Обоснование параметров трансмиссии геохода с волновой передачей
На правах рукописи
Тимофеев Вадим Юрьевич ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСМИССИИ ГЕОХОДА С ВОЛНОВОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово – 2012 2
Работа выполнена в Юргинском технологическом институте (филиале) федераль ного государственного бюджетного образовательного учреждения высшего про фессионального образования «Национальный исследовательский Томский поли технический университет».
Научный консультант: доктор технических наук Аксенов Владимир Валерьевич
Официальные оппоненты: Буялич Геннадий Даниилович, доктор технических наук, доцент, Кузбасский государственный технический университет, профессор Мартынов Георгий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, доцент
Ведущая организация: ООО «Юргинский машзавод»
Защита состоится 24 мая 2012 года в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.102.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учре ждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28. Факс (3842) 39-69-60.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственно го бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального обра зования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева».
Автореферат разослан «» апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета А.Г. Захарова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
В настоящее время на шахтах Кузбасса на один миллион тонн добытого угля приходится около 4,7 километров подземных горных выработок, проводимых c использованием проходческих комбайнов. Объем проведенных горных выработок в Кузбассе за 2011 год составляет около 400 км. В соответствии с Долгосрочной Программой развития угольной промышленности России на период до 2030 года намечено увеличение объемов добычи угля подземным способом в 1,3 раза. Ожи даемый объем проведения горных выработок к 2030 году может составить 500…550 км в год.
За всю историю метрополитена России сооружено 480 км линий метро. В рамках развития строительства подземных линий метро в ближайшие 15 лет пла нируется проложить еще 160 км.
Существующее горнопроходческое оборудование (проходческие комбайны и щиты) накопило в своем развитии ряд существенных недостатков: создание тяго вых и напорных усилий происходит за счет массы проходческого оборудования;
большая металлоемкость оборудования;
ограниченность применения по углам на клона проводимой выработки;
низкие скорости проходки.
Одним из перспективных направлений в решении проблемы проведения го ризонтальных и наклонных выработок является геовинчестерная технология, ба зовым элементом которой, является геоход – аппарат, движущийся в подземном пространстве с использованием геосреды. Одной из основных систем геохода, оп ределяющей его работоспособность, является трансмиссия.
В последнее время получают распространение (в том числе и в трансмиссиях горных машин) механизмы с относительно новой механической передачей – вол новой передачей с промежуточными телами качения (ВППТК). Данная передача обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с передачами, тради ционно используемыми в трансмиссиях горных машин: большие предаваемые вращающие моменты, большие передаточные числа, меньшая металлоемкость.
Отсутствие технически и научно обоснованных решений трансмиссии геохо да с волновой передачей и методик определения ее параметров сдерживает рабо ты по созданию геоходов нового поколения. Поэтому исследования, направлен ные на обоснование параметров трансмиссии геоходов с волновой передачей, яв ляются актуальными.
Цель работы – разработать схемные, конструктивные решения и обосновать геометрические и силовые параметры трансмиссии геохода с волновой передачей.
Идея работы заключается в использовании волновой передачи с промежу точными телами качения в трансмиссии геохода.
Задачи работы:
1. Разработать схемные и конструктивные решения трансмиссии геохода.
2. Разработать математическую модель взаимодействия элементов волновой передачи с промежуточными телами качения в трансмиссии геохода.
3. Определить влияние внешних силовых факторов на геометрические пара метры волновой передачи с промежуточными телами качения в трансмиссии гео хода.
Методы выполнения исследований:
- метод системного анализа и синтеза технических систем;
- метод математического моделирования взаимодействия геохода с геосредой и взаимодействия элементов трансмиссии геохода;
- аналитические методы расчетов технической механики;
- методы компьютерного моделирования с использованием программных средств SolidWorks 2010;
- метод конечных элементов (МКЭ) с использованием программных средств SolidWorks Simulation 2010.
Научные положения, выносимые на защиту:
- конструктивное решение трансмиссии геохода на основе роликовой ВППТК с неподвижным сепаратором обеспечивает непрерывное вращение движителя гео хода с необходимым вращающим моментом;
- размеры ролика и сепаратора передачи являются взаимовлияющими и оп ределяют основные параметры ВППТК. Диаметр и длина ролика прямо пропор циональны передаваемому вращающему моменту и обратно пропорциональны квадрату среднего радиуса сепаратора;
- в центральной части геохода размер свободного пространства, достаточного для размещения транспортного оборудования и обслуживания исполнительного органа, обеспечивается использованием в трансмиссии ВППТК с полым валом, и однозначно определяется разработанной математической моделью взаимодейст вия элементов трансмиссии.
Научная новизна:
- получены аналитические выражения для определения необходимого вра щающего момента трансмиссии геохода с учетом его непрерывного движения в геосреде;
- впервые разработаны конструктивные решения трансмиссии геохода с ВППТК с полым валом, реализующие необходимый вращающий момент, и обес печивающие свободное пространство в центральной части геохода;
- разработана математическая модель взаимодействия элементов ВППТК в трансмиссии геохода, позволяющая определять ее основные параметры, в зависи мости от размеров геохода, значений необходимого вращающего момента, и тре буемого габарита внутреннего пространства;
- определено влияние внешних силовых факторов на геометрические пара метры трансмиссии геохода с ВППТК.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомен даций, сформулированных в диссертационной работе, обеспечиваются примене нием апробированной исходной математической модели взаимодействия геохода с геосредой, экспериментально проверенной на натурном образце геохода, кор ректностью допущений при усовершенствовании математической модели для оп ределения усилий, необходимых для перемещения геохода;
результаты работы получены с помощью апробированных современных методов расчета, компью терного моделирования и гарантируются использованием фундаментальных по ложений механики, прикладной математики, динамики машин.
Личный вклад автора:
- усовершенствована математическая модель взаимодействия геохода с гео средой в совмещенном режиме его перемещения;
- разработаны схемные и конструктивные решения трансмиссии геохода с ВППТК с полым валом;
- разработана математическая модель взаимодействия элементов ВППТК в трансмиссии геохода;
- разработана методика расчета силовых параметров трансмиссии геохода с ВППТК;
- получены зависимости конструктивных параметров трансмиссии геохода с ВППТК от внешних воздействующих факторов.
Практическая ценность работы.
Предложенные конструктивные решения трансмиссии геохода с ВППТК и разработанная методика определения параметров трансмиссии, учитывающая многообразие возможных компоновок ВППТК в трансмиссии геохода, могут быть использованы проектировщиками при создании новых образцов горнопроходче ской техники.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты работы были использованы при выполнении НИОКР в рамках государственных контрактов №78-ОПН-07п от 10 августа 2007 г. и №26-ОП-08 от 04 февраля 2008 г. «Разработка специальной технологии проходки аварийно спасательных выработок в завалах при ликвидации техногенных катастроф».
Методика определения параметров трансмиссии горной техники использова на при проектировании горнопроходческой техники в Особом Конструкторском Бюро ООО «Юргинский машзавод».
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на между народных и всероссийских научно-практических конференциях: «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2008-2011), «Машинострое ние – традиции и инновации» (Юрга, 2011), «Энергетическая безопасность Рос сии» (Кемерово, 2008-2010), «Перспективы развития Восточного Донбасса» (Но вочеркасск, 2008, 2010), «Новые технологии в угольной отрасли» (Белово, 2009), на международном научно-методическом семинаре «Современные проблемы тех носферы и подготовки инженерных кадров» (Сусс, Тунис, 2009), на «Форуме гор няков» (Днепропетровск, Украина, 2010, 2011).
Публикации.
По теме диссертации всего опубликовано 40 печатных работ, основные ре зультаты работы опубликованы в 18 печатных работах, в том числе 14 статей в изданиях, рекомендованных ВАК России, получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы.
Диссертация изложена на 145 страницах текста, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 73 наименований, содержит рисунка, 13 таблиц и 2 приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформули рована цель и идея, научные положения, выносимые на защиту, научная новизна, обоснованность и достоверность научных положений, практическая значимость.
В первой главе рассмотрены существующие конструкции геоходов и их трансмиссий. Также приведен обзор и анализ трансмиссий, нашедших примене ние в проходческих комбайнах и щитах традиционного исполнения, а также в другой горной технике.
Разработке и совершенствованию геовинчестерной технологии, геоходов, а также горнопроходческого оборудования в целом посвящены работы А.Ф. Элле ра, В.В. Аксенова, В.Ф. Горбунова, В.Ю. Садовца, В.И. Солода, В.Н. Гетопанова, В.М. Рачека, В.Х. Клорикьяна, В.В. Ходоша, А.В. Топчиева, Н.А. Малевича, С.М.
Эткина, В.М. Симоненко, Л.Е. Маметьева и других.
В результате анализа существующих проходческих систем установлено, что трансмиссии перемещения традиционных горных машин принципиально отлича ются от трансмиссий геоходов как по кинематическим схемам, так и по развивае мым силовым и кинематическим параметрами. Непосредственное их использова ние в трансмиссии геохода невозможно. Также неприменимы для проектирования трансмиссии геоходов существующие методики расчета силовых и прочностных параметров трансмиссий горнопроходческой техники.
Проведен обзор технической и патентной литературы, рассмотрено состоя ния вопроса по волновым передачам с промежуточными телами качения. Сущест венный вклад в исследование волновых передач с промежуточными телами каче ния внесли: А.Е. Беляев, Э.Н. Панкратов, Е.А. Ефременков, В.С. Степанов. Выяв лены основные преимущества ВППТК перед другими, применяемыми в горном машиностроении: высокие передаточные отношения, большая нагрузочная спо собность, низкая металлоемкость, высокий кпд.
Во второй главе выявлены особенности работы трансмиссии геохода и раз работаны требования к трансмиссиям геоходов нового поколения, основными из которых являются:
- обеспечение непрерывности подачи геохода на забой;
- обеспечение вращающего момента на внешнем движителе достаточного для продвижения головной и стабилизирующей секций геохода и для создания доста точного напорного усилия;
- размеры и расположение трансмиссии и привода должны оставлять свобод ное пространство внутри агрегата для удаления породы из призабойной зоны, размещения транспортного оборудования и обслуживания исполнительного орга на;
- трансмиссия и привод должны быть смонтированы на единой конструктив ной базе геохода.
Для определения величины необходимого вращающего момента МВР за осно ву принята конструктивная схема двухсекционного геохода ЭЛАНГ-4, к которой приложены активные и реактивные силы и моменты (рисунок 1).
PТ – тяговое усилие вин- RНАВ – реакция пород тового движителя;
контура выработки на PО – проекции полной винтовую лопасть (ре силы сопротивления акция навивки);
вмещающей породы ре- RИО – проекция полной занию на ось вращения;
силы сопротивления PВЗ – усилие взаимодей- пород резанию на плос ствия головной и стаби- кость перпендикуляр лизирующей секций при ную оси вращения;
движении агрегата;
TНАВ – силы трения PВВЛ – усилие внедрения винтовой лопасти по винтовой лопасти в при- вмещающей породе;
контурный массив при TГ.ОБ – суммарная сила движении агрегата, зави- трения головной обо сящее от вида исполни- лочки по вмещающей тельного органа уста- породе;
новленного перед ней;
TИО – сила трения ис PВН – суммарное усилие полнительного органа внедрения элементов (ИО) по вмещающей противовращения в по- породе;
роду;
TОС – суммарная сила PГН – нормальная со- трения качения остано ставляющая нагрузок от ва;
горного давления на го- TЭП – суммарная сила ловную секцию;
трения элементов про PХН – нормальная со- тивовращения о поро ставляющая нагрузок от ду;
горного давления на ста- TХ.ОБ – суммарная сила билизирующую секцию;
трения стабилизирую PЭП – нормальная со- щей секции о породу;
ставляющая реактивной силы на элементах про тивовращения от реак тивного крутящего мо мента;
MВР – необходимый вращающий момент;
МГМ – вращающий момент, необходимый для перемещения разрушенной породы из нижней части геохода вверх;
МИО – вращающий момент сопротив ления резанию на ИО;
МТИО – вращающий момент сопротивления, создаваемый трением ИО по породе;
MР – реактивный вращающий момент на стабилизирующей секции;
GГ – вес головной секции, с учетом смонтированных на ней ИО, и другого оборудования;
GГМ – вес отбитой горной массы, находящейся внутри агрегата;
GХ – суммарный вес стабилизирующей секции с оборудо ванием;
rГ – радиус головной секции;
rОС – радиус по середине шариков останова;
rЭП – расстояние от оси вращения до середины элементов противовращения;
rХ – радиус стабилизирующей сек ции;
r0 – радиус центрального патрубка ИО геохода;
hЛ – высота винтовой лопасти;
– угол подъема выработки;
– угол подъема винтовой лопасти;
– средний угол между плоскостью пере крытия исполнительного органа и плоскостью, перпендикулярной оси вращения;
– угловая скорость вращения геохода.
Рис. 1 – Взаимодействие геохода с геосредой. Схема сил Математическая модель взаимодействия геохода с геосредой учитывает од новременное перемещение двух секций геохода с непрерывной подачей на забой и позволяет определить МВР, RНАВ и РТ:
h h M ВР = RНАВ sin rГ + Л + tg ТР cos rГ + Л M Z, П (1) 2 где M Z = M ГМ M ИО M ТИО Т Г.ОБ cos rГ TOC rOC PВВЛ cos ( rГ + hЛ / 2 ).
f MZ ТР PZ rЭП RНАВ =, (2) hЛ hЛ cos tgТР sin sin ( rГ + ) tgТР cos ( rГ + ) П П 2 где PZ = PBH + G X sin ( ± ) TХ.ОБ PO + ( GГ + GГМ ) sin ( ± ) TГ.ОБ sin TИО sin PВВЛ sin.
PТ =RНАВ cos (3) Установлено влияние диаметра проводимой вы работки D на величину МВР. Наибольший рост не обходимого вращающего момента происходит при изменении диаметра от до 5 м в рассматриваемом диапазоне, что объясняется увеличением площади его наружней поверхности и воздействия сил горного давления, и, как следствие, увеличением сил трения по Рис. 2. Влияние диаметра геохода D на величину наружней поверхности.
необходимого вращающего момента МВР Изменение угла наклона выработки влияет незначительно на величину необходимого вращательного момента (относительное изменение не более 10%). Для геохода ЭЛАНГ-4 диамет ром 3,7 м необходимый вращающий момент МВР=1,75106 Нм.
В третьей главе разработаны схемные и конструктивные решения трансмис сии геохода с роликовой однорядной ВППТК с полым валом. Исходя из конст рукции ВППТК возможны два базовых варианта ее компоновки в трансмиссии геохода: с зафиксированным венцом (рисунок 3а) и зафиксированным сепарато ром (рисунок 3б). В первом варианте зубчатый венец 2 зафиксирован на стабили зирующей секции 3, а сепаратор 4 являясь выходным звеном, передает вращение головной секции 1 через ролики 6 (рисунок 3а). Во втором варианте сепаратор зафиксирован на стабилизирующей секции 3, а зубчатый венец 2, являясь выход ным звеном, передает вращение головной секции 1 через ролики 6 (рисунок 3б).
Входным элементом передачи является эксцентриковый генератор волн 5, выпол ненный в виде полого вала.
Рис. 3. Базовые схемные решения трансмиссии геохода с ВППТК На основе базовых схемных решений разработан ряд конструктивных реше ний трансмиссии геохода с ВППТК, анализ которых на соответствие требовани ям, предъявляемым к трансмиссии геохода, показал, что наиболее приемлемым является решение с зафиксированным сепаратором. На одно из решений получен патент на изобретение №2418950 от 20.09.2011 (рисунок 4).
1 – головная секция геохода, 2 – зубчатый венец, 3 – стабилизирующая секция, 4 – сепаратор, – генератор волн (полый вал), 6 – ролики ВППТК, 7 – двигатель, 8 – выходной фланец двигате ля, 9 – опоры качения Рис. 4. Конструктивная схема трансмиссии геохода В четвертой главе определены параметры силового распределения в эле ментах ВППТК: генераторе волн, сепараторе и зубчатом венце, параметры тел ка чения и влияние внешних силовых факторов на геометрические параметры ВППТК в трансмиссии геохода. Вращающий момент на зубчатом венце МВ дол жен быть больше необходимого внешнего момента МВР (рисунок 5):
Z РЗ М В = FВXi RСср М ВР, (4) i = где FBXi=FBisini – проекция реакции зубчатого венца от воздействия i-го ролика на ось xi, Н;
i – угол передачи движения для i-го ролика, град;
RСср – средний ра диус сепаратора передачи, м;
RСср=dPZ(1+KWП)/2;
KWП – коэффициент ширины перемычки сепаратора;
ZРЗ – число роликов в передаче одновременно находящих ся в зацеплении, ZРЗ=КРЗZ;
КРЗ – коэффициент числа роликов одновременно на ходящихся в зацеплении;
Z – общее число роликов в передаче.
Рис. 5. Схема приложения сил и моментов в ВППТК Вращающий момент на генераторе волн МГ:
МГ = МВ q, (5) где q – передаточное отношение передачи.
Передаточное отношение передачи при зафиксированном сепараторе:
q = Z + 1, (6) где Z – число роликов в передаче.
Реактивный момент на сепараторе волн МС уравновешивается реакцией в за делке сепаратора и пропорционален отношению Z к q:
М C = ( Z q ) М ВР (7) Так как в передаче одновременно находятся в зацеплении 30…50% от обще го числа роликов (т.е. КРЗ=0,3…0,5), то для определения реактивных сил взаимо действия элементов передачи и нагрузок необходимо установить силовое распре деление в зацеплении на участке силового контакта роликов (угол зацепления *).
Нормальная сила реакции на одной перемычке сепаратора:
МC FСi = (8) RСср Z РЗ Сила трения скольжения ролика по перемычке сепаратора:
FТРi = FСi tgТР, (9) где ТР – угол трения стали по стали.
Полная сила реакции на одной перемычке сепаратора:
' FCi = FCi cosТР (10) Сила реакции генератора волн от воздействия одного ролика:
cos i FГi = FCi (11) sin( i + i ) Во время поворота генератора на угол * ролик находится в равновесии под действием реакций сепаратора, генератора, венца и силы трения о поверхность пе ремычки сепаратора (рисунок 6). Сила реакции зубчатого венца от воздейст вия одного ролика:
cos i FВi = FГi (12) cos i Так как углы и меняются в зависи мости от изменения Г, то на участке угла зацепления * силы воздействуют на генератор волн и зубчатый венец не одинаково и зависят от угла поворота генератора волн Г. Для диаметра гео хода 3,7 м, при МВ=1,75106 Нм и КРЗ=0,3 построены графики зависимо стей усилий: венца FВ, генератора FГ и сепаратора F’C от текущего угла пово рота генератора Г (рисунок 7). На на чальном этапе поворота генератора имеет место скачкообразное изменение усилий в генераторе FГ и венце FВ:
FВ max FГ max 16, (13) Рис. 6. План сил, приложенных к ролику FВср FГср что позволяет при дальнейшем силовом расчете элементов ВППТК ввести коэф фициент неравномерности нагрузки КНН=16.
Рис. 7. Влияние угла поворота генератора волн Г на усилия, возникающие в элементах ВППТК Установлено, что параметром, связывающим нагрузочную способность пе редачи и ее геометрические параметры, являются длина LC и диаметр dP ролика.
Длина ролика определяется из условия контактной прочности в контактной паре «перемычка сепаратора – ролик». Усилия в венце FВ, генераторе FГ и сепараторе F’C распределяются по линии контакта данных элементов с роликом и создают распределенные нагрузки fВ, fГ, fС соответственно (рисунок 8).
Рис. 8. Нагрузка на ролике Распределенная нагрузка на перемычке сепаратора:
' FC MВ fC = =, (14) LC LC q RCcp K РЗ cosТР где LC – длина контакта ролика с сепаратором, м.
Контактные напряжения в контактной паре «перемычка сепаратора – ролик» описываются уравнением частного случая контактной задачи Герца и не должны превышать допускаемых контактных напряжений материала сепаратора:
E1 E fC H = H, C (15) ПР E1 ( 1 2 ) + E2 ( 1 1 ) 2 где ПР – приведенный радиус кривизны в месте контакта, м;
ПР=2dP;
E1, E2 – модули упругости материалов ролика и сепаратора, Па;
µ1, µ2 – коэффициенты Пуассона материалов ролика и сепаратора;
– допускаемые контактные на C H пряжения материала сепаратора, Па.
Минимальная длина ролика из условия контактной прочности:
2 M В K НН E1 E LC (16) E1 ( 1 2 ) + E2 ( 1 12 ) 2 H RСср K РЗ cos ТР С 2 Минимальный диаметр ролика определяется из условий прочности на срез и жесткости перемычки сепаратора. Усилие на перемычке F’C выражается через вращающий момент на венце МВ:
MВ FC = ' (17) RСср K РЗ q cosТР Площадь перемычки сепаратора:
S ПС = H С WП = K HC KWП d Р, (18) где HC – толщина сепаратора, м;
WC – ширина перемычки сепаратора по среднему радиусу, м;
КНС – коэффициент диаметра ролика.
Касательные напряжения в перемычке сепаратора должны быть меньше до пускаемых касательных напряжений при циклических нагрузках для материала сепаратора:
MВ [ ] = (19) RCcp K РЗ q K HC KWП d Р cos ТР Минимальный диаметр ролика из условия прочности перемычки:
M В ( 1 + KWП ) K НН dР (20) 2 K НН K РЗ K HC KWП RСср [ C ] cos ТР Из выражений (16) и (20) следует, что размеры ролика и сепаратора являются взаимовлияющими и определяют основные параметры ВППТК. Диаметр и длина ролика зависят от передаваемого вращающего момент и среднего радиуса сепара тора.
Проверка выполнения условия жесткости перемычки сепаратора осуществ лялась с применением МКЭ. Для чего, с использованием программного продукта SolidWorks Simulation 2010, была создана трехмерная модель нагружения сепара тора с изменяющимися параметрами (рисунок 9).
Ограничения Сила FС Рис. 9. Трехмерная модель нагружения сепара- Рис. 10. Эпюра результирующих тора ВППТК (диаметр геохода 3,7 м, dP=80 мм) перемещений в сепараторе (dP= мм, µСmax=0,004 мм) В соответствии с разработанной математической моделью к перемычкам се паратора были приложены нагрузки, определены граничные условия и заданы па раметры материала модели. Получен ряд эпюр результирующих перемещений се паратора при различных значениях МВ, F’C и dP (рисунок 10). Критерием оценки предельного состояния жесткости сепаратора послужили следующие допущения:
перемещения в сепараторе µС должны быть меньше допуска на изготовление па зов сепаратора ТП;
допуск на изготовление роликов (по ГОСТ 25255-82) и допуск ширины паза перемычки сепаратора равны. График результирующих перемеще ний в перемычке сепаратора µС по строенный по ре зультатам моде лирования (рису нок 11), показыва ет, что требуемая жесткость сепара тора в рассматри ваемом диапазоне достигается в ин тервале dP от мм и более.
Рис. 11. Результаты моделирования изменения перемещений в сепараторе ВППТК На основании полученной математической модели взаимодействия и схемы зацепления ВППТК определены геометрические соотношения основных элемен тов (рисунок 12).
Рис. 12. Геометрические параметры передачи Средний радиус сепаратора:
z ( d Р + WП ) RСср = (21) Толщина генератора волн без учета величины эксцентриситета:
H Г = K Г dР, (22) где КГ – коэффициент толщины генератора волн.
Радиус генератора волн:
RГ = RCвн e, (23) где RСвн – внешний радиус сепаратора, м, RСвн= RСср+0,5Hc;
е – эксцентриситет передачи, м, е=КЕdP;
КЕ – коэффициент эксцентриситета передачи;
– зазор в передаче, м, =КdP;
К – коэффициент зазора в передаче.
Наружний диаметр передачи:
DН = 2 ( RН + H В ), (24) где RН – наружний радиус зубьев венца, м;
НВ – толщина зубчатого венца, м, НВ=КВdP;
КВ – коэффициент толщины венца.
Диаметр свободного пространства в генераторе волн:
z ( 1 + KWП ) DСП = d Р K HC 2 K E 2 K 2 K Г (25) D К СП = СП Коэффициент свободного пространства: (26) DН Геометрически диаметр свободного пространства DСП определяется внутрен ним радиусом генератора RГ и зависит от толщины генератора волн HГ и коэффи циента толщины генератора КГ. По выражениям (25), (26) построен график изме нения коэффициента КСП в зависимости от диаметра ролика передачи, при фикси рованном значении наружнего диаметра DН=3,7 м, и при различных значениях ко эффициента КГ (рисунок 15).
Минимально допустимое значение ко эффициента свободного пространства получено из опыта проектирования геоходов ЭЛАНГ-4 и ЭЛАНГ-4, у кото КСПmin=0,65…0,75, рых принято КСПmin=0,65. На участке графика от до 200 мм диаметра ролика, для обес печения КСП0,65, необходимое значе ние коэффициента КГ изменяется в ин тервале от 5,5 до 1,3, причем меньшему значению диаметра ролика соответст вует большее значение коэффициента КГ.
Значение толщины зубчатого венца НВ зависит от диаметра ролика и связа но с ним коэффициентом КВ. Для опре Рис. 15. Зависимости КСП от dP при деления значения коэффициента КВ с различных значениях КГ помощью МКЭ создана трехмерная модель нагружения зубчатого венца с изме няющимися параметрами, к которой, в соответствии с математической моделью взаимодействия, приложены нагрузки. Получен ряд эпюр результирующих пере мещений в зубчатом венце µВ при различных значениях КВ, по которым построе ны графики результатов моделирования (рисунок 13). Критерием необходимой жесткости венца послужило следующее допущение: результирующие перемеще ния в зубчатом венце µВ не должны пре вышать 1% от эксцентриситета передачи из условия обеспечения зацепления в ВППТК. Величина коэффициента КВ в интервале диаметра ролика от 80 до мм колеблется в пределах 3,7…2,7, при чем меньшим значениям диаметра соот ветствует большее значение коэффици ента.
Рис. 13. Результаты моделирования изме нения перемещений в зубчатом венце Заключение В диссертации решена актуальная задача обоснования параметров трансмис сии геохода с волновой передачей с промежуточными телами качения, что вносит существенный вклад в горное машиностроение и экономику страны.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1.Установлено, что конструктивные решения трансмиссий традиционных горных машин (проходческих комбайнов и щитов), напрямую неприменимы в трансмиссии геохода, в виду существенных функциональных и конструктивных различий, а также различий в принципе работы. Отсутствуют требования и науч но обоснованный подход к созданию новых схемных и конструктивных решений трансмиссии геохода.
2. На основании выявленных особенностей работы геохода сформулированы требования к трансмиссии, основными их которых являются: трансмиссия должна обеспечивать непрерывное перемещение агрегата на забой;
трансмиссия должна обеспечивать вращающий момент на внешнем движителе достаточный для про движения головной и стабилизирующей секций геохода и создание напорного усилия;
размеры и расположение трансмиссии и привода должны оставлять дос таточное свободное пространство внутри агрегата.
Усовершенствованная математическая модель взаимодействия двухсекцион ного геохода с геосредой, учитывает непрерывное вращательно-поступательное перемещение геохода. Установлено, что необходимый вращающий момент для геохода диаметром 3,7 м равен 1,75106 Нм. Анализ зависимости изменения необ ходимого вращающего момента показывает, что, угол наклона выработки сущест венно не влияет на вращающий момент, т.к. относительная разница момента при изменении угла наклона выработки от +30° до -30° составляет не более 10%. Су щественное влияние оказывает диаметр выработки (геохода): при изменении диа метра геохода от 3 до 5 м происходит рост вращающего момента в 6,9 раза.
3. Разработаны конструктивные решения трансмиссии геохода с ВППТК с полым валом, соответствующие требованиям, предъявляемым к трансмиссиям геоходов нового поколения.
Получены аналитические зависимости для определения развиваемого транс миссией вращающего момента, параметров силового распределения в элементах ВППТК, а также зависимостей для определения минимальных длины и диаметра ролика. Установленные параметры силового распределения в элементах ВППТК показывают наличие максимальных реактивных усилий, что определяет необхо димость введения коэффициента неравномерности нагрузки KНН (KНН16 для гео хода диаметром 3,7 м).
Разработана математическая модель взаимодействия элементов ВППТК трансмиссии двухсекционного геохода при непрерывном режиме его перемеще ния, которая определяет параметры силового распределения в передаче, а также кинематические и геометрические соотношения, с учетом их взаимного влияния, в зависимости от вращающего момента и заданных условий работы геохода.
4. Анализ зависимостей влияния нагрузок на перемещения в зубчатом венце, при различных значениях коэффициента толщины зубчатого венца КВ, показал что, на участке графика от 80 до 200 мм диаметра ролика, только при значениях КВ=3,7…2,7 обеспечиваются перемещения в пределах допустимых значений. По лучена аналитическая зависимость влияния диаметра ролика на величину свобод ного пространства в центральной части геохода. Анализ зависимости показал, что на участке от 80 до 200 мм диаметра ролика, для обеспечения значения коэффи циента свободного пространства КСП0,65, значение коэффициента КГ изменяется в интервале от 5,5 до 1,3 соответственно.
Основное результаты диссертационной работы опубликовано в следующих научных трудах:
Статьи в изданиях рекомендованных ВАК 1. Разработка математической модели взаимодействия геохода с геосредой / В.В. Аксенов, А.А. Хорешок, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев // Горный инфор мационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2011 – ОВ №2. С. 79-91.
2. Разработка и анализ возможных вариантов гидро- и электропривода в трансмиссии геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю.
Блащук // Вестник КузГТУ/ Кемерово, 2010 – № 3. С. 7-14.
3. К вопросу о применении редукторного привода в трансмиссии агрегата для проведения аварийно-спасательных выработок (геохода) / В.В. Аксенов, М.Ю.
Блащук, В.Ю. Тимофеев, В.Ф. Горбунов // Горный информационный аналитиче ский бюллетень. Промышленная безопасность и охрана труда на предприятиях топливно-энергетического комплекса / Москва, МГГУ, 2011 – ОВ №9. С. 25-36.
4. К вопросу о создании новой технологии аварийно-спасательных выработок при ликвидации техногенных катастроф / В.В. Аксенов, В.Ю. Тимофеев, А.В. Са пожкова, В.Ф. Горбунов // Горный информационный аналитический бюллетень.
Промышленная безопасность и охрана труда на предприятиях топливно энергетического комплекса / Москва, МГГУ, 2011 – ОВ №9. С. 60-68.
5. Разработка и анализ возможных вариантов гидропривода в трансмиссии геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Гор ный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Мо сква, МГГУ, 2010 – ОВ №3. С. 184-193.
6. Анализ возможных вариантов электропривода и механических передач в трансмиссии геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю.
Блащук // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машино строение / Москва, МГГУ, 2010 – ОВ №3. С. 154-163.
7. Разработка и анализ возможных вариантов гидропривода в трансмиссии геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Гор ный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Мо сква, МГГУ, 2010 – ОВ №3. С. 184-194.
8. Обзор волновых передач возможных к применению в трансмиссии геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Горный ин формационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2010 – ОВ №3. С. 137-149.
9. Обзор трансмиссий горной техники / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Горный информационный аналитический бюл летень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2010 – ОВ №3. С. 55-66.
10. Моделирование взаимодействия корпуса носителя геохода с геосредой / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук // Горный инфор мационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2010 – ОВ №3. С. 41-48.
11. Формирование требований к основным системам геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Садовец, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук, В.Ю. Бегляков // Горный информационный аналитический бюллетень. Перспективы развития гор но-транспортных машин и оборудования / Москва, МГГУ, 2009 – ОВ №10.
С. 107-118.
12. Разработка требований к трансмиссии геоходов / А.Б. Ефременков, В.В. Аксенов, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев // Известия вузов. Горный журнал / Екатеринбург, 2009–№ 8. С. 101-103.
13. Обоснование необходимости разработки трансмиссии геоходов / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев // Вестник Куз ГТУ / Кемерово, 2009– № 3. С. 24-27.
14. Разработка требований к основным системам геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Бегляков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев, А.В. Сапожкова // Горное оборудование и электромеханика / Москва, 2009– №5. С.3-7.
Статьи в прочих изданиях.
15. Разработка модели взаимодействия геохода с геосредой / Тимофеев В.Ю.
/ Материалы международной конференции «Форум горняков – 2011». – Д.: Госу дарственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет», 2011. – С. 186-190.
16. Синтез компоновочных решений трансмиссии геохода с волновой пере дачей с промежуточными телами качения / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев, А.В. Сапожкова // Перспективы развития Восточ ного Донбасса. Часть 1: сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ).
– Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2010. С. 102-107.
17. Разработка требований к основным системам геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев, А.В. Сапожкова // Современные проблемы техносферы и подготовки инженерных кадров: III Международный на учно-методический семинар – Сусс (Тунис), Донецк, Дон ПТУ, 22 окт. –1 нояб.
2009. – Донецк: [s.n.], 2009. – с. 123-129.
18. Патент на изобретение №2418950 RU / Проходческий щитовой агрегат (геоход) / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Тимофеев, В.Ю. Бегляков, М.Ю.
Блащук. – Опубл. 20.05.2011.
Подписано к печати 17.04. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе.
Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им Т.Ф. Горбачева».
650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им Т.Ф. Горбачева».
650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.