса, аксиально-поршневого и высокомоментного гидромоторов значение составляет:
Ли =Л12 =Я21 =Л22 =133-10~6(v~1), где K, K, K, K - интенсивность отказов аксиально-поршневых гидронасосов, низко-моментного аксиально-поршневого и высо-комоментного гидромоторов.
Согласно [8] 1ля тихоходного и быстроходного валов, зубчатого колеса и шестерни
Л\з = 170 -10"6 ч-1; для роликовых подшипников редуктора в количестве 4-х штук
^14 = 90 -10 6 ч-1; для упорного подшипника Л-23 = 65 -10"6 ч-1; для зубчатой муфты
^24 = 6 -10"6 ч-1. Таким образом, интенсивность отказов привода вращения бурового става с редуктором и низкомоментным гидромотором составляет Л[ = = 526 -10_6 ч-1.
Аналогично, интенсивность отказов привода вращения бурового става с высокомо-
ментным гидромотором ^ = 337 -10_6 ч-1.
Средняя наработка на отказ в период нормальной эксплуатации машины (когда действует преимущественно экспоненциальный закон) определяется по формуле
Т = . (6)
общ
Тогда для привода с редуктором она составляет Tol = 1901 ч. Для безредукторного
привода вращения бурового става - Тй =
= 2967 ч.
В рассматриваемом случае для привода вращения бурового става БТС-150 с редуктором имеем:
P(t) = е
-52610 1
Для модернизированного привода вращения бурового става БТС-150 без редуктора с высокомоментным гидромотором:
P(t) = е
-337-10 1
Согласно рекомендациям, приведенным в работе [9], критическим значением вероятности, безотказной работы является 0,7... 0,75 - период, когда необходимо проводить профилактические воздействия, обслуживание, или, как минимум, проводить оценку состояния привода с целью определения необходимости в зависимости от того, какая принята система технического обслуживания: планово-предупредительная или по фактическому техническому состоянию и в случае применения редукторного привода. Период, за который необходимо провести данные мероприятия, равен 500 часам наработки.
Графики изменения вероятности безотказной работы для варианта привода с редуктором и без него представлены на рис. 6.
Рис.6. Графики вероятности безотказной работы для привода вращения
4. Заключение
Из анализа показателей надежности однозначно следует, что так как критический период для безредукторного привода вращения бурового става наступает позже на 500.700 часов наработки на отказ (рис. 6), чем в случае привода с редуктором и низко-моментным гидромотором, то суммарные эксплуатационные затраты в первом случае будут существенно ниже. При этом, стоимость всего механизма оказывается примерно такой же, как и в случае с редуктором. Данное соображение следует учитывать и при проектировании перспективных систем привода для различных машин транспортного строительства.
Таким образом, одним из возможных основных направлений дальнейшего развития приводов вращения бурового става машин типа БТС-150 является отказ от редуктора с одной стороны, с одновременным применением высокомоментного гидромотора типа МР с другой стороны. Такие изменения, очевидно, приведут к некоторым конструктивным изменениям в механизме подачи, в частности, на наш взгляд, целесообразна замена одного гидроцилиндра подачи двумя.
|@ ® ® I
108
Список литературы
1. Гринчар Н.Г., Шошин А.С. Эволюция приводов бурового става буровых машин транспортного строительства на базе промышленных тракторов // Приводы и компоненты машин. 2020. №1. С. 10-14.
2. Вагин В.С. Безредукторный высоко-моментный гидравлический привод передвижных проходческих подъемных устано-вок. Магнитогорск: Магнитогорский гос. технический ун-т им. Г. И. Носова. 2012. 149 с.
3. Труды международного научного симпозиума "Неделя Горняка-2016". Горный информационно-аналитический бюллетень [Электронный ресурс] // ЭБС «Консультант студента» URL: https://www.studentlibrary.ru/book/GK020.html (дата обращения 10.02.2022).
4. Прокофьев В.Н. Динамика гидропривода. М.: Машиностроение. 1972. 292 с.
5. Подэрни Р. Ю. Механическое оборудование карьеров. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2007. 680 с.
6. Решетов Д.Н., Иванов А.С., Фадеев В.З. Надежность машин. М.: Высшая школа. 1988. 237 с.
7. Гриневич, Г.П. Надежность строительных машин. М.: Стройиздат, 1975. 296 с.
8. Корчагин А.Б., Сердюк В.С., Бокарев А.И. Надёжность технических систем и техногенный риск. Омск: ОмГТУ, 2011. 228 с.
9. Гринчар Н.Г. Надежность гидроприводов строительных, путевых и подъемно-транспортных машин. М.: ООО «Издательский дом «Автограф», 2016. 368 с.
10. Гринчар Н.Г., Шошин А.С., Чалова М.Ю. Применение современных буровых машин в транспортном строительстве // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2020. №4 С. 477-485.
11. ГОСТ 27.002-2015 Надежность в технике [Электронный ресурс] // Электронный фонд правовых и нормативно-технических ресурсов. URL: https://docs.cntd.ru/document/ 1200004984 (дата обращения 10.02.2022).
Î References
î 1. Grinchar N.G., Shoshin A.S.
î
J Evolyutsiya privodov burovogo stava
î burovykh mashin transportnogo stroitelstva
î na baze promyshlennykh traktorov. Privody i
î komponenty mashin, 2020, No.1, pp. 10-14.
î (In Russian)
î 2. Vagin V.S. Bezreduktornyy
î vysokomomentnyy gidravlicheskiy privod
î peredvizhnykh prokhodcheskikh podemnykh
î ustanovok. Magnitogorsk, Magnitogorskyy
î gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet
î imeni G.I. Nosova, 2012. 149 p. (In Russian)
î 3. Trudy mezhdunarodnogo nauchnogo
î simpoziuma "Nedelya Gornyaka-2016".
î Gornyy informatsionno-analiticheskiy
î byulleten URL:
î https://www.studentlibrary.ru/ book/GK020
î .html (In Russian)
î 4. Prokofev V.N. Dinamika gidroprivoda.
î Moscow, Mashinostroenie, 1972. 292 p. (In
î Russian)
î 5. Poderni R.Yu. Mekhanicheskoe
î
î oborudovanie karerov. Moscow, Izdatelstvo
î Moskovskogo gosudarstvennogo gornogo
î universiteta, 2007. 680 p. (In Russian)
î 6. Reshetov D.N., Ivanov A.S., Fadeev
î V.Z. Nadezhnost mashin. Moscow, Vysshaya
î shkola, 1988. 237p. (In Russian)
î 7. Grinevich G.P. Nadezhnost stroitelnykh
î mashin. Moscow, Stroyizdat, 1975. 296 p. (In
î Russian)
î 8. Korchagin A.B., Serdyuk V.S., Bokarev
î A.I. Nadyozhnost tekhnicheskikh sistem i
î tekhnogennyy riskA.B. Korchagin. Omsk,
î OmGTU, 2011. 228 p. (In Russian)
î 9. Grinchar N.G. Nadezhnost
î
gidroprivodov stroitelnyh, putevyh i
î podemno-transportnyh mashin. M.: OOO
î «Izdatelskiy dom «Avtograf», 2016. 368 p.
î (In Russian)
î 10. Grinchar N.G., Shoshin A.S., Chalova
î M.Yu. Primenenie sovremennykh burovykh
î mashin v transportnom stroitelstve. Nauchno-
î tekhnicheskiy vestnik Bryanskogo
î gosudarstvennogo universiteta, 2020, No.4,
î pp. 477-485 (In Russian)
î 11. GOST 27.002-2015 Nadezhnost v tekhnike.
|@ ® ® I
109
